4.2.3　存储系统层次结构

图4-8是计算机存储系统的金字塔形层次结构图。在这个层次结构中，从下到上存储器的速度越来越快、价格越来越高、容量也因此越来越小。最顶层就是前面提到过的寄存器，它的访问速度最快、容量也最小。在32位计算机中，通常每个寄存器只存储4字节。第二层是缓冲存储器，就是缓存，它的速度介于寄存器和内存之间。第三层是主存（内存）。最底层是辅存，它的价格最便宜，容量也最大，用来存储需要长期保存的大量信息。位于不同层次的存储器的用途和特点如表4-1所示。

下面分别介绍三个层次的存储器的具体工作原理。

1.高速缓冲存储器（Cache）

随着CPU时钟速率的不断提高，当它访问低速存储器时，不得不插入等待周期，这就明显降低了高速CPU的效率。为了与CPU的速率相匹配，可以采用高速存储器，但它的成本很高，用来组成大容量的主存储器很不经济。成本较低的存储器适宜制作大容量的主存储器，但是速度又过低。为了折中地解决速率与成本两者之间的矛盾，兼顾高速与低成本，在现代计算机系统中，采用了高速缓冲存储器（Cache）技术。Cache通常采用与CPU同样的半导体材料制成，速度一般比主存高5倍左右。由于其高速且高价，故容量通常较小，一般为几KB到几十MB，仅用来保存主存中最经常用到的一部分内容的副本。

统计表明，利用一级Cache，可使存储器的存取速度提高4～10倍。当速度差更大时，可采用多级Cache。目前大多数PC的高速缓存都分为两个级别：L1 Cache和L2 Cache。L1

Cache集成在CPU芯片内，时钟周期与CPU相同；L2 Cache通常封装在CPU芯片之外，时钟周期比CPU慢一半或更低。就容量而言，L2 Cache的容量通常比L1 Cache大一个数量级以上，从几百KB到几十MB不等。Cache在计算机系统中的位置如图4-9所示。

在CPU的所有操作中，访问内存是最频繁的操作。由于一般计算机中的主存储器主要由MOS型动态RAM构成，其工作速度比CPU低一个数量

级，加上CPU的所有访问都要通过总线这个瓶颈，所以，缩短存储器的访问时间是提高计算机速度的关键。采用在CPU和内存之间增加高速缓冲存储器的办法较好地解决了这一问题。“Cache”原意是指勘探人员的藏物处，这里引申为“高速缓存”。在保证系统性能价格比的前提下，使用速度与CPU相当的SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存取寄存器）芯片组成小容量的高速缓存器，使用低价格、小体积能提供更大存储空间的DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取寄存器）芯片（或内存条）组成主存储器。下面，以取指为例对Cache的工作原理进行说明。命中率是高速缓存子系统操作有效性的一种测度，它被定义为高速缓存命中次数与存储器访问总次数之比，用百分率来表示，即

例如，若高速缓存的命中率为92％，则意味着CPU可用92％的总线周期从高速缓存中读取数据。换句话说，仅有8％的存储器访问是对主存储器子系统进行的。假设经过前面的操作Cache中已保存了一个指令序列，当CPU按地址再次取指时，Cache控制器会先分析地址，看其是否已在Cache中，若在，则立即取出，否则，再去访问内存。因为大多数程序有一个共同特点，即在第一次访问了某个存储区域后，还要重复访问这个区域。CPU第一次访问低速DRAM时，要插入等待周期。当CPU进行第一次访问时，也把数据存到高速缓存区。因此，当CPU再次访问这一区域时，CPU就可以直接访问高速缓存区，而不访问低速主存储器。因为高速缓存器容量远小于低速大容量主存储器，所以它不可能包含后者的所有信息。当高速缓存区内容已装满时，需要存储新的低速主存储器位置上的内容，以代替旧位置上的内容。

高速缓存器的设计目标是使CPU访问尽可能在高速缓存器中进行，其工作原理如图4-10所示。当CPU试图读取主存中的一个字时，发出此字内存地址并同时到达Cache和主存，此时Cache控制逻辑依据地址的标记部分进行判断此字当前是否在Cache中。若是（命中），此字立即递交给CPU，若否（未命中），则要用主存读取周期把这个字从主存读出送到CPU，与此同时把含有这个字的整个数据块从主存读出送到Cache中。由于程序的存储器访问具有局部性，当为满足一次访问需求而取来一个数据块时，下面的多次访问很可能是读取此块中的其他字。

