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1、计算机组成原理,Principles of Computer Organization,广义双语教学课程,http:/211.64.192.109/skyclass25/,青岛理工大学 校级精品课程,第 4 章 存 储 器,存储系统的层次结构 Hierarchy of storage,高速缓冲存储器 Cache,辅助存储器 Auxiliary Memory,Chapter 4 Storage,主存储器 Main Memory,Primary storage, presently known as memory, is the only one directly accessible to th
2、e CPU. The CPU continuously reads instructions stored there and executes them. Any data actively operated on is also stored there in uniform manner.,4.1 概述,4.1.1 存储器分类,一、按存储器在计算机系统中的作用分类,主存储器 Main Memory（主存）,高速缓冲存储器 Cache,辅助存储器 Auxiliary Memory （辅存）,主存用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速度快。,辅存用于存放当前不需要立即使用的信息，在需要时
3、与主存成批交换数据，是主存的后备和补充。,保存在辅存上的程序和数据必须先装入主存，然后才能被CPU使用。辅存的特点是容量大，成本低和非易失性。,内部存储器 Internal Memory（内存）,外部存储器 External Memory （外存）,二、按存储器在计算机系统中的位置分类,主机内,Secondary storage, differs from primary storage in that it is not directly accessible by the CPU. The computer usually uses its input/output channels to
4、 access secondary storage and transfers desired data using intermediate area in primary storage. Secondary storage does not lose the data when the device is powered downit is non-volatile.,4.1.1 存储器分类,In modern computers, hard disks are usually used as secondary storage. The time taken to access a g
5、iven byte of information stored on a hard disk is typically a few thousandths of a second, or milliseconds.,By contrast, the time taken to access a given byte of information stored in random access memory is measured in billionths of a second, or nanoseconds.,主存+ Cache = 内存,4.1.1 存储器分类,三、按存储介质分类,半导体
6、存储器 Semiconductor Memory,磁表面存储器 Magnetic Surface Storage,光存储器 Optical Storage,Magnetic storage uses different patterns of magnetization on a magnetically coated surface to store information. Magnetic storage is non-volatile.,Volatile memory Requires constant power to maintain the stored information.
7、 Since primary storage is required to be very fast, it predominantly uses volatile memory.,Non-volatile memory Will retain the stored information even if it is not constantly supplied with electric power. It is suitable for long-term storage of information.,四、按存储器的访问方式分类,随机存取存储器 Random Access Memory
8、,直接存取存储器 Direct Access Memory,顺序存取存储器Sequential Access Memory,相联存取存储器 Associative Access Memory,主存储器,磁盘存储器,磁带存储器,相联存储器,4.1.1 存储器分类,Random access. Any location in storage can be accessed at any moment in approximately the same amount of time.,五、按存储器的实际存在分类,物理存储器 Physical Memory （实存）,虚拟存储器 Virtual Mem
