[工学]6 三级存储体系

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1、计算机原理与汇编上海海事大学信息工程学院 1第3篇 存储系统与 输入/输出系统 硬件组成角度： 了解存储器及各种I/O设备 的组成原理，以及连接整机的方法控制I/O传送的角度 ：3种控制方式，以 及控制方式对接口和I/O程序的影响软件组成角度： 3个层次：用户程序对 I/O设备的调用，OS中的驱动程序， I/O设备控制器中的控制程序2Chapter 6 存储系统存储器的基本概念主存储器的组织高速缓冲存储器Cache外部存储器虚 拟 存 储 器36.1 概述6.1.1 存储器分类按 存 取 方 式 分RAM：Random Access Memory 随机读写；断电信息即失ROM: Read-On

2、ly Memory 正常工作时，只读不写；断电不丢失SAM：Sequential Access Memory 磁带机DAM：Direct Access MemoryDAM访问时,读/写部件先直接指向一个小区域，再在 该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关访问时，读/写部件按顺序查找目标地址， 访问时间与数据位置有关4按 存 储 介 质 分磁芯存储器：早期半导体存储器：磁表面存储器：磁盘光存储器：CDROM、MO、WORM6.1 概述利用不同的剩磁状态存储信息， 容量小、速度慢、体积大、可靠性低双极型:集成度高、功耗低，作主存 MOS型:集成度低,功耗大,速度快,作Cache利用磁层上不同方向

3、的磁化区域表示信息, 容量大, 速度慢,长期保存信息,作外存激光控制，利用光斑的有无表示信息,容量 大速度慢,长期保存信息,作外存5按信息可保 存性分易失性：断电后即失 RAM非易失性：ROM，磁盘，光盘 （永久性）6.1 概述按读出方式分破坏性读出：读出后，原有信息 被破坏，需“再生”操作 如：动态RAM非破坏性读出：静态RAM，磁盘6按在机内作用分Cache：容量小，速度快主存：一定容量，速度较快辅存：海量，速度慢， CPU不直接访问6.1 概述三级存储体系7存储系统的层次结构问题提出：容量、速度、价格 解决办法：存储体系Memory HierarchyCPU高速缓存Cache主存辅存辅助

4、硬件辅助软、硬件Cache解 决速度辅存解决 容量86.1.2 主存的主要技术指标1. 主存储器处于全机中心地位 CPU直接从存储器取指令和数据 DMA技术等建立存储器与输入输出系统的通 路 共享存储器的多处理机强化了中心地位2.主存储器分类：使用半导体存储器RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM6.1 概述9三、主存储器的主要性能指标1. 存储容量：存储单元数每单元位数 256 M 642. 存储速度： 存取时间Ta：启动一次存储器读（写）操 作到完成该次读（写）操作所经历的时间。 存取周期Tm：连续启动独立的存储器操作 所需的最小间隔。略大于存取时间。6.1 概述103. 可靠

5、性：用MTBF衡量 Mean Time Between Failures4. 功耗：越小越好工作功耗、维持功耗性能指标：容量、速度、可靠、功耗6.1 概述5.存取宽度一次可以存取的数据位数或字节数11选中控制数据out主存储器基本操作读：存储单元ready写 ：存储单元控制数据in选中ready122、主存储器的基本结构：地址线地 址 译 码存储体I/ O 读 写 电 路数据线读/写控制136.2 存储原理6.2.1 半导体存储器的存储原理MOS型电路结构PMOS NMOS CMOS 工作方式静态MOS 动态MOS存储 信息 原理静态存储器SRAM动态存储器DRAM依靠双稳态电路内部交叉反馈的

6、机制存 储信息。功耗较小,容量大,速度较快,作主存功耗较大,速度快,作Cache制造 工艺双极型依靠电容存储电荷的原理存储信息。141、SRAM（静态）存储单元（存一位信息） Vcc字线Z (地址线）位 线 W位 线 WT1T2T3T4T5T6T1 T2 工作管T3 T4 负载管T5 T6 门控管SRAM：利用双稳态触发器保存信息6.2 存储原理152、DRAM 存储单元：利用电容字线Z位 线 WC控制MOS管 T 和电容CC上有电荷“1”；反之“0”写入：字线Z加高电平，位线加高，写入1暂存信息：需定时刷新读出：破坏性读出，需重 写(再生)6.2 存储原理16写 0 ：使位线为低电平，若CS

7、 上无电荷，则 CS 无充放电动作，若CS 上有电荷，则 CS 把所存电放完。写 1 ：使位线为高电平，若CS 上无电荷，则 通过T 向 CS 充电；若CS 上有电荷，则 CS 无充放电动作。读操作： 首先使位线低电平，当字线来高电平后，T导通，. 若 CS 上无电荷，则位线上无电位变化 (读出为 0)；. 若 CS 上有电荷则会放电，并使位线有电流流过，接在位线上的读出放大器会感知这种变化，读出为1。 + - -CS字线位 线T高，T 导通， 低，T 截止。 源极漏极柵极6.2 存储原理173、动态RAM的刷新：由读出放大器来完成刷新间隔：根据电容上电荷泄放速度来决定。 标准：2ms注意：刷

8、新 与 重写(再生)有区别重写：在某单元内容读出后进行（对某单元）刷新：定时，整体进行破坏性读出：读操作后，被读单元的内容一定被 清为零，必须把刚读出的内容立即写回去。 影响存储器的工作频率，在重写结束前不能开始 下一次读。6.2 存储原理18刷新方法 ：各芯片同时，片内按行刷新一行所用时间刷新周期 ： 对主存 的访问由CPU提供行、列地 址，随机访问读/写/保持 ： 动态刷新 ：由刷新地址计数器提 供行地址，定时刷新2ms内集中安排所有刷新周期死区用在实时 要求不高 的场合（1）集中刷新R/W刷新R/W刷新 2ms 50ns19（2）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷

