主存儲(chǔ)器連接控制

由于存儲(chǔ)芯片的容量有限，主存儲(chǔ)器往往要是由一定數(shù)量的 芯片構(gòu)成的位擴(kuò)展:位擴(kuò)展是指只在位數(shù)方面擴(kuò)展(加大字長(zhǎng))，而芯片的字?jǐn)?shù)和存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)。位擴(kuò)展的連接方式是將各存儲(chǔ)芯片的地址線、片選線和讀寫線相應(yīng)地并聯(lián)起來，而將各芯片的數(shù)據(jù)線單獨(dú)列出字?jǐn)U展:字?jǐn)U展是指僅在字?jǐn)?shù)方面擴(kuò)展，而位數(shù)不變。字?jǐn)U展將芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線并聯(lián)，而片選信號(hào)來區(qū)分各個(gè)芯片字和位同時(shí)擴(kuò)展:當(dāng)構(gòu)成一個(gè)容量較大的容器時(shí)，往往需要在字?jǐn)?shù)方向和位數(shù)方向上同時(shí)擴(kuò)展。

CPU要實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的訪問，首先要選擇存儲(chǔ)芯片，即進(jìn)行片選;然后再?gòu)倪x中的芯片中依地址碼選擇出相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取，這稱為字選。片內(nèi)的字 選是由CPU送出的N條低位地址線完成的，地址線直接接到所有存儲(chǔ)芯片的地址輸入端，而存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)則大多是通過高位地址譯碼后產(chǎn)生的。

線選法:

線選法就是用除片內(nèi)尋址外的高位地址線直接分別接至各個(gè)存儲(chǔ)芯片的片選端，當(dāng)某地址線信息為0時(shí)，就選中與之對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)芯片。這些片選地址線每次尋址時(shí)只能有一位有效，不允許同時(shí)有多位有效，這樣才能保證每次只選中一個(gè)芯片。線選法不能充分利用系統(tǒng)的存儲(chǔ)器空間，把地址空間分成了相互隔離的區(qū)域，給編程帶來了一定困難。

全譯碼法:

全譯碼法將除片內(nèi)尋址外的全部高位地址線都作為地址譯碼器的輸入，譯碼器的輸出作為各芯片的片選信號(hào)，將它們分別接到存儲(chǔ)芯片的片選端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)芯片的選擇。全譯碼法的優(yōu)點(diǎn)是每片芯片的地址范圍是唯一確定的，而且是連續(xù)的，也便于擴(kuò)展，不會(huì)產(chǎn)生地址重疊的存儲(chǔ)區(qū)，但全譯碼法對(duì)譯碼電路要求較高。

部分譯碼法:所謂部分譯碼法即用除片內(nèi)尋址外的高位地址的一部分來譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，部分譯碼法會(huì)產(chǎn)生地址重疊。

主存與CPU之間的硬連接:主存與CPU的硬連接有三組連線:地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)。把主存看作一個(gè)黑盒子，存儲(chǔ)器地址寄存器(MAR)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)是主存和CPU之間的接口。MAR可以接收由程序計(jì)數(shù)器(PC)的指令地址或來自運(yùn)算器的操作數(shù)的地址，以確定要訪問的單元。MDR是向主存寫入數(shù)據(jù)或從主存讀出數(shù)據(jù)的緩沖部件。MAR和MDR從功能上看屬于主存，但通常放在CPU內(nèi)。

CPU對(duì)主存的基本操作:CPU對(duì)主存進(jìn)行讀寫操作時(shí) ，首先CPU在地址總線上給出地址信號(hào)，然后發(fā)出相應(yīng)的讀寫命令，并在數(shù)據(jù)總線上交換信息。讀寫基本操作如下:

讀:讀操作是指從CPU送來的地址所指定的存儲(chǔ)單元中取出信息，再送給CPU，其操作過程如下:

地址-->MAR--ABCPU將地址信號(hào)送至地址總線

WaitForMFC等待存儲(chǔ)器工作完成信號(hào)

M(MAR)-->DB-->MDR讀出信息經(jīng)數(shù)據(jù)總線至CPU

寫:寫操作是指將要寫入的信息存入CPU所指定的存儲(chǔ)單元中，其操作過程是:

地址-->MAR-->ABCPU將地址信號(hào)送至地址總線

數(shù)據(jù)-->MDR-->DBCPU將要寫入的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線

WaitForMFC等待存儲(chǔ)器工作完成信號(hào)

CPU與主存之間的速度匹配:同步存儲(chǔ)器讀取和異步存儲(chǔ)器讀取。

異步存儲(chǔ)器讀取:CPU和主存間沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘，由主存工作完成信號(hào)(MFC)通知CPU"主存工作已完成"。

