计算机组成原理005

2第五章存储体系存储体系概述高速存储器5.4主存储器与CPU的连接5.35.25.1存储保护5.8高速缓冲存储器Cache外存储器5.7虚拟存储器5.65.5IA32架构的存储系统举例本章小结5.9主存储器35.1存储体系概述一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位；字节（8bits）是数据存储的基本单位。单元地址是内存单元的唯一标志。存储器具有两种基本的访问操作：读和写。存储器的分类主存储器的性能指标存储器的层次结构一二三4一、存储器的分类1、计算机存储系统中的存储器分类（1）按存储介质分类•半导体器件：半导体存储器（RAM、ROM，用作主存）•磁性材料：磁表面存储器（磁盘、磁带，用作辅存）•光介质：光盘存储器（用作辅存）（2）按存取方式分类•随机存取存储器：存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关（主存）•顺序存取存储器：存取时间和存储单元的物理位置有关（磁盘、磁带）•相联存储器：按内容访问。5一、存储器的分类1、计算机存储系统中的存储器分类（3）按存储器的读写功能分类•只读存储器（ROM）：一般隐含指随机存取。•读写存储器（RAM）：一般隐含指随机存取。（4）按信息的可保存性分类•永久记忆的存储器：又称非易失性存储器，在断电后还能保存信息（辅存、ROM）•非永久记忆的存储器：又称易失性存储器，在断电后信息丢失（主存中的RAM）6一、存储器的分类（5）按在计算机系统中的作用分类•主存储器：又称内存，为主机的一部分，用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器。•辅助存储器：又称外存，为外部设备，用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。CPU内存储器外存储器7一、存储器的分类2、计算机的主存储器分类主存的地位：在现代计算机中，主存储器处于全机的中心地位。主存的分类：要求为随机存取、快速•随机读写存储器（RAM）•只读存储器（ROM）–掩膜式只读存储器（MROM）–可编程只读存储器(PROM)–可擦除可编程序的只读存储器(EPROM)–电可擦除的可编程序的只读存储器(E2PROM)•闪存(Flashmemory)：介于EPROM和E2PROM之间的永久性存储器8存储器分类综述主存储器辅助存储器存储器RAMROMSRAMDRAM磁盘光盘软盘硬盘→Cache磁带MROMPROMEPROME2PROMCD-ROMWORMEOD9二、主存储器的性能指标1、存储容量：指存储器可容纳的二进制信息量，描述存储容量的单位是字节或位。量化单位：1K＝2101M＝2201G＝2301T＝240存储器芯片的存储容量＝存储单元个数×每存储单元的位数兆千兆太10二、主存储器的性能指标2、存储速度：由以下3个方法来衡量。存取时间（MemoryAccessTime）：指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存取时间愈短，其性能愈好。通常存取时间用纳秒（ns＝10－9s）为单位。存储周期（MemoryCycleTime）：指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间。•通常存取周期TC大于存取时间tA，即TC≥tA。存储器带宽：是单位时间里存储器所能存取的最大信息量，存储器带宽的计量单位通常是位/秒（bps）或字节/秒，它是衡量数据传输速率的重要技术指标。11二、主存储器的性能指标3、存储器的价格：用每位的价格来衡量。设存储器容量为S，总价格为C，则位价为C/S(分/位)。它不仅包含了存储元件的价格，还包括为该存储器操作服务的外围电路的价格。4、可靠性：指存储器正常工作（正确存取）的性能。5、功耗：存储器工作的耗电量。存储容量、速度和价格的关系：速度快的存储器往往价格较高，容量也较小。