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1、第6章 存储系统,本章主要介绍了存储器的分类及其性能指标；Cache的工作原理、地址映射和存取一致性的相关知识；虚拟存储器的几种组织方式；最后还介绍了存储技术的发展。,6.1 存储器,存储器是计算机系统的重要组成部分之一，它是计算机的记忆部件。存储器主要用来存放程序和数据，CPU在工作过程中要频繁的与存储器进行信息交换，因此主存储器的性能在很大程度上影响整个计算机系统的性能。,6.1.1 存储器的分类,1.按存储器的功能和所处的位置分类 按存储器的功能和所处的位置分类：存储器分为主存储器和辅助存储器。主存储器简称主存，又叫内存，用来存储计算机当前正在执行的程序和处理的数据，计算机可以直接对其进
2、行访问。目前应用在微型计算机的主存容量已达256M1G以上。辅助存储器简称辅存，又叫外部存储器，简称外存。在微型计算机中常见的辅存有硬盘、光盘和U盘等。,2.按存储介质分类,存储介质是指用来制作存储信息的物质。 按存储介质分类：存储器分为半导体存储器、磁存储器和光存储器。 半导体存储器是指用半导体元件组成的存储器，主要是指由集成电路组成的存储器。 磁存储器又称为磁表面存储器，它是指用磁性材料组成的存储器，主要是指磁盘、磁带等。 光存储器是指用光学原理制成的存储器，如光盘等。,3.按存取方式分类,按存取方式分类：存储器可以分为随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（SAM
3、）和直接存取存储器（DAM）。,4.按信息的可保护性分类,按信息的可保护性分类：存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。 易失性存储器又称为非永久性记忆存储器，易失性存储器是指断电后信息会丢失的存储器。如：RAM。 非易失性存储器又称为永久性记忆存储器, 非易失性存储器是指断电后信息不会丢失的存储器。如：ROM、磁盘、磁带。,6.1.2 内存的组成及读写原理,内存又叫主存，现在使用的内存都属半导体存储器。在现代以冯诺依曼结构为主的计算机中，内存处于整个系统的核心地位。CPU执行的指令以及处理的数据都存放在内存中，由于CPU是高速器件，因此内存的读写速度直接影响着指令的执行速度。,1.内存的组
4、成,内存主要包括存储体、地址译码器、驱动器、读写电路和控制电路等，如下图所示。,2.内存的接口,内存通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU和其他设备相连接。内存与CPU及输入输出设备的连接框图如下图所示。,3.内存的读写,CPU要想从内存读一个字，需要执行以下操作。首先CPU将该字的地址送AR中，并经地址总线送到内存，同时CPU应使用“读”控制线发出读命令，接着等待读操作的完成。内存接到读命令后，将指定地址的存储单元中的内容经数据总线送到DR中，并发出就绪信号通知CPU所请求的内容已经被读出。接下来CPU就可以从DR中取出从存储器中读出的数据来执行其他处理操作。,6.1.3 存储器的主要性能
5、指标,衡量存储器的指标主要有存储容量、存取速度和价格。一般说来容量较大的存储器速度相对较慢；而速度快的存储器，如内部存储器价格相对较高，且容量较小。所以，在一台计算机当中，要恰当的选择各种不同类型的存储器，并且通过总线相连形成一个有机的存储系统，才能发挥最大的效应。,1.容量,存储容量是指存储器所能存储的二进制数的位数。例如，1024位/片，即指芯片内集成了1024位的存储器。但是，一般情况下，存储器芯片都是按若干个二进制位为一个单元来进行寻址，所以在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元的数目和位数，因此： 存储器芯片容量=单元数数据线位数 如Intel 2114芯片容量为1K4位/片。,2