同步存儲(chǔ)器讀取:CPU和主存采用統(tǒng)一時(shí)鐘，同步工作，因?yàn)橹鞔嫠俣容^慢，所以CPU與之配合必須放慢速度，在這種存儲(chǔ)器中，不需要主存工作完成信號(hào)。

RAM是構(gòu)成內(nèi)存的主要部分，其內(nèi)容可以根據(jù)需要隨時(shí)按地址讀出或?qū)懭?，以某種電觸發(fā)器的狀態(tài)存儲(chǔ)，斷電后信息無法保存，用于暫存數(shù)據(jù)，又可分為DRAM和SRAM兩種。RAM一般使用動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件(DRAM)。因?yàn)镃PU工作的速度比RAM的讀寫速度快，所以CPU讀寫RAM時(shí)需要花費(fèi)時(shí)間等待，這樣就使CPU的工作速度下降。人們?yōu)榱颂岣逤PU讀寫程序和數(shù)據(jù)的速度，在RAM和CPU之間增加了高速緩存(Cache)部件。Cache的內(nèi)容是隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)中部分存儲(chǔ)單元內(nèi)容的副本。

ROM是只讀存儲(chǔ)器，出廠時(shí)其內(nèi)容由廠家用掩膜技術(shù)寫好，只可讀出，但無法改寫。信息已固化在存儲(chǔ)器中，一般用于存放系統(tǒng)程序BIOS和用于微程序控制。

PROM是可編程ROM，只能進(jìn)行一次寫入操作(與ROM相同)，但是可以在出廠后，由用戶使用特殊電子設(shè)備進(jìn)行寫入。

EPROM是可擦除的PROM，可以讀出，也可以寫入。但是在一次寫操作之前必須用紫外線照射，以擦除所有信息，然后再用EPROM編程器寫入，可以寫多次。

EEPROM是電可擦除PROM，與EPROM相似，可以讀出也可寫入，而且在寫操作之前，不需要把以前內(nèi)容先擦去，能夠直接對(duì)尋址的字節(jié)或塊進(jìn)行修改。

閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory)，其特性介于EPROM與EEPROM之間。閃速存儲(chǔ)器也可使用電信號(hào)進(jìn)行快速刪除操作，速度遠(yuǎn)快于EEPROM。但不能進(jìn)行字節(jié)級(jí)別的刪除操作，其集成度高于EEPROM。

指標(biāo)含義表現(xiàn)單位

存儲(chǔ)容量在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)存儲(chǔ)空間的大小 字?jǐn)?shù)，字節(jié)數(shù)

存取時(shí)間啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作所經(jīng)歷的時(shí)間 主存的速度 ns

存儲(chǔ)周期連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔的最小時(shí)間 主存的速度 ns

存儲(chǔ)器帶寬單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量, 它是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)指標(biāo)，單位是b∕s( 位/秒)或B∕S(字節(jié)/秒)。

存放一個(gè)機(jī)器字的存儲(chǔ)單元，通常稱為字存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的單元地址叫字地址。而存放一個(gè)字節(jié)的單元，稱為字節(jié)存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的地址稱為字節(jié)地址。如果計(jì)算機(jī)中可編址的最小單位是字存儲(chǔ)單元，則該計(jì)算機(jī)稱為按字編址的計(jì)算機(jī)。如果計(jì)算機(jī)中可編址的最小單

位是字節(jié)，則該計(jì)算機(jī)稱為按字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)。一個(gè)機(jī)器字可以包含數(shù)個(gè)字節(jié)，所以一個(gè)存儲(chǔ)單元也可以包含數(shù)個(gè)能夠單獨(dú)編址的字節(jié)地址。例如，PDP-11系列計(jì)算機(jī)，一個(gè)16位二進(jìn)制的字存儲(chǔ)單元可存放兩個(gè)字節(jié)，可以按字地址尋址，也可以按字節(jié)地址尋址。當(dāng)用字節(jié)地址尋址時(shí)，16位的存儲(chǔ)單元占兩個(gè)字節(jié)地址。

在一個(gè)存儲(chǔ)器中容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)通常稱為該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量用字?jǐn)?shù)或字節(jié)數(shù)(B)來表示，如64K字，512KB，10MB。外存中為了表示更大的存儲(chǔ)容量，采用MB，GB，TB等單位。其中1KB=2^10B，1MB=2^20B，1GB=2^30B，1TB=2^40B。B表示字節(jié)，一個(gè)字節(jié)定義為8個(gè)二進(jìn)制位，所以計(jì)算機(jī)中一個(gè)字的字長(zhǎng)通常為8的倍數(shù)。存儲(chǔ)容量這一概念反映了存儲(chǔ)空間的大小。

