《计算机组成原理及汇编语言CAI 教学课件 作者 教师版—张思发 第三章 存储系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理及汇编语言CAI 教学课件 作者 教师版—张思发 第三章 存储系统（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 三 章 存 储 系 统 本章学习目标 本章学习存储系统的分类与主存储系统 主要知识点有 DRAM EPROM 闪速存储器的结构与原理 双端口存储器 相联存储器 cache 存储 器 虚拟存储器 3 1 存储器概述 3 1 1 存储器分类 存储器存储器是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 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 一个双稳态半导体电路或磁性材料的存储元 均可以存 储一位二进制代码 这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位 称为一个存储位存储位或存 储元 存 储元 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存储器 根据存储元件的性
2、能及使用方法不同 存储器有各种不同的分类方法 1 按存储介质分类 作为存储介质的基本要求 必须具备能够显示两个有明显区别的物理状态的性能 分别用 来表示二进制的代码 0 和 1 另一方面 存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度 目前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体存储 器 半导体存储 器 用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器磁表面存储器 例如磁盘存储器和磁带存储器 2 按存取方式分类 如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取 且存取时间和存储单元的物理位置 无关 这种存储器称为随机存储器随机存储器 半导体存储器和磁芯存储器都是随机存储器
3、 如果存 储器只能按某种顺序来存取 也就是说存取时间和存储单元的物理位置无关 这种存储器称 为顺序存储器顺序存储器 例如 磁带存储器就是顺序存储器 一般来说 顺序存储器的存取周期较 长 磁盘存储器是半顺序存储器 3 按存储器的读写功能分类 有些半导体存储器存储的内容是固定不变的 即只能读出而不能写入 因此这种半导体 存储器称为只读存储器只读存储器 ROM 既能读出又能写入的半导体存储器 称为随机存储器随机存储器 RAM 4 按信息的可保存性分类 断电后信息即消失的存储器 称为非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器 断电后仍能保存信息的存储 器 称为永久性记忆的存储器永久性记忆的存储器 磁性材料做
4、成的存储器是永久性存储器 半导体读写存储 器 RAM 是非永久性存储器 5 按串 并行存取方式分类 目前使用的半导体存储器大多为并行存取方式 但也有以串行存取方式工作的存储器 如电耦合器件 CCD 串行移位寄存器和镍延迟线构成的存储器等 第 三 章 存 储 系 统 63 6 按在计算机系统中的作用分类 根据存储器在计算机系统中所起的作用 可分为主存储器 辅助存储器 缓冲存储器 控制存储器等 3 1 2 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 但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方 面是困难的 为了解决这方面的矛盾 目前在计算机系统中 通常采用三级存储器结构三级存储器结构 即使用
5、快速缓冲存储器 主存储器和外存储器快速缓冲存储器 主存储器和外存储器 中央处理器能直接访问的存储器称为内存 储器 它包括快速缓冲存储器和主存储器 中央处理器不能直接访问外存储器 外存储器的 信息必须调入内存储器后才能为中央处理器进行处理 1 快速缓冲存储器 快速缓冲存储器快速缓冲存储器简称快存 它是计算机系统中的一个高速小容量存储器 在中高档计 算机中 为了提高计算机的处理速度 利用快存来临时存放指令和数据之用 快存目前由双 极型半导体存储器组成 和主存储器相比 存取速度快 但存储容量小 2 主存储器 主存储器主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 它 和快速
