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第3章 存储系统

第3章 存储系统. 本章提要:. 存储器基本概念； 半导体存储器的组成、结构、性能、以及工作原理； 三级存储系统及其他提高主存性能的方法； Cache 存储系统地址映象及变换方法、块替换算法、一致性问题； 虚拟存储系统的工作原理、页面替换算法； 并行存储器、双端口存储器、相联存储器的工作原理；. 主要章节. 3.1 存储器概述 3.2 主存储器 3.3 高速缓冲存储器. 3.4 虚拟存储器 3.5 高速存储器 3.6 存储保护. 3.1 存储器概述.

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第3章 存储系统

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  1. 第3章 存储系统

  2. 本章提要: • 存储器基本概念； • 半导体存储器的组成、结构、性能、以及工作原理； • 三级存储系统及其他提高主存性能的方法； • Cache存储系统地址映象及变换方法、块替换算法、一致性问题； • 虚拟存储系统的工作原理、页面替换算法； • 并行存储器、双端口存储器、相联存储器的工作原理；

  3. 主要章节 • 3.1 存储器概述 • 3.2 主存储器 • 3.3 高速缓冲存储器 • 3.4 虚拟存储器 • 3.5 高速存储器 • 3.6 存储保护

  4. 3.1 存储器概述 随着计算机应用的深入和外围设备的发展，计算机系统逐渐形成以存储器为中心的系统结构 。 • 3.1.1 存储器分类 • 3.1.2 存储器分级结构

  5. 3.1.1 存储器分类 在一台计算机中，通常有多种存储器并存 (1) 存储介质 ： 磁性材料存储器、半导体存储器、激光存储器等； (2)存储方式： 随机存取存储器、只读存储器、串行访问存储器； (3)功能作用： 通用寄存器、 Cache、主存储器、辅助存储器；

  6. 3.1.2 存储器分级结构 • 为了解决存储器高速度、大容量、低成本矛盾，逐渐形成了层次结构式的存储体系； • 由容量、速度和价格均不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法连接起来构成一个存储系统； • 从整体看，该存储系统存取速度相当于速度最快的那个存储器，存储容量取决于容量最大的那个存储器，每位平均价格接近最便宜的那个存储器。

  7. 三级存储器系统

  8. (1)主存-辅存层次 • 信息交换通过辅助软、硬件实现 ； • 速度接近于主存，但容量却等于辅存，而且每位平均价格也接近于廉价的辅存的平均价格 ； • 解决存储器的大容量要求和低成本之间的矛盾 ；

  9. 主存-辅存存储层次

  10. (2)Cache-主存层次 • 主存与Cache之间的信息交换由专门的部件（辅助硬件）控制进行 ，辅助硬件通常用组合逻辑实现 ； • 从CPU的角度看，Cache-主存层次其等效的存取速度接近于Cache，存储容量与每位平均价格则接近于主存； • 解决了速度与成本之间的矛盾；

  11. Cache-主存存储层次

  12. Cache、主存、辅存性能比较

  13. 3.2 主存储器 由于指令的执行速度基本上取决于存储器的访问速度，因此，主存的性能已经成为影响整个系统最大吞吐量的决定性因素。 • 3.2.1 主存储器的性能参数 • 3.2.2 随机读/写存储器 • 3.2.3 只读存储器

  14. 3.2.1 主存储器的主要性能参数: • 计算机中信息的存储单位 ： (1) 位（bit）、字节（Byte）、字（Word）； B（字节） 1Byte=8bit KB(千字节) 1KB=210Byte=1024Byte MB(兆字节) 1MB=210KB=1024KB GB(吉字节) 1GB=210MB=1024MB TB(太字节) 1TB=210GB=1024GB (2) 主存容量：存储器中能存储的信息总数量简称为存储容量，以字节为单位 ；

  15. 存储器的编址方式 不同的计算机，存储器的编址方式有所不同，一个存储单元可能包含若干个能够独立编址的字节 (1)字节编址方式 计算机可寻址的最小信息单位是 “字节” ，称为“字节可寻址”计算机

  16. 存储器的编址方式 (2)字编址方式 某些计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，相邻的存储器地址表示相邻存储字，这种机器称为“字可寻址”机器。