又稱存儲(chǔ)器訪問時(shí)間或讀∕寫時(shí)間，是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。具體講，從一次讀操作命令發(fā)出到該操作完成，將數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)緩沖寄存器為止所經(jīng)歷的時(shí)間，即為存儲(chǔ)器存取時(shí)間。

是指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作(如連續(xù)兩次讀操作)所需間隔的最小時(shí)間。通常，存儲(chǔ)周期略大于存儲(chǔ)時(shí)間，其時(shí)間單位為ns

主存儲(chǔ)器一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，與輔助存儲(chǔ)器相比有容量小、讀寫速度快、價(jià)格高等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)中的主存儲(chǔ)器主要由存儲(chǔ)體、控制線路、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和地址譯碼電路五部分組成。

從70年代起，主存儲(chǔ)器已逐步采用大規(guī)模集成電路構(gòu)成。用得最普遍的也是最經(jīng)濟(jì)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片(DRAM)。1995年集成度為64Mb(可存儲(chǔ)400萬個(gè)漢字)的DRAM芯片已經(jīng)開始商業(yè)性生產(chǎn)，16MbDRAM芯片已成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。DRAM芯片的存取速度適中，一般為50~70ns。有一些改進(jìn)型的DRAM，如EDO DRAM(即擴(kuò)充數(shù)據(jù)輸出的DRAM)，其性能可較普通DRAM提高10%以上，又如SDRAM(即同步DRAM)，其性能又可較EDO DRAM提高10%左右。1998年SDRAM的后繼產(chǎn)品為SDRAMⅡ(或稱DDR，即雙倍數(shù)據(jù)速率)的品種已上市。在追求速度和可靠性的場(chǎng)合，通常采用價(jià)格較貴的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片(SRAM)，其存取速度可以達(dá)到了1~15ns。無論主存采用DRAM還是SRAM芯片構(gòu)成，在斷電時(shí)存儲(chǔ)的信息都會(huì)"丟失"，因此計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮發(fā)生這種情況時(shí)，設(shè)法維持若干毫秒的供電以保存主存中的重要信息，以便供電恢復(fù)時(shí)計(jì)算機(jī)能恢復(fù)正常運(yùn)行。鑒于上述情況，在某些應(yīng)用中主存中存儲(chǔ)重要而相對(duì)固定的程序和數(shù)據(jù)的部分采用"非易失性"存儲(chǔ)器芯片(如EPROM，快閃存儲(chǔ)芯片等)構(gòu)成;對(duì)于完全固定的程序，數(shù)據(jù)區(qū)域甚至采用只讀存儲(chǔ)器(ROM)芯片構(gòu)成;主存的這些部分就不怕暫時(shí)供電中斷，還可以防止病毒侵入。

主存儲(chǔ)器(Main memory)，簡(jiǎn)稱主存。是計(jì)算機(jī)硬件的一個(gè)重要部件，其作用是存放指令和數(shù)據(jù)，并能由中央處理器(CPU)直接隨機(jī)存取。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是為了提高性能，又能兼顧合理的造價(jià)，往往采用多級(jí)存儲(chǔ)體系。即由存儲(chǔ)容量小，存取速度高的高速緩沖存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量和存取速度適中的主存儲(chǔ)器是必不可少的。主存儲(chǔ)器是按地址存放信息的，存取速度一般與地址無關(guān)。32位(比特)的地址最大能表達(dá)4GB的存儲(chǔ)器地址。這對(duì)多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠，但對(duì)于某些特大運(yùn)算量的應(yīng)用和特大型數(shù)據(jù)庫(kù)已顯得不夠，從而對(duì)64位結(jié)構(gòu)提出需求。

快速頁(yè)式工作技術(shù)(動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的快速讀寫技術(shù)):讀寫動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器同一行的數(shù)據(jù)時(shí)，其行地址第一次讀寫時(shí)鎖定后保持不變，以后讀寫該行多列中的數(shù)據(jù)時(shí)，僅鎖存列地址即可，省去了鎖存行地址的時(shí)間，加快了主存儲(chǔ)器的讀寫速度。

EDO(ExtendedDataOut)技術(shù):在快速頁(yè)式工作技術(shù)上，增加了數(shù)據(jù)輸出部分的數(shù)據(jù)鎖存線路，延長(zhǎng)輸出數(shù)據(jù)的有效保持時(shí)間，從而地址信號(hào)改變了，仍然能取得正確的讀出數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步縮短地址送入時(shí)間，更加快了主存儲(chǔ)器的讀寫速度。

