1、第6章 主存儲器與存儲系統(tǒng),本章主要內(nèi)容：,本章講述存儲器的分類、主存儲器的構(gòu)成和并行主存儲器的思想及設計方法；存儲系統(tǒng)的概念及存儲系統(tǒng)的構(gòu)成。重點掌握并行主存儲器的構(gòu)成，Cache的組成原理與地址映射方式、替換算法；掌握段式、頁式和段頁式虛擬存儲器的構(gòu)成原理、地址映射方式等。,6.1 存儲器分類6.2 主存儲器的主要技術指標 6.3 讀寫存儲器 6.4 非易失性半導體存儲器6.5 主存儲器組成 6.6 相聯(lián)存儲器 6.7 存儲系統(tǒng)與并行存儲器 6.8 高速緩沖器Cache6.9 虛擬存儲器原理,6.1 存儲器分類,（1）隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）。 （2）

2、只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）。 （3）可編程只讀存儲器（Programmable ROM，PROM）。 （4）可擦除可編程只讀存儲器（Erasable PROM，EPROM）。 （5）電可擦除可編程只讀存儲器（Electrically EPROM，E2PROM）。,6.2 主存儲器的主要技術指標,主存儲器的主要性能指標為主存容量、存儲器存取時間和存儲器存儲周期。 存儲器存取時間（Memory Access Time） 存儲周期（Memory Cycle Time） 主存儲器的速度和容量兩項技術指標,6.3 讀寫存儲器,6.3.1 靜態(tài)RAM 1靜態(tài)RAM的 基本電路,

3、圖6-1 靜態(tài)MOS 6管基本存儲電路,2靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu) 3靜態(tài)RAM芯片實例Intel 2114 4由2114 SRAM構(gòu)成規(guī)定容量的存儲器,圖6-5 地址譯碼電路,6.3.2 動態(tài)RAM,1動態(tài)RAM基本存儲電路,圖6-6 單管動態(tài)RAM的基本存儲電路,2動態(tài)RAM的特點及舉例 3動態(tài)RAM的刷新,6.4 非易失性半導體存儲器,6.4.1 只讀存儲器（ROM）,圖6-8 44 MOS ROM,6.4.2 可編程只讀存儲器（PROM）,圖6-9 熔絲式PROM基本存儲電路,6.4.3 可擦除可編程只讀存儲器EPROM）,1EPROM的存儲電路,圖6-10 P溝道FAMOS管基本存儲電路及P

4、溝道FAMOS管結(jié)構(gòu),2典型EPROM芯片的介紹 按上述原理及工藝制造的EPROM芯片 常用的有27系列，如2708（1K8）、2716 （2K8）、2764（8K8）、27128（16K8） 和27512（64K8）等,6.4.4 電可擦除可編程只讀存儲器（E2PROM）,1E2PROM的特點 E2PROM（Electric Erasable PROM）突出 的優(yōu)點是可以在線擦除和改寫。,2E2PROM芯片介紹,圖6-11 E2PROM管腳圖,6.4.5 快速擦寫存儲器（Flash Memory）,1Flash的主要性能特點 2Flash的工作原理,6.4.6 幾種新型存儲器,1高速緩存動態(tài)

5、隨機存儲器（Cached DRAM，CDRAM） 2Direct Rambus接口動態(tài)隨機存儲器（Direct Rambus DRAM，DRDRAM） 3雙數(shù)據(jù)傳輸率同步動態(tài)隨機存儲器（Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM） 4同步鏈動態(tài)隨機存儲器（Synchnonous Link DRAM，SLDRAM）,5虛擬通道存儲器（Virtual Channel Memory，VCM） 6快速循環(huán)動態(tài)存儲器（Fast Cycle RAM，F(xiàn)CRAM） 7擴展數(shù)據(jù)輸出動態(tài)存儲器（Extended Data Out DRAM，EDO DRAM）,6.5 主存儲器組成,存儲器擴