9、ory （虚存）,4.1.2 存储器的层次结构 Hierarchy of storage,存储体系（ Memory Hierarchy，存储层次）是从系统结构上，通过软硬结合，把不同速度的存储器统一成一个整体。,使得从整体来看，其速度接近于最快最贵的存储器，容量却是慢速的存储器的，每位价格也接近于廉价慢速的存储器。,注意：“存储器系统”与存储体系（存储层次）的区别,A memory hierarchy in computer storage distinguishes each level in the hierarchy by response time. Since response ti
10、me, complexity, and capacity are related,例如，主存容量不足一直是难题。,为了解决主存容量不足的矛盾，引入了存储层次的方法。,解决主存容量不足的方法是：,用存储层次的方法把高速度小容量的主存和低速度大容量的辅存统一成一个整体，形成的存储层次（主存-辅存层次）能够具有辅存的容量，接近于主存的等效速度和辅存的每位成本，使用户可以按比主存大得多的虚拟存储空间编制程序。,虚拟存储器是主存-辅存层次的一种，是从容量需求引出的。,早期的计算机就至少有两种存储器。,解决主存与CPU速度差距的方法：,在CPU中设置通用寄存器,多模块交叉存储器,存储层次的方法,存储层次的
11、方法是在CPU和主存之间设置高速缓冲存储器，构成Cache-主存层次。,Cache-主存层次的效果，从CPU看，有了一个接近于CPU速度的高速的主存储器，但每位价格却是接近于慢速的主存的。,到二十世纪60年代，CPU与主存的速度差已经达到1个数量级。慢速的主存使CPU的高速不能发挥。,Most modern CPUs are so fast that for most program workloads, as a result, the CPU spends much of its time idling, waiting for memory I/O to complete.,寄存器,高速
12、缓冲存储器Cache,主存 （大容量半导体存储器）,辅存 (硬磁盘、软磁盘、光盘、磁带、U盘),Cache-主存层次,主存-辅存层次,CPU内,外部设备 （光机电设备）,半导体 电子电路,内存Internal Memory,存储层次,Secondary storage,Tertiary storage,程序访问局部化 Localized of Reference,存储层次方法的原理是程序访问局部化。,Analysis of large number of typical programs has shown that the references to memory at any given
13、interval of time tend to be confined within a few localized areas in memory.,时间上的局部性：最近的将来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息。,空间上的局部性：最近的将来要用到的信息可能与现在正在使用的信息在程序空间上是相邻的或相近的。,对大量典型程序的运行情况的分析结果表明，在一个比较短的时间间隔内，程序所产生的访存地址往往重复地集中在存储器地址空间的小范围内，而对主存其余地址的访问则相对不频繁。,存储体系的评价,以二级存储体系为例。,CPU,M1,M2,c1，SM1，TA1,c2，SM2，TA2,1价格 Cost
14、 per bit,设二级存储层次由高速度小容量的M1和低速度大容量的M2组成,ci是Mi的每位价格。,SMi是Mi的存储容量。,TAi是访问Mi的访问时间。,存储层次的每位平均价格,要想使c接近c2，,Two-Level Memories,存储器的每位价格 c =存储器的总价格C / 存储器容量SM,只有SM1 SM2,2命中率 Hit Ratio,存储层次的命中率H 定义为由CPU产生的逻辑地址能在M1访问到（命中Hit）的概率。,H = 命中次数 / 访存总次数。,不命中率M（Miss，失效率，脱靶率）指由CPU产生的逻辑地址在M1中访问不到的概率。,M = 1H,命中率可用实验的方法求得
15、。,让一组有代表性的程序被执行或模拟。若逻辑地址流中能在M1访问到的次数为R1，不能在M1访问到（在M2中还未调到M1）的次数为R2，则命中率,命中率与M1的容量、地址流和替换算法等有关。,3访问时间TA,对于CPU来说，访问存储层次的平均访问时间,TA= HTA1 +（1H）TA2,一个二级存储层次，如果CPU能直接访问M1，而不能直接访问M2。当要访问的字不在M1中，就必须由M2把包含该字的一个信息块传送到M1。此后，CPU才能在M1中访问这个字。,设传送该数据块的时间为TB， TA2= TB + TA1。 则,TA = HTA1 +（1H）TA2,= HTA1 +（1H）（TB + TA
16、1）,= TA1 +（1H）TB,随机(读写)存储器Random Access Memory (RAM),只读存储器Read Only Memory (ROM),PROM 可编程序只读存储器,掩膜ROM,EPROM 可擦除的可编程序只读存储器,E2PROM 电可擦除的可编程序只读存储器,Flash Memory 快闪存储器（电可擦除）,保存信息的原理：,SRAM：触发器,DRAM：MOS管的栅极电容。,现代计算机的主存储器都是半导体存储器IC。,半导体RAM在断电后数据会丢失，属于易失性(Volatile)存储器,只读存储器属于非易失性(Non-volatile)存储器。,4.2 主存储器,主存储器的可寻址的最小信息单位是1个存储字（存储单元）。,1、存储容量 Memory Size / Capacity,1K=210 =1024 1M=220 =1024K=210 K 1G=230 =1024M=210 M,存储器的容量通常表示为：m字k位。,例如，1个409616的存储器芯片的容量就是8KB。,存储单元 Memory Location,可寻址单
