第5章 存储系统和结构

第5章存储系统和结构1第5章存储系统和结构第5章存储系统和结构2存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统，设计一个容量大、速度快、成本低的存储系统是计算机发展的一个重要课题。本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，此外还介绍了高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理。第5章存储系统和结构3本章学习内容•5.1存储系统的组成•5.2主存储器的组织•5.3半导体随机存储器和只读存储器•5.4主存储器的连接与控制•5.5提高主存读写速度的技术•5.6多体交叉存储技术•5.7高速缓冲存储器•5.8虚拟存储器第5章存储系统和结构4本章学习要求•了解：存储器的分类方法和存储系统的层次•理解：主存储器的基本结构、存储单元和主存储器的主要技术指标•掌握：字节编址存储器的各种访问方法，将不同长度的数据按要求存放在主存中•了解：半导体随机存储器（静态RAM和动态RAM）的基本存储原理•理解：动态RAM的3种不同刷新方式的特点•了解：RAM芯片的基本结构•理解：各种不同类型的ROM的特点第5章存储系统和结构5本章学习要求(续)•掌握：主存储器容量的各种扩展方法，使用若干存储芯片构成存储器•掌握：存储芯片的地址分配和片选信号的产生•理解：主存储器和CPU的软连接(读写操作)•理解：主存的奇偶校验和ECC、PC系列微机的存储器接口•了解：提高RAM芯片速度的技术和并行交叉存储技术•了解：Cache存储系统和虚拟存储器的概念第5章存储系统和结构65.1存储系统的组成存储系统和存储器是两个不同的概念，下面首先介绍各种不同用途的存储器，然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。第5章存储系统和结构75.1.1存储器分类1.按存储器在计算机系统中的作用分类⑴高速缓冲存储器高速缓冲存储器用来存放正在执行的程序段和数据。高速缓冲存储器的存取速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容量较小，价格较高。⑵主存储器主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写访问。第5章存储系统和结构81.按存储器在计算机系统中的作用分类（续）⑶辅助存储器(外存储器或后援存储器)辅助存储器用来存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要永久性保存的信息。辅存设在主机外部，CPU不能直接访问它。辅存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，CPU才能使用。第5章存储系统和结构92.按存取方式分类⑴随机存取存储器RAMCPU可以对存储器中的内容随机地存取，CPU对任何一个存储单元的写入和读出时间是一样的，即存取时间相同，与其所处的物理位置无关。⑵只读存储器ROMROM可以看作RAM的一种特殊形式，其特点是：存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。第5章存储系统和结构10⑶顺序存取存储器SAMSAM的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，所以SAM只能用平均存取时间作为衡量存取速度的指标。⑷直接存取存储器DAMDAM既不像RAM那样能随机地访问任一个存储单元，也不像SAM那样完全按顺序存取，而是介于两者之间。当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个存储器中的某个小区域；第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读/写操作。2.按存取方式分类（续）串行访问存储器第5章存储系统和结构113.按存储介质分类⑴磁芯存储器采用具有矩形磁滞回线的铁氧体磁性材料，利用两种不同的剩磁状态表示“1”或“0”。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器的读出是破坏性读出，即不论磁芯原存的内容为“0”还是“1”，读出之后磁芯的内容一律变为“0”，因此需要再重写一次。其容量小、速度慢、体积大、可靠性低。第5章存储系统和结构123.按存储介质分类(续)⑵半导体存储器采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS型存储器和双极型存储器两大类。MOS型存储器集成度高、功耗低、价格便宜、存取速度较慢；双极型存储器存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高。半导体RAM存储的信息会因为断电而丢失。第5章存储系统和结构133.按存储介质分类（续）⑶磁表面存储器在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。由于它的容量大、价格低、存取速度慢，故多用作辅助存储器。第5章存储系统和结构143.按存储介质分类（续）⑷光存储器采用激光技术控制访问的存储器，一般分为只读式、一次写入式、可读写式3种，它们的存储容量都很大，是目前使用非常广泛的辅助存储器。第5章存储系统和结构15断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器。如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出；如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破坏的信息。4.按信息的可保存性分类第5章存储系统和结构165.1.2存储系统层次结构为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。多级存储层次从CPU的角度来看，n种不同的存储器（M1～Mn）在逻辑上是一个整体。其中：M1速度最快、容量最小、位价格最高；Mn速度最慢、容量最大、位价格最低。整个存储系统具有接近于M1的速度，相等或接近Mn的容量，接近于Mn的位价格。在多级存储层次中，最常用的数据在M1中，次常用的在M2中，最少使用的在Mn中。第5章存储系统和结构17多级存储层次CPUM1M2Mn存储层次…图5-1多级存储层次第5章存储系统和结构185.1.2存储系统层次结构(续)由高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存间称为Cache-主存存储层次(Cache存储系统)和主存-附存存储层次(虚拟存储系统)。第5章存储系统和结构19Cache存储系统是为解决主存速度不足而提出来的。