本节教学内容：

1、高速缓冲存储器

2、辅助存储器

教学目的和要求：

1、理解Cache的工作原理；

2、了解Cache的基本结构；

3、理解Cache与主存地址映射；

4、了解辅助存储器的特点及工作原理。

重点：1、Cache的工作原理

难点：1、Cache与主存地址映射

第1、2讲 Cache和辅助存储器

一、知识要点

1、Cache的简介

2、Cache的工作原理

3、辅存简介

二、教学安排

首先，对存储器如何提高速度提出问题，让学生思考什么方式可以提升计算机速度，从而引出高速缓存，对高速缓存Cache及其工作原理做简单介绍。然后介绍几种只读存储器以及它们的基本单元电路和存储特点。

三、教学内容

1、Cache的简介

计算机提高访存速度的措施有如下几种：

1）采用高速器件

2）采用层次结构Cache–主存   

3）调整主存结构

Cache存储器：电脑中为高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器DRAM(DynamicRandomAccessMemory)之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM(StaticRandomAccessMemory静态存储器)组成。它是位于CPU与内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。CPU的速度远高于内存，当CPU直接从内存中存取数据时要等待一定时间周期，而Cache则可以保存CPU刚用过或循环使用的一部分数据，如果CPU需要再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就避免了重复存取数据，减少了CPU的等待时间，因而提高了系统的效率。Cache又分为L1Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存），L1Cache主要是集成在CPU内部，而L2Cache集成在主板上或是CPU上。

PC系统的发展趋势之一是CPU主频越做越高，系统架构越做越先进，而主存DRAM的结构和存取时间改进较慢。因此，Cache技术愈显重要，在PC系统中Cache越做越大。广大用户已把Cache做为评价和选购PC系统的一个重要指标。本在传输速度有较大差异的设备间都可以利用Cache作为匹配来调节差距，或者说是这些设备的传输通道。在显示系统、硬盘和光驱，以及网络通讯中，都需要使用Cache技术。

2、Cache的工作原理

Cache的工作原理是基于程序访问的局部性（通俗说就是把经常用到的数据放在一个高速的cache里面）。

对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一个较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。指令地址的分布本来就是连续的，再加上循环程序段和子程序段要重复执行多次。因此，对这些地址的访问就自然地具有时间上集中分布的倾向。

数据分布的这种集中倾向不如指令明显，但对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性。

根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用。这对提高程序的运行速度有很大的作用。这个介于主存和CPU之间的高速小容量存储器称作高速缓冲存储器(Cache)。

系统正是依据此原理，不断地将与当前指令集相关联的一个不太大的后继指令集从内存读到Cache，然后再与CPU高速传送，从而达到速度匹配。

CPU对存储器进行数据请求时，通常先访问Cache。由于局部性原理不能保证所请求的数据百分之百地在Cache中，这里便存在一个命中率。即CPU在任一时刻从Cache中可靠获取数据的几率。

命中率越高，正确获取数据的可靠性就越大。一般来说，Cache的存储容量比主存的容量小得多，但不能太小，太小会使命中率太低；也没有必要过大，过大不仅会增加成本，而且当容量超过一定值后，命中率随容量的增加将不会有明显地增长。

只要Cache的空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系，Cache的命中率还是相当高的。

一般规定Cache与内存的空间比为4：1000，即128kB Cache可映射32MB内存；256kB Cache可映射64MB内存。在这种情况下，命中率都在90％以上。至于没有命中的数据，CPU只好直接从内存获取。获取的同时，也把它拷进Cache，以备下次访问。

3、高性能存储芯片

1）SDRAM (同步DRAM)

• 在系统时钟的控制下进行读出和写入

• CPU无须等待

• DDR-SDRAM（双倍数据速率的SDRAM）每周期两次向处理器送出数据

2）RDRAM

由Rambus开发，主要解决存储器带宽问题

3）带Cache的DRAM

在DRAM 的芯片内集成了一个由SRAM 组成的Cache ，有利于猝发式读取

4、辅助存储器

辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）

存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。主要包括磁表面存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。

① 磁表面存储器

磁表面存储器的优点为存储容量大、单位价格低、记录介质可以重复使用、记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档、非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，单位成本低，多在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据。

