存储体系fjw

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1、2,第五章 存储体系,存储体系概述,高速存储器,主存储器与CPU的连接,5.3,5.2,5.1,存储保护,高速缓冲存储器Cache,外存储器,5.7,虚拟存储器,5.6,5.5,IA32架构的存储系统举例,作业,5.9,主存储器,3,5.1 存储体系概述,一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位；字节（8bits）是数据存储的基本单位。 单元地址是内存单元的唯一标志。 存储器具有两种基本的访问操作：读和写。,4,一、存储器的分类,1、计算机存储系统中的存储器分类 （1）按存储介质分类 半导体器件：半导体存储器（RAM、ROM，用作主存） 磁性材料：磁表面存储器（磁盘、磁带，用作辅存） 光介

2、质：光盘存储器（用作辅存） （2）按存取方式分类 随机存取存储器：存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关（主存） 顺序存取存储器：存取时间和存储单元的物理位置有关 （磁盘、磁带） 相联存储器：按内容访问。,5,一、存储器的分类,1、计算机存储系统中的存储器分类 （3）按存储器的读写功能分类 只读存储器（ROM）：一般隐含指随机存取。 读写存储器（RAM）：一般隐含指随机存取。 （4）按信息的可保存性分类 永久记忆的存储器：又称非易失性存储器，在断电后还能保存信息（辅存、ROM） 非永久记忆的存储器：又称易失性存储器，在断电后信息丢失（主存中的RAM）,6,

3、一、存储器的分类,（5）按在计算机系统中的作用分类 主存储器：又称内存，为主机的一部分，用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器。 辅助存储器：又称外存，为外部设备，用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。,CPU,内存储器,外存储器,I/O指令,非IO指令,OS调度,DMA,7,一、存储器的分类,2、计算机的主存储器分类 主存的地位：在现代计算机中，主存储器处于全机的中心地位。 主存的分类：要求为随机存取、快速 随机读写存储器（RAM） 只读存储器（ROM） 掩膜式只读存储器（MROM） 可编程只读存储器(PROM) 可擦除可编程序的只读存储器(EPROM) 电可擦除的可编程

4、序的只读存储器(E2PROM) 闪存(Flash memory) ：介于EPROM和E2PROM之间的永久性存储器,8,存储器分类综述,主存储器,辅助存储器,存储器,RAM,ROM,SRAM,DRAM,磁盘,光盘,软盘,硬盘,Cache,磁带,MROM PROM EPROM E2PROM,CD-ROM WORM EOD,9,二、主存储器的性能指标,1、存储容量： 指存储器可容纳的二进制信息量，描述存储容量的单位是字节或位。 量化单位： 1K210 1M220 1G230 1T240 存储器芯片的存储容量存储单元个数每存储单元的位数,兆,千兆,太,10,二、主存储器的性能指标,2、存储速度：由以

5、下3个方法来衡量。 存取时间（Memory Access Time）：指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存取时间愈短，其性能愈好。通常存取时间用纳秒（ns109s）为单位。 存储周期（Memory Cycle Time）：指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间。 通常存取周期TC大于存取时间tA ，即TCtA。 存储器带宽：是单位时间里存储器所能存取的最大信息量，存储器带宽的计量单位通常是位/秒（bps）或字节/秒，它是衡量数据传输速率的重要技术指标。,11,二、主存储器的性能指标,3、存储器的价格：用每位的价格来衡量。 设存储器容量为S，总价格为C，则位价为C/

6、S(分/位)。 它不仅包含了存储元件的价格，还包括为该存储器操作服务的外围电路的价格。 4、可靠性：指存储器正常工作（正确存取）的性能。 5、功耗：存储器工作的耗电量。 存储容量、速度和价格的关系： 速度快的存储器往往价格较高，容量也较小。 容量、速度和价格三个指标是相互制约的。,12,三、存储器的层次结构,13,存储器的主要性能特性比较,ms（毫秒），s（微秒），ns（毫微秒） 1s=1000ms，1ms=1000 s,14,存储器的主要性能特性比较（2004年）,15,内存,16,硬盘,17,软盘,写保护,18,磁带,19,光盘驱动器,20,优盘,21,5.2 主存储器,特点： 主存储器可

7、以被CPU直接存取（访问）。 一般由半导体材质构成。 随机存取：读写任意存储单元所用时间是相同的，与单元地址无关。 与辅存相比，速度快，价格高，容量小。 对主存的操作： 读存储器操作： 送地址到AB；发读信号；从DB上接收数据到目的部件 写存储器操作： 送地址到AB，送数据到DB；发写信号；等待写操作完成,22,5.2 主存储器,主存储器按其功能可分为RAM和ROM。,23,一、随机读写存储器RAM,24,一、随机读写存储器RAM,25,1、静态存储器（SRAM）,26,（1）SRAM存储位元,“1” 状态：T1截止，T2导通 A点= H/L？ B点= H/L？ “0”状态： T2截止，T1导

8、通 A点= H/L？ B点= H/L？,六管MOS静态存储器结构,T1、T2：工作管 T3、T4：负载管 T5、T6：门控管,H,H,L,L,27,（1）SRAM存储位元,平时：X地址译码线=L；门控管T5、T6截止，D线、D线与A、B点隔离 读：X地址译码线=H；门控管T5、T6导通，D线A、D线B点 读“0”：D线=L、D线=H 读“1”：D线=H、D线=L,写：X地址译码线=H；门控管T5、T6导通，D线A、D线B点 写“0”：D线=L、D线=H 写“1”：D线=H、D线=L,（1）SRAM存储位元,28,（2）SRAM存储器,地址译码方式： 线性译码方式：n位地址线，经过一维译码后，有