是指在主存儲(chǔ)器的一個(gè)工作周期(或較長(zhǎng))可以讀出多個(gè)主存字所采用的技術(shù)。

方案1:一體多字結(jié)構(gòu)，即增加每個(gè)主存單元所包括的數(shù)據(jù)位，使其同時(shí)存儲(chǔ)幾個(gè)主存字，則每一次讀操作就同時(shí)讀出了幾個(gè)主存字。

方案2:多體交叉編址技術(shù)，把主存儲(chǔ)器分成幾個(gè)能獨(dú)立讀寫的、字長(zhǎng)為一個(gè)主存字的主體，分別對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)體進(jìn)行讀寫;還可以使幾個(gè)存儲(chǔ)體協(xié)同運(yùn)行，從而提供出比單個(gè)存儲(chǔ)體更高的讀寫速度。

有兩種方式進(jìn)行讀寫:

1在同一個(gè)讀寫周期同時(shí)啟動(dòng)所有主存體讀或?qū)憽?/p>

2讓主存體順序地進(jìn)行讀或?qū)?，即依次讀出來的每一個(gè)存儲(chǔ)字，可以 通過數(shù)據(jù)總線依次傳送走，而不必設(shè)置專門的數(shù)據(jù)緩沖寄存器;其次，就是采用交叉編址的方式，把連續(xù)地址的幾個(gè)存儲(chǔ)字依次分配在不同的存儲(chǔ)體中，因?yàn)楦鶕?jù)程序運(yùn)行的局部性特性，短時(shí)間內(nèi)讀寫地址相鄰的主存字的概率更大。

所謂成組數(shù)據(jù)傳送就是地址總線傳送一次地址后，能連續(xù)在數(shù)據(jù)總線上傳送多個(gè)數(shù)據(jù)。而原先是每傳送一次數(shù)據(jù)要使用兩個(gè)時(shí)鐘周期:先送一次地址，后跟一次數(shù)據(jù)傳送，即要傳送N個(gè)數(shù)據(jù)，就要用2N個(gè)總線時(shí)鐘周期，成組數(shù)據(jù)傳送方式只用N+1個(gè)總線時(shí)鐘周期。

實(shí)現(xiàn)成組數(shù)據(jù)傳送方式，不僅CPU要支持這種運(yùn)行方式，主存也能提供足夠高的數(shù)據(jù)讀寫速度，這往往通過主存的多體結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的EDO支持等措施來實(shí)現(xiàn)。

教學(xué)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器組成與設(shè)計(jì)

(1)靜態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)(P207)

(2)教學(xué)計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的組成與設(shè)計(jì)

地址總線:記為AB15~AB0,統(tǒng)一由地址寄存器AR驅(qū)動(dòng)，地址寄存器AR只接收ALU輸出的信息。

控制總線:控制總線的信號(hào)由譯碼器74LS139給出，功能是指出總線周期的類型:

(1)內(nèi)存寫周期用MMW信號(hào)標(biāo)記

(2)內(nèi)存讀周期用MMR信號(hào)標(biāo)記

(3)外設(shè)(接口)寫周期用IOW信號(hào)標(biāo)記

(4)外設(shè)(接口)讀周期用IOR信號(hào)標(biāo)記

(5)內(nèi)存在工作用MMREQ信號(hào)標(biāo)記

(6)外設(shè)在工作用IOREQ信號(hào)標(biāo)記

(7)寫控存周期用SWA信號(hào)標(biāo)記

數(shù)據(jù)總線:分為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線IB與外部數(shù)據(jù)總線DB兩部分。主要完成計(jì)算機(jī)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)計(jì)總線的核心技術(shù)是要保證在任何時(shí)刻只能把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，卻允許一個(gè)和多個(gè)部件同時(shí)接受總線上的信息。所用的電路通常為三態(tài)門電路。

系統(tǒng)時(shí)鐘及時(shí)序:教學(xué)機(jī)晶振1.8432MHz，3分頻后用614.4KHz的時(shí)鐘作為系統(tǒng)主時(shí)鐘，使CPU、內(nèi)存、IO同步運(yùn)行。CPU內(nèi)部的有些寄存器用時(shí)鐘結(jié)束時(shí)的上升沿完成接受數(shù)據(jù)，而通用寄存器是用低電平接收的。內(nèi)存或I/O讀寫操作時(shí)，每個(gè)總線周期由兩個(gè)時(shí)鐘組成，第一個(gè)時(shí)鐘，稱為地址時(shí)間，用于傳送地址;第二個(gè)時(shí)鐘，稱為數(shù)據(jù)時(shí)間，用于讀寫數(shù)據(jù)