6、展有以下三種方法。 6.5.1 位擴展 指用多個存儲器器件對字長進行擴充。位擴展的 一般方法是： （1）在給定的芯片中選擇合適的芯片，并確定使 用數(shù)量； （2）將選中芯片的地址線、讀寫線、片選線對應 連接； （3）將數(shù)據(jù)線單獨連接，拼接成要求的數(shù)據(jù)寬 度。,例如，使用Intel 2114（1K4）芯片擴展成為 1K8容量的存儲器。根據(jù)要求可以選用2片 2114，按如圖6-12所示連接。,圖6-12 位擴展實例,6.5.2 字擴展,指用多個存儲器器件對字數(shù)進行擴充。字擴展 的一般方法是： （1）在給定的芯片中選擇合適的芯片，并確定 使用數(shù)量； （2）將選中芯片的低位地址線、讀寫線、數(shù)據(jù) 線對應連

7、接； （3）用高位地址線譯碼，將輸出接至各芯片的 片選端。,例如，使用Intel 2114（1K4）芯片擴展成為 4K4容量的存儲器。根據(jù)要求可以選用4片 2114，按如圖6-13所示連接。,圖6-13 字擴展實例,6.5.3 字位擴展,如果已有芯片mn若干塊，現(xiàn)在要擴展為 MN（設Mm，Nn）容量的存儲器，則字位擴 展共需要mn的芯片數(shù)量為 ： C=,字位擴展的一般方法： （1）選擇芯片先進行位擴展，擴展成“組”，使得 “組”的字長達到要求的字長； （2）再用“組”進行字擴展，按照字擴展的方法將 字數(shù)增加到目標字數(shù)。 舉例見例6-2。,6.6 相聯(lián)存儲器,一般的存儲器都是按地址訪問的，相聯(lián)存

8、 儲器是一種按內(nèi)容訪問的存儲器。 一般情況下，相聯(lián)存儲器有兩種工作方 式，即相關方式和隨機工作方式。,6.7 存儲系統(tǒng)與并行存儲器,6.7.1 存儲系統(tǒng)的概念 存儲系統(tǒng)是指兩個或兩個以上速度、容量 和價格不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟 件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個系 統(tǒng)。,以由兩個存儲器構(gòu)成的存儲系統(tǒng)為例： 1存儲容量S 2位價格C 整個存儲系統(tǒng)的平均位價格可以這樣來計算：,3訪問周期T 其中，H表示命中率，在程序執(zhí)行過程中對M1存 儲器的訪問次數(shù)為N1（N2同理），T表示整個系統(tǒng)的 訪問周期。,T=H T1+(1H) T2,6.7.2 增加存儲器的數(shù)據(jù)寬度,圖6-18 寬字存儲器,

9、6.7.3 多體交叉存儲技術,圖6-19 低位交叉訪問存儲器的結(jié)構(gòu),6.7.4 一種無沖突訪問的存儲器,產(chǎn)生訪問沖突的根本原因主要有兩個， 一個是程序中的轉(zhuǎn)移指令，二是數(shù)據(jù)的隨機 性。 下面以一維數(shù)組的無沖突訪問存儲器為 例介紹。,圖6-22 一維數(shù)組的存儲方案,6.8 高速緩沖器Cache,Cache是為了解決存儲器的速度問題而設 計的。 6.8.1 Cache的工作原理 1程序的局部性 在一個較短的時間間隔內(nèi)，這種對局部范圍的存 儲器地址的頻繁訪問，而對此范圍以外的地址訪問 甚少的現(xiàn)象，稱為程序的局部性。,2Cache的基本結(jié)構(gòu),圖6-27 Cache的基本結(jié)構(gòu),3Cache的讀寫過程 （

10、1）寫直達法（write-through） CPU同時寫主存和Cache。 （2）回寫法（write-back） 將CPU要寫的信息暫時只寫入Cache，并用 標志將該塊加以注明，直到該塊從Cache中替換 出去時才一次寫回內(nèi)存。,6.8.2 Cache的地址映像與地址變換,1直接映像及地址變換 直接映像是將主存中的一塊唯一映像到Cache 中的一塊，而Cache中的一塊要對應主存中的若 干塊。 設主存中的塊號為B、Cache塊的塊號為b，若 Cache的塊數(shù)為Cb，則映像關系可以表示為： b=B mod Cb,圖6-28 直接映像方式,直接映像方式如下圖所示：,圖6-29 直接映像地址變換,