6、缓冲存储器交换数据和指令 而快速缓冲存储器再与中央处理器打交道 主存储器目 前一般由 MOS半导体存储器组成 当内存储器中只有主存储器而没有快速缓冲存储器时 内存储器就是主存储器 所以内 存储器也泛称为主存储器 通常 内存储器简称内存 主存储器简称主存 3 外存储器 外存储器外存储器也称为辅助存储器 简称外存 外存由磁表面存储器构成 目前主要使用磁盘 存储器和磁带存储器 外存的特点是存储容量大 通常用来存放系统程序和大型数据文件及 数据库 上述三种类型的存储器形成计算机的三级存储管理 各级存储器承担的职能各不相同 其中快速缓冲存储器主要强调快速存取 以便使存取速度和中央处理器的运算速度相匹配
7、外存储器主要强调大的存储容量 以满足计算机的大容量存储要求 主存储器介于快存与外 存之间 要求选取适当的存储容量和存取周期 使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程 序 3 1 3 主存储器的技术指标 主存储器的性能指标主要是存储容量 存取时间和存储周期存储容量 存取时间和存储周期 存放一个机器字的存储单元 通常称为字存储单元 相应的单元地址叫字地址字地址 而存放 一个字节的单元 称为字节存储单元字节存储单元 相应的地址称为字节地址字节地址 如果计算机中可编址的 最小单位是字存储单元 则该计算机称为按字编址的计算机 如果计算机中可编址的最小单 位是字节 则该计算机称为按字节编址的计算机 一个机器
8、字可以包含数个字节 所以一个 存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址 例如 PDP 11 系列计算机 一个 16 位 二进制的字存储单元可存放两个字节 可以按字地址寻址 也可以按字节地址寻址 当用字 节地址寻址时 16 位的存储单元占两个字节地址 在一个存储器中容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量 存储容量用字数或 字节数 B 来表示 如 64K字 512KB 10MB 外存中为了表示更大的存储容量 采用 MB GB TB 等单位 其中 1KB 210B 1MB 220B 1GB 230B 1TB 240B B 表示字节 一个字节定义为 8 个二进制位 所以计算机中一个字的字长通
9、常为 8的倍数 存储容量这一 概念反映了存储空间的大小 第 三 章 存 储 系 统 64 存储时间存储时间有称存储器访问时间 是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时 间 具体讲 从一次读操作命令发出到该操作完成 将数据读入数据缓冲寄存器为止所经历 的时间 即为存储器存取时间 存储周期存储周期是指连续启动两次独立的存储器操作 如连续两次读操作 所需间隔的最小时 间 通常 存储周期略大于存储时间 其时间单位为 ns 3 2 半导体读写存储器 半导体存储器分双极型半导体存储器双极型半导体存储器和 MOS 半导体存储器半导体存储器两种 在 MOS半导体存储 器中 根据存储信息机构的原理不同 又
10、分静态 MOS存储器和动态 MOS存储器 半导体 存储器的主要优点是存取速度快 存储体积小 可靠性高 价格低廉 主要缺点是断电时读 写存储器不能保存信息 按信息存储方式分 半导体存储器分为读写存储器和只读存储器 本节只介绍 MOS工 艺的半导体读写存储器 3 2 1 静态 MOS 存储器 1 基本存储元 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 0 或 1 图 3 2 1 示出了六管静态 MOS存储元的电路图 它是由两个 MOS反相器交叉耦合而成的触发器 一个存储元存储一位二进制代码 如果一个存储单元为 n位 则需由 n 个存储元才能组成一 个存储单元 图 3 2 1 中
