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1、第3章 内部存储器,一个没有记忆的人是无法独立生存的。在计算机中，“存储程序”控制原理的实现，主要得益于计算机的存储系统。由此可见，存储系统在计算机系统中占据着重要地位。 早期的冯诺伊曼型计算机以运算器为中心。随着计算机应用的日益普及和深入，以及外部设备的快速发展，内存与外存及其他外部设备之间的信息交换日益频繁，由此形成了以存储器为中心的计算机系统结构。存储系统的特性也渐渐成为影响整个计算机系统性能的决定性因素。 与计算机中的其他部件一样，一种部件的性能不仅取决于它的物理性能本身，还取决于操作系统中的其他相应模块与其配合，从而使其充分发挥应有的水平，这一点在存储系统中尤为明显。 本章要点 3.
2、1 综述 3.2 典型的内存储器 3.3 微机的存储管理 3.4 高速缓冲存储器Cache 3.5 内存的封装形式 3.6 实例：常见内存解析（SDRAM、DDR、RDRAM） 习题,本章逻辑结构,3.1 综述 3.1.1 存储系统概念 3.1.2 存储系统的性能指标 3.1.3 存储器的体系结构 3.2 典型的内存储器 3.2.1 存储器的分类 3.2.2 随机存储器（RAM） 3.2.3 只读存储器（ROM）,本章逻辑结构,3.3 微机的存储管理 3.3.1 扩展存储器及其管理 3.3.2 DOSWindows环境下的内存管理 3.4 高速缓冲存储器Cache 3.4.1 Cache的原理
3、与结构 3.4.2 Cache与DRAM的一致性 3.4.3 Cache的分级体系结构 3.4.4 微机中的Cache替换技术,本章逻辑结构,3.5 内存的封装形式 3.5.1 内存条的主要标准 3.5.2 内存条的选用 3.6 实例：常见内存解析（SDRAM、DDR、RDRAM） 3.6.1 常见内存及其型号 3.6.2 内存的测试 习题,3.1 综述,3.1.1 存储系统概念 存储系统与存储器是两个不同的概念。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可以存储一个二进制代码0或1。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器
4、。 存储器是计算机系统中的一种具有记忆功能的部件，用来存放程序和数据等信息。存储器大致可分为内存储器和外存储器。内存储器简称内存，也可称为主存，通常存放当前正在使用、或经常被使用的程序和数据；磁盘、磁带、光盘及其他类型的存储器等统称外存，存放当前不处于活动状态的程序和数据。在程序执行过程中，CPU（中央处理器）直接从内存储器中取得程序指令，按指令控制计算机的执行，对内存中的数据进行处理，或由CPU控制将内存中的数据输出，而运算结果在程序结束前必须全部写入内存中。外存一般不直接被CPU访问，外存中的程序、数据只有调入内存中才能被CPU提取执行。其它输入输出设备也直接与内存交换数据。,3.1 综述
5、,内存和外存的构成材料、工作方式各不相同，但并不能说因此就构成了存储系统。所谓存储系统，是由两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器以总线相连，用软件、硬件或二者相结合的方法连接起来成为一个系统。对程序员来说，它是一个由不同存储器组成的存储器整体，这个存储器的速度接近于其中速度最快的那个存储器，存储容量与其中存储容量最大的那个存储器相等或接近，单位容量的价格接近于最便宜的那个存储器。对于一个计算机系统来说，存储系统性能的优劣，关系到整个计算机系统的优劣。,3.1 综述,现代微机通常具有两种存储系统，一种是由Cache和主存储器构成的Cache存储系统；另一种是由主存储器和磁盘构成的虚拟存