靜態(tài)存儲(chǔ)器的字位擴(kuò)展:

教學(xué)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器用靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)，由2K字的ROM區(qū)和2K字RAM區(qū)組成。內(nèi)存字長(zhǎng)16位，按字尋址。ROM由74LS2716只讀存儲(chǔ)器ROM(每片2048個(gè)存儲(chǔ)單元，每單元為8位二進(jìn)制位)兩片完成字長(zhǎng)的擴(kuò)展。地址分配在:0~2047RAM由74LS6116隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(每片2048個(gè)存儲(chǔ)單元，每單元為8位二進(jìn)制位)兩片完成字長(zhǎng)的擴(kuò)展。地址分配在:2048~4095。

靜態(tài)存儲(chǔ)器地址分配:

為訪問2048個(gè)存儲(chǔ)單元，要用11位地址，把地址總線的低11位地址送到每個(gè)存儲(chǔ)器芯片的地址引腳;對(duì)地址總線的高位進(jìn)行譯碼，譯碼信號(hào)送到各存儲(chǔ)器芯片的/CS引腳，在按字尋址的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)按字節(jié)讀寫。

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的定期刷新:在不進(jìn)行讀寫操作時(shí)，DRAM存儲(chǔ)器的各單元處于斷電狀態(tài)，由于漏電的存在，保存在電容CS上的電荷會(huì)慢慢地漏掉，為此必須定時(shí)予以補(bǔ)充，稱為刷新操作。

(1)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的組成:由單個(gè)MOS管來存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。信息存儲(chǔ)在MOS管的源極的寄生電容CS中。

寫數(shù)據(jù)時(shí):字線為高電平，T導(dǎo)通。

寫"1"時(shí)，位線(數(shù)據(jù)線)為低電平，VDD(電源)將向電容充電

寫"0時(shí)，位線(數(shù)據(jù)線)為高電平，若電容存儲(chǔ)了電荷，則將會(huì)使電容完成放電，就表示存儲(chǔ)了"0"。

讀數(shù)據(jù)時(shí):先使位線(數(shù)據(jù)線)變?yōu)楦唠娖?，?dāng)字線高電平到來時(shí)T導(dǎo)通，若電容原存儲(chǔ)有電荷(是"1")，則電容就要放電，就會(huì)使數(shù)據(jù)線電位由高變低;若電容沒有存儲(chǔ)電荷(是"0")，則數(shù)據(jù)線電位不會(huì)變化。檢測(cè)數(shù)據(jù)線上電位的變化就可以區(qū)分讀出的數(shù)據(jù)是1還是0。

注意

①讀操作使電容原存儲(chǔ)的電荷丟失，因此是破壞性讀出。為保持原記憶內(nèi)容，必須在讀操作后立刻跟隨一次寫入操作，稱為預(yù)充電延遲。

②向動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元提供地址，是先送行地址再送列地址。原因就是對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器必須定時(shí)刷新(如2ms)，刷新不是按字處理，而是每次刷新一行，即為連接在同一行上所有存儲(chǔ)單元的電容補(bǔ)充一次能量。

③在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的位線上讀出信號(hào)很小，必須接讀出放大器，通常用觸發(fā)器線路實(shí)現(xiàn)。

④存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部的行地址和列地址鎖存器分先后接受行、列地址。

⑤RAS、CAS、WE、Din、Dout時(shí)序關(guān)系

市場(chǎng)上并不缺少提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率的新技術(shù)，然而這些新技術(shù)絕大多數(shù)都是關(guān)注備份和存檔的，而非主存儲(chǔ)。但是，當(dāng)企業(yè)開始進(jìn)行主存儲(chǔ)數(shù)據(jù)縮減時(shí)，對(duì)他們來說，了解主存儲(chǔ)優(yōu)化所要求的必要條件十分重要。

主存儲(chǔ)，常常被稱為1級(jí)存儲(chǔ)，其特征是存儲(chǔ)活躍數(shù)據(jù)――即經(jīng)常被存取并要求高性能、低時(shí)延和高可用性的數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)一般用于支持關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，如數(shù)據(jù)庫(kù)、電子郵件和交易處理。大多數(shù)關(guān)鍵應(yīng)用具有隨機(jī)的數(shù)據(jù)取存模式和不同的取存要求，但它們都生成機(jī)構(gòu)用來運(yùn)營(yíng)它們的業(yè)務(wù)的大量的數(shù)據(jù)。因此，機(jī)構(gòu)制作數(shù)據(jù)的許多份拷貝，復(fù)制數(shù)據(jù)供分布使用，庫(kù)存數(shù)據(jù)，然后為安全保存?zhèn)浞莺痛鏅n數(shù)據(jù)。

