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1、多级结构的存储器系统详解多级结构的存储器系统详解(xin ji)演示文稿演示文稿1页，共71页，星期一。优选多级结构优选多级结构(jigu)的存储器系统的存储器系统2页，共71页，星期一。对存储器系统对存储器系统(xtng)的要求的要求存储器系统的设计目标存储器系统的设计目标n n尽可能快的存取速度尽可能快的存取速度尽可能快的存取速度尽可能快的存取速度：w应能基本满足应能基本满足CPU对数据的要求对数据的要求n n尽可能大的存储空间尽可能大的存储空间尽可能大的存储空间尽可能大的存储空间：w可以满足程序对存储空间的要求可以满足程序对存储空间的要求n n尽可能低的单位成本尽可能低的单位成本尽可能低
2、的单位成本尽可能低的单位成本：w（价格（价格(jig)/位）应在用户能够承受范围内位）应在用户能够承受范围内3页，共71页，星期一。CPU与与DRAM性能性能(xngnng)比较比较4页，共71页，星期一。 计算机硬件系统计算机硬件系统(xtng)的组成的组成输入输入(shr)设设备备输出设备输出设备入入出出接接口口和和总总线线虚拟存储虚拟存储主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器5页，共71页，星期一。以存储器为中心以存储器为中心(zhngxn)的计算机结构框图的计算机结构框图程序程序(chngx)(chngx)存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算
3、器控制器控制器数据数据结果结果计算计算6页，共71页，星期一。多级结构多级结构(jigu)存储器系统存储器系统实现存储器系统的多个目标实现存储器系统的多个目标n采用多级结构的存储器系统采用多级结构的存储器系统基本思想基本思想n选用生产选用生产(shngchn)与运行与运行 成本不同成本不同 的、存储的、存储 容量容量不同不同 的、读写的、读写 速度不同速度不同 的多种存储介质，组成一的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在位，发挥不同的作用，充分发挥各自在 速度、速度、容容量量、成本成本 方
4、面的优势，从而达到最优性能价格比，方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求。以满足使用要求。7页，共71页，星期一。多级结构多级结构(jigu)存储器系统存储器系统典型多级存储器系统的层次典型多级存储器系统的层次n使用容量较小但速度最快的使用容量较小但速度最快的 SRAM芯片组成高速缓芯片组成高速缓存存储器存存储器CACHE；n使用容量较大速度适中的使用容量较大速度适中的 DRAM芯片组成芯片组成 主存储主存储器器MAIN MEMORY；n使用容量特大但速度较慢的使用容量特大但速度较慢的磁盘磁盘设备设备(shbi)构成虚拟构成虚拟存储器存储器 VIRTUAL MEMORY。 三级存储
5、系统三级存储系统8页，共71页，星期一。现代计算机中的存储现代计算机中的存储(cn ch)层次层次利用利用(lyng)程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理n以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间n以最快速的技术实现高速存储访问以最快速的技术实现高速存储访问9页，共71页，星期一。程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理(yunl)什么是程序运行的什么是程序运行的局部性原理局部性原理？n是指是指CPU对存储器中程序和数据的访问，在一小段时对存储器中程序和数据的访问，在一小段时间内，总是集中在一小块存储空间。间内，总是集中在一小块存储空间。程序运行的程序运行的
6、局部性原理局部性原理表现方面表现方面n n时间方面时间方面时间方面时间方面：在一小段在一小段时间时间内，最近被访问过的程序和内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问，数据很可能再次被访问，例如：程序循环例如：程序循环n n空间方面空间方面空间方面空间方面：在在空间空间上这些上这些(zhxi)被访问的程序和数据往被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区，往集中在一小片存储区，例如：数组存放例如：数组存放n n指令执行顺序方面指令执行顺序方面指令执行顺序方面指令执行顺序方面：在访问在访问顺序顺序上，指令顺序执行比上，指令顺序执行比转移执行的可能性大转移执行的可能性大 (大约大约 5:1 )10
7、页，共71页，星期一。多级结构存储器之间应满足多级结构存储器之间应满足(mnz)的原的原则则一致性原则一致性原则n同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一信息在几个级别信息在几个级别(jbi)的存储器中应保持相同的值。的存储器中应保持相同的值。包含性原则包含性原则n处在内层存储器中的信息一定被包含在其外层的存处在内层存储器中的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信储器中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。11页，共71页，星期
8、一。2、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接(linji)计算机中存储计算机中存储正处在运行中正处在运行中的程序和数据的程序和数据(或一部分或一部分) 的部件，通过地址、数据、控的部件，通过地址、数据、控制三类总线与制三类总线与 CPU等其他部件连通。等其他部件连通。地址总线地址总线 AB 的位数决定了可寻址的最大内存空间的位数决定了可寻址的最大内存空间数据总线数据总线 DB 的位数与工作频率的乘积正比于最高数据吞吐能力的位数与工作频率的乘积正比于最高数据吞吐能力控制总线控制总线 CB 指出总线周期的类型和指出总线周期的类型和本次本次(bn c)读写操作完成的时刻读写操作完成的时刻READ