6、.存取速度,存储器另一个重要指标是存取速度，通常存取速度可以用存取时间和存储周期来衡量。 存取时间又叫存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成这次操作所需要的时间。存取时间越小，则速度越快。超高速存储器的存取速度已小于10ns，中速存储器在100200ns之间，低速存储器的存取速度在300ns以上。,3.价格,当然，价格也是制约存储器选择的一个重要指标。现在半导体的价格已经大大下降，外部存储器也在下降，随着技术的进步，存储器的性价比肯定会越来越高。,6.2 RAM,目前广泛使用的半导体存储器是MOS半导体存储器。根据存储信息的原理不同，又分为静态MOS存储器(SRAM)和动态MOS存储器(
7、DRAM)。半导体存储器的优点是存取速度快，存储体积小，可靠性高，价格低廉；缺点是断电后存储器不能保存信息。,6.2.1 SRAM,随机存储器按存储元件在运行中能否长时间保存信息来分，有静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。其中SRAM采用双稳态触发器来保存信息，在使用过程中只要不掉电，信息就不会丢失；DRAM则是采用MOS电容来保存信息，使用时需要不断充电，才能使信息不丢失。SRAM和DRAM各有优点，SRAM集成度低，速度快，但功耗大，价格贵，一般在计算机中用做CPU中的高速缓冲存储器Cache。DRAM集成度高，速度相对较慢，但功耗小，价格相对便宜，一般用作主机的内存条。,6.
8、2.2 DRAM,减少MOS管数目，提高集成度和降低功耗，就进一步出现了动态随机存储器DRAM，其基本存储电路为单管动态存储电路，如下图所示。,由图可见，DRAM存放信息靠的是电容C。电容C有电荷时，为逻辑“1”，没有电荷时，为逻辑“0”。但由于任何电容，都存在漏电，因此，当电容C存有电荷时，过一段时间由于电容的放电过程导致电荷流失，信息也就丢失。解决的办法是刷新，即每隔一定时间（一般为2ms）就要刷新一次，使原来处于逻辑电平“l”的电容的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”。,6.2.3 RAM与CPU连接,CPU对存储器进行读写操作，首先由地址总线给出地址信号，然后发出读
9、操作或写操作的控制信号，最后在数据总线上进行信息交流。因此，存储器同CPU连接时，要完成地址线的连接、数据线的连接和控制线的连接。,1.位扩展法,位扩展又称位并联，此方法是通过存储芯片位线的并联实现了扩展存储器的字长。假定使用8片8Klbit的RAM存储器芯片组成一个8K8bit的存储器，可采用如图6-6所示的位扩展法。图中，每一片RAM是81921bit，故其地址线为13条(A0A12)，可满足整个存储体容量的要求。每一片对应于数据的1位(只有1条数据线)，故只需将它们分别接到数据总线上的相应位即可。在这种方式中，对芯片没有选片要求，就是说芯片按已被选中来考虑。如果芯片有选片输入端，可将它们
10、直接接地。在这种连接时，每一条地址总线接有8个负载，每一条数据线接有一个负载。,2.字扩展法,字扩展又称地址串联，此方法是通过存储芯片地址线的串联实现了扩展存储器的数量。假定使用4片16K8bit的RAM存储器芯片组成一个64K8bit的存储器，可采用如图6-7所示的字扩展法。字扩展是仅在字向扩充，而位数不变，因此将芯片的地址线、数据线、读写控制线并联，而由片选信号来区分各片地址，故片选信号端连接到选片译码器的输出端。图中4个芯片的数据线与数据总线D-D相连，地址总线低位地址A-A13与各芯片的14位地址端相连，两位高位地址A14，A15经译码器和4个片选端相连。,3.字位同时扩展法,字位同时