9、新 100ns用在低速 系统中2ms例.各刷新周期分散安排在2ms内用在大多数计算机中128行15.6 微秒每隔15.6微秒提一次刷新 请求，刷新一行；2毫秒 内刷新完所有行R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6 微秒15.6 微秒 刷新请求 （DMA请求 ）（3）异步刷新刷新请求 （DMA请求 ）206.2.2 磁表面存储器的存储原理1.记录介质与磁头介质：磁层（矩磁薄膜），依附在基体上 磁头：读写部件2.读写原理（1）写入 磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移 动，在磁层上形成连续的小段磁化区域（位单元）（2）读出 磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转 变

10、区经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势 213.磁记录编码方式 P284 写电流波形的组成方式 提高可靠性 提高记录密度减少转变区数目具有自同步能力一种编码方式。指的是按照某种规律将一连串 数字信号转变为存储介质磁层的相应磁化翻转 形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。 有RZ、NRZ、NRZ1、PM、FM、MFM等方式22磁记录原理和记录方式 RZ“1”正向磁化，“0”反相，每次写一位后归0 NRZ写1通正向，写0反相，但每次写一位后 不归0，由0到1和由1到0极性变化连续0或1需要外加同步电流才能识别是第几个现已不用RZ和NRZP284 图6-4RZNRZ10111000123磁记录原

11、理和记录方式 PM每位单元都存在极性转变，有自同步能力， 并根据极性变化方向不同区分0、1 NRZ1用变与不变区分0和1连续0或1需要外加同步电流才能识别是第几个NRZ1PM1011100010正向；1负向24磁记录原理和记录方式 FM每位单元都存在极性转变，有自同步能力， 并根据变化频率不同区分0、1FMMFM101110001 MFM写1时位中间改变写入电流方向；写0不变， 写入连续两个0时，交界处改变电流方向练习：P336 6.8 25101110001NRZ1FMPMMFMRZNRZ266.2.3 光存储器的存储原理 1.形变型光盘 （1）定义有孔为1，无孔为0（2）写入写1，高功率激

12、光照射介质，形成凹坑； 写0，不发射激光束，介质不变（3）读出低功率激光扫描光道，根据反射光强弱判 断是1或0形变不可逆，不可改写2.相变型光盘写入 写1，高功率激光照射介质，晶粒直径变大； 写0，不发射激光束，晶粒不变 读出 低功率激光扫描光道，根据反射率的差别 判断是1或0相变可逆，可改写273.磁光型光盘可改写写入前：外加磁场，使介质呈某种磁化方向读出热磁效应写，磁光效应读写1，激光照射并外加磁场改变磁化方向； 写0，未被照射区域，磁化方向不变 低功率激光扫描光道，根据反射光的偏转 角度判断是1或0写入286.3 主存储器的组织 6.3.1 主存储器的逻辑设计 (由若干存储单元组成存储器

13、) 容量2NM，有2N个存储单元，每单元存放M位数据 需要N位地址线，M根数据线例如：4 1的存储器cellcellcellcellA1A0地 址 译 码 电 路00 011011数据线D029CPURAM芯片（2NM）A0AN1(N位地址线)D0DM1(M位数据线)片选线CS 读写控制线R/WVccGNDCS0 选中该片工作，CS1该片不工作R/W1 读操作 R/W0 写操作；其他刷新控制线等6.3 主存储器的组织30CPUROM芯片（2NM）A0AN1(N位地址线)D0DM1(M位数据线)片选线CS VccGNDCS0 选中该片工作，CS1该片不工作与RAM不同，没有R/W；其他如输出允许

14、线OE等6.3 主存储器的组织31ROM非易失性的存储器ROM：MROM: 出厂时已写好，不可更改PROM：可写一次EPROM：正常工作时，只能读 紫外线照射，将数据擦除，重新写入EEPROM：电可擦除EPROMFlash ROM：闪存，低电压改写32一般存储芯片：DIP（Dual Inline Package）双列直插封装内存条：SIMM 单列直插存储模块DIMM 双列直插存储模块6.3 主存储器的组织33一、主存储器容量的扩展： 根据不同计算机的要求，主存具有不同容量要求， 目前生产的存储芯片规格有限，需要对实际的存储 器进行扩展给定一定容量芯片，连接成更大容量的主存需解决：芯片的选用 、

15、地址分配与片选逻辑 、信号线的连接6.3 主存储器的组织341、位扩展：存储单元数相同，但位数不足 例：用Intel 2114芯片(10244) 组成10248的存储器方法：总片数总容量 / 芯片容量10248 102442（片）位扩展方法：将各芯片的地址线、片选线、读写线 并联起来，芯片的数据线单独列出6.3 主存储器的组织356.3 半导体存储器的组成与控制2114A0 A1 A9 D0 D1 D2 D3CSWE 2114A0 A1 A9 D0 D1 D2 D3CSWEA0 A1 A9 CS WED3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4CPU362、字扩展：芯片字长相同，但存储单元不足 需要对地址空间进行扩展例：用Intel 2114芯片(10244) 组成40964的存储器40964 102444（片）需用芯片芯片CPU (主存)地址线线1012 数据线线44字扩展： 主存数据线与芯片相连 主存低位地址与芯片相连 主存高位地址经地址分配 后(通常是译码)与芯片的 CS端相连6.3 主存储器的组织374096212，需要12根地址线，A0A11 1024210，芯片带有10根地址线，即A0A9 A11 A10 A9。A1 A00 0 0 0 00 0 1 1 101 0 0 00 1