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1、CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统主存是什么？主存太小怎么办？主存速度太慢怎么办？编程要考虑主存大小吗？存储器的层次结构？速度、价格、容量）2教学目的与要求教学目的与要求l掌握主存储器的分类、主要技术指标和基掌握主存储器的分类、主要技术指标和基本操作本操作l理解理解SRAM和和DRAM的读写工作原理的读写工作原理l重点掌握主存储器的扩展重点掌握主存储器的扩展l掌握掌握DRAM的刷新方式的刷新方式l掌握存储系统的组成掌握存储系统的组成l掌握掌握cache的概念和的概念和cache的组成结构和替的组成结构和替换计算方法换计算方法3CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概
2、述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护4CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.1.1 存储器的基本概念存储器的基本概念l4.1.2 存储器的分类存储器的分类l4.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l4.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护54.
3、1.1 存储器的基本概念存储器的基本概念l存储器是计算机的一种存储器是计算机的一种具有记忆功能具有记忆功能的部的部件，用来存放程序、数据、符号等信息。件，用来存放程序、数据、符号等信息。l存储器可分为存储器可分为内存内存储器和储器和外存外存储器。储器。l内存储器简称内存，也可称为主存，设在主机内存储器简称内存，也可称为主存，设在主机内部。内部。l而磁盘磁带等存储设备设在主机外部，属外存而磁盘磁带等存储设备设在主机外部，属外存储器，简称外存或叫辅助存储器或辅存。储器，简称外存或叫辅助存储器或辅存。6分类分类l1、按存储介质分、按存储介质分 半导体、磁表面、光存储器半导体、磁表面、光存储器2、按存
4、取分、按存取分内存内存随即存储器随即存储器RAM只读存储器只读存储器ROM外存外存 SAM顺序存储器（磁带）顺序存储器（磁带） DAM直接存储器（磁盘）直接存储器（磁盘）74.1.2 存储器的分类存储器的分类84.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l存储容量存储容量 l存储容量是指一个功能完备的基本存储体能汇存储容量是指一个功能完备的基本存储体能汇集的集的最大二进制信息量最大二进制信息量。l容量容量=主存储器存储单元总数主存储器存储单元总数存储字长存储字长 94.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l存取时间和存取周期存取时间和存取周期 l信息存入存储器的操作叫写操作。从存储器取出信
5、息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、写操作统称做的操作叫读操作。读、写操作统称做“访问访问”。l从存储器接收到读（或写）申请命令到从存储器读出从存储器接收到读（或写）申请命令到从存储器读出（或写入）信息所需的时间称为（或写入）信息所需的时间称为存储器访问时间存储器访问时间（Memory Access Time）或称）或称存取时间存取时间，用表示，用表示TA。l存取周期存取周期指存储器能进行连续访问所允许的最小时间指存储器能进行连续访问所允许的最小时间间隔，用表示间隔，用表示TM。 l频宽频宽：存储器被连续访问时，每秒钟传送信息的位数：存储器被连续访问时，每秒钟传
6、送信息的位数用用BM表示，单位：位秒。表示，单位：位秒。 W为存储器的数据宽度为存储器的数据宽度104.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l价格价格l设设C是具有是具有S位存储容量的存储器总价格，则位存储容量的存储器总价格，则P表示每表示每位价格。位价格。l总价格总价格C与存储器容量与存储器容量S成正比，还与存取时间或存成正比，还与存取时间或存取周期成反比取周期成反比 l可靠性可靠性 l存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障工作存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障工作的情况，一般用平均无故障时间衡量。平均无故障时的情况，一般用平均无故障时间衡量。平均无故障时间（间（MTBF）越
7、长，表示存储器的可靠性越好。）越长，表示存储器的可靠性越好。114.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l分层原因分层原因l衡量存储器有三个指标：容量衡量存储器有三个指标：容量,速度和价格速度和价格/位。位。 用用单单一的存储器很难同时满足三个指标。一的存储器很难同时满足三个指标。因为存取时间越因为存取时间越短，每位的价格就越高；容量越大，每位的价格就越短，每位的价格就越高；容量越大，每位的价格就越低；容量越大，存取时间就越长。低；容量越大，存取时间就越长。l这必须这必须用存储系统来实现用存储系统来实现。存储系统不是硬件的简单。存储系统不是硬件的简单堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成
8、为一个堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器，这个存储器的序员看它是一个存储器，这个存储器的速度速度接近速度接近速度最快最快的那个存储器，存储器的那个存储器，存储器容量容量与容量与容量最大最大的那个存的那个存储器相等或接近，储器相等或接近，单位容量的价格单位容量的价格接近接近最便宜最便宜的那个的那个存储器。存储器。124.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l分层存储的信息分层存储的信息l当前正在被当前正在被CPU使用的现行程序、必要的操作使用的现行程序、必要的操作系统或