9、YWRITEREADMainMemoryAB k 位（给出地址）位（给出地址）DB n 位（传送数据）位（传送数据）例如：例如：k= 32 位位n= 32 位位CPUARARDRDR12页，共71页，星期一。主存储器的读写过程主存储器的读写过程(guchng)主存储体主存储体数据数据(shj)(shj)寄存器寄存器地址寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1读过程：给出地址给出地址给出片选与读命令给出片选与读命令保存读出内容保存读出内容写过程：给出地址给出地址给出片选与数据给出片选与数据给出写命令给出写命令主存储体主存储体13页，共71页，星期一。主存储器主要主存储器主要(zhyo)技术指标技术
10、指标存取时间存取时间n通常用读写一个存储单元所需时间度量，即读写速度通常用读写一个存储单元所需时间度量，即读写速度存储周期存储周期n连续两次读写存储单元所需的时间间隔连续两次读写存储单元所需的时间间隔n一般大于读写一次存储单元的存取时间一般大于读写一次存储单元的存取时间存储容量存储容量n通常用构成通常用构成(guchng)存储器的字节（存储器的字节（8位）或者字数（位）或者字数（2、4、8个字节）表述个字节）表述n多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者按字读写多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者按字读写存储器（按字节编址）存储器（按字节编址）14页，共71页，星期一。构成构成(guchng)
11、的主存储器的半导体芯片的主存储器的半导体芯片15页，共71页，星期一。芯片芯片(xn pin)容量容量译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K 4位位16K 1位位8K 8位位片选线片选线地地址址线线读读/写控制线写控制线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）104141138半导体存储芯片的基本半导体存储芯片的基本(jbn)结构结构16页，共71页，星期一。3、存储器的容量、存储器的容量(rngling)扩展扩展 存储器芯片的容量是有限的，为了满足实际存存储器芯片的容量是有限的，为了满足实际存储器的容量要求，需要对存储器进行扩展。储器的容量要求，需要
12、对存储器进行扩展。存储器容量扩展的主要方法有：存储器容量扩展的主要方法有： n 位扩展法：位扩展法：只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致，对所有片子使用一致，对所有片子使用(shyng)共同片选信号；共同片选信号；n 字扩展法：字扩展法：仅在字向扩充，而位数不变。需由片选信号来区仅在字向扩充，而位数不变。需由片选信号来区分各片地址。分各片地址。n 字位同时扩展法：字位同时扩展法：一个存储器的容量假定为一个存储器的容量假定为MN位，若位，若使用使用lk 位的芯片位的芯片(lM，kN)，需要在字向和位向同，需要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要
13、时进行扩展。此时共需要(M/l)(N/k)个存储器芯个存储器芯 片。片。 17页，共71页，星期一。 (1) 位扩展位扩展 （增加存储字长）（增加存储字长） 用用 2片片 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成(z chn) 1K 8位位 的存储器的存储器10根地址线根地址线8根数据线根数据线DDD0479AA021142114CSWE18页，共71页，星期一。 (2) 字扩展（增加存储字扩展（增加存储(cn ch)字的数量）字的数量） 用用 2片片 1K 8位位 存储芯片组成存储芯片组成(z chn) 2K 8位位 的存储器的存储器11根地址线根地址线8根数据线根数据线 1K 8位位 1K
14、8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS119页，共71页，星期一。 (3) 字、位扩展字、位扩展(kuzhn)用用 8片片 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成(z chn) 4K 8位位 的存储器的存储器8根数据线根数据线12根地址线根地址线WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0CS1CS2CS3片选片选译码译码.1K41K41K41K41K41K41K41K420页，共71页，星期一。教学教学(jio xu)计算机的内存储器实例计算机的内存储器实例设计基本要求设计基本要求n需要需要ROM来存放监控程序来存放监控程序n需要需要RAM供用户和监控程序使用供用户和监控程序使用
15、n能够让用户进行扩展能够让用户进行扩展地址总线：地址总线：16位位数据总线：数据总线：16位位控制总线：控制总线：n时钟信号：与时钟信号：与CPU时钟同步时钟同步(tngb)，简化设计，简化设计n读写信号：由读写信号：由/MIO，REQ和和/WE译码生成内存和译码生成内存和IO读写读写信号信号21页，共71页，星期一。教学机静态教学机静态(jngti)存储器字位扩展存储器字位扩展为访问为访问 8192 个存储单元，需要使用个存储单元，需要使用13位地址，应把地址总线的低位地址，应把地址总线的低13位地址送到每个位地址送到每个58C65存储器芯片的地址引脚；存储器芯片的地址引脚；为访问为访问 2
16、048 个存储单元，需要使用个存储单元，需要使用11位地址，应把地址总线的低位地址，应把地址总线的低11位地址送到每个位地址送到每个6116存储器芯片的地址引脚；存储器芯片的地址引脚； 对地址总线的高对地址总线的高3位译码，产生的译码信号位译码，产生的译码信号(xnho)送相应的存储送相应的存储器芯片的片选信号器芯片的片选信号(xnho)引脚引脚 /CS，用于选择让哪一个地址范，用于选择让哪一个地址范围的存储器芯片工作。围的存储器芯片工作。还要向存储器芯片提供读写控制信号还要向存储器芯片提供读写控制信号 /WE，以区分是读、还是，以区分是读、还是写操作，写操作，/WE信号为高电平是读，为低是写。信号为高电平是读，为低是写。22页，共71页，星期一。教学教学(jio xu)机静态存储器字位扩展机静态存储器字位扩展地址总线低地址总线低13位位高位地址高位地址(dzh)译码给出译码给出片选信片选信号号/CS0/CS1高八位数据高八位数据低八位数据低八位数据/WE 2K * 8 bit 8K * 8 bit 8K * 8 bit 2K * 8 bit 译码器译码器13113110 01FFF1
