存储器技术

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1、冶金工业出版社 第4章 存储器技术高速缓冲存储器Cache的地址映像及其方式 虚拟存储器 地址译码 静态RAM存储芯片6264 动态RAM存储芯片2164A 存储器的工作时序主要内容冶金工业出版社 4.1 存储器概述4.1.1 存储器的作用在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和 交换的中心。 冶金工业出版社 4.1.2 技术指标存储器系统的三项主要性能指标是容量、速度和成本。1. 存储容量通常用该内存储器所能存储的字数及其字长的乘 积来表示： 存储容量字数字长 2. 存取时间存储器从接收、寻找存储单元的地址码开始，到它 取出或存入数码为止所需的时间叫作存取时间。 3. 成本如果存储器的成

2、本较高，势必会影响整个研发系统 的价格；如果存储器的容量较小，可能又会影响整个研 发系统的性能。 冶金工业出版社 存储容量、存取时间和成本间的矛盾4. 功耗5. 可靠性6. 集成度冶金工业出版社 4.2 存储器分类4.2.1 按构成存储器的器件和存储介质分类按构成存储器的器件和存储介质主要可分为：磁 芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡 和其他磁表面存储器以及光盘存储器等。4.2.2 按存取方式分类可将存储器分为随机存取存储器、只读存储器两种形 式。4.2.3 按在微机系统中位置分类可以分为主存储器（内存）、辅助存储器（外存） 、缓冲存储器等。 冶金工业出版社 冶金工业出版社 4

3、.3 Cache的特点和功能一般认为，采用高速缓冲技术之后，可以把高性能 处理器与主存储器之间的速度差缩小到30倍左右。目 前，这30倍左右的差距是依靠Cache来填补的。4.3.1 Cache的大体介绍及其工作原理Cache具有如下两个主要优点：（1）Cache的读写速度几乎能够与CPU进行匹配，所 以微机系统的存取速度可以大大提高；（2）Cache的容量相对主存来说并不是太大，所以整 个存储器系统的成本并没有上升很多。冶金工业出版社 Cache主存结构示意图 如果数据在Cache中，则CPU对Cache进行读写操作 ，称为一次命中。 若数据不在Cache中，则CPU对主存操作，称为一 次失

4、败。 冶金工业出版社 Cache存储器是一种以块为单位的存储方式。块 的大小称为“块长”，块长一般取一个主存周期所能 调出的信息长度。 命中率指的是CPU所要访问的信息在Cache中的比 率，相应地将所要访问的信息不在Cache中的比率称为 失效率。 假设主存的地址码为n位，则其共有2n个单元。将主 存分块（block），每块有B个字节，则一共可以分成 2n/B块。Cache也由同样大小的块组成，由于其容量小 ，所以块的数目小得多，也就是说，主存中只有一小 部分块的内容可存放在Cache中。冶金工业出版社 4.3.2 地址映像及其方式把信息从主存调入Cache，必须应用某种函数把主 存块映像

5、到Cache块，这种采用函数映像的方法就称作 地址映像。 当信息按这种映像关系装入Cache后，系统在执行 程序时，应将主存地址变换为Cache地址，这个变换过 程叫做地址变换。 根据不同的地址对应方法，地址映像的方式通常有 直接映像、全相联映像和组相联映像三种。冶金工业出版社 1. 直接映像直接映像方式是一 种最简单，也是最直 接的方法。每个主存 块映像到Cache中的一 个指定块的方式称为 直接映像。在直接映 像方式下，主存中某 一特定存储块只可调 入Cache中的一个指定 位置，如果主存中另 一个存储块也要调入 该位置，则将发生冲 突。冶金工业出版社 直接映像方式的优点是硬件实现很 简

6、单，访问速度也比较快。 直接映像方式的主要缺点是块的冲 突率比较高。 冶金工业出版社 2. 全相联映像全相联映像方式允许 主存中的每一个字块，映 像到Cache存储器的任何 一个字块位置上，也允许 从确实已被占满的Cache 存储器中替换出任何一个 旧字块。 冶金工业出版社 全相联方式最突出的优点是块冲突的 概率低，Cache的利用率高，是一种最理 想的解决方案。 全相联方式的缺点是，Cache中块表 查找的速度慢。 冶金工业出版社 3. 组相联映像组相联映像方 式是全相联映像和 直接映像的一种折 中方案。这种方法 将主存和Cache的存 储空间分成若干组 ，并且每组大小一 样，各组之间是直

7、接映像，而组内各 块之间则是全相联 映像。 冶金工业出版社 组相联映像方法在判断块命中以及 替换算法上都要比全相联映像方法简单 ，块冲突的概率比直接映像方法的低， 其命中率介于直接映像和全相联映像方 法之间。冶金工业出版社 4.3.3 Cache替换算法及其实现局部性原理 所谓局部性原理（principle of locality）是 指程序在执行过程中的一个较短时期，所执行的指令 地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域。还 可以表现为：（1）时间局部性，即一条指令的一次执行和下 次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一 个较短时期内；（2）空间局部性，即当前指令和邻近的几条指 令，

8、当前访问的数据和邻近的数据都集中在一个较小 区域内。冶金工业出版社 1. LFU算法及其实现最久没有使用算法（Least Frequently Used，简 称LFU）选择最久没有被访问的块作为被替换的块， 很可能也是将来最少访问的块。为了实现LFU算法，要在块表中为每一块设置一个 计数器。计数器的使用及管理规则是： （1）被装入或被替换的块，其对应的计数器清为 “0”，同组中其他所有块所属的计数器都加“1”。（2）命中的块，其对应的计数器清为“0”。同组中其 他所有计数器中，凡是计数器的值小于命中块所属计数 器原来值的，都加“1”，其他计数器不变。（3）需要替换时，在同组的所有计数器中选择计