9、2n根选择线。 N=12，则选择线有212=4096根 双向译码方式,29,（2）SRAM存储器,双向译码方式：n位地址分为行、列地址分别译码，有2n/2+1根选择线 N=12，则行地址6位，行选择线有26=64根；列地址6位，列选择线有26=64根；共128根。 选择线大大减少,30,2114 SRAM存储器,1K4位 行地址：6位 列地址：4位 阵列：6464,2114,A9A0,D3D0,31,S R A M的读写时序,地址有效,片选有效 读信号有效,数据输出,地址有效 数据有效,写信号有效片选有效,读操作：,写操作：,32,（3）SRAM存储器的特点,使用双稳态触发器表示0和1代码。

10、电源不掉电的情况下，信息稳定保持（静态）。 存取速度快，集成度低（容量小），价格高。 常用作高速缓冲存储器Cache。,33,2、动态存储器（DRAM）,（4）,（2）,（1）,DRAM存储位元,DRAM存储器,DRAM的刷新方式,DRAM存储器的特点,34,（1）DRAM存储位元,“1”状态：电容C上有电荷 “0”状态：电容C上无电荷,单管MOS动态存储器结构,平时：字线=L，T截止，数据线与C隔离 读：字线=H，T导通 读“0”：C上无电荷流入数据线 读“1”：C放电，电荷流入数据线（破坏性读出）,写：字线=H，T导通 写“0”：数据线=L，C若有电荷则放电 写“1”：数据线=H，对C充电

11、,再生：读出后信息可能被破坏，需要重写。 刷新：经过一段时间后，信息可能丢失，需要重写。,35,（2）DRAM存储器,4M4位的DRAM,36,DRAM的读/写过程,行地址选通信号RAS#的下降沿时送行地址，列地址选通信号CAS#的下降沿时送列地址，且必须在RAS#有效后， CAS#才能有效。,37,（3）DRAM的刷新方式,刷新操作：即是按行来执行内部的读操作。由刷新计数器产生行地址，选择当前要刷新的行，读即刷新，刷新一行所需时间即是一个存储周期。 刷新周期：从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM全部刷新一遍为止，这一段时间间隔称为刷新周期。 单元刷新间隔时间：DRAM允许的最大信息保持时间

12、；一般为2ms。 刷新行数：单个芯片的单个矩阵的行数。 对于内部包含多个存储矩阵的芯片，各个矩阵的同一行是被同时刷新的。 对于多个芯片连接构成的DRAM，DRAM控制器将选中所有芯片的同一行来进行逐行刷新。 刷新方式：集中式刷新、分散式刷新和异步式刷新。,38,集中式刷新,在2ms单元刷新间隔时间内，集中对128行刷新一遍，所需时间128500ns=64s，其余时间则用于访问操作。 在内部刷新时间（64s）内，不允许访存，这段时间被称为死时间。,例：64K1位DRAM芯片中，存储电路由4个独立的128128的存储矩阵组成。设存储器存储周期为500ns，单元刷新间隔是2ms。,39,分散式刷新,

13、在任何一个存储周期内，分为访存和刷新两个子周期。 访存时间内，供CPU和其他主设备访问。 在刷新时间内，对DRAM的某一行刷新。 系统存储周期为存储器存储周期的两倍，即500ns21s。 刷新周期缩短，为1281s 128s。 但是：在2ms的单元刷新间隔时间内，对DRAM刷新了2ms128s遍。,40,异步刷新采取折中的办法，在2ms内分散地把各行刷新一遍。 避免了分散式刷新中不必要的多次刷新，提高了整机速度；同时又解决了集中式刷新中“死区”时间过长的问题。 刷新信号的周期为2ms/128=15.625s。让刷新电路每隔15s产生一个刷新信号，刷新一行。,异步式刷新,41,（4）DRAM存储

14、器的特点,使用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示0和1代码。 电源不掉电的情况下，信息也会丢失，因此需要不断刷新。 存取速度慢，集成度高（容量大），价格低。 常用作内存条。,42,3、SRAM和DRAM的对比,43,二、只读存储器ROM,MROM PROM EPROM E2PROM Flash Memory,44,EPROM存储器 2764,EPROM存储器 2764,E2PROM 28C64,Flash Memory,45,几种非易失性存储器的比较,?,46,三、高性能的主存储器,EDRAM：增强型DRAM 芯片内集成了一小块Cache，保存最后一次读操作所在行的全部内容 刷新操作能够与C

15、ache读操作并行进行 CDRAM：带Cache的DRAM 包含的Cache比EDRAM更大，既能够作为真正的Cache使用，又可以用作支持串行存取数据块的缓冲器。 EDO RAM ：“扩展数据输出RAM” 在完成当前内存周期前即可开始下一内存周期操作，所以在大量存取操作时，可以大大地缩短存取时间 SDRAM ：“同步DRAM” SDRAM与CPU之间的数据传送是同步的，在系统时钟控制下，CPU送地址和控制信号到SDRAM后，在经过固定数量的时钟周期后，SDRAM完成读或写操作，CPU不必等待。,47,三、高性能的主存储器,RDRAM (Rambus DRAM） 采用垂直封装，所有引脚都在一边，使得存储器的装配非常紧凑。 它与CPU之间传送数据是通过专用的RDRAM高速总线进行的，总线最多能寻址320块RDRAM芯片，传输率可达到500Mb/s DDR SDRAM（双倍速率SDRAM），简称DDR。 能在时钟触发沿的上、下沿进行数据传输 DDR1支持预取2位，DDR2支持预取4位 制造成本比SDRAM略高一些，远小于Rambus的价格,48,SDRAM、DDR1-400和DDR2-533三者比较,49,作业,P224：1，2，3，5，6，7，13,50,The End !,