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1、计算机组成原理,大连理工大学 软件学院赖晓晨,第四章 存储器,概述主存储器高速缓冲存储器辅助存储器,4.1 概述,存储器的地位不断上升1、存储器的运行速度对计算机运行速度有很大影响。2、DMA方式提高了存储器的地位。3、存储器是多处理机系统信息交换的重要渠道。,一、存储器分类,1、按存储介质分类半导体存储器：TTL、MOS体积小、功耗低、存取时间短、易失性。磁表面存储器：磁盘、磁带、磁鼓磁芯存储器：硬磁材料的环状元件光盘存储器：激光、磁光,易失,2、按数据保存方式分类,随机存储器（Random Access Memory）易失性静态随机存储器、动态随机存储器只读存储器（Read Only Me
2、mory）非易失性掩膜型只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）,2、按数据保存方式分类,随机存储器（Random Access Memory）易失性静态随机存储器、动态随机存储器只读存储器（Read Only Memory）非易失性掩膜型只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）,可擦除可编程只读存储器,紫外线接收窗,2、按数据保存方式分
3、类,随机存储器（Random Access Memory）易失性静态随机存储器、动态随机存储器只读存储器（Read Only Memory）非易失性掩膜型只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）,Flash存储器,关于闪存,Flash-ROM已经成为了目前最成功、最流行的一种固态内存，与EEPROM 相比具有读写速度快，而与RAM相比具有非易失、以及价廉等优势。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术芯片内执行（XIP，eXecute In Place
4、），不必再把代码读到系统RAM中。NOR flash读速度较快，写入和擦除速度较慢。1989年东芝公司发表了NAND flash 技术NAND 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，这也是为何所有的U盘都使用NAND闪存做为存储介质的原因。应用NAND的困难在于闪存和需要特殊的系统接口。接口复杂。,3、按数据存取方式分类,直接访问：访问时间不随访问位置而变化。内存串行访问：访问时间随访问位置而变化。磁带（顺序访问）部分串行访问：介于上述二者之间磁盘,4、按在计算机中的作用,主存储器辅助存储器高速缓冲存储器,4、按在计算机中的作用,主存储器辅助存储器高速缓冲存
5、储器,为什么要采取金字塔型层次结构呢？,4、按在计算机中的作用,主存储器辅助存储器高速缓冲存储器,其他能够存储数据的位置：寄存器、控制存储器、硬盘高速缓存,磁盘、磁带、光盘,高速缓冲存储器（Cache）,Flash Memory,存储器,主存储器,辅助存储器,4.1,存储器分类总结,二、存储器的层次结构,1、存储器各层位置及特点,二、存储器的层次结构,1、存储器各层位置及特点,高,小,快,二、存储器的层次结构,1、存储器各层位置及特点,高,小,快,目标：高速度、大容量、低成本。具体来说：接近高速缓存的速度、接近辅存的容量、接近辅存的平均每位成本。,2、两个主要层次,缓存主存层次主要解决速度匹配
6、和成本问题主存辅存层次主要解决速度、容量、成本问题,地址空间,虚地址（逻辑地址）：程序员编程时采用的地址（相对地址），地址空间大于实际主存。实地址（物理地址）：主存的实际地址,虚地址,实地址,硬件：MMU,软件：OS,地址空间,虚地址（逻辑地址）：程序员编程时采用的地址（相对地址），地址空间大于实际主存。实地址（物理地址）：主存的实际地址,虚地址,实地址,硬件：MMU,软件：OS,20 MOV AX, #421 MOV BX, #222 MOV CX, #623 JMP 2624 AND AX, #2325 AND BX, #2226 MOV DX, #327 SUB DX, AX,硬件：MM
7、U,软件：OS,逻辑地址,物理地址,4.2 主存储器,一、概述1、主存的基本结构,MAR,MDR,CPU,主存存储器,AB,DB,CB,Read,ready,读操作,2、主存和CPU的联系,主存存储器,CPU,主存存储器,MAR,MDR,CPU,主存存储器,AB,DB,CB,Write,ready,写操作,2、主存和CPU的联系,CPU,主存存储器,主存存储器,CPU,MAR,MDR,CPU,主存存储器,AB,DB,CB,Write,ready,写操作,2、主存和CPU的联系,MDR、MAR实际在CPU内部。,3、主存单元地址,设地址线 24 根,按 字节 寻址,按 字 寻址,若字长为 16
