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1、第6章 存储器系统,内容提要：内存和外存的基本概念，半导体存储器的分类：随机存储器RAM，只读存储器ROM，存储器扩展及其与CPU的连接，半导体读/写存储器，高速缓冲存储器Cache，虚拟存储器。 学习要求：通过本章的学习，要求掌握存储器芯片的类型和各主要存储器芯片的工作原理；常握扩展存储器容量的技术，能够用给定的存储器芯片按要求设计主存，从而深刻理解存储器的构成原理；掌握cache和虚拟存储器的构成原理，能够分析cache和虚拟存储器的命中情况。通过对命中情况的分析，对cache和虚拟存储器的工作原理有深入的理解。本章的难点是存储器芯片的原理和工作时序，主存的容量扩展技术、cache和虚拟存
2、储器的分析。,返回主目录,本章目录 6.1半导体存储器概述 6.2半导体读/写存储器 6.3 只读存储器ROM 6.4存储器扩展及其与CPU的连接 6.5高速缓冲存储器Cache 6.6虚拟存储器 小结,第6章 存储器系统,存储器是组成计算机的5大部件之一，计算机的工作依赖于存储器中的程序和数据。在计算机中，采用什么样的存储介质、怎样组织存储器系统以及怎样控制存储器的操作是计算机存储器设计的基本问题。在计算机系统中，存储器的容量和性能对于整个系统的性能至关重要。计算机要对数据和信息自动快速地进行运算和处理，就必须把指令、数据和计算的中间结果存放在计算机内部。存储器就是计算机内部这种具有记忆功能
3、的部件。存储器中存放的程序与数据要不断地传送到运算器与控制器中去，处理结果又要不断存回存储器中。因此，存储器的性能会对整个计算机系统的性能产生影响。,6.1半导体存储器概述,对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但是一个存储器往往很难同时兼顾到这3点。为了解决这个矛盾，目前计算机中常采用3级存储器结构，即高速缓冲存储器、主存储器和外存储器，从而构成统一的存储系统。从整体看，速度接近于高速缓冲存储器的速度；容量接近于辅存的容量；每位平均价格接近于慢速辅存的价格。,所谓存储器是用以存储二进制信息的器件，它是计算机系统中的记忆部件，用来存放数据和程序。存储器中最基本的存储电路可以存储一位二进制信息
4、，称为位或bit（比特），用b表示，它有0和1两种状态。基本存储电路由具有两种稳定状态的元件组成，比如一个磁芯或一个半导体触发器。通常把8个bit组合起来使用，称为字节（Byte），用B表示。字节是存储器基本的存取单位。,6.1.1存储器概述,为了便于CPU存储信息，每一个字节用一组二进制代码进行编号，这一组二进制代码称为地址。地址的位数越多，可以表示的不同字节数越多，可寻址的地址空间就越大。16b地址可表示64KB（0FFFFH）的地址空间，20b地址可表示1MB（0FFFFFH）的地址空间。由于8086是16b微处理器，它每次访问存储器可以读写1个字节，也可以同时读写2个字节，这连续的两个
5、字节称为字（Word）。存储单元的地址和它的内容之间没有直接关系，即地址和内容是两件事，不要混淆。地址规定了存储单元的位置，在这个位置内部的信息是数据，它可能是指今操作码，可能是CPU要处理的数据，也可能是指今要寻找的数据的地址等。 在微机中存储器常分为内存储器和外存储器，计算机信息按高速缓存主存储器外存储器的三级存储系统来存放。具体分类如图6-1所示。,图6-1 分级存储示意图,1、内存储器,用于存放CPU当时正要处理的程序和数据，要求其存取速度应和CPU的处理速度相匹配，但存储容量可相对小一些。目前微机中通常采用半导体存储器。 (1)CPU寄存器 片内存储单元，速度快、容量小。 (2)高速
6、缓冲存储器（Cache） 通常位于主存和CPU之间，存放当前要执行的程序和数据，以便向CPU高速提供马上要执行和使用的指令和数据。 (3)主板Cache 为解决主存与CPU的速度匹配而增设。 (4)主存储器 主存储器用来存放计算机运行期间正在执行的程序和数据。CPU的指令系统能直接读写主存中的存储单元，主存是主机内部的存储器，故又称之为内存。,外存储器也称辅助存储器或后缓存储器。它用来存放程序，数据文件等大量信息。外存设在主机外部，容量极大而速度较低。CPU不能直接访问它，必须通过专门的程序把所需的信息与主存储器进行成批的交换，调入主存储器后，才能使用。磁带、磁盘（软盘、硬盘）和光盘等者是常用
7、的外存储器，属于外部设备的范畴。 本章着重介绍半导体存储器。,2、外存储器,根据存储价质及使用方法的不同，存储器有不同的分类方法。,6.1.2半导体存储器的分类,用来存储信息的物质称为存储介质。根据目前常用的存储介质可以把存储器分为磁芯存储器、半导体存储器（内存储器）、磁表面存储器和光存储器4种。,1、按存储介质分类,磁芯存储器采用具有矩形磁滞回线的铁氧体磁性材料，利用两种不同的剩磁状态表示“1”或“0”。一颗磁芯存放一个二进制位，成千上万颗磁芯组成磁芯体。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失;但磁芯存储器的读出是破坏性读出，即不论磁芯原存的内容为“0”还是“1”，读出之后磁芯
8、的内容一律变为“0”，因此需要再重写一次，这就额外地增加了操作时间。从20世纪50年代开始，磁芯存储器曾一度成为主存的主要存储介质，但因磁芯存储器容量小、速度慢、体积大、可靠性低，从20世纪70年代开始，已被半导体存储器取代。,用半导体元件组成的存储器称为半导体存储器，主要有MOS型存储器和双极型（TTL电路或ECL电路）存储器两大类。MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜、存取速度较慢等特点；双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点。半导体RAM存储的信息会因为断电而丢失。 用磁性材料组成的存储器称为磁存储器，主要包括磁盘存储器和磁带存储器，由于是将材料涂在金属
9、塑料表面而制成的，一般也称为磁表面存储器，辅存一般是磁表面存储器，它容量大、价格低，存取速度慢，如软盘，硬盘等。 用光学原理制成的存储器称为光存储器，如正在发展的各种不同规格的光盘存储器，一般分为只读式、一次写入式、可读写式三种，它们的存储容量都很大，是目前使用非常广泛的辅助存储器。,按存储器不同的工作方式可以将存储器分为随机存取存储器（Random Access Memory,RAM） 、只读存储器(Read Only Memory,ROM)、顺序存取存储器(Sequential Access Memory,SAM)、直接存取存储器(Direct Abccess Memory，DAM)。,2
