计算机组成原理-第五章PPT演示课件

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1、1,第5章 存储系统和结构,2,存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统，设计一个容量大、速度快、成本低的存储系统是计算机发展的一个重要课题。 本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，此外还介绍了高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理。,3,本章学习内容,5.1 存储系统的组成 5.2 主存储器的组织 5.3 半导体随机存储器和只读存储器 5.4 主存储器的连接与控制 5.5 提高主存读写速度的技术 5.6 多体交叉存储技术 5.7 高速缓冲存储器 5.8 虚拟存储器,4,本章学习要求,了解：存储器的分类方法和存储系统的层次

2、理解：主存储器的基本结构、存储单元和主存储器的主要技术指标 掌握：数据在主存中的存放方法 了解：半导体随机存储器（静态RAM和动态RAM）的基本存储原理 理解：动态RAM的刷新 了解： RAM芯片的基本结构 理解：各种不同类型的ROM 掌握：主存储器容量的各种扩展方法 理解：主存储器和CPU的软连接 了解：Cache存储系统和虚拟存储器的概念,5,5.1 存储系统的组成,5.1.1 存储器分类 1.按存储器在计算机系统中的作用分类 高速缓冲存储器 用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU高速地使用它们。 主存储器 用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读写访问。 辅

3、助存储器 用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接访问它。,6,2.按存取方式分类 随机存取存储器RAM CPU可以对RAM单元的内容随机地访问。CPU对任何一个存储单元的存取时间是相同的。 只读存储器ROM ROM存储器的内容只能随机读出而不能写入。 顺序存取存储器SAM 只能按某种顺序存取，存取时间与信息存放的物理位置有关。 直接存取存储器DAM 当要存取所需的信息时，先指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），然后在小区域内顺序检索直至找到目的地后再进行访问。,5.1 存储系统的组成,7,3.按存储介质分类 磁芯存储器 利用两种不同的剩磁状

4、态表示“1”或“0”。它的读出是破坏性读出。 半导体存储器 采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型存储器和MOS型存储器两大类。 磁表面存储器 在金属或塑料基体上涂一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。 光存储器 采用激光技术控制访问的存储器。,5.1 存储系统的组成,8,4.按信息的可保存性分类 断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器。 如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写的操作，以便恢复被破坏的信息。,5.1 存储系统的组成

5、,9,5.1.2 存储系统层次结构 为了解决容量、速度和价格之间的矛盾，出现了多层次的存储系统，把各种不同存储容量，不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，使所存放的程序和数据按层次分布在各存储器中，形成一个统一整体的存储系统。,5.1 存储系统的组成,10,由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次。 1.Cache主存层次 在CPU和主存之间设置了一级容量不大，但速度很高的高速缓冲存储器（Cache），简称高速缓存或快存。 CPU在某一小段时间内所要访问的程序和数据被事先从主存中调入Cache中，当CPU需要这些程序和数据时，就直接去Cache中读取。

6、,5.1 存储系统的组成,11,Cache主存层次的存取速度接近于Cache的存取速度，但容量是主存的。因此，解决了高速度和低成本之间的矛盾。这个层次完全由硬件实现。,5.1 存储系统的组成,12,2.主辅存层次 辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据，当需要时，再调到主存中去。 主辅存层次通过附加的硬件及存储管理软件来控制。 主辅存层次的存取速度接近于主存的存取速度，容量是辅存的容量，从而解决了大容量和低成本间的矛盾。,5.1 存储系统的组成,13,三级存储系统的总的效果是：存取速度接近于Cache水平，存储容量非常之大，整个价格也比较合理。,5.1 存储系统的组成,14,5.

7、2 主存储器的组织,5.2.1主存储器的基本结构 主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路组成。,15,存储体是存储单元的集合体，存放程序和数据。 地址译码驱动电路包含译码器和驱动器两部分。 译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一单元； 驱动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路对被选中单元进行读、写操作。 I/O和读写电路完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作。,5.2 主存储器的组织,读/写操作是在控制器的控制下进行的。,16,5.2.2 主存储器的存储单元 位是存储器存储信息的最小单位。 当一个由若干位组成的二进制数作为一个整

8、体存入或取出时，这个数称为存储字。 存放存储字或存储字节的主存空间称为存储单元或主存单元，大量存储单元的集合构成一个存储体，程序和数据都存放在存储体中，它是存储器的核心。,5.2 主存储器的组织,17,一个存储单元可能存放一个字，也可能存放一个字节，这是由计算机的结构确定的。 对于字节编址的计算机，最小寻址单位是一个字节，相邻的存储单元地址指向相邻的字节 对于字编址的计算机，最小寻址单位是一个字，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字。 存储单元是CPU对主存可访问操作的最小存储单位。,5.2 主存储器的组织,18,地址安排方案： 大端方案：IBM 370机是字长为32位的计算机，主存按字节编址，

9、则每一个存储字包含4个单独编址的存储字节，字地址即是该字高位字节的地址，其字地址总是等于4的整数倍，正好用地址码的最末两位来区分同一个字的四个字节。,5.2 主存储器的组织,不是所有计算机字长都等于存储字长,19,5.2 主存储器的组织,小端方案：PDP-11机是字长为16位的计算机，主存也按字节编址，则每一个存储字包含2个单独编址的存储字节，它的字地址总是2的整数倍，但却是用低位字节地址作为字地址，并用地址码的最末1位来区分同一个字的两个字节。,20,5.2.3 主存储器的主要技术指标 1.存储容量 存储容量是指主存所能容纳的二进制信息总量。对于字节编址的计算机，以字节数来表示容量；对于字编