2.主存储器（内存）

通常计算机内存主要是由随机存储器组成的。内存按地址访问，给出地址即可以得到相应内存单元里的信息，CPU可以随机地访问任何内存单元的信息。而且，目前所采用的存储芯片的访问时间与所访问的存储单元的位置无关，完全是由芯片设计和生产技术以及芯片之间的互连技术所决定的。这种访问时间不依赖所访问地址的访问方式称为随机访问方式，主存储器也因此被称为随机存取存储器。按照RAM芯片内部基本存储电路结构的不同，又可分为动态RAM（即DRAM）和静态RAM（即SRAM）两类。

类似于微处理器，存储器芯片也是一种由数以百万计的晶体管和电容器构成的集成电路（Integrated Circuit，IC）。动态随机存取存储器（DRAM）是计算机存储器中最为常见的一种，在DRAM中晶体管和电容器合在一起就构成一个存储单元，代表一个数据位元。电容器保存信息位——0或1。晶体管起到了开关的作用，它能让内存芯片上的控制线路读取电容上的数据，或改变其状态。

电容器就像一个能够储存电子的小桶。在存储单元中写入1，小桶内就充满电子。写入0，小桶就被清空。电容器的问题在于它会泄漏。只需几毫秒的时间，一个充满电子的小桶就会漏得一干二净。因此，为了确保动态存储器能正常工作，必须由CPU或是由内存控制器对所有电容不断地进行充电，使它们能保持1值。为此，内存控制器会先行读取存储器中的数据，然后再把数据写回去。这种刷新操作每秒要自动进行数千次，动态RAM正是得名于这种刷新操作。动态RAM需要不间断地进行刷新，否则就会丢失它所保存的数据。这一刷新动作的缺点就是费时，并且会降低内存速度。

静态RAM则使用了截然不同的技术。静态RAM使用某种触发器来储存每一位内存信息。存储单元使用的触发器是由引线将4～6个晶体管连接而成，无须刷新。这使得静态RAM要比动态RAM快得多。但由于构造比较复杂，静态RAM单元要比动态RAM占据更多的芯片空间。所以单个静态RAM芯片的存储量会小一些，这也使得静态RAM的价格要贵得多。静态RAM速度快、价格贵，动态RAM相对便宜，但速度慢。因此，静态RAM常用来组成CPU中的高速缓存，而动态RAM用来组成容量更大的系统内存空间。

台式机所用的内存芯片最早采用一种称为双列直插式封装（DIP）的引脚构造。这种引脚构造可以焊接到计算机主板上的焊孔内，也可以将其插入焊接在主板上的插槽内。采用这种方法，在主机只有一两兆字节的内存时还能运转良好，但随着内存需求的增加，所需的芯片数目就要增加，因而会占据更多的主板空间。

解决这一问题的方法是，将内存芯片连同其支持组件一起，装配到一块单独的印刷电路板（PCB）上，而这块电路板可以插入主板上一种特定的连接器（内存插槽）中。通常内存芯片只能以部分内存卡的形式出售，称为模组。挑选内存时可以看到一些标注着8×32或4×16的内存。这些数字代表着芯片的数目乘以每片芯片的容量，以兆比特（Mb）为单位。将乘积除以8，就能得到该模组的兆字节数。举例来说，4×32意味着模组有4片32Mb的芯片。4乘以32得到128Mb。我们知道1字节等于8bit，所以还需将乘积128再除以8，结果就是16MB。

3.辅助存储器

辅助存储器的特点是容量大、成本低、通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性”存储器。其中大部分存储介质还能脱机保存信息。

在现代计算机系统中，使用各种类型的存储器构成多层次存储系统，很好地解决了速度、成本、容量之间的矛盾，提高了计算机的性能价格比。

（1）辅助存储器的种类

①磁表面存储器。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片（或带）的基体上形成记录介质，主要包括以下两种类型：

•数字式磁记录：硬盘、软盘、磁带；

•模拟式磁记录：录音设备、录像设备。

②光存储器。光存储器主要是光盘，光盘的记录原理不同于磁盘，它是利用激光束在具有感光特性的载体表面上存储信息的。光盘的容量大，也是目前广泛使用的一种辅助存储器。

（2）辅助存储器的技术指标

辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间、数据传输率、误码率、价格。

①存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。它包括道密度和位密度。

道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。

道密度=磁道数/存储区域的长度

单位：道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）

位密度是磁道单位长度上可以记录的二进制代码位数。

位密度=磁道容量/内圈的周长

单位：位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）

磁道指的是存储介质表面上的信息的磁化轨迹。对于磁盘来说，磁道是其表面上的许多同心圆，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积——面密度表示。对磁带来说，磁道是沿着磁带长度方向的直线，主要用位密度表示。

