第五章存儲(chǔ)體系存儲(chǔ)體系概述高速存儲(chǔ)器5.4主存儲(chǔ)器與CPU的連接5.35.25.1

存儲(chǔ)保護(hù)5.8高速緩沖存儲(chǔ)器Cache外存儲(chǔ)器5.7虛擬存儲(chǔ)器5.65.5

IA32架構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)舉例

本章小結(jié)5.9主存儲(chǔ)器1現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.1存儲(chǔ)體系概述一個(gè)二進(jìn)制位（bit）是構(gòu)成存儲(chǔ)器的最小單位；字節(jié)（8bits）是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本單位。單元地址是內(nèi)存單元的唯一標(biāo)志。存儲(chǔ)器具有兩種基本的訪問(wèn)操作：讀和寫。

存儲(chǔ)器的分類

主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)

存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)一二三2現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、存儲(chǔ)器的分類1、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器分類（1）按存儲(chǔ)介質(zhì)分類半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（RAM、ROM，用作主存）磁性材料：磁表面存儲(chǔ)器（磁盤、磁帶，用作輔存）光介質(zhì)：光盤存儲(chǔ)器（用作輔存）（2）按存取方式分類隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器中任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)（主存）順序存取存儲(chǔ)器：存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)（磁盤、磁帶）相聯(lián)存儲(chǔ)器：按內(nèi)容訪問(wèn)。3現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、存儲(chǔ)器的分類1、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器分類（3）按存儲(chǔ)器的讀寫功能分類只讀存儲(chǔ)器（ROM）：一般隱含指隨機(jī)存取。讀寫存儲(chǔ)器（RAM）：一般隱含指隨機(jī)存取。（4）按信息的可保存性分類永久記憶的存儲(chǔ)器：又稱非易失性存儲(chǔ)器，在斷電后還能保存信息（輔存、ROM）非永久記憶的存儲(chǔ)器：又稱易失性存儲(chǔ)器，在斷電后信息丟失（主存中的RAM）4現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、存儲(chǔ)器的分類（5）按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類主存儲(chǔ)器：又稱內(nèi)存，為主機(jī)的一部分，用于存放系統(tǒng)當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，屬于臨時(shí)存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器：又稱外存，為外部設(shè)備，用于存放暫不用的數(shù)據(jù)和程序，屬于永久存儲(chǔ)器。CPU內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器5現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、存儲(chǔ)器的分類2、計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器分類主存的地位：在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，主存儲(chǔ)器處于全機(jī)的中心地位。

主存的分類：要求為隨機(jī)存取、快速隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM）掩膜式只讀存儲(chǔ)器（MROM）可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)可擦除可編程序的只讀存儲(chǔ)器(EPROM)電可擦除的可編程序的只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)閃存(Flashmemory)：介于EPROM和E2PROM之間的永久性存儲(chǔ)器6現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二存儲(chǔ)器分類綜述主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器RAMROMSRAMDRAM磁盤光盤軟盤硬盤→Cache磁帶MROMPROMEPROME2PROMCD-ROMWORMEOD7現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)1、存儲(chǔ)容量：指存儲(chǔ)器可容納的二進(jìn)制信息量，描述存儲(chǔ)容量的單位是字節(jié)或位。量化單位：1K＝2101M＝2201G＝2301T＝240存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量＝存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×每存儲(chǔ)單元的位數(shù)兆千兆太8現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)2、存儲(chǔ)速度：由以下3個(gè)方法來(lái)衡量。存取時(shí)間（MemoryAccessTime）：指啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所需的全部時(shí)間。存取時(shí)間愈短，其性能愈好。通常存取時(shí)間用納秒（ns＝10－9s）為單位。存儲(chǔ)周期（MemoryCycleTime）：指存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作所需的最小間隔時(shí)間。通常存取周期TC大于存取時(shí)間tA