9、数值 最大的计数器，它所对应的块就是要被替换的块。冶金工业出版社 2. 比较对法比较对法实际上也是一种LFU算法。所不同的只是， 它不用计数器来实现，而采用硬逻辑实现。一个两态的器件（触发器）能够记录两个块之间 的先后顺序，多个块之间的先后顺序可以用多个两态 器件的组合来实现，从而可以在多个块中找出最久没 有被访问过的那个块来。 冶金工业出版社 3. 堆栈法在堆栈法中，用栈顶至栈底的先后次序来记录 Cache同一组内的各个块被访问的先后次序。栈顶是最 近被访问过的块，栈底是最久没有被访问过的块。当 要替换时，从栈顶压入新的块，最久没有被访问过的 块就从栈的底部被推出堆栈。 冶金工业出版社

10、4.3.4 Cache的发展1. 单一缓存和多级缓存这种由片内和片外缓存组成的Cache叫做两级缓存 ，称片内缓存为第一级，片外缓存为第二级、第三级 等等。2. 统一缓存和分开缓存统一缓存是指令和数据放在同一缓存内的Cache； 分开缓存是指令和数据分别在两个缓存中，一个叫指 令Cache，一个叫数据Cache。 冶金工业出版社 4.4 虚拟存储器所谓虚拟存储器（Virtual Memory），是指以透 明方式提供给用户一个比实际内存大得多的作业地址 空间。它不是任何实际的物理存储器，而是一个容量 非常大的存储器的逻辑模型。 4.4.1 虚拟存储器工作原理虚拟存储器可以分为三种，它们分别是页式

11、虚拟 存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器，其中 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器是由地址变换方 法的不同而产生的。 冶金工业出版社 就像一本书由很多页组成一样，页式虚拟存储器 工作原理的核心思想是，把主存储器、虚拟存储器和 磁盘存储器分别看成是一本书，书中的每一页都是由 固定大小的数据块组成，并且把主存储器中的页称之 为实页，而把虚拟存储器中的页称之为虚页。这样， 一个主存地址A可以由两部分组成，实页号p和页内偏 移d，d相当于书中某一页的第d行；而一个虚拟地址 Av（Address Virtual）则由三部分组成，用户号U、 虚页号P和页内偏移D，同样D也相当于书中某一页的 第D行。

12、冶金工业出版社 4.4.2 地址的映像与变换在虚拟存储器中有三种地址空间，一种是虚拟地 址空间；第二种是主存地址空间；第三种是辅存地址 空间。与这三种地址空间相对应，有三种地址，即虚拟 地址、主存地址和磁盘存储器地址。1. 页式虚拟存储器页式虚拟存储器是将虚拟地址空间和物理地址空 间都分成固定大小的页，以页为基本单位传送信息。 页式虚拟存储器的优点是页内碎片小，利用率高；页表 透明；地址映像和变换的速度快；调入操作简单。其缺点是各页不是程序的独立模块，不便于实现程序和 数据的共享。冶金工业出版社 2. 段式虚拟存储器段式虚拟存储器在虚拟地址空间和物理地址空间中 ，以段为基本单位传送信息。 段式

13、虚拟存储器的优点是每段都是独立的模块，并 且便于程序和数据的共享；主要缺点是容易生成段内碎片，造成主存储器空间 的浪费。3. 段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器综合了段式和页式的优点，它 的设计思想是对虚拟存储器的虚拟空间采用分段的技 术，而对主存储器的物理空间采用分页的技术。 缺点是增加了设计成本。 冶金工业出版社 4.5 存储器接口技术4.5.1 地址译码地址译码的方法一般有三种：单地址译码、全地址 译码和块地址译码。1. 单地址译码冶金工业出版社 2. 全地址译码3. 块地址译码冶金工业出版社 4.5.2 静态RAM（SRAM）1. 存储单元静态RAM的基本存储单元是由两个增强型的NM

14、OS反 相器交叉耦合而成的触发器，每个基本的存储单元由 六个MOS管构成。所以，静态存储电路又称为六管静态 存储电路。 冶金工业出版社 2. 静态RAM存储芯片6264（1）6264的引线及 其功能 （2）6264的工作过程 对6264芯片的存取 操作包括数据的写入 和读出。冶金工业出版社 写入数据的过程 冶金工业出版社 读出数据的过程 冶金工业出版社 （3）SRAM芯片的应用 芯片连接到系统中，就是完成与系统总线的连接 。系统总线分为数据总线、控制总线和地址总线，与 系统总线的连接就是要完成与这三总线的连接。 以8088系统总线为例来说明SRAM6264的连接。 冶金工业出版社 全地址译码 冶金工业出版社 部分地址译码方式 冶金工业出版社 4.5.3 动态RAM（DRAM）1. 动态RAM基本存储单元 动态RAM的基本存储单元是由电容构成，并且是 靠电容的充放电来保存信息的。 冶金工业出版社 2. 动态RAM存储器芯片Intel 2164A2164A是Intel公司生产的一种动态RAM存储器芯片， 其容量为64K1，它的基本存储单元是单管动态存储 电路。（1）DRAM 2164A的引脚功能 冶金工业出版社 （2）DRAM 2164A的工作过程 数据读出 冶金工业出版社 数据写入