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第三单元 层次存储器系统
第六讲 光盘的存储原理与组成
本单元小结
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内容提要
? CD-ROM
? CD-R
? CD-RW
? DVD
? 主存储器的最新发展
? 本单元小结
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只读光盘( CD-ROM)
? 1980年,飞利浦和索尼一起推出了光盘
( CD,Compact Disc),并很快取代了每
分钟 33 1/3转的乙烯基唱片。 CD的详尽技
术细节以正式的国际标准 ( IS10149)公布,
并因为封面的颜色被通称为 红皮书 。
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光盘的存储原理
? CD是通过在涂有玻璃表层的主盘上,用高能
红外激光束烧出 0.8毫米直径的小孔制成的。用
这种主盘做成模子,上面带有烧好的激光孔,
然后往模子上注入熔化的多种碳酸盐脂,使激
光孔的形状和玻璃主盘的形状一样,就基本上
完成了 CD的主体。接着,在碳酸盐脂上沉淀
上一薄层的反射铝,再覆盖上一层起保护作用
的表层,最后再打上标签,整个 CD就完成了。
碳酸盐脂底基的凹陷部分叫作 凹区,凹区两边
未经过烧制的部分叫作 凸区 。
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光盘的读出原理
? 将 CD进行回放时, 用一个低能激光二极管发出的波长
为 0.78毫米的红外光照射在二极管下, 流过, 的凹区和
凸区 。 光源在碳酸盐脂层的上方, 所以, 当凹区经过
时, 激光束就会比凸区经过时伸出一些 。 由于凹区的
高度为激光波长的 1/4,从凹区反射的激光的波长为从
凸区反射光的波长的一半 。 这样, 反射光和发射光叠
加, 将导致光接收器接收到的从凹区反射的光线比从
凸区反射的要弱 。 CD机通过这种途径, 可以区别出凹
区和凸区 。 虽然用凹区代表 0,凸区代表 1可能是最简
单的表示方法, 但从可靠性方面考虑, 用凸区 /凹区和
凹区 /凸区转换来表示 1,而用连续的凹区或凸区来表
示 0的可靠性要高一些, 所以, CD上采用的是这种模
式 。
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CD-ROM的存储标准
? 将每个字节编码成 14位的符号,可以对字节进行
海明编码;
? 连续的 42个符号一组,构成了 588位的 帧 。每帧
包含 192位数据位( 24个字节),其它的 396位用
于纠错和控制位。(与音频 CD兼容 )
? 将 98帧作为一个 CD-ROM扇区。 每个扇区由 16
个字节的引导区开始,其中前 12个字节为引导区
起始标志,然后 3个字节是扇区号,最后的一个
字节是光盘的数据存放格式。
? 扇区构成一条从圆心向外的单向螺旋线。
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CD-ROM的文件标准
? 国际标准( IS 9660)有三个层次。
? 第一层次规定
– 文件名不能超过 8个字符长
– 可以有不超过 3个字符的扩展名( MS-DOS
的文件命名规则)
– 文件名中的字符只能是大写字母、数字和下
划线
– 目录嵌套不超过 8层,目录不允许有扩展名
– 所有文件必须连续存放
– 可以被几乎所有计算机读出
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CD-R存储原理
? CD-R在大小上和 CD-ROM一样, 最初时也是 120mm
的空白盘, 只是 CD-R有一条 0.6mm宽的凹槽, 用来引
导激光进行刻盘 。 凹槽有 0.3mm的正弦偏移, 频率为
22.05kHz,用来准确控制 CD-R的转速, 并在必要时加
以调整 。 只是 CD-R表面是金色, 而不象 CD-ROM那
样表面是银色 。 用真正的金子代替铝来做反射层 。 而
CD-R的凹区和凸区是用不同的反射光来模拟, 这点是
通过在碳酸盐脂和金质反射层之间加上一层染料来实
现的 。 目前使用的有两种不同的染料, 一种是花青,
其颜色是绿色的, 另一种是 pthalocyanine,颜色为黄
桔色 。 这些染料和显像中的染料十分类似, 这也是柯
达和富士成为 CD-R的主要制造商的原因 。
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CD-R存储原理
? CD-R被刻之前,染料层是透明的,激光束可
以穿过它后从金质层反射回来。刻盘时,照射
CD-R的激光能量被调高到 8~16mW,光束照射
到染料的一个点上时产生的热量使之发生化学
反应,改变了染料的分子结构,产生一个黑点。
读出时(激光束的能量为 0.5mW),光接收器
就可以分辨出染料被照射过的黑点和未被照射
过的透明区,并用这个区别来对应普通光盘的
凹区和凸区。
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CD-R的增量刻盘
? 一次刻在 CD-R上的几个连续扇区被称为 CD-
ROM道 。
? 每个 CD-ROM道一个单独的 目录卷表 VTOC,
其中所列的文件可能包括其前面各道中的部分
或所有文件。
? CD-R放入光驱后,操作系统搜寻所有 CD-
ROM道,并定位到最近使用的 VTOC,它给出
了 CD-R的当前状态。
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CD-R防盗版
? 将 CD-ROM上所有文件的长度写成好几个 GB,
这样,用标准的读盘软件将无法将文件拷到硬
盘中,而文件的实际长度在出版商提供的专用
读盘软件中,或隐藏(可能还是加密后)在
CD-ROM的某个意想不到的地方。
? 在选定的几个扇区中有意写入一些错误的 ECC
码,预计一般的 CD复制软件将会自动“修复”
这些错误,但光盘的应用软件却自己对这些
ECC码进行检查,如果它们正确的话就停止执
行。
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CD-RW存储原理
? 可擦写光盘
– 用银、铟、锑和碲组成的合金做记录层。这种合金
有两个稳定态:晶态和非晶态,两个状态有不同的
反射特性。
– CD-RW的驱动器使用三种不同能量的激光。在高能
激光照射下,合金熔化并从高反射性的晶态转化为
低反射性的非晶态,表示凹区。在能量中等的激光
束照射下,合金熔化并重新转化为本来的晶态,又
成为凸区。低能激光可以感知材料的状态(用来读
盘),但不会导致状态转换。
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DVD
? DVD的基本设计和 CD相同,也是 120mm
直径的注入碳酸盐的盘模,由激光二极
管照射的凸区和凹区组成,通过光接收
器读入信息。
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DVD和 CD的差别
? 使用红色激光 ( DVD激光的波长为 0.65
微米, 而 CD的为 0.78微米 ) 。
? 凹区更小 ( DVD为 0.4微米, 而 CD为 0.8
微米 ) 。
? 螺旋线更紧凑 ( DVD道间距为 0.74微米,
而 CD的道间距为 1.6微米 ) 。
? 存储容量达到 4.7GB。
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DVD的四种标准
? 单面单层 ( 4.7GB)
? 单面双层 ( 8.5GB)
? 双面单层 ( 9.4GB)
? 双面双层 ( 17GB)
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DVD的四种标准
? 双层技术是在光盘底层有一层反射层, 上面是
一层半反射层 。 根据激光聚焦在哪层来决定反
射哪一层 。 为提高可靠性, 需要将底层的凹区
和凸区设计得稍微大一些, 所以其容量比上层
要稍微小一些 。
? 将两张 0.6mm厚的单面盘的背面互相粘在一起
就制成了一张双面盘 。
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光盘
? 存储原理
– 光电转换
? 编码方式
– NRZ1
? 存储格式
? 光盘的发展
– CD-ROM,CD-R,CD-RW,DVD
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主存储器技术的最新发展
? DRAM
? EDRAM
? CDRAM
? SDRAM
? Rambus DRAM
? Ramlink DRAM
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Enhanced DRAM
? 在 DRAM中增加一个 SRAM组成的 Cache
? 存放刚刚被访问的单元的行的全部内容
? 增加比较器,如果下次访问的还是这行,
则从 Cache中读。
? 同时,刷新该行可以和读 Cache并行,这
也可以提高性能。
20
Enhanced DRAM
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I/O
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A0~A8
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D0~D3
A0~A10
CAL
A0~
A10
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21
Cache DRAM
? 在 DRAM中增加比 EDRAM更大的 Cache
? 作为真正的 Cache使用,不局限于存储最
新访问的行。
– 需要增加什么电路?
? 作为某些特定应用的缓冲器
– 显示存储器
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SDRAM
? 将与 CPU异步工作模式改为同步工作模

