计算机组成原理(存储系统)

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1、计算机组成原理ComputerOrganizationv问题：问题： 为什么有多种类型的存储器？不同类型的存储器工作原理分别是什么？ 它们如何协同工作？ 微机的内存怎样组织？第七章存储器第一节存储系统v存储器分类存储器分类 按所处位置及功能分类按所处位置及功能分类内存内存 ( (主存主存) )：位于主机内部，可被：位于主机内部，可被CPUCPU直接访问直接访问. .外存外存( (辅存辅存) )：位于主机外部，被视为外设：位于主机外部，被视为外设 外存的数据只有调入内存，外存的数据只有调入内存，CPUCPU才能应用才能应用CPU内存储器内存储器外存储器外存储器存储器概述v存储器分类存储器分类 按

2、存取方式分类按存取方式分类 随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access MemoryRandom Access Memory） 顺序存取存储器（）顺序存取存储器（） 只读存储器只读存储器(Read-only Memory(Read-only Memory) ) 按按信息的可保护性分类信息的可保护性分类 易失性存储器：断电后信息将消失。易失性存储器：断电后信息将消失。 非易失性存储器非易失性存储器 ：断电后仍能保持信息。：断电后仍能保持信息。 存储器概述v按存储介质分类 存储介质一般具备3个特点 具有两种稳定的状态，分别代表二进制代码0和1； 能方便地检测出存储介质所处的状态；

3、两种状态容易相互转换。 半导体存储器 采用触发器、电容来保存二进制信息0和1。 根据工艺不同，可分为双极型和MOS型。 磁表面存储器 光存储器存储存储容量容量存取存取时间时间价格价格可靠可靠性性功耗功耗v存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标存储器的技术指标v存储容量存储容量 存储器所能容纳的二进制信息量。存储器所能容纳的二进制信息量。 存储容量存储容量= =字数字数 字长字长v存储速度：存储速度： 存取时间（存取时间（Memory Access TimeMemory Access Time）：启动一次存储器操作到完）：启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间成该操作所需的全部时间。 存

4、取存取时间愈短，性能愈好。时间愈短，性能愈好。 存取宽度：一次访问存储器所能存取的数据位数存取宽度：一次访问存储器所能存取的数据位数存储器的技术指标 可靠性：存储器的抗干扰能力和正确存取性能可靠性：存储器的抗干扰能力和正确存取性能 功耗：存储器工作的耗电量。功耗：存储器工作的耗电量。 性价比：不仅包含存储元件的价格，还包括外围电路价格。性价比：不仅包含存储元件的价格，还包括外围电路价格。v存储容量、速度和价格的关系：存储容量、速度和价格的关系： 相互制约相互制约 速度快的存储器往往价格较高，容量也较小。速度快的存储器往往价格较高，容量也较小。存储器的技术指标v对存储器的目标：容量大、速度快、价

5、格低对存储器的目标：容量大、速度快、价格低 但是但是没有没有符合要求的符合要求的类型类型如何解决？ 体系结构体系结构 多种类型组合在一起，多种类型组合在一起，形成存储器系统形成存储器系统分级存储结构v存储系统的结构 开放式的结构开放式的结构 编程者自己决定使用哪个部件，自己编写程序编程者自己决定使用哪个部件，自己编写程序 隐含结构隐含结构 编程模型：只针对单一存储器，唯一地址空间，机器自动映射编程模型：只针对单一存储器，唯一地址空间，机器自动映射分级存储结构v分级存储器结构 分级的原因：分级的原因： 解决存储器大容量、高速度与低价格之间的矛盾。解决存储器大容量、高速度与低价格之间的矛盾。 多级

6、存储器多级存储器寄存器组寄存器组高速缓冲存储器高速缓冲存储器主存储器主存储器外存储器外存储器分级存储结构v高速缓冲存储器高速缓冲存储器 CacheCache存取速度比主存要快一个数量级，接近存取速度比主存要快一个数量级，接近CPUCPU的处理速度。的处理速度。 片内片内CacheCache集成在集成在CPUCPU芯片中，片外芯片中，片外CacheCache位于主板上。位于主板上。v访问过程访问过程缓存容量较小，如何保证能在缓存中找到所需要的数据？分级存储结构v程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理 处理器在一段时间内访问的存储单元，都趋向于存在于一个较小的连续区域中 程序访问特点程序访问特点