11、扩展法又称地址复用技术。通过地址复用技术可以达到不增加地址线就可以扩展存储芯片的容量。地址复用技术是将地址分批送入芯片内部，不增加芯片的地址引脚。一个存储器的容量假定为MN位，若使用ij位的芯片(i M，j N)，需要在字线和位线同时进行扩展。此时共需要(M) (N)个存储器芯片。,6.3 ROM,只读存储器ROM的信息在使用时是不能被改变的，即只能读出，不能写入，故一般只能存放固定程序，如监控程序、 BIOS程序、汉字字型库、字符以及图形符号等。ROM的特点是非易失性，即掉电后存储信息不会改变。 某些情况下，用户需要一次性写入数据到存储器中，而不对写入的数据进行修改，这时需要使用可编程只读存
12、储器PROM。,6.4 存储体系,6.4.1存储系统的层次结构 一般来说，要求存储器速度很高，存储容量就不可能很大，价格也不可能很低；如果要求存储器容量很大，存储速度就不可能很高，成本也不会很低，三者之间是相互矛盾的。为了能较好地满足上述三个方面的要求，有效的办法是采用由不同介质形成的存储器构成存储器的层次结构。,1.一级存储体,一级存储体就只有主存，它直接与CPU相连。一级存储体是最早的存储体，它的容量小，存储结构简单。其结构如下图所示。,2.二级存储体,二级存储体是在一级存储体基础上发展而来。二级存储体的出现主要是为满足人们对计算机存储容量的需求，解决了主存容量不足问题。二级存储体是在一级
13、存储体的基础上增加了辅助存储器（辅存）。二级存储体层次结构如下图所示。,3.多级存储体,多级存储体是在二级存储体的基础上发展而来的。它在二级存储体的基础上引入了高速缓冲存储器（Cache）。多级存储体主要解决了CPU和主存的速度匹配问题。最简单的多级存储体如下图所示。,6.4.2 高速缓冲存储器Cache,经过大量的实验证明，在一个较短的时间间隔之内，CPU对存储器的访问往往集中在逻辑地址空间的一段很小范围，这就是所谓的程序访问的局部性。程序访问的局部性是Cache引入的理论依据。正因为CPU访问的内存地址空间往往集中在某段区域，其他内存空间大多数时候处于闲置，而内存和CPU之间存在速度的瓶颈
14、，所以可以在内存和CPU之间设置一个高速缓冲存储器，它不需要大容量，只用来集中保存当前CPU要调用的内存中的数据，这就是Cache,一块集成在CPU中的高速缓冲存储器。,6.4.3 虚拟存储器,虚拟存储器是指存储器层次结构中主存-外存层次的存储系统，它是以主存和外存为基础，在存储器管理硬部件和操作系统中存储管理软件的支持下组成的一种存储体系。虚拟存储器看起来是借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，它以透明的方式提供给用户一个比实际内存空间大得多的地址空间。对用户来说，虚拟存储器可以理解为这样一个存储器：其速度接近于主存的速度，价格接近于辅存的价格，容量比实际主存容量大得多，它只是一个容量非常大
15、的存储器的逻辑模型，而不是任何实际的存储器。虚拟存储器的概念可以总结为：操作系统把辅存的一部分当作主存使用，我们把这种由主存和部分辅存组成的存储结构称为虚拟存储器。其作用是：扩大了程序的寻址空间；提高了软件的开发效率；可以实现利用较小容量的主存运行较大的程序。,6.5 存储技术的主流技术,随着计算机技术的飞速发展，存储技术也必须不断地改进才能适应其发展的需要，内存条的种类经历了从FPM RAM、EDO RAM、SDRAM到目前流行的DDR SDRAM、RDRAM的发展历程。 下面对各种形式的内存进行简单的介绍。,1.FPM DRAM 2.EDO DRAM 3.SDRAM 4.RDRAM 5.DDR SDRAM 6.其他类型的内存,6.5.2 存储技术的发展,近年来，CPU的性能迅速提升，内存带宽成为系统越来越大的瓶颈。目前内存的主流技术DDR受其架构的限制，其速度已经很难再有所提升。为了适应计算机技术的飞速发展，提高内存子系统的发展空间，Intel公司推出了新一代内存规范FBDIMM，Rambus公司提出了新一代内存规范XDR DRAM，下面分别予以介绍。 1.FBDIMM内存 2.XDR内存,