6、储系统。前者的主要作用是提高存储器的速度，后者的主要作用是增加存储器的容量。 Cache存储系统的容量、价格主要由主存储器决定，而存取速度与Cache接近。由于Cache存储系统全部由硬件实现，所以程序员通常感觉不到它的存在，且只需要对主存储器编址访问（因不对Cache进行编址）。 虚拟存储系统在操作系统的支持下，将主存和外存统一编址，用软、硬件结合的方法进行管理。该类存储系统的存储容量接近外存，价格接近磁盘存储器，而存取速度接近主存储器。 本章主要讨论与内存储器部件，包括存储器的类型、结构、性能等相关的内容。,3.1 综述,3.1.2 存储系统的性能指标 总体上说，存储系统中每一种存储器的性
7、能都可以用以下四种指标来衡量，这里主要以内存为例来进行说明。 1存储容量 存储容量是指一个功能完备的存储体能汇集的最大二进制信息量，它衡量的是计算机存储信息的能力。早期存储器资料中会看到bit（二进制位）这样的单位，现在最小存储器容量单位常用字节B（Byte），每字节为8位二进制数。 目前，主存容量急剧增加，个人计算机的主存已从几千字节增加至几兆、几十兆到几百兆字节。但由于成本所限，还是不能满足程序和数据存储、运行的需求。因此，常把当前用到的或经常要用到的部分数据放到主存中，把其他暂时不用或不常用的部分放在外存中，当需要时再将其从外存调入内存。此项工作由操作系统的存储分配管理模块帮助程序员实现
8、。,3.1 综述,2存取速度 与存取速度相关的指标一般有存取时间、存取周期和存储器带宽等几个因素。信息存入存储器的操作叫写操作，从存储器取出信息的操作叫读操作，读、写操作统称作“访问”。从存储器接收到读（或写）申请命令到完成该操作所需的时间称为存储器访问时间（memory access time）或存取时间，用TA表示。 存储器的存取时间取决于存储介质的物理特性和访问机构的类型，它也决定了CPU进行一次读写操作所必须等待的时间：CPU进行读写操作的时间必须大于存储器芯片的额定存取时间，如果不能满足这一点，计算机无法正常工作。目前大多数计算机存储器的存储时间在纳秒（ns）级，1ns10-9秒。其
9、中主存储器的存取时间通常在微秒（s）级，1s10-6秒，Cache的存取时间在纳秒（ns）级。 一台计算机的主存访问时间基本上是固定的，不受被访问单元在主存中所处位置的影响。但磁带、磁盘一类存储器的存取速度既包含了读写操作的时间，也要反映磁盘、磁带转动和寻找信息存储位置的机械运动时间。由于每次寻找的时间不相同，所以取它们的平均值，称作“平均存取时间”。磁盘的平均存取时间在毫秒（ms）级，1ms10-3秒,3.1 综述,另一个与存取速度有关的指标是“存取周期”（memory cycle time），用TC表示。“存取周期”指示存储器连续进行访问操作过程中一次完整的存取操作所需的全部时间。存取周期
10、往往比存取时间要大，即TCTA。这是因为有的存储器读出操作是破坏性的，如动态RAM存储器。在每次动态RAM存储器进行读操作时，原存信息会被破坏，必须将读出信息立刻重新写回原来的存储单元加以恢复，然后才能进行下一次读写操作。所以存取周期TC等于读取时间与写入时间之和。即使是非破坏性读出的存储器，读出后也不能立即进行下一次读写操作，因为存储介质与有关控制线路都需要有一段稳定恢复的短暂时间，所以“存取周期的全部时间”指的是存储器能进行连续访问所允许的最小时间间隔。TC常被标记在内存芯片上，例如标记“7”，“15”，“45”，分别表示7ns，15ns，45ns等，这个数值越小，表明内存芯片的存取速度越
11、快，同时价格也越高。 单位时间内存储器可进行读写的字节数（或二进制的位数）称为存储器的带宽，记作Bm。带宽除了与存储周期有关外，还与存储器一次可读写的二进制位数有关。带宽反映的是存储器的数据吞吐量，常称为存储器的数据传输速率。设存储器传送的数据宽度有W位（一般情况下W与存储器字长一致），则有位秒（有时也会用字节秒来描述）。,3.1 综述,3价格 价格是衡量经济性能的重要指标，性能价格比高的存储器才能被设计者和用户普遍接受。因为各种机型的存储器类型和容量等差别很大，所以通常以每位成本，即折合到每一位的存储器造价来描述存储器的经济性。设C是具有S位存储容量的存储器总价格，则每位价格P。总价格C与存