磁表面存储器又可分为磁带存储器和磁盘存储器两大类。磁带存储器是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，是一种主要的辅助存储器。磁带的内容由磁带机进行读写，按磁带机的读写方式分为启停式和数据流式两种。

磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。

· 存储密度。存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。单位为位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。

· 存储容量。一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于共计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%~70%。21世纪初期，3.5英寸的硬盘机容量可达2000 GB。

· 平均存取时间。存取时间是指从发出读写命令后。磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表而读出或写入信息所需要的时间。这段时间由两个数值决定，一个是将磁头定位至所要求的磁道所需的时间，称为定位时间或寻道时间；另一个是寻道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来表示。平均存取时间等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平均寻道时间是最大寻道时间与最小寻道时间的平均值，21世纪初平均寻道时间为10 ms~20 ms。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定磁盘转速高达15000转/分，故平均等待时间为5 ms。

· 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，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为n转/秒，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率Dr=n N（Bps）。也可以写成Dr=D×v（Bps），其中D为位密度，v为磁盘旋转的线速度。21世纪初期磁盘存储器的数据传输率可达几十兆Bps。

② 软盘存储器

软磁盘存储器简称软盘，因为盘片是用类似于塑料薄膜唱片的柔性材料制成的。软磁盘存储器由软盘驱动器、软盘控制器、软磁盘片3大部分组成。

软磁盘存储器和硬磁盘存储器的存储原理和记录方式基本相同，但在结构和性能上存在一些差别。

· 硬盘转速高，每分钟可达15000转，存取速度快；软盘转速低，每分钟只有300转，存取速度慢。

· 硬盘有固定头、固定盘、盘组等结构；软盘都是活动头，是可换盘片结构。

· 硬盘是浮动磁头读写，磁头不接触盘片；软盘磁头是接触式读写。

· 硬盘系统及硬盘片价格都比较贵，大部分盘片不能互换；软盘造价低，盘片保管方便，使用灵活，且具有互换性。

· 硬盘对环境要求苛刻，要有超净措施；软盘则对环境要求不太严格。

按所用盘片尺寸不同，软磁盘机有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸等多种。从内部结构上来看，又可按使用的记录密度不同，分为双面双密度、双面高密度等多种。

软磁盘片的形状类似于普通薄膜唱片。使用时软磁盘连同保护套一起插入软磁盘机中，由驱动机构带动软磁盘片匀速转动（保护套不动），磁头通过槽孔和磁盘片上的记录区接触，读出或写入信息。

为了正确存储信息，必须将盘片划分成磁道和扇区，它们称作磁盘地址。这些信息必须写到盘片上，还要加上同步标志、校验信息、间隔等。这些信息一起构成磁盘的“软分段”信息。所谓“软分段”，就是以“索引孔”作为定位基准，将扇区的划分由通过软件写入的标志来实现。“索引孔”用来检测盘片的转速和划分盘片的扇区区段。当盘片上的小孔转到与塑料封套上小孔的位置相对时，软盘机上的传感元件可测得一个脉冲信号，作为盘片旋转一周的开始标志，以此作为扇区划分的起点。盘片在出厂前都要进行“预格式化”，即完成“软分段工作”。用户再根据不同的机型和操作系统，用格式化程序重新格式化（或叫初始化）。

注意，每条磁道上扇区数是相同的，但由于靠里面磁道的圆周长比外面磁道的圆周长小，而它们又要记录同样多的信息，所以里面磁道的位密度要比外面磁道的位密度高。每条磁道分成多少扇区，取决于记录格式。其次，磁道的地址是从外向里编号，最外面是0道，最里面是n道。5.25英寸盘有40条磁道和80条磁道两种，3.5英寸盘只有80条磁道1种。

一张双密度盘片相当于两张单密度盘片，单密度采用FM记录方式，双密度采用MFM记录方式。按记录面和密度的不同，8英寸软盘有4种形式：单面单密度（SS，SD）、双面单密度（DS，SD）、单面双密度（SS，DD）和双面双密度（DS，DD）。双密度软盘上都标有2D或DD标记。5.25英寸和3.5英寸软盘都是双面双密度和高密度（4倍密度，QD）。

