《计算机硬件技术基础 第2版 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 耿增民 孙思云 第3章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机硬件技术基础 第2版 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 耿增民 孙思云 第3章（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 内部存储器,存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。 有了存储器，计算机才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。 本章要点 3.1 存储系统的基本概念 3.2 典型的内部存储器 3.3 微型计算机的存储调度管理 3.4 高速缓冲存储器 3.5 常见的微机内存 3.6 内存性能测试程序 习题,本章逻辑结构,3.1 内部存储器概述 3.1.1 存储系统的基本概念 3.
2、1.2 存储器的分类 3.1.3 存储系统的性能指标 3.1.4 存储器的体系结构 3.2 典型的内存储器 3.2.1 随机存储器RAM 3.2.2 只读存储器ROM 3.2.3 非易失读写存储器,本章逻辑结构,3.3 微型计算机的存储调度管理 3.3.1 扩展存储器及其管理 3.3.2 DOS/Windows环境下的内存管理 3.4 高速缓冲存储器 3.4.1 高速缓冲存储器的原理与结构 3.4.2 Cache的分级体系结构,本章逻辑结构,3.5 常见的微机内存 3.5.1 内存条的主要标准 3.5.2 内存条的选用 3.5.3 常见内存及其型号 3.6 内存性能测试程序 习题,3.1 内部
3、存储器概述,3.1.1 存储系统概念 计算机的存储器可以分为内部存储器和外部存储器。内部存储器简称内存，也可称为主存，它位于主机内部，它包括主存储器和高速缓冲存储器，通常存放正在使用或经常被使用的程序和数据。内存储器由半导体芯片组成，依赖于电来维持信息的保存状态，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作。外存储器即辅助存储器，简称外存，通常是磁性介质（软盘、硬盘、磁带）或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于电来维持信息的保存状态。外存一般存放当前不处于活动状态的程序和数据。CPU对外存进行的存/取操作，必须通过内存才能进行。 存储器和存储系统是两个概念，存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种
4、存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。存储器系统其实是一个由不同存储器组成的存储器整体。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 内部存储器概述,现代微型计算机通常具有两种存储系统，一种是Cache存储系统，由主存储器和高速缓冲存储器构成，主要作用是提高存储器的速度，Cache存储系统速度接近Cache，容量接近存储器，每单位的价格跟存储器相近，这个存储系统全部用硬件来调度，因此，它不仅对应用程序员是透明的，而且对系统程序员也是透明的。另一种是虚拟存储系统，由主存储器和磁盘存储器构成，主要作用是增加存储器的容量。虚拟存
5、储系统采用硬件与软件相结合的方法来调度。由于虚拟存储系统需要通过操作系统的存储管理系统来调度，因此，对系统程序员来说它是不透明的，但对于在操作系统之上编程的应用程序员来说是透明的。虚拟存储系统的访问速度与主存储器很接近，存储容量是一个很大的虚拟地址空间，许多计算机的虚拟地址空间为4GB，这个空间的大小比主存储器的实际存储容量要大得多，整个存储系统的每位的价格仍然接近于磁盘存储器。,3.1 内部存储器概述,3.1.2 存储器的分类 1按存储介质分类 （1）半导体存储器 （2）磁表面存储器 （3）光存储器 2按CPU的访问关系分类 （1）高速缓冲存储器（Cache） （2）内部存储器（Intern
6、al Memory） （3）外部存储器（External Memory） 3按存取方式分类 （1）随机访问存储器（Random Access Memory，RAM） （2）只读存储器（Read Only Memory，ROM） （3）顺序存储器（Serial Access Memory，SAM） （4）直接访问存储器（Direct Access Memory，DAM）,3.1 内部存储器概述,3.1.3 存储系统的性能指标 一般来说，衡量存储系统中每一种存储器的性能有以下4种指标。 1存储容量 存储容量是指存储器中可以容纳的存储单元总数。存储单元可分为字存储单元和字节存储单元。字存储单元是指一
7、个机器字（bit，一个二进制位）的存储单元，相应的单元地址称为字地址；而字节存储单元，是指存放一个字节B（Byte）的单元，每字节为8位二进制数，相应的地址称为字节地址，如存储容量为16KB，则表示能存储1610248个二进制代码。可编址的最小单位是字存储单元的计算机称为按字编址的计算机；可编址的最小单位是字节存储单元的计算机称为按字节编址的计算机。现在大多数计算机采用字节为单位。在按字节寻址的计算机中，存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定。,3.1 内部存储器概述,2存取时间 存取时间又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。具体地说，存取时间从存储器收到有效地
8、址开始，经过译码、驱动，直到将被访问的存储单元的内容读出或写入为止，用TA表示。 存储器的存取时间和存储介质的物理特性和访问机构的类型有关系，它也决定了CPU进行一次读写操作所必须等待的时间，目前大多数计算机存储器的存储时间在纳秒（ns）级，1ns10-9s。其中主存储器的存取时间通常在微秒（s）级，1s10-6s，Cache的存取时间在纳秒级。,3.1 内部存储器概述,3存取周期 存储周期（Memory Cycle Time）又称访内周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，用TC表示。它是衡量主存储器工作性能的重要指标。存储周期时间越短，速度就越快，也就标志着内存的性能越高