  17. 存储器的编址方式 (3)双字编址方式 “信息的整数边界”条件可以作为机器进行检错的一种方法。

  18. 地址和容量的计算 (1)已知地址线，求寻址空间； 例1、若地址线有32根，则它的寻址空间为多大？ 解：32根地址线有最多232B的寻址能力。 232B＝232/210KB ＝222/210MB ＝212/210GB ＝4GB（4096MB）

  19. 地址和容量的计算 (2)已知起始地址和末地址，求存储空间； 例2、从编号为3000H～3FFFH的地址中，包含了多少个单元？ 解： 3FFFH－3000H＋1H ＝FFFH＋1H ＝1000H＝1×163Byte ＝4096Byte＝4KB

  20. 地址和容量的计算 (3)已知存储容量和起始地址，求末地址 ; 例3、有一个32KB的存储器，用十六进制对它的地址进行编码，起始编号为0000H，末地址为多少？ 解： 0000H＋32KB－1H＝32KB－1H ＝（32×210）－1＝25×210－1＝215－1 ＝1000，0000，0000，0000B－1 ＝8000H－1＝7FFFH

  21. 存储器的存取速度 (1)存储器存取时间（Memory Access Time）又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该次操作所经历的时间间隔。 (2)存储器存储周期（Memory Cycle Time）连续两次访问存储器之间所需最小时间间隔。存储周期略大于存取时间，是衡量计算机性能的一个标准。 (3)存储带宽：存储器被连续访问时所提供的数据传输速率

  22. 主存储器的基本操作 主存与CPU的连接

  23. 主存储器的基本操作 (1)读操作 • CPU需要把信息字的地址送到MAR，经地址总线送往主存储器; • CPU从控制线Read发一个“读”请求; • CPU等待从主存储器发来的回答信号，通知CPU“读”操作完成; • 主存储器通过Ready线做出回答，若Ready信号为“1”，说明存储字的内容已经读出，并放在数据总线上，送入MDR; • 读数操作完成。

  24. 主存储器的基本操作 (2)写操作 • CPU先将信息字在主存中的地址经MAR送地址总线，并将信息字送MDR; • 控制线Write发出“写”命令; • CPU等待写操作完成信号; • 主存储器从数据总线接收到信息字并按地址总线指定的地址存储，然后经Ready控制线发回存储器操作完成信号; • 写数操作完成;

  25. 3.2.2 随机读/写存储器 存储元是存储器中的最小存储单位。它的基本作用是存储一位二进制信息。 存储元材料或电路须具备的基本功能： • 具有两种稳定状态； • 两种稳定状态经外部信号控制可以相互转换； • 经控制，能读出其中的信息； • 无外部原因，其中的信息能长期保存。

  26. 静态存储器 (1)存储单元 • T1、T2为工作管 • T3、T4为负载管 • T5、T6称为门控管 由T1～T4组成两个反相器，交叉耦合连接组成一个双稳态触发器，用于存储一位二进制信息。

  27. 静态存储器 将字选择线W置高电位，存储单元被选中。 写操作:将位线D、D’分别送高电位和低电位，或分别送低电位和高电位，便可迫使触发器状态发生变化，从而把信息写入存储单元。 读操作:根据两条位线中哪一条有负脉冲来判断触发器的状态。

  28. 静态存储器 (2)静态存储器结构 • 存储体 • 地址译码电路 • 驱动器 • 读/写电路 • 控制电路

  29. 动态存储器 (1)存储单元 • T1、T2为工作管 • T5、T6称为门控管 利用T1、T2管的栅极与衬底间的电容C1、C2上所存电荷的状态来存储二进制信息。

  30. 动态存储器 写操作: 写“1”时,字选择线W为高电位，同时D’为高电位，D为低电位。由于T5、T6管导通，D’的高电位加至Q点，使C1充电至高电位。同时位线D的低电位加至Q点，使C2放电（原状态为0时）或不充电（原状态为1时）。于是Q点为高电位，Q点为低电位，实现写“1”。 写“0”时，字选择线W为高电位，同时D为高电位，D’为低电位即可。