容量、速度和价格三个指标是相互制约的。12三、存储器的层次结构Cache主主主主主主主访问速度越来越快存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜13存储器的主要性能特性比较存储器层次通用寄存器Cache主存储器磁盘存储器脱机存储器存储周期10ns10～60ns60～300ns10～30ms2～20min存储容量512B8KB～2MB32MB～1GB1GB～1TB5GB～10TB价格很高较高高较低低材料工艺ECLSRAMDRAM磁表面磁、光等ms（毫秒），μs（微秒），ns（毫微秒）1s=1000ms，1ms=1000μs14RAMBUS内存条DDR内存条内存155.2主存储器特点：主存储器可以被CPU直接存取（访问）。一般由半导体材质构成。随机存取：读写任意存储单元所用时间是相同的，与单元地址无关。与辅存相比，速度快，价格高，容量小。主存的操作：读存储器操作：写存储器操作：主存DBABCBCPUARDRR/WReady165.2主存储器主存储器按其功能可分为RAM和ROM。随机读写存储器RAM只读存储器ROM高性能的主存储器一二三17一、随机读写存储器RAM18一、随机读写存储器RAM静态存储器（SRAM）1动态存储器（DRAM）2SRAM和DRAM的对比3191、静态存储器（SRAM）静态存储器（SRAM）（1）SRAM存储位元（2）SRAM存储器（3）SRAM存储器的特点20（1）SRAM存储位元“1”状态：T1截止，T2导通“0”状态：T2截止，T1导通X地址译码线VccT7T8T6T5T3T4T1T2Y地址译码线ABI/OI/ODD六管MOS静态存储器结构21（2）SRAM存储器地址译码方式：线性译码方式：n位地址线，经过一维译码后，有2n根选择线。双向译码方式读/写控制读/写放大器存储矩阵地址译码器......n02n-1WW...B0B1Bm-1地址22（2）SRAM存储器双向译码方式：n位地址分为行、列地址分别译码行地址数据控制列地址存储单元阵列存储单元阵列存储单元阵列行地址译码行选择驱动存储矩阵列I/O电路列选择驱动列地址译码数据驱动输入数据控制.......字..232114SRAM存储器1K×4位2114地址线10根数据线4根A9～A0D3～D0CSWE片选线写使能24（3）SRAM存储器的特点使用双稳态触发器表示0和1代码。电源不掉电的情况下，信息稳定保持（静态）。存取速度快，集成度低（容量小），价格高。常用作高速缓冲存储器Cache。252、动态存储器（DRAM）（4）（3）（2）（1）DRAM存储位元DRAM存储器DRAM的刷新方式DRAM存储器的特点26（1）DRAM存储位元“1”状态：电容C上有电荷“0”状态：电容C上无电荷再生：读出后信息可能被破坏，需要重写。刷新：经过一段时间后，信息可能丢失，需要重写。字线TCd数据线C单管MOS动态存储器结构27（2）DRAM存储器4M×4位的DRAM列地址缓冲器存储阵列2048×2048×4读出放大器和I/O门列地址译码器数据输出缓冲器数据输入缓冲器行地址缓冲器刷新计数器定时和控制行地址译码器MUXRASOEWECASA0A10A1D0D1D2D3.........28DRAM的读/写过程行地址列地址行地址列地址有效数据有效数据RASCAS地址R/WDOUTDIN读周期写周期在下降沿读行地址在下降沿读列地址29（3）DRAM的刷新方式刷新周期：从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM全部刷新一遍为止，这一段时间间隔称为刷新周期。刷新操作：即是按行来执行内部的读操作。由刷新计数器产生行地址，选择当前要刷新的行，读即刷新，刷新一行所需时间即是一个存储周期。刷新行数：单个芯片的单个矩阵的行数。对于内部包含多个存储矩阵的芯片，各个矩阵的同一行是被同时刷新的。对于多个芯片连接构成的DRAM，DRAM控制器将选中所有芯片的同一行来进行逐行刷新。单元刷新间隔时间：DRAM允许的最大信息保持时间；一般为2ms。