8、位,按 字 寻址,若字长为 32 位,224 = 16 M,8 M,4 M,通常计算机可按字节寻址，也可按字寻址,数据存储模式：大端vs小端,小端存储方式,21,43,65,87,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,24H,0x87654321,数据的低位存储于内存地址的低位,读取小端数据,32位系统，入口参数为字符指针,int readint_little(char *data) int a0,a1,a2,a3; a0 = *(data+); a1 = *(data+); a2 = *(data+); a3 = *(data+); return a0 | (a18) |
9、(a216) | (a324);,21,43,65,87,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,0x87654321,数据存储模式：大端vs小端,大端存储方式,87,65,43,21,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,24H,0x87654321,数据的低位存储于内存地址的高位,读取大端数据,32位系统，入口参数为字符指针,0x87654321,int readint_big(char *data) int a0,a1,a2,a3; a0 = *(data+); a1 = *(data+); a2 = *(data+); a3 = *(data+); r
10、eturn (a08) | a1)8) | a2)8) | a3;,87,65,43,21,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,问题：,如何用程序判断一个机器是大端还是小端类型？,解法1,int main() int a=0x44434241; int* pa=&a; printf(%cn, *(char*)pa); return 0;,解法2,union test int a; char c;int main() union test t=0x41424344; printf(%cn, t.c); return 0;,4、主存的技术指标,存储容量：主存能存放的二进制数的总
11、位数存储器容量存储单元个数存储字长存储速度：存取时间：启动一次存储器操作到完成操作的时间。也叫做访问时间。分为读出时间和写入时间。存取周期：进行两次连续存储器操作间的最小间隔。MOS型为100ns，TTL型为10ns。存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息量（字节/秒、字/秒、位/秒）。,4、主存的技术指标,存储容量：主存能存放的二进制数的总位数存储器容量存储单元个数存储字长存储速度：存取时间：启动一次存储器操作到完成操作的时间。也叫做访问时间。分为读出时间和写入时间。存取周期：进行两次连续存储器操作间的最小间隔。MOS型为100ns，TTL型为10ns。存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息
12、量（字节/秒、字/秒、位/秒）。,如存取周期是500ns每个存取周期可访问16位则带宽是32M位/秒,片选线,读/写控制线,（低电平写 高电平读）,（允许读）,（允许写）,二、半导体存储芯片简介,1、半导体存储芯片的基本结构,片选线,读/写控制线,（低电平写 高电平读）,（允许读）,（允许写）,二、半导体存储芯片简介,1、半导体存储芯片的基本结构,地址线（单向） 数据线（双向） 存储容量 10 4 1K4位 14 1 16K1位 13 8 8K8位,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,32片分4组，由片选信号决定哪一组工作。,存储芯片片选的作用,用 16K 1位 的存储芯
13、片组成 64K 8位 的存储器,24译码器,A15 A14,A0A13,存储芯片片选的作用,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,24译码器,A15 A14,A0A13,0 0,存储芯片片选的作用,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,24译码器,A15 A14,A0A13,0 1,存储芯片片选的作用,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,24译码器,A15 A14,A0A13,1 0,存储芯片片选的作用,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,24译码器,A15 A14,A0A13,1 1,存储芯片片选的作用,2、半导体芯片的译码驱动,线选法重合法,描述 如何由地址信息选中某存储单元,线选法,线选法,用一根字选择线直接选中存储单元的各位（如一个字节）。,0,0,重合法,重合法,被选中单元由X、Y两个方向决定,重合法,重合法有什么好处呢？,重合法,能够大量减少地址译码线数目，简化芯片设计。,三、随机存储器（RAM）,静态随机存储器（SRAM）基本单元电路（一个二进制存储位）举例读写时序动态随机存储器（DRAM）基本单元电路（一个二进制存储位）举例读写时序刷新静态随机存储器和动态随机存储器比较,MOS管工作在开关状态：饱和导通 & 截止,预备知识,开关电路,NMOS反相器,
