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1、第第4 4章章 存储系统存储系统 本章学习要点本章学习要点 n n 计算机存储系统的分级结构及其构成。计算机存储系统的分级结构及其构成。 n n 常用半导体存储器。常用半导体存储器。 n n 双端口存储器和多模块交叉存储器。双端口存储器和多模块交叉存储器。 n n 虚拟存储器虚拟存储器 4.1 4.1 存储器概述存储器概述 n n 存储器的基本概念：存储器的基本概念： n n 1 1、存储器是计算机中用来存储信息的部件，正是、存储器是计算机中用来存储信息的部件，正是 因为有了存储器因为有了存储器, , 计算机才有了对信息的记忆功能计算机才有了对信息的记忆功能 。 n n 2 2、计算机中的存储
2、器可以分为两大类：一类叫内、计算机中的存储器可以分为两大类：一类叫内 部存储器部存储器, , 简称为内存或主存简称为内存或主存, , 另一类叫外部存储另一类叫外部存储 器器, , 简称为外存或辅存。简称为外存或辅存。 n n 3 3、内存是计算机主机的重要组成部分，它用来存、内存是计算机主机的重要组成部分，它用来存 储当前正在使用的、或者经常要使用的程序和数储当前正在使用的、或者经常要使用的程序和数 据。据。 存储器的基本概念：存储器的基本概念： n n 4 4、外存也是用来存储各种信息的、外存也是用来存储各种信息的, , 但是但是CPUCPU要使要使 用这些信息时用这些信息时, , 必须通过
3、专门的设备（比如必须通过专门的设备（比如, , 软磁软磁 盘要配有软盘驱动器盘要配有软盘驱动器, , 硬磁盘则配有硬盘驱动器硬磁盘则配有硬盘驱动器, , 磁带也必须配有磁带机）将信息先传送到内存中磁带也必须配有磁带机）将信息先传送到内存中 ，因此，因此, , 外存存放相对来说不经常使用的程序和数外存存放相对来说不经常使用的程序和数 据。据。 n n 5 5、构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体、构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体 器件和磁性材料。器件和磁性材料。 存储器的基本结构和性能存储器的基本结构和性能 n n 存储器中最小的存储单位就是一个由双稳态半导体电路或存储器中最小的存储
4、单位就是一个由双稳态半导体电路或 一个一个CMOSCMOS晶体管或磁性材料构成的存储元，它可存储一晶体管或磁性材料构成的存储元，它可存储一 位二进制代码位二进制代码 。 n n 由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单 元组成一个存储器。元组成一个存储器。 n n 对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但这三者之对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但这三者之 间是有矛盾的，为了解决这三者之间的矛盾，计算机采用间是有矛盾的，为了解决这三者之间的矛盾，计算机采用 多级存储体系结构。多级存储体系结构。 n n 在计算机存储系统中，我们
5、最关注的是内存的性能，反映在计算机存储系统中，我们最关注的是内存的性能，反映 其性能的指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存其性能的指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存 储器带宽。储器带宽。 4.1.1 4.1.1 存储器的分类存储器的分类 计算机从问世至今所使用过的存储器五计算机从问世至今所使用过的存储器五 花八门，种类繁多。从早期的磁芯存储器花八门，种类繁多。从早期的磁芯存储器 、磁鼓存储器、磁带存储器，发展到当代、磁鼓存储器、磁带存储器，发展到当代 的半导体存储器、磁表面存储器、光盘存的半导体存储器、磁表面存储器、光盘存 储器，让人眼花缭乱。把存储器科学规范储器，让人眼花缭乱。