? 主设备给出访问命令后,SDRAM进行响
应。
? 经过响应时间后,SDRAM按系统时钟输
出数据。
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SDRAM
Control Logic
and Finite
State Machine
Mode
Register
Row
Multiplexer
Refresh
Counter
Row Address
Latch
Column
Address Latch
Burst Counter
Column
Decoder
Data Out Buffer Data In Buffer
Latch
Latch
Row Decoder
Row Decoder
BANK B
DRAM
(2M*8)
BANK A
DRAM
(2M*8)
Sense Amplifiers
and I/O Gating
Sense Amplifiers
and I/O Gating
D0~D7
A0~A10
CLK
/CS
/DQM
/WE
/CAS
/RAS
A11
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Rambus DRAM
? 对主存带宽进行改进,引入特殊的总线。
? 采用面向块的异步协议传送地址和控制
信息。
? 经过 480ns的初始化时间后,数据传输带
宽可达 500Mbps。
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RamLink
? 用 DRAM体组成环,在存储控制器的控
制下,共同响应请求,提供整个系统的
性能。
? 采用特定协议进行数据交换。
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RamLink
DRAMDRAMDRAM
DRAMDRAMDRAM
System Bus
Memory Controller
......
27
不同层次的存储器作用
? 存储器组成(数字逻辑层)
– 存放一位二进制数 0或 1
? 存储器(指令系统层)
– 存放可单独访问的最小单元(字节、字、扇
区)
? 存储器(操作系统层)
– 段、页管理
? 存储器(用户层)
– 文件
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存储器组成
? 主存储器
– SRAM:触发器的不同状态
– DRAM:电容是否存储电荷
? 磁表面存储器
– 磁颗粒的偏转方向(编码规则)
? 光盘
– 凹区和凸区,反射光的强弱
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存储器设计目标
? 高速度
– CPU对存储器的要求越来越高
? 大容量
– 应用对存储器的要求
? 高可靠性
? 低价格
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主存储器
? 速度
– 提高门电路的速度,采用并行技术
? 容量
– 增加单位面积的存储单元
? 可靠性
– 存储单元本身、纠错码
? 价格
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磁盘和光盘
? 提高速度:旋转速度、接口速度,RAID
? 大容量:存储密度、编码规则
? 可靠性:编码纠错,RAID技术
? 价格:工艺水平
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层次存储系统
? 程序局部性原理
– 时间局部性
– 空间局部性
? 系统优势( 1+1+1>3)
– SRAM -- Cache
– DRAM -- Main Memory
– Disk -- Virtual Memory
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MEMORY
CACHE CONTROL
CACHE的基本运行原理



