计算机组成概述（2.2存储系统）

计算机组成原理——2.2 存储系统

一、主存存储器与CPU的连接

单个存储芯片的容量可能不是很大，往往需要通过存储器芯片拓展技术，把多个芯片集成在一个内存条上，然后由多个内存条+主板上的ROM芯片，组成计算机所需要的主存空间。

内存条插槽就是存储器总线。内存条通过总线与主板相连，然后链接到CPU。

由于单个存储芯片的容量是有限的，在字数或者字长上与实际的存储器要求都有差距。因此，需要在字和位两个方面进行扩充。通常采用的方法如下：

• 位拓展法：使数据总线宽度=存储芯片宽度（数据总线）
• 字拓展法：拓展主存字数（地址总线）
• 字位同时拓展

1、位扩展

当 CPU的数据线数 与 存储芯片的数据位数 不相等时，就进行位扩展。（针对数据总线）

用多个存储芯片扩充存储字长

举个栗子：

• 有一个8k*1位的芯片，8k对应了2的13次方

  所以需要13根地址线表示地址，将其和CPU连接起来

• 假设现在数据总线有8位，那我们就可以链接八个这样的芯片

  每传进来一个八位的数据，就由这八块芯片，分别存储这八位数据的其中一位。

• 由上可知，地址总线、读写控制信号线（WE）、片选信号（CS），由这八个芯片共同使用。

2、字扩展法

当CPU的地址线数与存储芯片的地址位数不相等时，就进行字扩展。（针对数据总线）

该方法把多出来的地址引脚接到译码器上，用译码器区分不同的片选信号，由这些片选信号来启动不同的存储芯片。

地址总线（部分）、数据总线、读写控制信号线（WE）由这些芯片共同使用。片选信号（CS）接上译码器使用

3、字位同时扩展

有了前面的理解，我们直接上原理图

16k的存储，对应2的14次方。所以需要使用14条线来表示。

采用字位同时扩展时，各个芯片连接地址线的方式相同

但连接数据线的方式不同。且片选信号需要连接译码器。

二、存储芯片的地址分配和片选

CPU选择存储芯片的操作叫做片选。

选中后，为选中的芯片按照地址码，选择相应的存储单元，用来存储数据。这个操作叫做字选。

片内的字选，通常是由CPU送出的N条低位地址线完成的。

地址线直接连到所有存储芯片的地址输入端

N由片内存储容量$ 2^{N} $决定。

片选信号的产生分为线选法，译码片选法

1、线选法

使用专门的地址线直接链接（或者加个反相器），接到存储芯片上。

• 由于是直接链接到存储芯片，当专用的地址线，**有两个及以上的片选信号发出时，会造成访问冲突。

• 举个栗子，比如只有两个存储芯片，线选法就只能在专门的地址线，比如最高位两位，选择控制芯片.
• 如果此时最高位同时为00，或者11，就会导致访问数据出现问题
• 而且会导致存储地址不连续。00xxxxxx和11xxxxxx的地址就是不可用的，可以看出有一定的局限性

2、译码片选法

就是使用译码器，用来产生片选信号。可以通俗的理解为，把8421码转成单独的一个个片选输出

虽然在连接过程中，需要接入译码器芯片，但是n条线可以产生$ 2^{n} $个片选信号，二千地址空间连续，实用性更高

三、外存储器

磁表面存储器，是指把某些磁性材料薄薄地涂在铝或者塑料表面上，作为记忆载体，一次存储信息。磁盘、磁带、磁鼓存储器都是磁表面存储器

1、磁盘存储器

磁盘存储器的优点：

• 存储容量大，位价格低。相同价位下，机械硬盘的存储容量会比固态硬盘的大

• 存储介质可以重复使用

• 记录信息可以长期保存而不丢失，可以脱机存档

• 非破坏性读出，读出时不需要再生

缺点：

• 存取速度慢
• 机械结构比较复杂
• 对工作环境要求比较高（容易受到强磁场的干扰）

1. 磁盘设备的组成

由磁盘驱动器，磁盘控制器和盘片组成

• 磁盘驱动器的核心部件是磁头和盘片。温彻斯特盘是一种可移动磁头，固定盘片的存储器
• 磁盘控制器，硬盘和主机的接口，常见的有IDE、SCSI、SATA

• 存储区

  • 一块硬盘有很多个盘片，也就是记录面，每个记录面划分为若干个磁道，每条磁道划分为若干个扇区（也称为块）。扇区是磁盘读写的最小单位。磁盘按照块来存取。

  • 磁头数-Heads：也就是记录面数，表示硬盘一共有多少个磁头。磁头用来读取、写入盘片的信息，一个记录面对应一个磁头

  • 柱面数-Cylinder：表示硬盘的每个盘片上有多少个磁道。这个名词可以理解为，有一叠盘片，这些盘片上，相同位置（编号）的磁道们构成一个圆柱的面

    说柱面号的时候，就是指明某一条磁道

  • 扇区数-Sectors：表示每个磁道有多少个扇区^[1]。

    • [1] 扇区就是盘片的一部分扇形区域

  

2. 磁盘存储原理

• 原理：磁头和磁性介质相对运动的时候，通过电磁转换完成读写操作
• 编码方法：按照某种方案或者规律，把一连串的二进制信息变成存储介质上磁层中（磁层翻转状态）的序列，并让读写控制电路更容易、可靠地实现转换
• 磁记录方式：通常采用调频方式（FM）和改进型调频（MFM）的记录方式