12、储器容量成正比，还与存取时间或存取周期成反比：C。所以P不仅是每一位存取位的价格，也反映了存储元件的访问速度、读写控制线路等性能。 4可靠性 计算机要正确运行，必然要求存储器系统具有高可靠性。存储器的可靠性是在规定时间内存储器无故障工作的情况，一般用平均无故障间隔时间衡量。存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。目前所用的半导体存储器芯片的平均无故障间隔时间（MTBF）约为51061108小时。 大容量、高速度的存储系统，不仅取决于组成存储器元器件的速度和价格等因素，改进存储系统的结构也能大大提高存储器系统的性能。,3.1 综述,3.1.3 存储器的体系结构 1存储器的分级结构 早期的计算机系统
13、中，CPU对存储器（内存）的存取访问速度较低，基本可以满足CPU与存储器在速度上的匹配。随着微电子技术和处理器体系结构的快速发展，CPU运行速度有了极大的提高，在合理的成本与足够的存储容量的前提下，CPU的速度大约比存储器快了一个数量级。由于CPU不能及时得到存储器供给的数据而难以发挥其高速的性能优势，存储器的速度逐渐成为制约计算机系统整体速度提高的重要瓶颈。一个计算机系统中，理想的存储器应当具有充足的容量、与CPU相匹配的速度和相对低廉的价格，但实际的存储器都是非理想化的，目前可用的存储器，速度快的容量小、价格高，容量大的价格低，但速度过慢。事实上，容量、速度和价格这三个基本指标常常是矛盾的
14、。图3.1是不同存储器的价格、容量和速度之间的关系。其中，SRAM和DRAM是内存的两种主要形态，分别称作静态随机存储器和动态随机存储器。,3.1 综述,a.存储器价格速度关系图,图3.1 存储器价格、容量和速度关系图,b.存储器容量速度关系图,3.1 综述,依赖单一的存储部件或技术是难以解决现存问题的。为了在容量、速度和价格之间进行折衷和平衡，实际的存储系统往往采用多级存储器体系结构，即将速度、容量和价格不同的存储器组合在一起，用硬件、软件以及软硬结合的方法，利用程序访问的局部性原理，将经常使用的数据放在速度快的存储器中，形成一个速度上接近最快，容量上接近最大，价格上接近最低廉的存储器的存储
15、系统，以解决CPU与存储器之间速度差异的问题。典型的存储系统有高速缓存（Cache）存储系统和虚拟存储器（Virtual Memory）存储系统。图3.2是典型的存储系统分级结构示意图。,3.1 综述,图3.2 存储系统的层次结构,3.1 综述,在这种存储系统层次结构中，当运算直接在CPU芯片中的通用寄存器（还包括指令和数据缓冲栈）中进行时，由于CPU不与主存进行数据交换，速度最快。但寄存器数量有限，如一般Pentium CPU中有8个32位通用寄存器，不能满足数据存储需求。 上层的高速缓存（Cache）本身可以是一个多层次的结构。它的容量最小，成本最高，但存储速度最快，能够达到ns级，可以与
16、CPU的速度相匹配。目前，有些CPU直接在片内设置高速缓存，容量一般在32128KB，可以认为是一级缓存，能够在一个时钟周期内完成对它的访问。为了满足容量需求，还要增设二级缓存（有时还有三级），通常由SRAM芯片构成，容量从12864MB不等，速度逐级降低。大多数高速缓存对程序员来说是透明的。 主存储器通常由DRAM芯片构成，常被组织成多体交叉的存储模块，以便能够以高速的流水线方式或并行方式同时访问多个存储单元。多个多体交叉存储模块可以一起构成存储器群，这样不仅增加了存储器带宽，更提高了容错能力。主存储器容量通常为几十几百兆甚至吉字节。主存储器通常用于保存当前正被CPU使用的现行程序、必要的操作系统或经常被CPU使用的或实时性要求很高的程序。,3.1 综述,从图中可以看出，当取指令部件完成第一条指令的取操作后，就将该指令交给译码部件进行译码，此时取指令部件开始读取第二条指令。当取指部件完成第二条指令的取指操作时，译码部件也已完成第一条指令的译码，此时由取操作数部件进行第一条指令的取操作数操作，而