11、直接映像方式的地址變換如下圖所示：,2全相聯(lián)映像及地址變換 全相聯(lián)映像方式是主存中的任意一塊可以映像 到Cache中任意的塊位置上。如果Cache的塊數(shù) 為Cb，主存的塊數(shù)為Mb，則主存和Cache塊之 間的映像關系共有CbMb種。,圖6-31 全相聯(lián)映像方式,全相聯(lián)映像方式如下圖所示：,圖6-32 全相聯(lián)映像方式的地址變換,全相聯(lián)映像方式地址變換如下圖所示：,3組相聯(lián)映像及地址變換 組相聯(lián)映像方式把主存按Cache的容量分區(qū)， 主存中的各區(qū)和Cache在按同樣大小劃分成數(shù)量 相等的組，組內(nèi)再劃分成塊，主存的組到Cache 的組之間采用直接映像方式，對應組內(nèi)各塊之間 采用全相聯(lián)映像方式。,組相

12、聯(lián)映像方式如右圖所示：,圖6-34 組相聯(lián)映像方式的地址變換,組相聯(lián)映像方式的地址變換如下圖所示：,6.8.3 替換算法,在采用全相連映像方式和組相連映像方式從內(nèi)存 向Cache傳送一個新塊，而Cache中的可用位置已 被占滿時，就需要使用替換算法，將Cache中的塊 替換出去而調(diào)入新塊。常用的替換算法有以下幾 種。,1.隨機（RAND）算法 該算法完全不管Cache塊的過去、現(xiàn)在及將來的 使用情況，而是簡單地根據(jù)一個隨機數(shù)，選擇一塊 替換掉。 2.先進先出（FIFO）算法 該算法的思想是按調(diào)入Cache的先后決定替換的 順序，即在需要替換時，將最先進入Cache的塊作 為被替換的塊。,3.近

13、期使用最少（LRU）算法 該算法是根據(jù)塊的使用狀況將CPU近期最少使用 的塊作為被替換的塊。 4.最優(yōu)化（OPT）算法 OPT算法是一種以將來使用最少作為替換的目標 的一種算法。,6.8.4 Cache的加速比,Cache系統(tǒng)的加速比Sp定義為：,其中，TC為Cache的訪存周期，Tm為主存的訪問周期，T為Cache系統(tǒng)的等效訪問周期，Cache的命中率為H。,6.9 虛擬存儲器原理,6.9.1 虛擬存儲器的工作原理 虛擬存儲器主要由軟件管理。 根據(jù)采用的存儲映像算法，可以將虛擬存 儲器的管理方式分成段式、頁式和段頁式三 種。,6.9.2 地址映像與變換,在虛擬存儲器中，有三種地址空間，第一種

14、是虛 擬地址空間，也稱為虛空間或虛擬存儲器空間，它 是應用程序員用來編寫程序的地址空間；第二種空 間是主存儲器的地址空間，也稱主存地址空間、主 存物理空間或?qū)嵈娴刂房臻g；第三種是輔存地址空 間。 地址映像就是把虛擬地址空間映像到主存地址 空間。,目前主要有頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲 器和段頁式虛擬存儲器3種。 1頁式虛擬存儲器 頁式虛擬存儲器是把虛擬存儲空間和主存實空 間劃分成固定容量的頁（Page），各虛擬頁可 裝入主存中不同的實際頁面位置。,頁式虛擬存儲器的地址映像方式如下所示：,圖6-36 頁式虛擬存儲器的地址映像方式,圖6-37 頁式虛擬存儲器頁面映像的一個實例,下圖為頁式虛擬存儲器中頁面映像關系的一個例子。,2段式虛擬存儲器 段式虛擬存儲器以段為單位與主存進行數(shù)據(jù)交 換，操作系統(tǒng)通過段表對段進行管理。,圖6-38 段式虛擬存儲器的地址映像方式,3段頁式虛擬存儲器,虛擬地址格式為：,如果有多個用戶在機器上運行，多道程序的每一道需要一個基號，由它指明該道程序的段表起始地址。,6.9.3 頁面替換算法及其實現(xiàn),頁面替換算法與Cache中的行替換算法的不同 點： （1）缺頁至少要涉及前一次磁盤存取，讀取所缺 的頁。 （2）頁面替換是由操作系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的。 （3）頁面替換的選擇余地很大，