10、、按存取方法分,RAM 若存储器中任何存储单元的内容都能被随机存入或读取，CPU对任何一个存储单元的写入和读出时间是一样的，即存取时间相同，与其所处的物理位置无关，则称为随机存取存储器（RAM），即存储时间相同如半导体存储器。其特点是存取速度快，读写方便，容易与CPU的速度相匹配，一般用于计算机的内存。RAM又可进一步分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。静态存储器的内容，在不停电的情况下能长时间保留不变；动态存储器的内容隔一定时间后（如若干ms）会自动消失，在消失前要根据原内容重新写入一遍，称为再生或刷新，所以使用静态存储器比较方便、简单，而且速度比较快，但静态存储器的容量小、
11、价格贵，因此大容量的RAM常常是DRAM。,ROM ROM可以看做RAM的一种特殊形式，其特点：存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用放那些不需要改变的信息。由于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM除了存放某些系统程序（如BIOS程序）外，还用来存放专用的子程序，或用作函数发生器、字符发生器及微程序控制器中的控制存储器。只读存储器中又有掩模ROM（MROM）、可编程ROM（Programmable Read-Only Memory,简称PROM）和可擦除的可编程ROM（Erasable Programmable Read-On
12、ly Memory,简称EPROM）和Flash ROM几种不同类型。掩模ROM中的数据在制作时已经确定，无法更改。PROM中的数据可以由用户根据自己的需要写入，但一经写入以后就不能再修改了。EPROM里的数据则不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有更大的使用灵活性。,ROM的种类： 1）掩膜ROM； 2）可编程的只读存储器PROM； 3）可擦除的EPROM； 4）电擦除的E2PROM； 5）快速擦写存储器Flash Memory 又称快闪存储器。,SAM 若存储器只能按某种顺序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关，则称为顺序存储器SAM。SAM的存取方式与前两种完全
13、不同。SAM的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，所以SAM只能用平均存取时间作为衡量存取速度的指标。磁带存储器及只读光盘存储器CD-ROM都是典型的顺序存储器。其特点是存储容量大，存取速度慢，但每字节成本较低，一般用作计算机的外存。,DAM DAM即不像RAM那样能随机地访问任一个存储单元，也不像SAM那样完全按顺序存取，而是介于两者之间。当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道）;第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读/写操作。这种存储器的存取时间也是与信息所在的物理位置有关，但比SAM的存取时间要短。
14、磁盘机就属于这类存储器。 由于SAM和DAM的存取时间都与存储体的物理位置有关，所以又可以把他们统称为串行访问存储器。,按存储器所处的位置及功能可以将其分为与CPU紧密相联的高速缓冲存储器、主存（内存）和辅存（外存）3类。 高速缓冲存储器（cache）位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能高速地使用它们。高速缓冲存储器的存取速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容量较小，价格较高。目前的高档微机通常将它们或它们的一部分制作在CPU芯片中。,3、按所处位置及功能分类,主存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。主存具有一定容量，存取速
15、度较高。由于CPU要频繁地访存，所以主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能。早期的内存通常由磁性存储器-磁芯充当，随着半导体和集成电路技术的发展，目前是由半导体存储器充当计算机的内存，其容量在几十MB至几百MB之间。如此容量的内存仍不能满足存放日益丰富的计算机程序和数据的需要，因此将大量处于不运行状态的程序和数据放置在内存之外，以节省内存空间。,辅助存储器又称为外存储器或后援存储器，CPU不能直接访问的那些用来存放暂时不用的程序和数据的存储器称为计算机的外存。它用来存放当前参与运行的程序和数据以及一些需要永久性保存的信息。辅存设在主机外部，容量极大且成本很低，但存取速度较低，而且CP
16、U不能直接访问它。辅存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，CPU才能使用。一般是由容量大，速度较慢，价格低的磁表面存储器和光存储器等充当。,根据信息的可保存性可以将存储器分为永久性的和非永久性的。磁表面存储器是永久性的；半导体RAM存储器是非永久性的，其信息断电后会丢失。,4、按信息的可保存性分类,根据在计算机中的作用存储器可以分为主存储器、辅助存储器、高速缓存和控制存储器等。,5、按存储器在计算机中的作用分类,位是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位。一个二进制数由若干位组成,当这个二进制数作为一个整体存入或取出时,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，为了区别存储体中的各个存储单元，必须将它们一一编号。存储单元的编号称为地址，地址和存储单元之间有一对一的对应关系，就像一座大楼的每个房间都有房间号一样。 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存储字节；