，即TC≥tA。存儲(chǔ)器帶寬：是單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所能存取的最大信息量，存儲(chǔ)器帶寬的計(jì)量單位通常是位/秒（bps）或字節(jié)/秒，它是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)指標(biāo)。9現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)3、存儲(chǔ)器的價(jià)格：用每位的價(jià)格來(lái)衡量。設(shè)存儲(chǔ)器容量為S，總價(jià)格為C，則位價(jià)為C/S(分/位)。它不僅包含了存儲(chǔ)元件的價(jià)格，還包括為該存儲(chǔ)器操作服務(wù)的外圍電路的價(jià)格。4、可靠性：指存儲(chǔ)器正常工作（正確存?。┑男阅?。5、功耗：存儲(chǔ)器工作的耗電量。存儲(chǔ)容量、速度和價(jià)格的關(guān)系：速度快的存儲(chǔ)器往往價(jià)格較高，容量也較小。容量、速度和價(jià)格三個(gè)指標(biāo)是相互制約的。10現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二三、存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)訪問(wèn)速度越來(lái)越快存儲(chǔ)容量越來(lái)越大，每位的價(jià)格越來(lái)越便宜11現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二存儲(chǔ)器的主要性能特性比較存儲(chǔ)器層次通用寄存器Cache主存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器脫機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)周期<10ns10～60ns60～300ns10～30ms2～20min存儲(chǔ)容量<512B8KB～2MB32MB～1GB1GB～1TB5GB～10TB價(jià)格很高較高高較低低材料工藝ECLSRAMDRAM磁表面磁、光等ms（毫秒），μs（微秒），ns（毫微秒）1s=1000ms，1ms=1000μs12現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二RAMBUS內(nèi)存條DDR內(nèi)存條內(nèi)存13現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二硬盤磁盤片磁頭馬達(dá)磁頭驅(qū)動(dòng)輔助電路14現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二軟盤寫保護(hù)15現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二磁帶16現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二光盤驅(qū)動(dòng)器17現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二優(yōu)盤18現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.2主存儲(chǔ)器特點(diǎn)：主存儲(chǔ)器可以被CPU直接存取（訪問(wèn)）。一般由半導(dǎo)體材質(zhì)構(gòu)成。隨機(jī)存?。鹤x寫任意存儲(chǔ)單元所用時(shí)間是相同的，與單元地址無(wú)關(guān)。與輔存相比，速度快，價(jià)格高，容量小。主存的操作：讀存儲(chǔ)器操作：寫存儲(chǔ)器操作：19現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.2主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器按其功能可分為RAM和ROM。

隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM

只讀存儲(chǔ)器ROM

高性能的主存儲(chǔ)器一二三20現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM21現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM

靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）1

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）2

SRAM和DRAM的對(duì)比322現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）（1）SRAM存儲(chǔ)位元（2）SRAM存儲(chǔ)器（3）SRAM存儲(chǔ)器的特點(diǎn)23現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（1）SRAM存儲(chǔ)位元“1”

