三、计算机的基本工作原理【下】 -------川川

存储系统

1. 存储器的分类

按存储器所处位置：内存、外存。
按构成存储器材料：磁存储器、半导体存储器、光存储器。
按工作方式：读写存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)。
按访问位置：按地址访问的存储器、按内容访问的存储器。
按寻址方式：随机存储器(Random Access Memory，RAM)、顺序存储器(Sequentially Addressed Memory，DAM)、直接存储器(Direct Addressde Memory，DAM)。

2. 存储系统的层次结构

高速缓存(Cache)速度最快，其次是主存储器(MM)，处于最底层的辅助存储器(外存储器)速度最慢。
Cache在功能上并不是必须的部件，因此在一些简单的计算机中，没有设置告诉缓存，那么这种计算机的存储体系就由主存和辅存两级存储器构成。

3. 主存储器

1. 主存的种类
   主存一般由RAM和ROM这两种工作方式的存储器组成，其绝大部分存储空间由RAM构成。计算机中常见的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)的发展经历了四代，分别是第一代SDR SDRAM、第二代DDR SDRAM(双倍速率SDRAM)、第三代DDR2 SDRAM(更高的工作频率)、第四代DDR3 SDRAM(更低的工作电压)。
2. 主存的组成
   · 地址寄存器：用来存放地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码。地址寄存器的位数N决定了其可寻址的存储单元的个数M，即M=2^N。
   · 数据寄存器：用来存放要写入存储体的数据或从存储体中读取的数据。
   · 存储体：存放程序和数据的存储空间。
   · 译码电路：根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元。
   · 控制线路：根据读写命令，控制主存储器各部分协作完成相应的操作。
3. 主存性能指标
   · 内存容量：以字节数表示，计算机系统中常见的容量单位为KB、MB、GB、TB。
   · 存储时间：指存储器从接到读或写的命令起，到读写操作完成为止所需要的时间。
   · 带宽：指存储器的数据传送速率，即每秒传送的数据位数，记作Bm。
   · 可靠性：用平均故障时间MTBF衡量。MTBF可理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。

4. 高速缓存(Cache)

1. Cache特点
   用于对存储在主存中，即将使用的数据进行临时复制。将速度较快而容量有限的静态存储器芯片构成Cache可以避免出现时间局部性和空间局部性，并且尽可能发挥CPU的高速度，用硬件来实现Cache的全部功能。
   · Cache位于CPU和主存之间，容量较小，一般在几千字节到几兆字节之间。
   · 速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器制成。
   · 其内容是主存内容的副本，对程序员来说是透明的。

2. Cache的组成
   · 控制部分：判断CPU要访问的数据是否在Cache存储器中。若在及为命中，若不在即为没有命中。命中时直接对Cache存储器寻址。未命中时，则从主存中读取数据或将数据写入主存。
   · 存储器部分

5. 外存储器

外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，外存上的信息以文件的形式存储，相对于内存，外存容量大，速度慢。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问。
几种常用的外存储器的分类：

1. 磁盘存储器：
   · 磁盘存取速度较快，且具有较大的存储容量，是目前广泛使用的外存储器。
   · 接口是主机和磁盘存储器之间的连接部件。

2. 硬盘：
   · 常见的有：固态硬盘(SSD)、机械硬盘(HDD)、混合硬盘。
   · 硬盘的主要技术指标：
   

3. 光盘存储器：
   · 类型分类：只读型光盘(CD-ROM)、只写一次型光盘(WORM)、可擦除型光盘。
   · 组成：光盘存储器由光学、电学、机械部件等。
   · 特点：记录密度高，存储容量大，采用非接触式读/写信息，信息可长期保存，制造成本低，采用多通道记录时数据传送率可超过200Mb/s，对机械结构的精度要求不高，存取时间较长。

4. USB移动硬盘和USB闪存盘：
   · USB移动硬盘：容量大，支持热插拔，即插即用，可像使用本地硬盘一样存取文件。
   · USB闪存盘：U盘，容量更大，速度更快，体积更小，寿命更长，且容量不断增加，价格不断下降。根据不同使用要求，U盘还有基本型，加密型，启动型等类型。在移动存储领域已经取代了软盘。

6.云存储

云存储是一种服务，是在云计算概念上延伸和发展出来的，是通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