刷新方式：集中式刷新、分散式刷新和异步式刷新。300387138723999访存操作时间刷新时间......2ms（A）集中式刷新集中式刷新例：64K×1位DRAM芯片中，存储电路由4个独立的128×128的存储矩阵组成。设存储器存储周期为500ns，单元刷新间隔是2ms。在2ms单元刷新间隔时间内，集中对128行刷新一遍，所需时间128×500ns=64μs，其余时间则用于访问操作。在内部刷新时间（64μs）内，不允许访存，这段时间被称为死时间。31（B）分散式刷新存储周期0访存刷新...存储周期1存储周期19992ms分散式刷新在任何一个存储周期内，分为访存和刷新两个子周期。访存时间内，供CPU和其他主设备访问。在刷新时间内，对DRAM的某一行刷新。存储周期为存储器存储周期的两倍，即500ns×2＝1μs。刷新周期缩短，为128×1μs＝128μs。在2ms的单元刷新间隔时间内，对DRAM刷新了2ms÷128μs遍。32（C）异步式刷新访存刷新刷新访存...2ms异步刷新采取折中的办法，在2ms内分散地把各行刷新一遍。避免了分散式刷新中不必要的多次刷新，提高了整机速度；同时又解决了集中式刷新中“死区”时间过长的问题。刷新信号的周期为2ms/128=15.625μs。让刷新电路每隔15μs产生一个刷新信号，刷新一行。异步式刷新33（4）DRAM存储器的特点使用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示0和1代码。电源不掉电的情况下，信息也会丢失，因此需要不断刷新。存取速度慢，集成度高（容量大），价格低。常用作内存条。343、SRAM和DRAM的对比比较内容SRAMDRAM存储信息0和1的方式双稳态触发器极间电容上的电荷电源不掉电时信息稳定信息会丢失刷新不需要需要集成度低高容量小大价格高低速度快慢适用场合Cache主存35二、只读存储器ROMMROMPROMEPROME2PROMFlashMemory读出放大器存储矩阵地址译码器......n...B0B1Bm-1字线地址36几种非易失性存储器的比较存储器类别擦除方式能否单字节修改写机制MROM只读不允许否掩膜位写PROM写一次读多次不允许否电信号EPROM写多次读多次紫外线擦除，脱机改写否电信号E2PROM写多次读多次电擦除，在线改写能电信号FlashMemory写多次读多次电擦除，在线改写否电信号375.3主存储器与CPU的连接背景知识——存储芯片简介存储器容量扩展的三种方法主存储器与CPU的连接一二三38一、背景知识——存储芯片简介存储芯片的引脚封装GND(A)SRAM芯片引脚(C)ROM芯片引脚ROMVccGNDCS地址数据VppSRAMVccGNDCSWE地址数据(B)DRAM芯片引脚DRAMVccWE地址（复用）数据CASRAS39二、存储器容量扩展的三种方法3、字位扩展2、字扩展1、位扩展从字长和字数方向扩展从字长方向扩展从字数方向扩展401、位扩展要求：用1K×4位的SRAM芯片1K×8位的SRAM存储器1K×4位SRAMCSWED3—D0A9—A0(一)1K×4位SRAMCSWED3—D0A9—A0(二)高４位低４位411、位扩展容量=210×8位举例验证:读地址为0的存储单元的内容1K×4SRAM(一)CSWE1K×4SRAM(二)CSWED3—D0D7—D4D3—D0D3—D0A9—A0A9—A0CSD7—D0A9—A0WE421、位扩展要点：（1）芯片的地址线A、读写控制信号WE#、片选信号CS#分别连在一起；（2）芯片的数据线D分别对应于所搭建的存储器的高若干位和低若干位。432、字扩展要求：用1K×８位的SRAM芯片2K×8位的SRAM存储器1K×8位SRAMCSWED7—D0A9—A0(一)1K×8位SRAMCSWED7—D0A9—A0(二)前1K后1K442、字扩展分析地址：A10用于选择芯片A9~A0用于选择芯片内的某一存储单元A10A9000111…0~A0~1~010~1~前1K后1K………452、字扩展容量=211×8位举例验证:读地址为0的存储单元的内容读