计算机原理及系统结构
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1、计算机原理及系统结构 第三十一讲主讲教师：赵主讲教师：赵宏伟宏伟 学时：学时：64第第7 7章章多级结构的存储器系统概述多级结构的存储器系统概述和主存储器和主存储器3本章主要内容本章主要内容多级结构的存储器系统概述多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器部件的组成和设计n主存储器概述n动态存储器原理n静态存储器原理n存储器的组织教学计算机的内存储器实例教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径提高储存器系统性能的途径4存储器系统的概念与目标存储器系统的概念与目标输入设备输入设备输出设备输出设备入出接口和总线入出接口和总线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控
2、 制制 器器运运 算算 器器P197P1975存储器系统的概念与目标存储器系统的概念与目标存储器的作用存储器的作用n计算机中用来存放和的部件，是冯.诺依曼结构计算机的重要组成n程序和数据的共同特点：二进制位串存储器的要求存储器的要求n能够有两个稳定状态来表示二进制中的“0”和“1”n容易识别，两个状态能方便地进行转换n几种常用的存储介质：磁介质、触发器、电容、光盘6存储器系统的概念与目标存储器系统的概念与目标存储器追求的目标存储器追求的目标：应能基本满足CPU对数据的要求：可以满足程序对存储空间的要求：（价格/位）在用户能够承受范围内怎么实现这个目标？怎么实现这个目标？n用多级结构存储器把要用
3、的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理n例如三级结构存储器：cache主存虚存7多级结构存储器系统多级结构存储器系统选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、速度、容量容量、成成本本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求。例如：用容量更小但速度最快的 SRAM芯片组成 CACHE，容量较大速度适中的 DRAM芯片组成 MAIN MEMORY，用容量特大但速度较慢的磁盘设备构成 VIRTUAL MEMO
4、RY。P197P1978多级结构存储器系统多级结构存储器系统9程序运行的程序运行的局部性原理局部性原理程序运行的程序运行的局部性原理局部性原理表现在三方面表现在三方面：在一小段在一小段时间时间内，最近被访问过的程序和内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问，数据很可能再次被访问，例如：程序循环例如：程序循环：在在空间空间上这些被访问的程序和数据往往集上这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区，中在一小片存储区，例如：数组存放例如：数组存放：在访问在访问顺序顺序上，指令顺序执行比上，指令顺序执行比转移执行的可能性大转移执行的可能性大 (大约大约 5:1 )P198P19810多级结构存储
5、器之间应满足的原则多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则一致性原则n同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中应保持相同的值。信息在几个级别的存储器中应保持相同的值。包含性原则包含性原则n处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立，即内层存储器中的全部信息是其相邻外之则不成立，即内层存储器中的全部信息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品层存储器中一部分信息的复制品 。P198P19811微电子技术发展趋势微电子技术发展趋势CPU与与DRAM性能比较性能比较处
6、理器性能每年处理器性能每年增长增长60%动态存储器性能每年增长9%110100100019801981198319841985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000DRAMCPU1982CPU与主存储器的性能差与主存储器的性能差异，每年增长异，每年增长50%性能性能摩尔定律年份年份12现代计算机中的存储层次现代计算机中的存储层次利用程序的局部性原理利用程序的局部性原理n以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间n以最快速的技术实现高速存储访问13本章主要内容本章主要内容多级结构的存储器系统概述多级结构的存储器系统概述主
7、存储器部件的组成和设计主存储器部件的组成和设计n主存储器概述n动态存储器原理n静态存储器原理n存储器的组织教学计算机的内存储器实例教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径提高储存器系统性能的途径14主存储器概述主存储器概述计算机中存储计算机中存储正处在运行中正处在运行中的程序和数据的程序和数据(或一部分或一部分) 的部件，通过的部件，通过地址、数据、控制三类总线与地址、数据、控制三类总线与 CPU等其他部件连通。等其他部件连通。地址总线地址总线 AB 的位数决定了可寻址的最大内存空间的位数决定了可寻址的最大内存空间数据总线数据总线 DB 的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量的位数
8、与工作频率的乘积正比于最高数据入出量控制总线控制总线 CB 指出总线周期的类型和指出总线周期的类型和本次读写操作完成的时刻本次读写操作完成的时刻READYWRITEREAD CPU MainMemoryAB k 位（给出地址）位（给出地址）DB n 位（传送数据）位（传送数据）例如：例如：k= 32 位位n= 64 位位P200P20015主存储器的读写过程主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1读过程：给出地址给出地址给出片选与读命令给出片选与读命令保存读出内容保存读出内容写过程：给出地址给出地址给出片选与数据给出片选与数据给出写命令给出写命令主存储体16主存储器
9、概述主存储器概述主要技术指标主要技术指标n存取时间w通常用读写一个存储单元所需的时间度量，即读写速度n存储周期w连续两次读写存储单元所需的时间间隔w大于读写一次存储单元的存取时间n存储容量w通常用构成存储器的字节（8位）或者字数（2、4、8个字节）表述w多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者字读写存储器17半导体存储器的分类半导体存储器的分类 易失性 存储器 非易失性 存储器 半导体存储器 只读 存储器 ROM 随机读写存储器RAM 掩膜 ROM 可编程 ROM （PROM） 可擦除 ROM （EPROM） 电擦除 ROM （E2PROM） 静态 RAM （SRAM） 动态 RAM （DRAM
10、） 快速擦写存储器 （Flash Memory） 计算机原理及系统结构 第三十二讲主讲教师：赵主讲教师：赵宏伟宏伟 学时：学时：6419静态和动态静态和动态RAM芯片特性芯片特性 SRAMDRAM存储信息触发器电容 破坏性读出非是需要刷新不要需要 送行列地址同时送分两次送运行速度快慢集成度低高发热量大小存储成本高低20动态存储器读写原理动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）的单个）的单个MOS管来存储一个二进制位（管来存储一个二进制位（bit）信息的。信息被存储）信息的。信息被存储在在MOS管管T的源极的寄生电容的源极的寄生电容CS中，例
11、如，用中，例如，用CS中存储中存储有电荷表示有电荷表示1，无电荷表示，无电荷表示0。+- -字线字线位位线线高，高，T 导通，导通，低，低，T 截止。截止。VDDCS柵极柵极T源极源极漏极漏极充电充电放电放电通过电容通过电容CS有有无无存储电荷来存储电荷来区分信号区分信号1、0P201P20121+ +- -VDDCS字线字线位位线线T 写写 1 ：使位线为低电平，：使位线为低电平，高，高，T 导通，导通，低，低，T 截止。截止。低低若若CS 上无电荷，则上无电荷，则 VDD 向向 CS 充电；充电； 把把 1 信号写入了电容信号写入了电容 CS 中。中。若若CS 上有电荷，则上有电荷，则 C