狀態(tài)：T1截止，T2導(dǎo)通“0”狀態(tài)：

T2截止，T1導(dǎo)通六管MOS靜態(tài)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)24現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（2）SRAM存儲(chǔ)器地址譯碼方式：線性譯碼方式：n位地址線，經(jīng)過(guò)一維譯碼后，有2n根選擇線。雙向譯碼方式25現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（2）SRAM存儲(chǔ)器雙向譯碼方式：n位地址分為行、列地址分別譯碼26現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2114SRAM存儲(chǔ)器1K×4位2114地址線10根數(shù)據(jù)線4根A9～A0D3～D0CSWE片選線寫使能27現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（3）SRAM存儲(chǔ)器的特點(diǎn)使用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器表示0和1代碼。電源不掉電的情況下，信息穩(wěn)定保持（靜態(tài)）。存取速度快，集成度低（容量?。?，價(jià)格高。常用作高速緩沖存儲(chǔ)器Cache。28現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）（4）（3）（2）（1）DRAM存儲(chǔ)位元DRAM存儲(chǔ)器DRAM的刷新方式DRAM存儲(chǔ)器的特點(diǎn)29現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（1）DRAM存儲(chǔ)位元“1”狀態(tài)：電容C上有電荷“0”狀態(tài)：電容C上無(wú)電荷再生：讀出后信息可能被破壞，需要重寫。刷新：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，信息可能丟失，需要重寫。單管MOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)30現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（2）DRAM存儲(chǔ)器4M×4位的DRAM31現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二DRAM的讀/寫過(guò)程32現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（3）DRAM的刷新方式刷新周期：從上一次刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)DRAM全部刷新一遍為止，這一段時(shí)間間隔稱為刷新周期。刷新操作：即是按行來(lái)執(zhí)行內(nèi)部的讀操作。由刷新計(jì)數(shù)器產(chǎn)生行地址，選擇當(dāng)前要刷新的行，讀即刷新，刷新一行所需時(shí)間即是一個(gè)存儲(chǔ)周期。刷新行數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)芯片的單個(gè)矩陣的行數(shù)。對(duì)于內(nèi)部包含多個(gè)存儲(chǔ)矩陣的芯片，各個(gè)矩陣的同一行是被同時(shí)刷新的。對(duì)于多個(gè)芯片連接構(gòu)成的DRAM，DRAM控制器將選中所有芯片的同一行來(lái)進(jìn)行逐行刷新。單元刷新間隔時(shí)間：DRAM允許的最大信息保持時(shí)間；一般為2ms。刷新方式：集中式刷新、分散式刷新和異步式刷新。33現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二集中式刷新例：64K×1位DRAM芯片中，存儲(chǔ)電路由4個(gè)獨(dú)立的128×128的存儲(chǔ)矩陣組成。設(shè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)周期為500ns，單元刷新間隔是2ms。在2ms單元刷新間隔時(shí)間內(nèi)，集中對(duì)128行刷新一遍，所需時(shí)間128×500ns=64μs，其余時(shí)間則用于訪問(wèn)操作。在內(nèi)部刷新時(shí)間（64μs）內(nèi)，不允許訪存，這段時(shí)間被稱為死時(shí)間。34現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二分散式刷新在任何一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)，分為訪存和刷新兩個(gè)子周期。訪存時(shí)間內(nèi)，供CPU和其他主設(shè)備訪問(wèn)。在刷新時(shí)間內(nèi)，對(duì)DRAM的某一行刷新。存儲(chǔ)周期為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)周期的兩倍，即500ns×2＝1μs。刷新周期縮短，為128×1μs＝128μs。在2ms的單元刷新間隔時(shí)間內(nèi)，對(duì)DRAM刷新了2ms÷128μs遍。35現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二異步刷新采取折中的辦法，在2ms內(nèi)分散地把各行刷新一遍。避免了分散式刷新中不必要的多次刷新，提高了整機(jī)速度；同時(shí)又解決了集中式刷新中“死區(qū)”時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。刷新信號(hào)的周期為2ms/128=15.625μs。讓刷新電路每隔15μs產(chǎn)生一個(gè)刷新信號(hào)，刷新一行。異步式刷新36現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二（4）DRAM存儲(chǔ)器的特點(diǎn)使用半導(dǎo)體器件中分布電容上有無(wú)電荷來(lái)表示0和1代碼。電源不掉電的情況下，信息也會(huì)丟失，因此需要不斷刷新。存取速度慢，集成度高（容量大），價(jià)格低。常用作內(nèi)存條。37現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二3、SRAM和DRAM的對(duì)比比較內(nèi)容SRAMDRAM存儲(chǔ)信息0和1的方式雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器極間電容上的電荷電源不掉電時(shí)信息穩(wěn)定信息會(huì)丟失刷新不需要需要集成度低高容量小大價(jià)格高低速度快慢適用場(chǎng)合Cache主存38現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、只讀存儲(chǔ)器ROMMROMPROMEPROME2PROMFlashMemory39現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二幾種非易失性存儲(chǔ)器的比較存儲(chǔ)器類別擦除方式能否單字節(jié)修改寫機(jī)制MROM只讀不允許否掩膜位寫PROM寫一次讀多次不允許否電信號(hào)EPROM寫多次讀多次紫外線擦除，脫機(jī)改寫否電信號(hào)E2PROM寫多次讀多次電擦除，在線改寫能電信號(hào)FlashMemory寫多次讀多次電擦除，在線改寫否電信號(hào)40現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二三、高性能的主存儲(chǔ)器EDRAM，即增強(qiáng)型DRAMCDRAM，帶Cache的DRAMEDORAM(ExtendedDataOutRAM)。也稱“擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出RAM”SDRAM(SynchronousDynamicRAM)，也稱“同步DRAM”。RDRAM(RambusDRAM）DDRSDRAM（雙倍速率SDRAM），簡(jiǎn)稱DDR。41現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.3主存儲(chǔ)器與CPU的連接