10、址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示容量。 如某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，每个字的字长为16位，若用字节数表示，则可记为128K字节（128KB）。,5.2 主存储器的组织,21,2.存取速度 存取时间Ta 存取时间指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。 存取周期Tm 又可称作读写周期、访内周期，指存储器进行一次完整的读写操作到下一次访问存储器操作之间所需要的最短时间。 一般情况下，TmTa 。因为在读写操作之后，要有一段恢复内部状态的复原时间。 主存带宽（每秒从主存进出信息的最大数量）,5.2.3 主存储器的主要技术指标,22,3.可靠性 可靠性是指在规定的时

11、间内，存储器无故障的概率。 4.功耗 功耗反映了存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。,5.2.3 主存储器的主要技术指标,23,5.2.4 数据在主存中的存放 在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中有三种不同存放方法。假设，存储字为64位（8个字节），机器字长为32，读/写的数据有四种不同长度，它们分别是字节（8位）、半字（16位）、单字（32位）和双字（64位）。,字节,半字,单字,双字,5.2 主存储器的组织,24,现有一批数据，它们依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字。在存储器中存放的方法有三种形式。 不浪费存储器资源的存放方法 数据一个紧接着一个存放。优点

12、：不浪费宝贵的主存资源；缺点：访问的数据要跨越两个存储单元时，存储器的工作速度降低了一倍，且读写控制比较复杂。,5.2 主存储器的组织,25,从存储字的起始位置开始存放的方法。 无论要存放的是字节、半字、单字或双字，都必须从存储字的起始位置开始存放。优点：数据基本都可以在一个存储周期内完成，读写数据的控制比较简单。缺点：浪费了宝贵的存储器资源。,5.2 主存储器的组织,26,折中方法 双字地址的最末三个二进制位必须为000，单字地址的最末两位必须为00，半字地址的最末一位必须为0。特点：数据都在一个存取周期内完成，存储器资源仍然有浪费，但比第2种方法少得多。,5.2 主存储器的组织,27,例:

13、某机字长32位,主存储器按字节编址,现有4种不同长度的数据(字节、半字、单字、双字)，请采用一种既节省存储空间，又能保证任何长度的数据都在单个存取周期内完成读写的方法，将一批数据顺序地存入主存，画出主存中数据的存放示意图。 这批数据一共有10个，它们依次为字节、半字、双字、单字、字节、单字、双字、半字、单字、字节。,5.2 主存储器的组织,28,解：根据题干可以知道4种长度的数据分别为：字节数据8位，半字数据16位，单字数据32位，双字数据64位。因为要保证任何长度的数据都在单个存取周期内完成读写，所以该机的存储字长应为64位。要特别注意的是，在本例中数据字长（32位）和存储字长（64位）是不

14、同的。 题目要求采用一种既节省存储空间，又能保证任何长度的数据都在单个存取周期内完成读写的方法来存入一批数据，所以只能选用边界对齐的存放方法，双字数据从字节地址为8的整倍数的地方开始存放，单字数据从字节地址为4的整倍数的地方开始存放，半字地址从字节地址为2的整倍数的地方开始存放。主存中数据的存放示意图如下 ：,5.2 主存储器的组织,29,5.2 主存储器的组织,30,5.3 半导体随机存储器和只读存储器,5.3.1 RAM记忆单元电路 我们把存放一个二进制位的物理器件称为记忆单元，它是存储器的最基本构件，可以由各种材料制成，但必须满足以下要求： 有两种稳定状态。 在外部信息的激励下，两种稳定

15、状态可被无限次写入。 在外部信号的激励下，能读出两种稳定状态。,31,MOS型存储器根据记忆单元的结构又可分为静态RAM和动态RAM两种。 静态RAM，即SRAM（Static RAM），其存储电路以双稳态触发器为基础； 动态RAM，即DRAM（Dynamic RAM），其存储电路以电容为基础。,5.3 半导体随机存储器和只读存储器,32,1.六管静态MOS记忆单元电路,（1）组成,T1、T5：MOS反相器,Vcc,触发器,T2、T6：MOS反相器,T3、T4：控制门管,字线,字线：选择存储单元,I/O,I/O、I/O：位线，完成读/写操作,（2）单元状态,“0”：T1导通，T2截止；,“1”

16、：T1截止，T2导通。,静态RAM是利用双稳态触发器来记忆信息的。,33,1.六管静态MOS记忆单元电路 T5、T6是T1、T2管的负载管。在字线为低电平时，由Vcc不断向T1、T2供电。 SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗也较大，所以一般用来组成高速缓冲存储器和小容量主存系统。,字线,读,写,读1,读0,写1,写0,1,0,0,1,34,2.四管动态MOS记忆单元电路,（1）组成,T1、T2：记忆管,C1、C2：柵极电容,T3、T4：控制门管,（2）定义,“0”：T1导通，T2截止,“1”：T1截止，T2导通,（C1有电荷，C2无电荷）；,（C1无电荷，C2有电荷）。,I/O、I/O：位线,35,（3）读： 两条位线都先预充电至高电平，断开充电回路，再根据W、W上有无负脉冲来读1/0。 （4）保持单元里的内容 当字线加低电平，T3