软盘的磁头和盘面是接触式读写，寻址时不但有径向而且有周向的摩擦。一个盘片旋转106次以上时应考虑报废，以免超过规定的误码率。

软盘驱动器主要由驱动机构、磁头及定位机构、读写电路组成。软盘控制器解释来自主机的命令并向软盘驱动器发出各种控制信号，同时还要检测驱动器的状态，按规定的数据格式向驱动器读写数据。

③ 磁带存储设备

磁带机的存储原理基本上与磁盘机相同，只是它的载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。当记有代码的磁带在磁头下移动时，就在磁头线圈上感应出电动势，即可读出信息代码。磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成。

磁带有许多种，按带宽分有1/4英寸和1/2英寸；按带长分有2400英尺、1200英尺和600英尺；按外形分有开盘式磁带和盒式磁带；按记录密度分有800位/英寸、1600位/英寸、6250位/英寸；按带面并行记录的磁道数分有9道、16道等。计算机系统中多采用1/2英寸开盘磁带和1/4英寸盒式磁带，它们是标准磁带。

磁带机也有许多种。按磁带机规模分，有标准10英寸磁带机、盒式磁带机和海量宽磁带存储器。按磁带机走带速度分，有高速磁带机（4m/s~5m/s）、中速磁带机 （2m/s~3m/s）和低速磁带机（2m/s以下）。磁带机的数据传输率为c=d×v，其中d为记录密度，v为走带速度。带速快则传输率高。按磁带的记录格式分，有启停式和数据流式。

磁带机为了寻找记录区，必须驱动磁带正走或反走，读写完毕又要使磁头停在两个记录区之间。因此要求磁带机在结构和电路上采取相应措施，以保证磁带以一定的速度平衡地运动和快速启停。

下面简要说明数据流磁带机的结构。数据流磁带机是将数据连续地写在磁带上，每个数据块间插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停。它用电子控制代替机械控制，从而简化了磁带机的结构，降低了成本，提高了可靠性。

数据流磁带机有1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式两种。盒式磁带的结构类似于录音带和录像带，盒带内部装有供带盘和收带盘，磁带的长度主要有450英尺和600英尺两种，容量分别为45 MB和60 MB。

数据流磁带机的读写机构和启停式磁带机不同，后者是多位并行读写，而前者是类似于磁盘的串行读写方式，因而决定了两者的记录格式不同。

④ 光盘存储设备

光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料光学性质（如反射率、偏振方向）的变化来表示所存储信息的1或0。它的突出优点是，激光可聚焦到1 μm以下，从而记录的面密度可达到645 Mb/平方英寸，高于一般的磁记录水平。一张CD-ROM盘片的存储容量可达600 MB，相当于400多张1.44 MB的3.5英寸软盘片。光盘的缺点是存取时间长，数据传输率低。

按读写性质来分，光盘分为只读型、一次型、重写型3类。

· 只读型光盘

只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品如下。

► LD：俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放映60分钟全带宽的PAL制电视。

► CD-DA：数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储74分钟数字立体声信息。

► VCD：俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按MPEG1标准压缩编码的动态图像信息。

► DVD：数字视盘。单记录层容量为4.7 GB，可存储135分钟按MPEG2标准压缩编码的、相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。

► CD-ROM：主要用作计算机外存储器。可记录数字数据，也可同时记录数字化视频和音频信息。

· 一次型光盘

用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理持性发生永久性变化，因此只能写一次。写后的信息不能再改变，只能读。典型产品是CD-R光盘。用户可在专用的CD-R刻录机上向空白的CD-R盘写入数据，制作好的CD-R光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。

· 重写型光盘

用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。

CD-ROM非常适用于把大批量数据分发给大量的用户，常用的CD-ROM驱动器已经从单倍速（150KBps）光驱发展到了40倍速（6000 KBps），光盘片的直径一般是5.25英寸，光盘信息记录密度比磁盘高，存储容量约为650 MB。可擦写光盘可以反复地进行读写，如同普通的磁盘。

四、互动及练习

本次课采用提问的互动方式：

1、高速缓存和辅存的作用以及辅存的分类？

请同学们自己谈谈对高速缓存和辅存的认识，然后引入对高速缓存和辅存的概念、作用，以及对不同辅存的技术指标做介绍。