背景知識(shí)——存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介

存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的三種方法

主存儲(chǔ)器與CPU的連接一二三42現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、背景知識(shí)——存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介存儲(chǔ)芯片的引腳封裝43現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的三種方法3、字位擴(kuò)展2、字?jǐn)U展1、位擴(kuò)展從字長(zhǎng)和字?jǐn)?shù)方向擴(kuò)展從字長(zhǎng)方向擴(kuò)展從字?jǐn)?shù)方向擴(kuò)展44現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、位擴(kuò)展要求：用1K×4位的SRAM芯片1K×8位的SRAM存儲(chǔ)器45現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、位擴(kuò)展容量=210×8位舉例驗(yàn)證:

讀地址為0的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容46現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、位擴(kuò)展要點(diǎn)：（1）芯片的地址線A、讀寫控制信號(hào)WE#、片選信號(hào)CS#分別連在一起；（2）芯片的數(shù)據(jù)線D分別對(duì)應(yīng)于所搭建的存儲(chǔ)器的高若干位和低若干位。47現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、字?jǐn)U展要求：用1K×８位的SRAM芯片2K×8位的SRAM存儲(chǔ)器48現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、字?jǐn)U展分析地址：A10用于選擇芯片A9~A0用于選擇芯片內(nèi)的某一存儲(chǔ)單元49現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、字?jǐn)U展容量=211×8位舉例驗(yàn)證:讀地址為0的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容讀地址為10…0的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容50現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、字?jǐn)U展要點(diǎn)：（1）芯片的數(shù)據(jù)線D、讀寫控制信號(hào)WE#分別連在一起;（2）存儲(chǔ)器地址線A的低若干位連接各芯片的地址線;（3）存儲(chǔ)器地址線A的高若干位作用于各芯片的片選信號(hào)CS#。51現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二3、字位擴(kuò)展需擴(kuò)展的存儲(chǔ)器容量為M×N位,已有芯片的容量為L(zhǎng)×K位(L<M,K<N)用M/L組芯片進(jìn)行字?jǐn)U展;每組內(nèi)有N/K個(gè)芯片進(jìn)行位擴(kuò)展。52現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、根據(jù)CPU芯片提供的地址線數(shù)目，確定CPU訪存的地址范圍，并寫出相應(yīng)的二進(jìn)制地址碼；2、根據(jù)地址范圍的容量，確定各種類型存儲(chǔ)器芯片的數(shù)目和擴(kuò)展方法；3、分配CPU地址線。CPU地址線的低位（數(shù)量＝存儲(chǔ)芯片的地址線數(shù)量）直接連接存儲(chǔ)芯片的地址線；CPU高位地址線皆參與形成存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)；4、連接數(shù)據(jù)線、R/W#等其他信號(hào)線，MREQ#信號(hào)一般可用作地址譯碼器的使能信號(hào)。需要說(shuō)明的是，主存的擴(kuò)展及與CPU連接在做法上并不唯一，應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析三、主存儲(chǔ)器與CPU的連接53現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二例5－1例5-1：設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用MREQ#作訪存控制信號(hào)（低電平有效），用R/W#作讀/寫控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫）?，F(xiàn)有下列存儲(chǔ)芯片：1K*4位SRAM；4K*8位SRAM；8K*8位SRAM；2K*8位ROM；4K*8位ROM；8K*8位ROM；及3：8譯碼器和各種門電路。要求：主存的地址空間滿足下述條件：最小8K地址為系統(tǒng)程序區(qū)（ROM區(qū)），與其相鄰的16K地址為用戶程序區(qū)（RAM區(qū)），最大4K地址空間為系統(tǒng)程序區(qū)（ROM區(qū)）。請(qǐng)畫出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯，存儲(chǔ)芯片的種類、片數(shù)畫出CPU與存儲(chǔ)器的連接圖。54現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二解：首先根據(jù)題目的地址范圍寫出相應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。55現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二解題第二步：選擇芯片最小8K系統(tǒng)程序區(qū)←8K*8位ROM，1片16K用戶程序區(qū)←8K*8位SRAM，2片；4K系統(tǒng)程序工作區(qū)←4K*8位SRAM，1片。第三步，分配CPU地址線。CPU的低13位地址線A12~A0與1片8K*8位ROM和兩片8K*8位SRAM芯片提供的地址線相連；將CPU的低12位地址線A11~A0與1片4K*8位SRAM芯片提供的地址線相連。第四步，譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。56現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二57現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二例5－2例5-2：設(shè)有若干片256K×8位的SRAM芯片，問(wèn)如何構(gòu)成2048K×32位的存儲(chǔ)器？需要多少片RAM芯片？該存儲(chǔ)器需要多少根地址線？畫出該存儲(chǔ)器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號(hào)有地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)MREQ#和R/W#。解：采用字位擴(kuò)展的方法。SRAM芯片個(gè)數(shù)：2048K/256K×32/8=32片每4片一組進(jìn)行位擴(kuò)展，共8組芯片進(jìn)行字?jǐn)U展片選：該存儲(chǔ)器需要21條地址線A20～A0，其中高3位用于芯片選擇接到74LS138芯片的CBA，低18位接到存儲(chǔ)器芯片地址。MREQ#：作為譯碼器的使能信號(hào)。58現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二59現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.4高速存儲(chǔ)器解決問(wèn)題：彌補(bǔ)CPU與主存速度上的差異。從存儲(chǔ)器角度，解決問(wèn)題的有效途徑：主存采用更高速的技術(shù)來(lái)縮短存儲(chǔ)器的讀出時(shí)間，或加長(zhǎng)存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)；采用并行操作的多端口存儲(chǔ)器；在CPU和主存之間加入一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache），以縮短讀出時(shí)間；在每個(gè)存儲(chǔ)器周期中存取幾個(gè)字（多體交叉存儲(chǔ)）。60現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.4高速存儲(chǔ)器