从CPU看，速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价格。由于Cache存储系统全部用硬件来调度，因此它对系统程序员和系统程序员都是透明的。图5-2(a)Cache存储系统Cache－主存存储层次（Cache存储系统）CPUCache主存辅助硬件第5章存储系统和结构20虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的。从CPU看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的。图5-2(b)虚拟存储系统主存−辅存存储层次（虚拟存储系统）CPU主存辅存辅助软硬件第5章存储系统和结构215.2主存储器的组织主存储器是整个存储系统的核心，它用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地对它进行访问。第5章存储系统和结构22主存通常由存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路组成。图5-3主存的组成框图5.2.1主存储器的基本结构存储体地址线数据线读/写控制线I/O地址译码驱动和读写电路第5章存储系统和结构23存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储体中。地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一存储单元，然后由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读写电路，完成对被选中存储单元的读写操作。I/O和读写电路包括读出放大器、写入电路和读写控制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作。5.2.1主存储器的基本结构（续）第5章存储系统和结构24位是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位。一个二进制数由若干位组成，当这个二进制数作为一个整体存入或取出时，这个数称为存储字。存放存储字或存储字节的主存空间称为存储单元或主存单元，大量存储单元的集合构成一个存储体，为了区别存储体中的各个存储单元，必须将它们逐一编号。存储单元的编号称为地址，地址和存储单元之间有一对一的对应关系。5.2.2主存储器的存储单元第5章存储系统和结构25一个存储单元可能存放一个字，也可能存放一个字节，这是由计算机的结构所确定的。对于字节编制的计算机，最小寻址单位是一个字节，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字节；对于字编制的计算机，最小寻址单位是一个字，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字；所以存储单元是CPU对主存可访问操作的最小存储单位。5.2.2主存储器的存储单元(续)第5章存储系统和结构265.2.2主存储器的存储单元（续）IBM370机是字长为32位的计算机，主存按字节编址，每一个存储字包含4个单独编址的存储字节，它被称为大端方案，即字地址等于最高有效字节地址，且字地址总是等于4的整数倍，正好用地址码的最末两位来区分同一个字的4个字节。00144889101156723字地址字节地址第5章存储系统和结构275.2.2主存储器的存储单元（续）PDP-11机是字长为16位的计算机，主存也按字节编址，每一个存储字包含2个单独编址的存储字节，它被称为小端方案，即字地址等于最低有效字节地址，且字地址总是等于2的整数倍，正好用地址码的最末1位来区分同一个字的两个字节。004412235字地址字节地址第5章存储系统和结构285.2.3主存储器的主要技术指标1.存储容量存储容量是指整个主存储器所能存放的二进制信息的总位数，可以用公式表示：SM=W×L其中W为存储字数，L为存储字长。对于字节编址的计算机，以字节数来表示存储容量；对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示存储容量。第5章存储系统和结构295.2.3主存储器的主要技术指标1.存储容量(续)如某机的主存容量为64K×16，表示它有64K个存储单元，每个存储单元的字长为16位，若改用字节数表示，则可记为128K字节（128KB）。第5章存储系统和结构302.存取速度⑴存取时间Ta存取时间又称为访问时间或读写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如：读出时间是指从CPU向主存发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间；写入时间是指从CPU向主存发出有效地址和写命令开始，直到信息写入被选中单元为止所用的时间。显然Ta越小，存取速度越快。通常由Ta、Tm、Bm决定第5章存储系统和结构312.存取速度（续）⑵存取周期Tm存取周期又可称作读写周期、访内周期，是指主存进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次访问存储器操作之间所需要的最短时间。显然，一般情况下，Tm＞Ta。这是因为对于任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于破坏性读出的RAM，存取周期往往比存取时间要大得多，甚至可以达到Tm=2Ta，这是因为存储器中的信息读出后需要马上进行重写（再生）。第5章存储系统和结构322.存取速度（续）⑶主存带宽Bm主存的带宽又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字每秒或字节每秒或位每秒。目前，主存提供信息的速度还跟不上CPU处理指令和数据的速度，所以，主存的带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。为了提高主存的带宽，可以采取的措施有：缩短存取周期；增加存储字长；增加存储体。第5章存储系统和结构333.可靠性可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读写的概率。通常，用平均无故障时间MTBF来衡量可靠性。4.功耗功耗是一个不可忽视的问题，它反映了存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。通常希望功耗要小，这对存储器件的工作稳定性有好处。大多数半导体存储器的工作功耗与维持功耗是不同的，后者大大地小于前者。第5章存储系统和结构345.2.4数据在主存中的存放在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中的3种不同存放方法。设存储字长为64位（8个字节），即一个存取周期最多能够从主存读或写64位数