②存储容量是指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。一般以字节为单位。

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。

格式化容量=记录面数×每面的磁道数×扇区数×记录块的字节数

非格式化容量：是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数。

非格式化容量=记录面数×每面的磁道数×磁道容量

将磁盘存储器用于计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息，格式化容量一般约为非格式化容量的60％～70％。

③寻址时间是指从读/写命令发出后，磁头从某一起始位置出发移动到新的记录位置，再到开始从盘片表面读出或写入信息所需的时间，它包括寻道时间和等待时间。

④数据传输率是磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数。

为确保主机与磁表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设备和主机接口逻辑两者有关。从设备方面考虑，传输率等于记录密度和记录介质的运动速度的乘积。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度接收/发送信息，以便主机与辅存之间的传输正确无误。

平均数据传输率=每道扇区数×扇区容量×盘片转数

⑤误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出数据时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。

⑥位价格是设备价格除以容量的商。

通常用位价格来比较存储器，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格是很低的。

（3）硬磁盘存储器

磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备。目前大、中、小及微型机普遍配有磁盘机，这是因为磁盘有很多优于其他外存的特点，如存取速度快，存储容量大，易于脱机保存等。

硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储器系统。根据磁头的工作方式分类可分为可移动磁头和固定磁头两种；根据磁盘可换与否可分为可换盘片式与固定盘片式两种。

①可移动磁头固定盘片的磁盘机。特点是一片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。

②固定磁头固定盘片的磁盘机。特点是磁头位置固定，磁盘的每个磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头寻道时间，缺点是结构复杂。

③可移动磁头可换盘片的磁盘机。盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。

④温彻斯特磁盘机。温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电动机等驱动部件乃至读/写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。

硬磁盘机主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路和串-并变换电路。磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读/写转换开关、读/写磁头与磁头定位伺服系统等。

（4）软磁盘存储器

软磁盘片的形状类似于普通薄膜唱片。盘片的盘基由聚脂薄膜制成，厚度约76μm，上面涂有极薄的一层铁氧体磁性材料，封装在相应尺寸的黑色塑料保护套内。套内有一层无纺布，用来防尘、消除静电、保护盘面不受碰撞。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（区段），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（或称初始化）。

然而，由于软磁盘存储器的存储容量小、读/写速度慢，随着USB存储设备的普及，软盘已经逐步被淘汰，很少使用，目前的主流计算机也基本不配置软盘驱动器来读/写软盘。

（5）磁带存储器

磁带按带宽分有1/4英寸和1/2英寸等类型；按带长分有2400英尺、1200英尺和600英尺（1英尺=0.3048m）等类型；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。

按磁带机规模分，有标准半英寸1/2磁带机、盒式磁带机、海量宽磁带存储器；按磁带机走带速度分，有高速磁带机（4～5m/s）、中速磁带机（2～3m/s）、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类有启停式和数据流式。

启停式磁带机为了寻找记录区，必须驱动磁带正走或反走，读/写完毕后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，保证磁带以一定的速度平衡地运动和快速启停。

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、600英尺两种，容量分别为45MB、60MB。

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。

（6）光盘存储器光盘存储器简称光盘，是近年来使用广泛的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。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，以介质材料的光学性质（如反射率、偏振方向）的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。

光盘的优点是：激光可聚焦到1μm以下，从而记录的面密度可达到645MB/in2，高于一般的磁记录水平。一张CD-ROM盘片的存储容重可达600MB，相当于400多张1.44MB的3.5英寸软盘片。主要缺点是存取时间长，数据传输率低。

按读/写性质来分类，光盘包括只读型、一次型、重写型三类。

①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压制而成的光盘。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。典型的产品有：

•LD俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演60min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74min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74min按MPEG-1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4.7GB，可存储135min按MPEG-2标准压缩编码

的视频图像信息和音频信息。

②一次型可记录光盘。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特性发生永久性变化，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光盘写入数据，制作好的CD-R光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。

③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。典型的产品有两种：

MO磁光盘：利用热磁效应写入数据，当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字“0”和“1”。利用磁光克尔效应读出数据，当激光照射到记录点时，由于记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据为“1”或“0”。

PC相变盘：利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入时，强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后，记录点分别呈现为非晶态和晶态。读出时，用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出“1”或“0”。

无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。