雙端口存儲(chǔ)器

多體交叉存儲(chǔ)器

相聯(lián)存儲(chǔ)器一二三61現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二特點(diǎn)：同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫控制線路，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步地訪問(wèn)存儲(chǔ)單元，是一種高速工作的存儲(chǔ)器。其最大的特點(diǎn)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有左右兩個(gè)端口，每一個(gè)端口都有自己的片選控制信號(hào)和輸出使能控制信號(hào)。訪問(wèn)沖突：當(dāng)左端口和右端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，不會(huì)發(fā)生沖突。若左、右端口同時(shí)訪問(wèn)相同的存儲(chǔ)單元，則會(huì)發(fā)生讀寫沖突。解決方法：判斷邏輯決定對(duì)哪個(gè)端口優(yōu)先進(jìn)行讀寫操作，而暫時(shí)關(guān)閉另一個(gè)被延遲的端口，即置其忙信號(hào)BUSY#=0。一、雙端口存儲(chǔ)器62現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2K×16位雙端口存儲(chǔ)器IDT7133的邏輯框圖63現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、多體交叉存儲(chǔ)器

特點(diǎn)：通過(guò)改進(jìn)主存的組織方式，在不改變存儲(chǔ)器存取周期的情況下，提高存儲(chǔ)器的帶寬。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多體交叉存儲(chǔ)器由M個(gè)的存儲(chǔ)體（或稱存儲(chǔ)模塊）組成，每個(gè)存儲(chǔ)體有相同的容量和存取速度，又有各自獨(dú)立的地址寄存器、地址譯碼器、讀寫電路和驅(qū)動(dòng)電路。編址方法：交叉編址，即任何兩個(gè)相鄰地址的物理單元不屬于同一個(gè)存儲(chǔ)體，一般在相鄰的存儲(chǔ)體中；同一個(gè)存儲(chǔ)體內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。64現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二順序編址