絕大多數(shù)數(shù)據(jù)是起源于主數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)存在的時(shí)間增加，它們通常被遷移到二級(jí)和三級(jí)存儲(chǔ)保存。因此，如果機(jī)構(gòu)可以減少主數(shù)據(jù)存儲(chǔ)占用空間，將能夠在數(shù)據(jù)生命期中利用這些節(jié)省下來的容量和費(fèi)用。換句話說，更少的主存儲(chǔ)占用空間意味著更少的數(shù)據(jù)復(fù)制、庫(kù)存、存檔和備份。

試圖減少主存儲(chǔ)占用空間存儲(chǔ)管理人員可以考慮兩種減少數(shù)據(jù)的方法:實(shí)時(shí)壓縮和數(shù)據(jù)去重。

直到不久前，由于性能問題，數(shù)據(jù)壓縮一直沒有在主存儲(chǔ)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。然而，Storwize等廠商提供利用實(shí)時(shí)、隨機(jī)存取壓縮/解壓技術(shù)將數(shù)據(jù)占用空間壓縮15:1的解決方案。更高的壓縮率和實(shí)時(shí)性能使壓縮解決方案成為主存儲(chǔ)數(shù)據(jù)縮減的可行的選擇。

在備份應(yīng)用中廣泛采用的數(shù)據(jù)去重技術(shù)也在被應(yīng)用到主存儲(chǔ)。目前為止，數(shù)據(jù)去重面臨著一大挑戰(zhàn)，即數(shù)據(jù)去重處理是離線處理。這是因?yàn)榇_定數(shù)量可能多達(dá)數(shù)百萬的文件中的多余的數(shù)據(jù)塊需要大量的時(shí)間和存儲(chǔ)處理器做大量的工作，因此非?；钴S的數(shù)據(jù)可能受到影響。當(dāng)前，推出數(shù)據(jù)去重技術(shù)的主要廠商包括NetApp、Data Domain和OcarinaNetworks。

與備份或存檔存儲(chǔ)不同，活躍數(shù)據(jù)集的性能比能夠用某種形式的數(shù)據(jù)縮減技術(shù)節(jié)省的存儲(chǔ)容量更為關(guān)鍵。因此，選擇的數(shù)據(jù)縮減技術(shù)必須不影響到性能。它必須有效和簡(jiǎn)單;它必須等價(jià)于"撥動(dòng)一個(gè)開關(guān)，就消耗更少的存儲(chǔ)"。

活躍存儲(chǔ)縮減解決方案只在需要去重的數(shù)據(jù)達(dá)到非活躍狀態(tài)時(shí)才為活躍存儲(chǔ)去重。換句話說，這意味著實(shí)際上只對(duì)不再被存取但仍保存在活躍存儲(chǔ)池中的文件――近活躍存儲(chǔ)級(jí)――進(jìn)行去重。

去重技術(shù)通過建議只對(duì)輕I/O工作負(fù)載去重來避免性能瓶頸。因此，IT基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組件的存儲(chǔ)沒有得到優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫(kù)排在關(guān)鍵組件清單之首。由于它們是1級(jí)存儲(chǔ)和極其活躍的組件并且?guī)缀跏冀K被排除在輕工作負(fù)載之外，去重處理從來不分析它們。因此，它們?cè)谥鞔鎯?chǔ)中占據(jù)的空間沒有得到優(yōu)化。

另一方面，實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)實(shí)時(shí)壓縮所有流經(jīng)壓縮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致節(jié)省存儲(chǔ)容量之外的意外好處:存儲(chǔ)性能的提高。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都被壓縮時(shí)，每個(gè)I/O請(qǐng)求提交的數(shù)據(jù)量都有效地增加，硬盤空間增加了，每次寫和讀操作都變得效率更高。

實(shí)際結(jié)果是占用的硬盤容量減少，總體存儲(chǔ)性能顯著提高。

主存儲(chǔ)去重的第二個(gè)好處是所有數(shù)據(jù)都被減少，這實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)庫(kù)在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)的容量節(jié)省。盡管Oracle環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮可能造成一些性能問題，但迄今為止的測(cè)試表明性能提高了。

另一個(gè)問題是對(duì)存儲(chǔ)控制器本身的性能影響。人們要求今天的存儲(chǔ)控制器除了做伺服硬盤外，還要做很多事情，包括管理不同的協(xié)議，執(zhí)行復(fù)制和管理快照。再向這些功能增加另一個(gè)功能可能會(huì)超出控制器的承受能力――即使它能夠處理額外的工作負(fù)載，它仍增加了一個(gè)存儲(chǔ)管理人員必須意識(shí)到可能成為潛在I/O瓶頸的過程。將壓縮工作交給外部專用設(shè)備去做，從性能問題中消除了一個(gè)變數(shù)，而且不會(huì)給存儲(chǔ)控制器造成一點(diǎn)影響。