11、T3 T4管是负载管 T1 T2管为工作管 若 T1截止 A 点为高电位 使 T2 管导通 此时 B 点处于低电位 而 B 点的低电位又使 T1更加截止 因此 这是一个稳定状 态 反之 如果 T1导通 则 A 点处于低电位 使 T2管截止 这时 B 点处于高电位 而 B 点处于高电位又使 T1管更导通 因此 这也是一个稳定状态 显然 这种电路有两个稳定 的状态 并且 A B 两点的电位总是互为相反的 如果我们假定 A 点高电位代表 1 A 点低电位代表 0 那么 这个触发器电路就能表示一位二进制的 1和 0 T5 T6 T7 T8为控制管或开门管 由存储元组成存储器时 要能够控制按地址选择存
12、储元的操作 如果某存储元被选中 则 X 地址译码线和 Y 地址译码线均处于高电位 使 T5 T6 T7 T8四个晶体管均导通 输入输出电路 I O及 I O就分别与 A 点和 B 点相接 这时 A 点和 B 点的电位状态 0 和 1 就能输出到 I O与 I O线上 图 3 2 1 六管静态存储元电路 第 三 章 存 储 系 统 65 1 写操作 写操作时 如果要写入 1 则在 I O线上输入高电位 而在 I O线上输入低电位 并通过开启 T5 T6 T7 T8四个晶体管 把高 低电位分别加在 A B 点 从而使 T1管截 止 使 T2 管导通 当输入信号及地址选择信号消失之后 T5 T6 T
13、7 T8管都截止 T1和 T2管就保持被强迫写入的状态不变 从而将 1 写入存储元 当 T5 T6 T7 T8四个管子 关闭 截止 后 各种干扰信号就不能进入 T1和 T2管 写 0 的情况完全类似 在 I O线上输入低电位 在 I O线上输入高电位 打开 T5 T6 T7 T8四个开门管 把低 高电位分别加在 A B 点 从而使 T1管导通 T2管截止 于是 0 信息写入了存储元 注意 要同时打开 T5 T6 T7 T8这四个管子 必须把 X地址译码线和 Y地址译码线 同时输入高电位 如果 X地址译码线和 Y地址译码线任一为低电位或同时为低电位时 该 存储元就没有被选中 2 读操作 读操作时
14、 若某个存储元被选中 则该存储元的 T5 T6 T7 T8管均导通 于是 A B 两点与位线 D与 D相连 存储元的信息被送到 I O与 I O线上 I O与 I O线接着一个差动 读出放大器 从其电流方向 可以判知所存信息是 1 还是 0 也可以只有一个输出端 接到外部 看其有无电流通过 就可判知所存信息是 1 还是 0 2 静态 MOS 存储器的组成 一个静态 MOS存储器由存储体 读写电路 地址译码电路和控制电路等组成 框图示 于图 3 2 2 中 1 存储体 存储体存储体是存储单元的集合 在较大容量的存储器中 往往把各个字的同一位组织在一个 集成片中 例如图 3 2 2中的 4096
15、1 位 是指 4096 个字的同一位 由这样的 16 个片子则 可组成 4096 16 的存储器 同一位的这些字通常排成矩阵的形式 如 64 64 4096 由 X 选择线 行线和 Y选择线 列线的交叉来选择所需要的单元 图 3 2 2 静态 MOS存储器结构框图 2 地址译码器 第 三 章 存 储 系 统 66 地址译码器的输入信息来自 CPU的地址寄存器 地址寄存器用来存放所要访问 写入或 读出 的存储单元的地址 中央处理器要选择某一存储单元 就在地址总线 A0 A11输出此 单元的地址信号给地址译码器 地址译码器把用二进制代码表示的地址转换成输出端的高电 位 用来驱动相应的读写电路 以便
16、选择所要访问的存储单元 地址译码有两种方式 一种是单译码方式 适用于小容量存储器 另一种是双译码方 式 适用于大容量存储器 单译码结构单译码结构也称字结构 在这种方式中 地址译码器只有一个 译码器的输出叫字选 线 而字选线选择某个字 某存储单元 的所有位 例如 地址输入线 n 4 经地址译码器译 码 可译出 24 16 个状态 分别对应 16 个字地址 单译码方式的存储器结构我们后面还要 介绍 存储器中通常采用双译码结构双译码结构 可以减少选择线的数目 在这种译码方式中 地址译 码器分成 X向和 Y向两个译码器 若每一个有 n 2 个输入端 它可以译出 2n 2个输出状态 那么两个译码器交叉译码的结果 共可译出 2n 2 2n 2 2n个输出状态 其中 n 为地址输入量的 二进制位数 但此时译码输出线却只有 2 2n 2根 例如 n 12 双译码输出状态为 212 4096 个 而译码线仅只有 2 26 128 根 采用双译码结构的 4096 1 的存储单元矩阵如图 3 2 3 所示 4096 个字排成 64 64 的 矩阵 它需要 12 根地址线 A0 A11 其中 A0 A5输入至