9、经常被系统或经常被CPU使用的或实时性要求很高的使用的或实时性要求很高的“活跃活跃”程序程序l分布在容量有限但速度很快、每位价格较高的主存分布在容量有限但速度很快、每位价格较高的主存里里 l曾被使用过并暂时不会被使用或只有特殊情况曾被使用过并暂时不会被使用或只有特殊情况出现时才会使用的或相当时间范围内不会被使出现时才会使用的或相当时间范围内不会被使用的属于用的属于“静止、待命静止、待命”的程序的程序l放在容量大但速度慢、每位价格较低的辅助存储器放在容量大但速度慢、每位价格较低的辅助存储器上上 134.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l分层结构分层结构14分层结构分层结构l1、主存、主存
10、-辅存辅存 解决存储器的容量解决存储器的容量2、CACHE -主存主存 解决存储器速度解决存储器速度15CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l4.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器l4.2.3 主存扩展主存扩展l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护164.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l主存基本结构主存基本结构l存储体阵列存储体阵列 l地址
11、译码驱动系统地址译码驱动系统l读写控制与输入读写控制与输入/输出电路输出电路 174.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l读操作：存储器读操作：存储器CPUlCPU把信息字的地址送到把信息字的地址送到AR,经地址总线送往主存储器经地址总线送往主存储器.lCPU发读发读(Read)命令命令.lCPU等待主存储器的等待主存储器的Ready回回答信号答信号,Ready为为 1,表示信息表示信息已读出经数据总线已读出经数据总线,送入送入DRl写操作：写操作：CPU存储器存储器lCPU把信息字的地址送到把信息字的地址送到AR，经地址总线送往主存储器经地址总线送往主存储器,并并将信息
12、字送往将信息字送往DR.lCPU发写发写(Write)命令命令.lCPU等待主存储器的等待主存储器的Ready回回答信号答信号,Ready为为 1,表示信息表示信息已从已从DR经数据总线写入主存储经数据总线写入主存储器器读读/写写Readynk地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线CPUARDR主存储器主存储器基本操作主存储器基本操作184.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作1.存储体阵列存储体阵列l存储体中的信息均是存储体中的信息均是0、1代码。能存取并保代码。能存取并保持持0、1代码的元件叫记忆元件或叫代码的元件叫记忆元件或叫记忆单元记忆单元。一个记忆元件只
13、能存储一个记忆元件只能存储1位二进制数。位二进制数。l若干记忆元件便组成一个若干记忆元件便组成一个存储单元存储单元。一个存。一个存储单元含储单元含1个或若干个字节的二进制信息。个或若干个字节的二进制信息。l存储单元的集合就是存储单元的集合就是存储体存储体。l一个存储单元的每个二进位必须并行工作，一个存储单元的每个二进位必须并行工作，同时读出或同时写入信息，所以存储单元按同时读出或同时写入信息，所以存储单元按行、列排列成十分规整的行、列排列成十分规整的阵列阵列。l表示：表示：存储单元存储单元*字长字长 194.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l存储体阵列存储体阵列 （字：
14、地址（字：地址 位：数据）位：数据）204.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作2.地址译码驱动系统地址译码驱动系统l地址译码器：某一个时刻只有一条字选线是地址译码器：某一个时刻只有一条字选线是高电平，其余为低电平。高电平，其余为低电平。 214.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作2.地址译码驱动系统地址译码驱动系统l地址译码系统设计地址译码系统设计l每一个存储单元由一条字选线驱动的存储体叫每一个存储单元由一条字选线驱动的存储体叫一一维编址存储阵列维编址存储阵列，或叫单译码结构存储器。在存，或叫单译码结构存储器。在存储容量很大时会因字选线过多致使存储器
15、内部线储容量很大时会因字选线过多致使存储器内部线路过于庞杂而不实用。路过于庞杂而不实用。l二维地址存储阵列二维地址存储阵列：一个存储单元的地址被分成：一个存储单元的地址被分成两部分，分别经两部分，分别经x、y译码器译码，在译码器译码，在x方向上行选方向上行选线输出有效，激励了第线输出有效，激励了第i行所有的存储单元，但是行所有的存储单元，但是在列方向上，只有在列方向上，只有yj选线有效，打开第选线有效，打开第yj列的位列的位控门，所以只有坐标位置处于（控门，所以只有坐标位置处于（xi,yj）的那个存）的那个存储单元能通过第储单元能通过第j列上位控门并经过列上位控门并经过 IO电路和电路和存储器
16、外部交换信息。存储器外部交换信息。 224.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作234.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l读写控制与输入读写控制与输入/输出电路输出电路244.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器lSRAMlT1T4组成组成2个反相器，交叉耦合组成个反相器，交叉耦合组成触发器。触发器。T5，T6是读、写控制门。字是读、写控制门。字选择线传送读、写信号。选择线传送读、写信号。l单元未选中，字线低电位，位线高电位，单元未选中，字线低电位，位线高电位，T5、T6截止，触发器与位线断开，存截止，触发器与位线断开，存储单元保持储单元保持l读：读：字线来高电位。若原来是字线来高电位。若原来是1态态(T1通，通，T2止止)，电流从位线，电流从位线1经经T5流向流向T1，在，在位线位线1上产生负脉冲上产生负脉冲。若原来是。若原来是0态态(T2通，通，T1止止)，电流从位线，电流从位线2经经T6流向流向T2，在，在位线位线2上产生负脉冲上产生负脉冲。l写：位线写：位线1低电位、位线低电位、位线2高电位高电位，字，字线来高电位。位线线来高电位
