ch12-1存儲器及其接口2.ppt

主講人：黃永平,存儲器及接口,目錄,掌握半導(dǎo)體存儲器的分類、組成及組成部件的作用及工作原理、讀/寫操作的基本過程。掌握SRAM、DRAM芯片的組成特點(diǎn)、工作過程、典型芯片的引腳信號、了解DRAM刷新的基本概念。掌握半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)、芯片的擴(kuò)充、CPU與半導(dǎo)體存儲器間的連接。了解Cache的基本概念、特點(diǎn)、在系統(tǒng)中的位置。,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),一、存儲器的分類,存儲器就是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的，程序和數(shù)據(jù)都是信息的表現(xiàn)形式。按照存取速度和用途可把存儲器分為兩大類：內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存，又稱主存儲器）和外存儲器。存儲器的容量越大，記憶的信息也就越多，計(jì)算機(jī)的功能也就越強(qiáng)。,1、存儲器的分類,2、半導(dǎo)體存儲器性能,存儲容量：存儲容量=存儲單元個(gè)數(shù)x存儲字長(每單元位數(shù))存儲速度：用存取時(shí)間和存取周期表示。存取時(shí)間(訪問時(shí)間)-包括讀出時(shí)間，和寫入時(shí)間。存取周期-連續(xù)兩次讀操作或?qū)懖僮鞯臅r(shí)間。,2、半導(dǎo)體存儲器結(jié)構(gòu),2、半導(dǎo)體存儲器結(jié)構(gòu),3、靜態(tài)RAM-一位存儲單元,3、靜態(tài)RAM-2114結(jié)構(gòu),3、靜態(tài)RAM-2114結(jié)構(gòu),3、靜態(tài)RAM-2114讀時(shí)序,3、靜態(tài)RAM-2114寫時(shí)序,3、靜態(tài)RAM-其它芯片,SRAM6116,SRAM6264,4、動態(tài)RAM-一位存儲單元,4、動態(tài)RAM-2164,64K1的存儲體由4個(gè)128128的存儲陣列構(gòu)成,4、動態(tài)RAM-2164,64K1的存儲體由4個(gè)128128的存儲陣列構(gòu)成,4、動態(tài)RAM-時(shí)序,5、CPUM連接,CPU與存儲器的連接時(shí)應(yīng)注意的問題：總線驅(qū)動能力時(shí)序配合CPU的時(shí)序與存儲器的存取速度之間的配合.數(shù)據(jù)線的連接地址線的連接全譯碼法部分譯碼法線選法讀寫控制線的連接CPUMROM與RAM地址分配,5、CPUM連接-地址譯碼器,74LS138譯碼器,5、CPUM連接-地址譯碼器,74LS138的真值表,5、CPUM連接-數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展,(1)數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展(無譯碼器)用10241位的芯片組成1024x8,5、CPUM連接-單元數(shù)擴(kuò)展,(2)單元數(shù)擴(kuò)展(用地址線高位進(jìn)行譯碼,用于選擇芯片)用8K8位的芯片組成64Kx8,5、CPUM連接-寬度單元擴(kuò)展,(3)數(shù)據(jù)位寬度擴(kuò)展,單元數(shù)擴(kuò)展用2564位的芯片組成1024x8,5、CPUM連接-線選法,(4)1Kx4RAM芯片組成4Kx8存儲器(線選法),5、CPUM連接-部分譯碼法,(5)1Kx4RAM芯片組成4Kx8存儲器(部分譯碼法),5、CPUM連接-全譯碼法,(6)1Kx4RAM芯片組成4Kx8存儲器(全譯碼法),5、CPUM連接-其它譯碼法,PROM地址譯碼器PLD可編程譯碼器,5、CPUM連接-其它,16位微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存儲器接口/BHE,A0組合來選擇2個(gè)存儲體：偶存儲體、奇存儲體。32位微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存儲器接口/BE0，/BE1，/BE2，/BE3，/MWTC組合選擇4個(gè)存儲體以決定進(jìn)行8位，16位，32位操作。