输入/输出技术

输入/输出(Input/Output，IO)系统是计算机与外界进行数据交换的通道。随着计算机技术的发展，IO设备的种类越来越多，其控制方式各不相同，所以需要一个I/O系统负责协调和控制CPU、存储器和各种外部设备之间的数据通信。

1. 接口的功能及分类

1. 接口定义：
   广义上讲，接口是两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面。由于主机与各种I/O设备的相对独立性，它们一般是无法直接相连的，必须经过一个转换机构。用于连接各种I/O设备的这个转换机构就是I/O接口电路。

2. I/O接口主要功能：
   · 地址译码功能
   · 在主机与I/O设备间交换数据、控制命令及状态信息等
   · 支持主机采用程序查询、中断和DMA等访问方式
   · 提供主机和I/O设备所需的缓冲、暂存和驱动能力，满足一定的负载要求和时序要求
   · 进行数据的类型、格式等方面的转换

3. 接口的分类：
   · 按数据传送的格式：并行接口，串行接口
   · 按主机访问I/O设备的控制方式：程序查询接口、中断接口、DMA接口、通道控制器、I/O处理机
   · 按时序控制方式：同步接口、异步接口
   一个完整的I/O接口不仅包括一些硬件电路，也可能包括相关的软件驱动程序模块。

2. 主机与外设间的连接方式

在计算机系统中，总线方式是互连的基本方式，也是其他连接模式的基础。
总线是一组能为多个部件 分时 共享 的信息传送线，用来连接多个部件并为之提供信息交换通路。

• 共享：指连接到总线上的所有部件都可以通过它传递信息。
• 分时性：指某一时刻只允许一个部件将数据发送到总线上。
• 共享是利用分时性实现的

总线协议：

• 定义：由于要实现分时共享，所以必须制定相应的规则，称为总线协议。
• 分类：信号线定义、数据格式、时序关系、信号电平、控制逻辑。

3. I/O接口的编址方式

1. 与内存单元统一编址：
   · 内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，对I/O接口的访问就如同对主存单元的访问一样。
   · 优点：原则上用于内存的指令全部可以用于接口，这就增强了对接口的操作功能，也无需设置专门的I/O操作指令。
   · 缺点：地址空间被分为两部分，一部分分配给接口使用，剩余为内存使用，导致内存地址不连续，且由于内存操作的指令和对接口操作的指令不加区分，读程序时就需根据参数定义表仔细加以辨认。
2. I/O接口单独编址：
   · 通过设置单独的I/O地址空间，为接口中的有关寄存器或存储部件分配地址码，需设置专门的I/O指令进行访问。
   · 优点：不占用主存地址空间，访问主存的指令和访问接口的指令不同，在程序中很容易使用和辨认。

4. CPU与外设之间交换数据的方式

1. 直接程序控制：
   · 立即程序传送方式：I/O接口总是准备好接收来自主机的数据，或随时准备向主机输入数据，CPU无需查看接口状态，就执行输入/输出指令进行数据传送。
   · 程序查询方式：CPU通过执行程序查询外设状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入数据。
2. 中断方式：
   · 优点：CPU不需主动查询外设状态，等待数据期间就可执行其他程序，采用中断方式管理I/O设备，CPU和外设可以并行工作。
   · 缺点：一次中断处理过程需经过多种阶段，需若干条指令处理一次中断。无法满足高速的批量数据传送要求。
3. 直接存储器存取方式(Direct Memory Access，DMA)：
   · 基本思想：通过硬件控制实现主存与I/O设备间的直接数据传送，数据的传送过程由DMA控制器进行控制，不需要CPU干预。
   · 优点：简化了CPU对数据传送的控制，提高主机与外设并行工作的程度，使系统效率明显提高。
   · 缺点：只能控制简单的数据传送操作，因此对外设的管理和某些控制工作仍由CPU承担。
4. 通道控制方式：
   · 工作方式：用通道指令编制的程序存放在存储器中，当需要进行I/O操作时，CPU只要按照约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可，通道则执行相应的程序，完成要求的操作。
   · 优点：可完成较为复杂的I/O管理和预处理，从而在很大程度上将CPU从繁重的I/O管理工作中解脱出来，提高了系统效率。