  31. 动态存储器 读操作: 字选择线W、位线D和D’都加高电位。假定该存储元原存信息为“1”，此时T1导通，T2截止，为低电位而Q为高电位，位线D有电流经T5、T1接地，位线D’上无电流。若原存信息为“0”，位线D’有电流经T6、T2接地，而D线上无电流。因此，D线有电流表示读1，D’线上有电流表示读0。

  32. 动态存储器 为了进一步提高集成度，可以只用一个MOS管和一个电容来实现一位二进制信息的存储。

  33. 动态存储器 (2)动态存储器结构 动态MOS芯片和静态MOS芯片的不同点: • 数据输入DIN和数据输出DOUT是分开的而且可以锁存； • 该片控制信号只有WE，没有片选信号CS; • 地址线也作刷新用，刷新时地址计数，逐行刷新;

  34. 动态存储器 (3)存储控制 刷新 :由外界按一定规律将信息再生，使其保持鲜明的“0”、“1”状态; 刷新周期:从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器刷新一遍为止，这段时间也称为再生周期，一般为2ms。 动态MOS存储器采用“读出”方式进行刷新

  35. 动态存储器 • 集中刷新方式 在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行逐一再生在此期间停止对存储器的读和写。缺点是在刷新期间不能进行存取访问，存在“死”时间，有时会影响计算机系统的正常工作。

  36. 动态存储器 • 分散刷新方式 把存储器的系统工作周期分为两部分：前半部分用于正常读、写或保持，后半部分用于再生某一行，对每一行的再生被分散到了各个工作周期。刷新过于频繁，使存储器不能高速工作。

  37. 动态存储器 • 异步刷新方式 将刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的时间间隔，在此时间内的前段用于读/写/保持，后段用于刷新一行，利用逻辑电路每隔时间t产生一次刷新请求。它将死时间降到最低，即充分利用了2ms的刷新周期，又保证了系统的速度。

  38. 双极型存储器 (1)存储单元 T1和T2为两个双发射极晶体管，它们的基极和集电极交叉相连，构成一个触发器。

  39. 存储器容量扩展 (1)位扩展 位扩展指的是加大字长。位扩展的连接方式是将多片存储器的地址、片选、读/写端相应并联，数据端单独引出。

  40. 存储器容量扩展 (1)位扩展 例4、用16K×1位芯片组成16K×8位的RAM存储器。 解：由题可知，该芯片只需按要求增加字长。 由于每个芯片字长1位，存储器字长8位，因此，它由8片芯片并联而成。每片容量16K，有14条地址线引出端，每条地址线接有8个芯片；每片有1条数据线引出端，每条数据线连接一个芯片。

  41. 位扩展

  42. 存储器容量扩展 (2)字扩展 字扩展指的是增加存储器中字的数量。静态存储器进行字扩展时，将各芯片的地址线、数据线、读/写控制线并联，而由片选信号来区分各芯片的地址范围。

  43. 存储器容量扩展 (2)字扩展 例5、用16K×8位芯片组成64K×8位的RAM存储器。 解：由题可知，该芯片只需增加容量。 该64K×8位存储器需要用4个16K×8位芯片。数据线D0～D7与各片的数据端相连，地址总线低位地址A0～A13与各芯片的14位地址端相连，而两位高位地址A14、A15经过译码器和4 个片选端相连。

  44. 字扩展

  45. 存储器容量扩展 (3)字位扩展 同时扩充存储器的字长和字的数量。 动态存储器一般不设端CS，但可用RAS端来扩展字数

  46. 存储器容量扩展 (3)字位扩展 例6、用16K×4位芯片组成64K×8位的RAM存储器。 解：由题可知，该芯片需要同时使用字、位扩展。一个16K×4位的芯片只对应14条地址线，若要寻址64K容量则需要增加地址线。该芯片可输入或输出的数据只有4位，因此需要2片的数据线串联才能对应8条数据线，所以整个存 储器共需要 个芯片。

  47. 字位扩展

  48. 读写操作时序 静态存储器的片选、写允许、地址和写入数据在时间配合上有一定要求。 静态存储器读时序

  49. 静态存储器写时序

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