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1、第第4章章 存储系统存储系统本章学习导读：（1）主存储器的组成与结构。（2）存储系统的三层结构：Cache主存和辅存。（3）Cache的工作原理、调度算法和一致性问题。（4）虚拟存储器的工作原理。（5）辅存（磁表面存储器、光盘）的存储原理与读/写过程。存储器存储器是计算机系统的重要组成部分，用它来存放程是计算机系统的重要组成部分，用它来存放程序和数据。序和数据。存储系统存储系统由存放程序和数据的各类存储设备及有关的由存放程序和数据的各类存储设备及有关的软件所构成。软件所构成。有了存储器，计算机就具有记忆能力，因而能自动地有了存储器，计算机就具有记忆能力，因而能自动地进行操作。进行操作。4.1
2、存储器概述存储器概述 4.1.1 存储器的主要性能指标存储器的主要性能指标 评价存储器特性的主要标准是评价存储器特性的主要标准是大容量大容量、高速度高速度和和低价低价格格。存储器的容量指它能存放的二进制位数或字（字节）存储器的容量指它能存放的二进制位数或字（字节）数；数；存储器的速度可用访问时间、存储周期或频宽来描述。存储器的速度可用访问时间、存储周期或频宽来描述。TW是将一个字写入存储器所需的时间。是将一个字写入存储器所需的时间。访问时间一般用读出时间访问时间一般用读出时间TA及写入时间及写入时间TW来描述。来描述。TA是从存储器接到读命令以后至信息被送到数据总线是从存储器接到读命令以后至信
3、息被送到数据总线上所需的时间。上所需的时间。存取周期是存储器进行一次完整的读写操作所需要的存取周期是存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间；全部时间；存储器进行连续读写操作所允许的最短间隔时间。存储器进行连续读写操作所允许的最短间隔时间。存取周期用存取周期用TM表示，它直接关系到计算机的运算表示，它直接关系到计算机的运算速度。速度。一般有一般有 TM TA 、TM TW，TM的单位常采用微秒的单位常采用微秒或毫微秒。或毫微秒。存储器的频宽存储器的频宽B表示存储器被连续访问时，可以提供表示存储器被连续访问时，可以提供的数据传送速率；的数据传送速率；常用每秒钟传送信息的位数（或字节数）来衡量
4、。常用每秒钟传送信息的位数（或字节数）来衡量。存存储储器器的的价价格格可可用用总总价价格格C或或每每位位价价格格c来来表表示示，若若存储器按位计算的容量为存储器按位计算的容量为S；则则:c=C/S4.1.2 存储器分类存储器分类1.按存储元件分类按存储元件分类 存储元件必须具有两个截然不同的物理状态，才能被存储元件必须具有两个截然不同的物理状态，才能被用来表示二进制代码用来表示二进制代码“0和和1”。半导体存储器半导体存储器 磁性材料存储器磁性材料存储器 光介质存储器光介质存储器2.按存取方式分类按存取方式分类(1)顺序存取存储器（顺序存取存储器（SAM）这类存储器的特点是信息顺序存放或读出，
5、其存取时这类存储器的特点是信息顺序存放或读出，其存取时间取决于信息存放位置。间取决于信息存放位置。它不按字单元编址，而以记录块为单位编址。它不按字单元编址，而以记录块为单位编址。磁带存储器就是一种顺序存储器，它的最大优点是存磁带存储器就是一种顺序存储器，它的最大优点是存储容量大，缺点则是存取速度慢。储容量大，缺点则是存取速度慢。(2)随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）这类存储器的特点是这类存储器的特点是CPU或或I/O设备在任一时刻都可设备在任一时刻都可按地址访问其任一个存储单元，而且访问时间与地址按地址访问其任一个存储单元，而且访问时间与地址无关，都是一个存取周期。无关，都是一个存取周
6、期。半导体存储器一般属于这类存储器。半导体存储器一般属于这类存储器。(3)直接存取存储器（直接存取存储器（DAM）此类存储器的存取方式介于此类存储器的存取方式介于RAM和和SAM之间，先选之间，先选取需要存取信息所在的区域，然后用顺序方式存取。取需要存取信息所在的区域，然后用顺序方式存取。磁盘就是先寻找信息所在的扇区，然后再顺序存取信磁盘就是先寻找信息所在的扇区，然后再顺序存取信息，此类存储器的容量也比较大，速度则介于息，此类存储器的容量也比较大，速度则介于SAM和和RAM之中，主要用作辅存。之中，主要用作辅存。(4)只读存储器（只读存储器（ROM）在正常读写操作下，这类存储器的内容只能读出而