9、。 存储周期的倒数，称为存储速度。它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒。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快，同时价格也越高。 4存储器带宽 内存储器每秒钟访问二进制位的数目称为存储器带宽，用Bm表示。它标明了一个存储器在单位时间内处理信息的能力。例如，总线宽度为32位，存储周期为250ns则 存储器带宽=32b/250ns=32*109b/250ns=128Mbps=32MBps,3.1 内部存储器概述,5性能价格比 性能与价格的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合
10、性指标。这项指标与存储器的结构和外围电路以及用途、要求、使用场所等诸多因素有关。性能是前述四项性能的综合，价格是存储器的总价格。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。 4可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障工作的时间。通常用平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）来衡量。MTBF越长，说明存储器的可靠性越高。 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。,3.1 内部存储器概述,3.1.4 存储器的
11、体系结构 1存储器的分级结构 计算机系统中CPU的运算速度要比存储器快很多，由于速度的不匹配，CPU在运行过程中会等待存储器供给数据从而导致其高速的性能优势难以发挥，由此看出，存储器的运算速度对计算机系统整体速度提高形成了制约。 于存储器和CPU速度的差异，为了能达到相对的平衡，发挥计算机系统的最大性能，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，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系统，以解决CPU与存储器之间速度差异的问题。 现代计算机的存储系统包括两种：高速缓存（Cache）
12、存储系统和虚拟存储器（Virtual Memory）存储系统。,3.1 内部存储器概述,2存储器访问的局部性 程序局部性包括程序的时间局部性（Temporal Locality）和程序的空间局部性（Spatial Locality）。 程序的时间局部性是指程序即将用到的信息可能就是目前正在使用的信息。或者说最近被访问的内存内容（指令或数据）很快还会被访问； 程序的空间局部性是指程序即将用到的信息可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。也就是说靠近当前正在被访问内存的内存内容很快也会被访问。 访问的局部性是保证存储系统层次结构技术可行性的基础。在此基础上，才可能把计算机频繁访问的信息放在速
13、度高但容量小、单位成本高的存储器中，把不频繁访问的信息放在速度低但容量大、单位成本低的存储器中。由于访问的局部性原理，如果集中在访问速度高的存储器，那么整个存储系统的平均访问时间接近速度高的存储器的访问时间。,3.1 内部存储器概述,2多级存储系统的性能 两级存储系统的第一级为M1，第二级为M2，T1、T2分别表示两级存储器的存取时间， S1、S2表示容量，B1、B2表示传输速率和带宽，C1、C2表示单位成本。 与第二级存储器相比，第一级存储器M1最靠近CPU，速度最高，价格最高，容量也最小。当访问存储器时，CPU首先访问M1，如果成功，M1直接与CPU进行信息交换，那么这次访问是快速的。如果
14、CPU要访问的信息不在M1，则向比它低一级的M2中寻找，找到以后将信息块调入M1。因为M2中的信息主要向M1中传递，而不直接被CPU访问，所以M2的存取速度较低，相应价格也低些，容量也就大些。因为程序的局部性原理，一旦一个信息块放入M1，将会对这个块单元存取很多次，这样会使整个系统的速度得到提高。,3.1 内部存储器概述,2多级存储系统的性能 （1）访问效率 在多级存储系统中，存储器的访问效率由所有层次存储器的有效存取时间（Effective Access Time）决定。为了表示访问一个项的平均时间，不但必须要考虑两级存储器的速度，还要考虑某次访问能在M1中找到的概率，这一概率就是命中率（H
15、it Ratios），用H表示，那么： 其中N1是某次访问能在M1中找到的次数，N2是某次访问能在M2中找到的次数。 那么系统的平均存取时间Ts可以表示为：,3.1 内部存储器概述,M1的命中率越高越好，这样可以避免CPU对下一级存储器的访问，以节省时间。而提高M1的命中率有两个途径：其一是扩大M1的容量以尽可能多地装入有用信息。但M1的容量受性能价格比的限制，增大容量将导致存储系统每位平均价格上升，降低系统的性能价格比。这种方法一般不可取；其二是改善实现层次间信息自动调度功能的辅助软硬件的性能，预先判断出CPU准备访问的内容，并将其调入M1中，使CPU希望的信息尽可能已经在M1中准备好，以此
16、提高M1的命中率。,3.1 内部存储器概述,2多级存储系统的性能 （1）容量和价格 整个两级存储系统的每位平均价格Cs可用以下公式算出： 其中C1 是第一级存储器M1的每位平均价格，C2是第二级存储器M2的每位平均价格，S1是M1的容量，S2是M2的容量。,3.2 典型的内部存储器,3.2.1 随机存储器RAM 随机存取存储器RAM(Random Access Memory)在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读/写操作。 根据存储信息原理的不同，随机存储器可分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）。 半导体存储器满足以上条件。 1静态随机存储器（SRAM） 静态随机存储器的组成 静态MOS存储器一般由存储体、地址译码电路、读写电路和控制电路等几部分组成。其结构框图如图3.4所示。,3.2 典型的内部存储器,3.2.1 随机存储器RAM,图3.4 静态存储器结构图,3.2 典型的内部存储器,