許多關(guān)注二級(jí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)縮減解決方案不是高可用的。這是由于它們必須立即恢復(fù)的備份或存檔數(shù)據(jù)不像一級(jí)存儲(chǔ)中那樣關(guān)鍵。但是，甚至在二級(jí)存儲(chǔ)中，這種概念也逐漸不再時(shí)興，高可用性被作為一種選擇添加到許多二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

可是，高可用性在主存儲(chǔ)中并不是可選的選項(xiàng)。從數(shù)據(jù)縮減格式(被去重或被壓縮)中讀取數(shù)據(jù)的能力必須存在。在數(shù)據(jù)縮減解決方案中(其中去重被集成到存儲(chǔ)陣列中)，冗余性是幾乎總是高可用的存儲(chǔ)陣列的必然結(jié)果。

在配件市場(chǎng)去重系統(tǒng)中，解決方案的一個(gè)組件以數(shù)據(jù)的原始格式向客戶機(jī)提供去重的數(shù)據(jù)。這個(gè)組件就叫做讀出器(reader)。讀出器也必須是高可用的，并且是無縫地高可用的。一些解決方案具有在發(fā)生故障時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器上加載讀出器的能力。這類解決方案經(jīng)常被用在近活躍的或更合適的存檔數(shù)據(jù)上;它們不太適合非常活躍的數(shù)據(jù)集。

多數(shù)聯(lián)機(jī)壓縮系統(tǒng)被插入系統(tǒng)中和網(wǎng)絡(luò)上，放置(邏輯上)在交換機(jī)與存儲(chǔ)之間。因此，它們由于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)上幾乎總是設(shè)計(jì)具有的高可用性而取得冗余性。沿著這些路徑插入聯(lián)機(jī)專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)了不需要IT管理人員付出額外努力的無縫的故障切換;它利用了已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上所做的工作。

部署這些解決方案之一必須帶來顯著的容量節(jié)省。如果減少占用容量的主存儲(chǔ)導(dǎo)致低于標(biāo)準(zhǔn)的用戶性能，它沒有價(jià)值。

主數(shù)據(jù)不具有備份數(shù)據(jù)通常具有的高冗余存儲(chǔ)模式。這直接影響到總體容量節(jié)省。這里也有兩種實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)縮減的方法:數(shù)據(jù)去重和壓縮。

數(shù)據(jù)去重技術(shù)尋找近活躍文件中的冗余數(shù)據(jù)，而能取得什么水平的數(shù)據(jù)縮減將取決于環(huán)境。在具有高冗余水平的環(huán)境中，數(shù)據(jù)去重可以帶來顯著的ROI(投資回報(bào))，而另一些環(huán)境只能取得10%到20%的縮減。

壓縮對(duì)所有可用數(shù)據(jù)都有效，并且它在可以為高冗余數(shù)據(jù)節(jié)省更多的存儲(chǔ)容量的同時(shí)，還為主存儲(chǔ)應(yīng)用常見的更隨機(jī)的數(shù)據(jù)模式始終帶來更高的節(jié)省。

實(shí)際上，數(shù)據(jù)模式冗余度越高，去重帶來的空間節(jié)省就越大。數(shù)據(jù)模式越隨機(jī)，壓縮帶來的空間節(jié)省就越高。

真正的好處可能來自所有跨數(shù)據(jù)類型(不管產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)是什么應(yīng)用或數(shù)據(jù)有多活躍)的數(shù)據(jù)縮減。雖然實(shí)際的縮減率根據(jù)去重?cái)?shù)據(jù)的水平或數(shù)據(jù)的壓縮率的不同而不同，但所有數(shù)據(jù)都必須合格。

當(dāng)涉及存檔或備份時(shí)，應(yīng)用特有的數(shù)據(jù)縮減具有明確的價(jià)值，并且有時(shí)間為這類數(shù)據(jù)集定制縮減過程。但是對(duì)于活躍數(shù)據(jù)集，應(yīng)用的特殊性將造成性能瓶頸，不會(huì)帶來顯著的容量縮減的好處。

在混合的廠商IT基礎(chǔ)設(shè)施中，跨所有平臺(tái)使用同樣的數(shù)據(jù)縮減工具的能力不僅將進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)縮減的ROI好處，而且還簡(jiǎn)化了部署和管理。每一個(gè)存儲(chǔ)平臺(tái)使用一種不同的數(shù)據(jù)縮減方法將需要進(jìn)行大量的培訓(xùn)，并造成管理級(jí)上的混亂。