线
译码选一单元
比较选一行





地址总线
ADDR DATA
CACHE
CPU
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Cache的组织
? 直接映射
? 全相连
? 多路组相连
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提高 Cache的性能
? 提高命中率
– 增加 Cache容量、加大 Cache块容量
? 减少不命中的代价
– 缩小 Cache块容量、替换算法
? 写策略
– 直接写、拖后写
? 替换算法
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设计 Cache
? 有关方案
– cache 容量
– 块大小
– 组织方式
– 替换算法
– 写策略
? 方案优化
– 根据用途选择
? 海量数据处理
? 指令数据平衡 (I-cache,D-cache)
– 根据成本优化
? 简单化常常就是优化
Associativity
Cache Size
Block Size
Bad
Good
Less More
Factor A Factor B
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虚拟存储器
? 给程序员提供虚拟地址空间
? 由操作系统对逻辑地址进行转换
? 段式管理、页式管理和段页式管理
? 使用快表提高性能
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段表内容及其管理
段式存储管理的核心问题在于设立和管理段表;段表也是主存中
的可再定位的一段信息,用于变换程序中的逻辑地址为主存
单元的实际地址。
段号 段内地址
+
+
逻辑地址
段始地址 段长 装入位


主存实际地址
段表基地址
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页表内容和页式管理
+
(在内存中)控制位 有效位


虚地址 (程序中给出 )
实地址 (读写内存用 )



读 实页号
虚页号 页内地址
实页号 页内地址
页表基地址
控制位:包括修改位、替换位
有效位:表示该页是否已装入主存