3. 磁盘的性能指标

• 记录的密度

  是指盘片上，单位面积内记录的信息量。通常用道密度、位密度和面密度表示。

  • 道密度：沿磁盘半径方向，单位长度上的磁道数

  • 位密度：磁道单位长度上，能记录的二进制代码位数

  • 面密度：位密度 x 道密度

  • 补充：

    • 位密度：

      越内侧的磁道位密度越大。越靠外越小

      所以一个磁盘的存储性能受到最靠内侧磁道的制约

      不难理解，因为在最短的一个扇区内的存储上限很低

      

    • 所以：磁盘所有磁道记录的信息量一定是相等的。并不是圆圈越大信息量越多。所以每个磁道的位密度都不相同（外圈长度更长）

• 磁盘的容量

  • 非格式化容量

    磁记录表面可利用的磁化单元总数，由道密度和位密度计算来的

    （磁盘在物理上总共可以存储多少的数据）

  • 格式化容量

    按照某种特定的记录格式，能够存储的信息总量

    （会留出一部分空间用作其他用途。比如为了防止个别扇区损坏，影响整个磁盘的正常工作，会留出一部分备用扇区等等）

  非格式化空间大小 > 格式化容量

• 平均存取时间

  由：

  寻道时间（磁头移动到对应的磁道，花费的时间）

  旋转延迟时间（磁头找到要读取的扇区，花费的时间）

  传输时间（传输数据花费的时间）

  三个部分相加而成。

  也就是，先找到磁道，再2找到对应的扇区位置，然后再写数据。

  由于寻道和找扇区的距离远近不一，所以寻道时间通常取平均值，旋转延迟时间可以取转半圈花费的时间。

  因为我们要读取的扇区，在任何一个位置的概率都是相等的。按照概率计算数学期望的思想，平均来看，尧都区的扇区转到磁头臂的下方，其期望值接近转半圈的时间。

  补充：计算机发出读写命令也需要花时间，也就是磁盘控制器的延迟花费的时间

• 数据传输率

  磁盘存储器在单位时间内，向主机传送数据的字节数。

  假设磁盘专属为 r转/秒，每条磁道的容量为 N字节，数据传输率计算方式如下（理论最大值）：
  $$
  D_r = rN
  $$

4. 磁盘地址

主机会向磁盘控制器发出一个寻址的信息。磁盘的地址一般如下表分布：

驱动器号	柱面（磁道）号	盘面号	扇区号
一台电脑可以有多个磁盘	移动磁头臂来寻道	激活某个磁头	通过旋转，将特定扇区划过磁头下方

假设系统有

• 4个驱动器，每个驱动器带1个磁盘
• 每个磁盘有256个磁道、16个盘面
• 每个盘面分为16个扇区

则每个扇区地址要18位数据表示

驱动器号	柱面（磁道）号	盘面号	扇区号
占2位	占8位	占4位	占4位

5. 硬盘的工作过程

硬盘主要操作为寻址、读盘、写盘。每个操作都对应一个控制字（控制命令）

硬盘工作的时候，先取控制字，再执行控制字

机械硬盘是机械式的部件，读写操作都是串行的，不能在同一个时刻又读又写，也不能在用一时刻读两组数据或写两组数据。

2、磁盘阵列

RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks。 廉价磁盘冗余阵列 ）：指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘。数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问。具有更好的存储性能、可靠性、安全性。

• RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列
• RAID1：镜像磁盘阵列
• RAID2：采用纠错的汉明码的磁盘阵列
• RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列
• RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列
• RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列
• RAID后面带的数字越大，冗余信息越少，可靠性越高

1、RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列

逻辑上相邻的两个甚至多个扇区，在物理上存到两个或多个磁盘（类比上一篇介绍的低位交叉编址的多体存储器）

也就是说，逻辑上相邻的数据块，把它们依次、分散存在物理上多个磁盘内。

看得出来，RAID0存储方式没有冗余的信息，也没有校验的功能^[1]

• [1] 如果某个扇区内损坏或数据错位，存在这个扇区的信息就永远丢失，找不回来了。如果存有一些冗余信息，需要的时候可以用来恢复数据。

2、RAID1：镜像磁盘阵列

就是存两份一样的数据

虽然数据出问题的时候，可以通过比对信息，来恢复数据。但是冗余了一半的存储空间，确实有点太粗暴了，也不能并行访问

3、采用纠错的汉明码的磁盘阵列

这里每个盘的每块颜色存的不是一块数据，而是一个bit。逻辑上连续的几个bit在物理上分散存储在各个盘中。

而且，4 bit数据+3 bit汉明码，可以纠正一位错误信息。

后面几种偷懒不写🐶 ，感兴趣可以看RAID百度百科了解更多

3、光盘存储器

用光学原理存储信息的装置。用聚焦光束对介质存信息

特点：

• 存储密度高
• 携带方便
• 成本低、容量大
• 存储时间长，更好保存
• ……

蓝光波长较短，接近紫光，存储数据的话，信息密度更高。必入蓝光光盘

光盘类型如下：

• CD-ROM：只读光盘，无法写入数据
• CD-R：只能写进去一次信息，之后不可修改
• CD-RW：可重复读写光盘
• DVD-ROM：高容量的CD-ROM。DVD表示通用数字化多功能的光盘

4、固态硬盘SSD

是一种基于闪存技术的存储器，是一种ROM。它与U盘没有本质的区别，就是容量更大，存储性能更好。

一个SSD由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成。闪存芯片替代传统旋转磁盘的机械驱动器。闪存翻译层相当于磁盘控制器的角色。