65現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二交叉編址66現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二67現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二訪問(wèn)：CPU同時(shí)送出的M個(gè)地址，只要他們分屬于M個(gè)存儲(chǔ)體，訪問(wèn)就不會(huì)沖突；由存儲(chǔ)器控制部件控制它們分時(shí)使用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行信息傳遞。適合采用流水線方式并行存取，雖然每個(gè)存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)周期沒變，但是當(dāng)CPU連續(xù)訪問(wèn)一個(gè)字塊時(shí)，可以大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。二、多體交叉存儲(chǔ)器68現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、多體交叉存儲(chǔ)器69現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二特點(diǎn)：按內(nèi)容訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，即在相聯(lián)存儲(chǔ)器中，一個(gè)字是通過(guò)它的部分內(nèi)容而不是它的地址進(jìn)行檢索的。適用于快速查詢的場(chǎng)合。三、相聯(lián)存儲(chǔ)器70現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二相聯(lián)存儲(chǔ)器的基本組成相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例71現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.5高速緩沖存儲(chǔ)器CacheCache二五三四一Cache的基本原理主存與Cache的地址映射方式替換算法寫策略Cache的多層次設(shè)計(jì)72現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、Cache的基本原理Cache的工作原理Cache的特點(diǎn)Cache的命中率12373現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、Cache的特點(diǎn)Cache是指位于CPU和主存之間的一個(gè)高速小容量的存儲(chǔ)器，一般由SRAM構(gòu)成。Cache功能：用于彌補(bǔ)CPU和主存之間的速度差異，提高CPU訪問(wèn)主存的平均速度。設(shè)置Cache的理論基礎(chǔ)，是程序訪問(wèn)的局部性原理。Cache的內(nèi)容是主存部分內(nèi)容的副本，Cache的功能均由硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)程序員是透明的。74現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、Cache的工作原理Cache、主存與CPU的關(guān)系Cache的速度比主存快5－10倍。75現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二Cache的原理圖76現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二CPU在讀寫存儲(chǔ)器時(shí)，Cache控制邏輯首先要依據(jù)地址來(lái)判斷這個(gè)字是否在Cache中，若在Cache中，則稱為“命中”；若不在，則稱為“不命中”。針對(duì)命中/不命中、讀/寫操作，Cache的處理是不同的：讀命中：立即從Cache讀出送給CPU；讀不命中：通常有兩種解決方法：A）將主存中該字所在的數(shù)據(jù)塊復(fù)制到Cache中，然后再把這個(gè)字傳送給CPU；B）把此字從主存讀出送到CPU，同時(shí)，把包含這個(gè)字的數(shù)據(jù)塊從主存中讀出送到Cache中。Cache的讀寫操作77現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二寫不命中：直接將該字寫入主存中，且不再調(diào)入Cache；寫命中：通常也有兩種方法進(jìn)行處理：寫貫穿方法：同時(shí)對(duì)Cache和主存進(jìn)行寫操作；寫回：只寫Cache，僅當(dāng)此Cache塊被替換時(shí)，才將該塊寫入主存Cache的讀寫操作78現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二3、Cache的命中率命中率指CPU訪問(wèn)主存數(shù)據(jù)時(shí)，命中Cache的次數(shù)，占全部訪問(wèn)次數(shù)的比率；失效率就指不命中Cache的次數(shù)，占全部訪問(wèn)次數(shù)的比率。命中率h取決于程序的行為、Cache的容量、組織方式、塊大小。在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)Nc表示Cache完成存取的總次數(shù)，Nm表示主存完成存取的總次數(shù)，則命中率：若tc表示Cache的訪問(wèn)時(shí)間，tm表示主存的訪問(wèn)時(shí)間，則Cache/主存系統(tǒng)的平均訪問(wèn)時(shí)間ta為：Cache/主存系統(tǒng)的訪問(wèn)效率e:79現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二二、主存與Cache的地址映射方式討論的問(wèn)題：如何根據(jù)主存地址，判斷Cache有無(wú)命中并變換為Cache的地址，以便執(zhí)行讀寫。有三種地址映射方式：討論前提：Cache的數(shù)據(jù)塊稱為行，主存的數(shù)據(jù)塊稱為塊，行與塊是等長(zhǎng)的；主存容量為2m塊，Cache容量為2c行，每個(gè)字塊中含2b字。

直接映射1

全相聯(lián)映射2

組相聯(lián)映射380現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、直接映射特點(diǎn)：是一種多對(duì)一的映射關(guān)系：主存的第i塊一定映射到Cache的第j行，且：優(yōu)點(diǎn)：映射方式簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：機(jī)制不靈活，Cache命中率低。81現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二標(biāo)記K：82現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、全相聯(lián)映射特點(diǎn)：是多對(duì)多的映射關(guān)系：對(duì)于主存的任何一塊均可以映射到Cache的任何一行。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)制靈活，命中率高。缺點(diǎn)：比較器電路難于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，因此只適合于小容量的Cache。83現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二84現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二3、組相聯(lián)映射特點(diǎn)：將Cache的行分成2c-r組，每組2r行。主存的字塊存放到Cache中的哪個(gè)組是固定的，至于映射到該組哪一行是靈活的，即有如下函數(shù)關(guān)系：