在完成上述所有優(yōu)化主存儲(chǔ)的工作后，當(dāng)?shù)搅藗浞葜鞔鎯?chǔ)時(shí)，最好讓數(shù)據(jù)保持優(yōu)化的格式(被壓縮或去重)。如果數(shù)據(jù)在備份之前必須擴(kuò)展恢復(fù)為原始格式，這將是浪費(fèi)資源。

為備份擴(kuò)展數(shù)據(jù)集將需要:

使用存儲(chǔ)處理器或外部讀出器資源解壓數(shù)據(jù);

擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)資源以把數(shù)據(jù)傳送給備份目標(biāo);

把額外的資源分配給保存?zhèn)浞輸?shù)據(jù)的備份存儲(chǔ)設(shè)備。

存放指令和數(shù)據(jù)，并能由中央處理器直接隨機(jī)存取的存儲(chǔ)器，有時(shí)也稱操作存儲(chǔ)器或初級(jí)存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是速度比輔助存儲(chǔ)器快，容量比高速緩沖存儲(chǔ)器大。

主存儲(chǔ)器被劃分成若干用于存放數(shù)據(jù)或指令的存儲(chǔ)單元。為了區(qū)分不同的存儲(chǔ)單元，給每一個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，因此主存是按地址存取信息的。在主存中，以字節(jié)作為編址單位，即一個(gè)存儲(chǔ)單元的長(zhǎng)度為8個(gè)二進(jìn)制位。存儲(chǔ)單位的地址編號(hào)從0開始，順序加1 ，是一個(gè)無符號(hào)二進(jìn)制整數(shù)，一般用十六進(jìn)制數(shù)表示。

一般用隨機(jī)存儲(chǔ)器作主存儲(chǔ)器。存取數(shù)據(jù)的時(shí)間與數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)單元的地址無關(guān)。主存儲(chǔ)器工作時(shí)，首先由中央處理器將地址送至存儲(chǔ)器的地址寄存器并譯碼，同時(shí)接收由中央處理器發(fā)出的"讀"或"寫"命令。于是，存儲(chǔ)器就按照地址譯碼的輸出確定相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。如果是讀命令，則將存儲(chǔ)單元的代碼讀出并送往代碼緩沖寄存器，如果是寫命令，代碼緩沖寄存器接收新代碼，接著寫入存儲(chǔ)體。為了提高數(shù)據(jù)的處理速度，存儲(chǔ)器的讀∕寫操作往往按2個(gè)字節(jié)、4個(gè)字節(jié)、8個(gè)字節(jié)、16個(gè)字節(jié)作為一組同時(shí)讀出或?qū)懭?。主存?chǔ)器采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。存儲(chǔ)芯片是集成電路市場(chǎng)的支柱產(chǎn)品，主要采用MOS存儲(chǔ)器。容量大而速度低的外圍存儲(chǔ)器主要采用磁盤、光盤、磁帶等。

存儲(chǔ)總線由許多條并行排列的傳輸數(shù)據(jù)的線路組成，細(xì)分為三組:數(shù)據(jù)總線(用于傳遞數(shù)據(jù));地址總線(用于傳遞主存儲(chǔ)器的地址);控制總線(用于各種內(nèi)部控制指令的傳遞)。

CPU和主存儲(chǔ)器之間的信息交換是通過數(shù)據(jù)總線和地址總線進(jìn)行的。當(dāng)CPU需要信息時(shí)，它需要給出地址信息。讓主存儲(chǔ)器讀取信息先要把地址送入地址總線，并通過控制總線發(fā)出一個(gè)"讀"信號(hào)。這些信號(hào)轉(zhuǎn)送到主存儲(chǔ)器，將指定地址連續(xù)的幾個(gè)存儲(chǔ)單元讀出，送到數(shù)據(jù)總線。然后，CPU就可以由數(shù)據(jù)總線得到數(shù)據(jù)了。寫入動(dòng)作也類似。由讀寫操作過程可以看出，當(dāng)CPU把地址送出后，經(jīng)過若干時(shí)間后才能夠從數(shù)據(jù)總線得到讀出的數(shù)據(jù)，這是由主存儲(chǔ)器的工作速度和數(shù)據(jù)總線的工作速度決定的。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)層次可分為高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器三級(jí)。高速緩沖存儲(chǔ)器用來改善主存儲(chǔ)器與中央處理器的速度匹配問題。輔助存儲(chǔ)器用于擴(kuò)大存儲(chǔ)空間。