7、不在正常读写操作下，这类存储器的内容只能读出而不能写入。能写入。有的有的ROM位于主存中特定区域（如位于主存中特定区域（如IBM-PC机中机中ROM BIOS）其访问方式和）其访问方式和RAM一样按地址访问；一样按地址访问；也有的也有的ROM用作辅存，采用顺序访问方式，例如用作辅存，采用顺序访问方式，例如CDROM。3.按存储器在计算机中的功能分类按存储器在计算机中的功能分类(1)高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）目前由双极型半导体组成，构成计算机系统中的一个目前由双极型半导体组成，构成计算机系统中的一个高速小容量存储器。高速小容量存储器。其存取速度能接近其存取速度能接近CPU的工作
8、速度，用来临时存放指的工作速度，用来临时存放指令和数据。令和数据。(2)主存储器主存储器 主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算机机运行时运行时的大量程序和数据，主存储器目前一般用的大量程序和数据，主存储器目前一般用MOS半导体存储器构成。半导体存储器构成。(3)辅助存储器辅助存储器 辅助存储器又称外存储器。辅助存储器又称外存储器。CPU能够直接访问的存储器称内存储器，高速缓存和能够直接访问的存储器称内存储器，高速缓存和主存都是内存储器。主存都是内存储器。外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的程序和外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的
9、程序和数据。数据。外存储器的内容需要调入主存后才能被外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。访问。外存储器主要由磁表面存储器组成，光存储器应用已外存储器主要由磁表面存储器组成，光存储器应用已很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。4.1.3 存储器结构存储器结构1.存储系统的层次结构存储系统的层次结构 存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起；速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起；程序和数据按不同的层次存放在各级存储器中，而整程序和数据按不同的层次存放在各级
10、存储器中，而整个存储系统具有较好的速度、容量和价格等方面的综个存储系统具有较好的速度、容量和价格等方面的综合性能指标。合性能指标。由二类存储器构由二类存储器构成的存储系统层成的存储系统层次结构次结构(1)“高速缓存高速缓存主存主存”层层次次 这个层次主要解决存储器的速度问题。这个层次主要解决存储器的速度问题。在在CPU与主存之间再增设一级存储器，称高速缓冲存与主存之间再增设一级存储器，称高速缓冲存储器（储器（Cache）。）。CPU访问内存时，将地址码同时送到访问内存时，将地址码同时送到Cache和主存，和主存，若在若在Cache中找到相应内容，称访问中找到相应内容，称访问“命中命中”，信息，
11、信息就从就从Cache中读取；中读取；否则否则CPU就以较慢的速度从主存中读取（称访问就以较慢的速度从主存中读取（称访问“不不命中命中”）。此时一般要进行）。此时一般要进行Cache和主存的信息交换。和主存的信息交换。Cache是一种采用和是一种采用和CPU工艺相类似的半导体器件构工艺相类似的半导体器件构成的存储装置，其速度可与成的存储装置，其速度可与CPU相匹配，但容量较小，相匹配，但容量较小，只能存放一小段程序和数据。只能存放一小段程序和数据。(2)“主存主存辅存辅存”层次层次 这个层次主要解决存储器的容量问题。这个层次主要解决存储器的容量问题。具有具有“主存主存辅存辅存”层次的存储系统是