6、把存储器科学规范 地进行分类有助于我们正确选用及合理组地进行分类有助于我们正确选用及合理组 织。织。 根据存储材料的性能及使用方法不同，根据存储材料的性能及使用方法不同， 存储器有各种不同的分类方法。存储器有各种不同的分类方法。 按存储介质分按存储介质分 1 1、存储介质的基本要求：、存储介质的基本要求： 作为存储介质的基本要求是作为存储介质的基本要求是, ,必须有两个明显区别的必须有两个明显区别的 物理状态物理状态, ,分别用来表示二进制的代码分别用来表示二进制的代码0 0和和1 1。另一。另一 方面方面, , 存储器的存取速度又取决于这种物理状态的存储器的存取速度又取决于这种物理状态的 改
7、变速度。改变速度。 2 2、目前最常使用的存储介质：主要是半导体器件和、目前最常使用的存储介质：主要是半导体器件和 磁性材料。用半导体器件组成的存储器称为半导磁性材料。用半导体器件组成的存储器称为半导 体存储器。用磁性材料做成的存储器称为磁表面体存储器。用磁性材料做成的存储器称为磁表面 存储器存储器, ,如磁盘存储器和磁带存储器。采用激光读如磁盘存储器和磁带存储器。采用激光读 写的光盘或磁光盘存储器目前也已被大量采用。写的光盘或磁光盘存储器目前也已被大量采用。 按存取方式分按存取方式分 1 1、随机存储器：、随机存储器： 如果存储器中任何存储单元的内容都能被随如果存储器中任何存储单元的内容都能
8、被随 机存取机存取, ,且存取时间和存储单元的物理位置无关且存取时间和存储单元的物理位置无关, ,这这 种存储器被称为随机存储器。半导体存储器是随种存储器被称为随机存储器。半导体存储器是随 机存储器。机存储器。 2 2、顺序存储器：、顺序存储器： 如果存储器只能按某种顺序来存取如果存储器只能按某种顺序来存取, ,也就是说也就是说 存取时间和存储单元的物理位置有关存取时间和存储单元的物理位置有关, ,则这种存储则这种存储 器称为顺序存储器。如磁带存储器就是顺序存储器称为顺序存储器。如磁带存储器就是顺序存储 器器, ,它的存取周期较长。磁盘存储器是半顺序存储它的存取周期较长。磁盘存储器是半顺序存储
9、 器。器。 按存储器的读写功能分按存储器的读写功能分 1 1、只读存储器、只读存储器(ROM)(ROM) 有些半导体存储器存储的内容是固定不有些半导体存储器存储的内容是固定不 变的变的, ,即只能读出而不能写人即只能读出而不能写人, ,因此这种半导因此这种半导 体存储器称为只读存储器体存储器称为只读存储器(ROM)(ROM)。 2 2、读写存储器、读写存储器(RAM)(RAM) 既能读出又能写人的半导体存储器既能读出又能写人的半导体存储器, ,称称 为随机读写存储器为随机读写存储器(RAM)(RAM)。 按信息的可保存性分按信息的可保存性分 1 1、易失性存储器：、易失性存储器： 断电后信息即
10、消失的存储器断电后信息即消失的存储器, , 称为非永久称为非永久 记忆的存储器记忆的存储器, ,也称为易失性存储器；也称为易失性存储器； 2 2、非易失性存储器、非易失性存储器 断电后仍能保存信息的存储器断电后仍能保存信息的存储器, ,称为永久称为永久 性记忆的存储器，也称为非易失性存储器。性记忆的存储器，也称为非易失性存储器。 磁性材料做成的存储器是永久性存储器磁性材料做成的存储器是永久性存储器, , 半导体读写存储器半导体读写存储器RAMRAM是非永久性存储器。是非永久性存储器。 按在计算机系统中的作用分按在计算机系统中的作用分 根据存储器在计算机系统中所起的作用根据存储器在计算机系统中所
11、起的作用 , ,可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲 存储器、控制存储器等。存储器、控制存储器等。 现代计算机存储系统中经常使用的现代计算机存储系统中经常使用的 存储器存储器 现代计算机存储系统中经常使用的存储现代计算机存储系统中经常使用的存储 器是半导体存储器器是半导体存储器RAM(RAM(静态静态RAMRAM做做CacheCache 和显存，动态和显存，动态RAMRAM做主存做主存), ), 半导体存储器半导体存储器 ROM (ROM (存存BIOSBIOS程序程序) )，磁盘存储器（做辅存，磁盘存储器（做辅存 ）以及磁带、光盘存储器（做大容量后援）以及