7、 数据访问特点数据访问特点 缓存能提高访问速度的理论依据缓存能提高访问速度的理论依据分级存储结构v缓存缓存主存主存 从从CPUCPU角度看，角度看，缓存主存缓存主存这一层次的速度接近于缓存这一层次的速度接近于缓存CacheCache，而而其容量其容量和价格却和价格却接近于主存。接近于主存。 提高了存取速度，解决了速度和成本的矛盾。提高了存取速度，解决了速度和成本的矛盾。v主存主存外存外存 速度接近于主存，而容量却接近于外存，平均价位接近于低速、速度接近于主存，而容量却接近于外存，平均价位接近于低速、廉价的外存，解决了容量和成本的矛盾。廉价的外存，解决了容量和成本的矛盾。 分级存储结构第七章存储

8、器第二节RAM&ROMv易失性存储器易失性存储器 特点：断电后信息消失。特点：断电后信息消失。vRAM:RAM: SRAMSRAM：六管：六管MOSMOS触发器。触发器。 DRAMDRAM：由单管组成，需定时刷新。：由单管组成，需定时刷新。 RAM典型的存储器芯片vSRAMSRAM存储位元存储位元 使用双稳态触发器表示使用双稳态触发器表示0 0和和1 1。 “1”“1”状态：状态：T1T1截止，截止，T2T2导通导通 “0”“0”状态：状态：T2T2截止，截止，T1T1导通导通 不掉电的情况下，信息稳定保不掉电的情况下，信息稳定保持（静态）。持（静态）。 存取速度快存取速度快六管六管M

9、OS静态存储器结构静态存储器结构典型的存储器芯片vDRAM存储单元 利用电容存储电荷来保存信息T：门控管 C： 电容不掉电的情况下，信息也会丢失，需要不断刷新。刷新：经过一段时间后，信息可能丢失，需要重写 存取速度慢，集成度高（容量大）单管单管MOS动态存储器结构动态存储器结构vDRAMDRAM的刷新的刷新 刷新间隔时间：DRAM允许的最大信息保持时间 采用读出方式进行刷新 刷新周期：从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM全部刷新一遍为止的时间间隔。 大小主要取决于电容电荷的泄漏速度，一般为2ms、4ms、8ms或更长。典型的存储器芯片v集中式刷新 在刷新周期内，集中时间连续地对全部存储单元逐

10、行刷新一遍。 在刷新操作期间，不允许CPU对存储器进行正常的访问。 优点：读写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度比较高。 主要缺点：在集中刷新期间必须停止读写，这一段时间称为“死区”而且存储容量越大，死区就越长。 正常的存储器访问刷新1936s（3872 个周期） 64s（128 个周期） 2ms（4000 个存取周期） 03871138723999v分散式刷新 把对每行存储单元的刷新分散到每个系统存取周期内完成。此时系统存取周期被分为两部分，周期前半段时间进行正常的存储器访问，后半段时间进行刷新操作。 在一个系统存取周期内刷新存储矩阵中的一行。 增加了系统的存取周期。 优点：没有死区。

11、 缺点：刷新过于频繁。系统存取周期是存储芯片存取周期的两倍，降低了访问存储器的速度。刷新128s（128 个系统周期） 读/写刷新读/写刷新读/写存取周期系统周期0.5s 0.5sv异步式刷新 把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔内进行。 相邻两行的刷新间隔为：最大刷新间隔时间行数2ms（4000 个存取周期） 读/写刷新15s0.5s读/写刷新15s0.5s1 128 vRAM芯片 大量存储位元按一定的规则排列起来构成了存储体。 存储体、读写电路、译码驱动电路、控制电路等集成在一块芯片上，组成各种不同类型的存储芯片。地址总线地址寄存器MAR地址译码器地址驱动电路存储体存储体 读写电路数据寄存