其中0≤k≤2r-1優(yōu)點(diǎn)：大大增加了映射的靈活性，主存中一塊可映射到Cache的2r塊，提高了命中率。每次比較只是進(jìn)行2r路比較，r較小時(shí)，硬件開銷不是很大。組相聯(lián)映像通常采用2路、4路和8路比較，即取r=1,r=2,r=3。85現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二86現(xiàn)在是86頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、隨機(jī)替換算法2、先進(jìn)先出算法（FIFO）3、最近最少使用算法（LRU）該算法統(tǒng)計(jì)哪一個(gè)Cache行是近段時(shí)間使用次數(shù)最少的Cache行，需替換時(shí)就將它替換出去。LRU替換算法可以通過(guò)為每個(gè)Cache行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)LRU替換算法，Cache每命中一次，命中行的計(jì)數(shù)器被清零，其他行的計(jì)數(shù)器加1，需要替換的話，就將計(jì)數(shù)器值最大的行替換出去。三、替換算法87現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二四、寫策略常用的寫策略通常有寫貫穿和寫回兩種寫貫穿策略當(dāng)CPU寫Cache命中時(shí)，所有寫操作既對(duì)Cache也對(duì)主存進(jìn)行；當(dāng)CPU寫Cache不命中時(shí)，直接寫主存，有兩種做法：其一，不將該數(shù)據(jù)所在的塊拷貝到Cache行，稱為WTNWA法；其二，將該數(shù)據(jù)所在塊拷貝到Cache的某行，稱為WTWA法。

88現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二四、寫策略寫回策略（WriteBack）當(dāng)CPU寫Cache命中時(shí)，寫操作只是對(duì)Cache進(jìn)行，而不修改主存的相應(yīng)內(nèi)容，僅當(dāng)此Cache行被換出時(shí)，相應(yīng)的主存內(nèi)容才被修改；當(dāng)CPU寫Cache不命中時(shí)，先將該數(shù)據(jù)所在塊拷貝到Cache的某行，余下操作與Cache寫命中時(shí)相同。為了區(qū)別Cache行是否被改寫過(guò)，應(yīng)為每個(gè)Cache行設(shè)置一個(gè)修改位，CPU修改Cache行時(shí)，標(biāo)記其修改位，當(dāng)此Cache行被換出時(shí)，判別此Cache行的修改位，從而決定是否將Cache行數(shù)據(jù)寫回主存相應(yīng)單元。

89現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二四、寫策略3、兩種寫策略比較寫貫穿策略保證了主存數(shù)據(jù)總是有效，寫回策略可能導(dǎo)致Cache和主存數(shù)據(jù)不一致；寫回策略的效率高于寫貫穿策略；寫回策略的控制比寫貫穿策略的控制復(fù)雜。90現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二設(shè)計(jì)Cache主要考慮五個(gè)問(wèn)題：第一，容量。第二，Cache中行的大小。第三，Cache的組織（地址映射方式）。第四，指令和數(shù)據(jù)共用同一個(gè)Cache還是分享不同Cache。第五，Cache的層次。五、Cache的多層次設(shè)計(jì)91現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二統(tǒng)一Cache和分離Cache統(tǒng)一Cache：只有一個(gè)Cache，指令和數(shù)據(jù)混放。分離Cache：分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。它消除了流水線中指令處理器和執(zhí)行單元間的競(jìng)爭(zhēng)，因此，特別適用于PentiumⅡ和PowerPC這樣的超標(biāo)量流水線中；是Cache結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。單級(jí)Cache與兩級(jí)Cache一級(jí)Cache（）和二級(jí)Cache采用兩級(jí)Cache結(jié)構(gòu)可以提高性能五、Cache的多層次設(shè)計(jì)92現(xiàn)在是92頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二Cache一致性問(wèn)題

五、Cache的多層次設(shè)計(jì)MESI協(xié)議的狀態(tài)圖RH——讀命中；RMS——讀不命中，共享；RME——讀不命中，專有；WH——寫命中；WM——寫不命中；SHR——讀監(jiān)聽命中；SHW——寫監(jiān)聽命中或讀是用于修改；+——無(wú)效處理；↑——Cache行填入；↓——無(wú)效行拷回；×——讀用于修改93現(xiàn)在是93頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.6虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)方式有三種：段式、頁(yè)式或段頁(yè)式頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器

頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)系94現(xiàn)在是94頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.6虛擬存儲(chǔ)器段式虛擬存儲(chǔ)器段式虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)系95現(xiàn)在是95頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.6虛擬存儲(chǔ)器段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)系96現(xiàn)在是96頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.7外存儲(chǔ)器常見的外存儲(chǔ)器有磁盤、磁帶、光盤等特點(diǎn)：大都采用磁性和光學(xué)材料制成。與內(nèi)存相比，容量大，價(jià)格低，速度慢。在斷電的情況下可以長(zhǎng)期保存信息，所以稱為永久性存儲(chǔ)器。一般為順序存取的存儲(chǔ)器，即訪問(wèn)所需時(shí)間與數(shù)據(jù)所在的地址相關(guān)。97現(xiàn)在是97頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二5.7外存儲(chǔ)器

磁盤存儲(chǔ)器

光盤存儲(chǔ)器

閃存盤一二三98現(xiàn)在是98頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二一、磁盤存儲(chǔ)器磁盤特點(diǎn)：是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的外部存儲(chǔ)器。同時(shí)它又是重要的輸入輸出設(shè)備，它即可作為輸入設(shè)備，又可作為輸出設(shè)備。磁盤屬于磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。它的信息存儲(chǔ)是一種電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程，它是通過(guò)磁頭與磁盤片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁盤存儲(chǔ)器由磁盤控制器、磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤盤片三部分構(gòu)成。磁盤分為軟磁盤存儲(chǔ)器和硬磁盤存儲(chǔ)器。99現(xiàn)在是99頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、軟磁盤存儲(chǔ)器軟盤驅(qū)動(dòng)器：軟盤驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)稱軟驅(qū)。軟驅(qū)是數(shù)據(jù)和程序進(jìn)入微機(jī)的一個(gè)門戶?，F(xiàn)在的微機(jī)中常配置3.5英寸驅(qū)動(dòng)器一個(gè)，其容量為1.44MB，盤符為“A：”。軟盤盤片：記錄信息的載體，使用塑料基底。信息的存儲(chǔ)組織方式：是按磁道和扇區(qū)組織的格式化：格式化就是對(duì)軟磁盤劃分磁道和扇區(qū)。軟盤的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：成本低，重量輕，價(jià)格便宜，便于攜帶缺點(diǎn)：存儲(chǔ)容量小，且容易損壞。100現(xiàn)在是100頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、軟磁盤存儲(chǔ)器軟盤數(shù)據(jù)定位：磁道號(hào)、記錄面、扇區(qū)號(hào)容量=記錄面數(shù)×每面磁道數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)（字節(jié)）

容量＝2×80×18×512=1474560(B)=1.44(MB)

101現(xiàn)在是101頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二1、軟磁盤存儲(chǔ)器102現(xiàn)在是102頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、硬磁盤存儲(chǔ)器硬盤：也稱固定盤。目前微型計(jì)算機(jī)中普遍使用了3英寸和5英寸硬盤，大都采用溫盤。溫切斯特（wenchester）技術(shù)：將盤片和驅(qū)動(dòng)器密封在外殼內(nèi)，在盤片飛速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭靠空氣墊浮在盤片上。硬盤的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，存儲(chǔ)容量大，讀寫速度快，對(duì)環(huán)境要求不高。缺點(diǎn)：不便于攜帶，且工作時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。硬盤盤片：按柱面、磁頭號(hào)和扇區(qū)的格式組織信息。硬盤接口：用得較多的是IDE和SCSI接口103現(xiàn)在是103頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、硬磁盤存儲(chǔ)器柱面由一組盤片的同一磁道在縱向上所形成的同心圓構(gòu)成。每一個(gè)記錄面上均有一個(gè)磁頭，所有記錄面上的磁頭均固定在步進(jìn)電機(jī)上。數(shù)據(jù)定位：柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)。104現(xiàn)在是104頁(yè)\一共有116頁(yè)\編輯于星期二2、硬磁盤存儲(chǔ)器硬盤的盤符通常為“C：”，若系統(tǒng)配有多個(gè)硬盤或?qū)⒁粋€(gè)物理硬盤劃分為多個(gè)邏輯硬盤，則盤符可依次為“C：”、“D”、“E