12、一个既具有主层次的存储系统是一个既具有主存的存取速度又具有辅存的大容量低成本特点的一个存的存取速度又具有辅存的大容量低成本特点的一个存储器总体存储器总体。把正在被把正在被CPU使用的使用的“活动活动”的程序和数据放在主存的程序和数据放在主存中，其余信息则存放在容量大、但速度较慢的辅存中。中，其余信息则存放在容量大、但速度较慢的辅存中。2.多体交叉存取多体交叉存取 把主存分为若干容量相同、能独立地由把主存分为若干容量相同、能独立地由CPU进行存进行存取的存储体。取的存储体。在不提高各存储体存取在不提高各存储体存取速度的前提下，通过速度的前提下，通过CPU与各存储体的并行与各存储体的并行交叉存取操
13、作，提高整交叉存取操作，提高整个主存储器的频宽。个主存储器的频宽。设有设有m个体，地址为个体，地址为 0，m，km 的存储单元位的存储单元位于于0号存储体中；地址为号存储体中；地址为 1，m+1，km+1 的存的存储单元位于储单元位于1号存储体中；号存储体中；地址为；地址为m-1，2m-1，(k+1)m-1 的存储单元位于的存储单元位于m-1号存储体中。号存储体中。CPU访问访问M0 M3的时间安排的时间安排 尽管每个存储体的存储周期为尽管每个存储体的存储周期为TM，但，但CPU每隔每隔1/4TM就可以读出或写入一个数据。就可以读出或写入一个数据。.2 半导体读写存储器半导体读写存储器 半导体
14、半导体RAM 双极型双极型RAMMOS型型RAM静态静态RAM动态动态RAM4.2.1 基本存储单元基本存储单元 存储单元是存储器的最基本的存储元件，它可用来存储单元是存储器的最基本的存储元件，它可用来存储一位二进制信息。存储一位二进制信息。1.六管静态存储单元六管静态存储单元(1)信息的保持信息的保持 字选线字选线W加低电加低电位，位，T3与与T4截止，截止，触发器与外界隔触发器与外界隔离，保持原有信离，保持原有信息不变。息不变。(2)读出读出 字线上加字线上加高电位，高电位，T3与与T4开启；若原存开启；若原存“1”，使读出电路产，使读出电路产生生“读读1”信号。信号。(3)写入写入 字线
15、上加高电位，字线上加高电位，T3与与T4开启；若要写开启；若要写1，在，在DS0线线上加上加低电位。低电位。若要写若要写0，在，在DS1线上线上加加低电位，使低电位，使A点电位下降，点电位下降，T2管管 截止，截止，B点电位上升，点电位上升，T1管导通，完成写管导通，完成写“0”。2.动态动态MOS存储单元存储单元 动态动态RAM利用利用MOS管的管的栅极电容栅极电容来保存信息，在来保存信息，在“信息保持信息保持”状态下，存储单元中没有电流流动，因而状态下，存储单元中没有电流流动，因而大大降低了功耗。大大降低了功耗。(1)MOs管栅极电容保管栅极电容保存信息的原理存信息的原理 在在=+E时，时
16、，CS的充的充电电压反映了电电压反映了VI的的输入状态（反相），输入状态（反相），这就是信息的写入这就是信息的写入过程。过程。实际上实际上T3的输入阻抗的输入阻抗不可能为理想的无穷不可能为理想的无穷大，大，CS上的电荷会缓上的电荷会缓慢泄放；慢泄放；当当变为变为0V，T1T4均不均不导通，导通，T3的输入阻抗可视的输入阻抗可视为无穷大，为无穷大，CS所充电荷就所充电荷就不会泄放，保持原有电平。不会泄放，保持原有电平。假定在假定在t=tR时时VS会下降到会下降到“1”电平的临界值电平的临界值V1以下，以下，从而使保存的信息丢失；从而使保存的信息丢失；通过计算可得出信息保存时间通过计算可得出信息保存时间tR约为约为2ms3.3ms。(2)四管动态四管动态RAM单元单元 信息保持：信息保持：行选信号无效时，行选信号无效时，T3、T4，T1、T2均不导通；信均不导通；信息存在息存在T1和和T2管管的栅电容的栅电容CS1和和CS2上。上。假定假定CS2上充有上充有电荷，电荷，CS1未充未充电的状态为电的状态为“存存1”状态。状态。读操作读操作：预充电：发预充电：发+0脉冲，脉冲，令行选择线有效，