12、磁带、光盘存储器（做大容量后援 存储器）。存储器）。 4.1.2 4.1.2 存储器的分级结构存储器的分级结构 对存储器的要求是容量大、速度快、成本低对存储器的要求是容量大、速度快、成本低 , , 但是单一存储器同时兼顾这三方面要求是非常困但是单一存储器同时兼顾这三方面要求是非常困 难的。为了解决这个问题难的。为了解决这个问题, ,目前的计算机系统中目前的计算机系统中, , 通常采用高速缓冲存储器（通常采用高速缓冲存储器（CacheCache）、主存储器）、主存储器 和辅助存储器构成多级存储器体系结构和辅助存储器构成多级存储器体系结构, , 如图所如图所 示示 存储器体系结构存储器体系结构 高
13、速缓冲存储器高速缓冲存储器 高速缓冲存储器简称高速缓冲存储器简称Cache, Cache, 它是计算机系统它是计算机系统 中的一个高速小容量半导体存储器。中的一个高速小容量半导体存储器。 在计算机中在计算机中, ,为了提高计算机的处理速度为了提高计算机的处理速度, ,利用利用 CacheCache来高速存取指令和数据。来高速存取指令和数据。 和主存储器相比和主存储器相比, , 它的存取速度快它的存取速度快, ,但存储容但存储容 量比较小。高速缓冲存储器由半导体静态量比较小。高速缓冲存储器由半导体静态RAMRAM 存储器担任。存储器担任。 主存储器主存储器 主存储器简称主存主存储器简称主存, ,
14、是计算机系统的主要存储器是计算机系统的主要存储器 , , 用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。 它能和它能和Cache Cache 交换数据和指令。交换数据和指令。 主存储器通常由半导体动态主存储器通常由半导体动态RAMRAM存储器组成。存储器组成。 外存储器外存储器 外存储器简称外存外存储器简称外存, , 它是大容量辅助存储器它是大容量辅助存储器 。 目前主要使用磁盘存储器、磁带存储器和光目前主要使用磁盘存储器、磁带存储器和光 盘存储器。盘存储器。 外存的特点是存储容量大外存的特点是存储容量大, ,位成本低位成本低, ,通常用通常用 来存放系统程序
15、和大型数据文件及数据库。来存放系统程序和大型数据文件及数据库。 各级存储器担当的职能各级存储器担当的职能 Cache Cache 主要强调快速存取主要强调快速存取, , 以便使存取速度以便使存取速度 和和CPU CPU 的运算速度相匹配；的运算速度相匹配； 外存储器主要强调大的存储容量外存储器主要强调大的存储容量, , 以满足计以满足计 算机的大容量存储要求；算机的大容量存储要求； 主存储器介于主存储器介于Cache Cache 与外存与外存 之间之间, ,要求选取要求选取 适当的存储容量和存取周期适当的存储容量和存取周期, , 使它既能存储系统使它既能存储系统 的核心软件和较多的用户程序，又
16、能较快速地工的核心软件和较多的用户程序，又能较快速地工 作。作。 4.2.1 4.2.1 半导体存储器的基本存储原理半导体存储器的基本存储原理 SRAM SRAM的基本存储原理的基本存储原理 （1 1）基本存储元）基本存储元 基本存储元是组成存储器的基础和核心基本存储元是组成存储器的基础和核心, , 它用来存储一位二进制信息它用来存储一位二进制信息0 0或或1 1。SRAMSRAM的的 基本存储元由六个基本存储元由六个MOSMOS管组成。管组成。 SRAMSRAM的基本结构的基本结构 SRAMSRAM的基本存储过程的基本存储过程 它实际上是由两个它实际上是由两个MOSMOS反相器交叉耦合而成反相器交叉耦合而成 的触发器电路，这种电路有两个稳定的状态，并的触发器电路，这种电路有两个稳定的状态，并 且且 A A，B B两点的电位总是互为相反的，因此它能两点的电位总是互为相反的，因此它能 表示一位二进制的表示一位二进制的1 1和和0 0。其读写操作原理如下：。其读写