64位微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存儲器接口/BE0，/BE1，/BE2，。/BE7，/MWTC組合選擇8個(gè)存儲體。,6、存儲器層次,存儲器系統(tǒng)可以是容量大而慢，或者容量小而快。是否存在突破這種困境的體系結(jié)構(gòu)？,存儲器層次結(jié)構(gòu),我們想要的是：一個(gè)又大又快的存儲器！我們想要這樣一個(gè)存儲器系統(tǒng)：性能類似于1GB的靜態(tài)隨機(jī)存儲器；但是，成本類似于1GB的慢速存儲器。！驚奇：我們幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)我們的愿望！關(guān)鍵：利用存儲器的層次結(jié)構(gòu),6、存儲器層次,將最常用的數(shù)據(jù)保存在既小又快的靜態(tài)隨機(jī)存儲器中。對于剩下的數(shù)據(jù)來說，幾乎很少訪問主存儲器。這種策略之所以行得通是因?yàn)椋撼绦蚺c數(shù)據(jù)的局部性。,關(guān)鍵思想,6、存儲器層次,Cache-Mem結(jié)構(gòu),7、Cache,7、Cache工作過程,7.1、Cache基本算法,主存有n=m+r條地址線,主存容量為2n;把主存劃分為大小相等的2m塊；每塊有2r個(gè)單元。,Cache及主存地址組成,Cache有p=c+r條地址線,Cache容量為2p;把Cache劃分為大小相等的2c項(xiàng)；每項(xiàng)有2r個(gè)單元;,7.2、全相聯(lián)映射-地址,Mem中任何數(shù)據(jù)塊可以放到Cache中任何項(xiàng)中。,7.2、全相聯(lián)映射-映射,Mem塊號可以記錄到Cache中的標(biāo)記中。,7.2、全相聯(lián)映射-訪問,讀命中：Cache中的標(biāo)記中的某一個(gè)與CPU地址相符將把與該標(biāo)記相關(guān)的數(shù)據(jù)返回給CPU。沒命中：沒有任何Cache中的標(biāo)記與之相符，所以開始訪問主存儲器，并暫停CPU，直到完成為止。使用LRU數(shù)據(jù)來更新高速緩存項(xiàng)。,7.3、直接映射-地址,7.3、直接映射-映射,Mem中數(shù)據(jù)塊只能放到Cache中指定項(xiàng)中。Mem中任何組的x塊只能放到Cache中相應(yīng)的x項(xiàng)中，并在Cache標(biāo)記中記錄組號。,7.3、直接映射-訪問,7.4、N路組相聯(lián)映射-地址,7.4、N路組相聯(lián)映射-映射,7.4、N路組相聯(lián)映射-訪問,8、替換策略,直接映射,N路組相聯(lián),全相聯(lián),問題：替換策略,只用一個(gè)標(biāo)記來比較地址存儲單元A可以精確地存儲在某個(gè)高速緩存行中,同時(shí)用N個(gè)標(biāo)記來比較地址存儲單元A可以精確地存儲在某個(gè)組中，但N個(gè)高速緩存行中的任何一個(gè)都屬于該組,同時(shí)用每個(gè)標(biāo)記來比較地址存儲單元A可以存儲在任何高速緩存行中,8、替換策略,LRU最近最少使用算法：將最經(jīng)常使用的存儲單元保存在高速緩存中;Cache每塊一個(gè)計(jì)數(shù)器，命中計(jì)數(shù)器清0,其它計(jì)數(shù)器增1，最大值換出。LFU最不經(jīng)常使用算法：廉價(jià)的選擇方案：替換最舊的條目（按訪問時(shí)間來確定日期）；在每個(gè)組中：保持某個(gè)計(jì)數(shù)器來指向被替換的行。Cache每塊一個(gè)計(jì)數(shù)器，新塊建立后，計(jì)數(shù)器為0,每訪問一個(gè)，計(jì)數(shù)器增1，最小的換出。隨機(jī)算法（使用隨機(jī)的統(tǒng)一分配法來選擇替換行）：從特定的塊位置隨機(jī)選取一個(gè)塊換出。,9、寫操作的處理,大多數(shù)（90%以上）存儲器訪問都是讀操作。我們應(yīng)該怎樣處理寫操作呢？,1.寫回法：寫Cache時(shí)，只修改Cache中內(nèi)容，而不立即寫入主存，在塊替換時(shí)寫回主存。需要一個(gè)標(biāo)志記錄曾經(jīng)寫過。2.寫直達(dá)：利用