計算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、計算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三十一講 主講教師：趙主講教師：趙宏偉宏偉 學(xué)時：學(xué)時：64 第第7 7章章 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述 和主存儲器和主存儲器 3 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述 主存儲器部件的組成和設(shè)計主存儲器部件的組成和設(shè)計 n主存儲器概述 n動態(tài)存儲器原理 n靜態(tài)存儲器原理 n存儲器的組織 教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 4 存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo)存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo) 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 入出接口和總線入出接口和總線 外存設(shè)備外存

2、設(shè)備 主存儲器主存儲器 高速緩存高速緩存 控控 制制 器器 運運 算算 器器 P197P197 5 存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo)存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo) 存儲器的作用存儲器的作用 n計算機(jī)中用來存放和的部件，是馮.諾依曼結(jié) 構(gòu)計算機(jī)的重要組成 n程序和數(shù)據(jù)的共同特點：二進(jìn)制位串 存儲器的要求存儲器的要求 n能夠有兩個穩(wěn)定狀態(tài)來表示二進(jìn)制中的“0”和“1” n容易識別，兩個狀態(tài)能方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)換 n幾種常用的存儲介質(zhì)：磁介質(zhì)、觸發(fā)器、電容、光盤 6 存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo)存儲器系統(tǒng)的概念與目標(biāo) 存儲器追求的目標(biāo)存儲器追求的目標(biāo) ：應(yīng)能基本滿足CPU對數(shù)據(jù)的要求 ：可以滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要 求 ：（價格/

3、位）在用戶能夠承受范 圍內(nèi) 怎么實現(xiàn)這個目標(biāo)？怎么實現(xiàn)這個目標(biāo)？ n用多級結(jié)構(gòu)存儲器把要用的程序和數(shù)據(jù)，按其使用的 急迫程度分段調(diào)入存儲容量不同、運行速度不同的存 儲器中，并由硬軟件系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度管理 n例如三級結(jié)構(gòu)存儲器：cache主存虛存 7 多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng) 選用生產(chǎn)與運行成本不同的、存儲容量不同的、 讀寫速度不同的多種存儲介質(zhì)，組成一個統(tǒng)一的 存儲器系統(tǒng)，使每種介質(zhì)都處于不同的地位，發(fā) 揮不同的作用，充分發(fā)揮各自在速度、速度、容量容量、成成 本本方面的優(yōu)勢，從而達(dá)到最優(yōu)性能價格比，以滿 足使用要求。 例如：用容量更小但速度最快的 SRAM芯片組成 CACHE，容量較大

4、速度適中的 DRAM芯片組成 MAIN MEMORY，用容量特大但速度較慢的磁盤 設(shè)備構(gòu)成 VIRTUAL MEMORY。 P197P197 8 多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)多級結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng) 9 程序運行的程序運行的局部性原理局部性原理 程序運行的程序運行的局部性原理局部性原理表現(xiàn)在三方面表現(xiàn)在三方面 ：在一小段在一小段時間時間內(nèi)，最近被訪問過的程序和內(nèi)，最近被訪問過的程序和 數(shù)據(jù)很可能再次被訪問，數(shù)據(jù)很可能再次被訪問，例如：程序循環(huán)例如：程序循環(huán) ：在在空間空間上這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集上這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集 中在一小片存儲區(qū)，中在一小片存儲區(qū)，例如：數(shù)組存放例如：數(shù)組存放 ：在訪問在訪

5、問順序順序上，指令順序執(zhí)行比上，指令順序執(zhí)行比 轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大 (大約大約 5:1 ) P198P198 10 多級結(jié)構(gòu)存儲器之間應(yīng)滿足的原則多級結(jié)構(gòu)存儲器之間應(yīng)滿足的原則 一致性原則一致性原則 n同一個信息可以處在不同層次存儲器中，此時，這一同一個信息可以處在不同層次存儲器中，此時，這一 信息在幾個級別的存儲器中應(yīng)保持相同的值。信息在幾個級別的存儲器中應(yīng)保持相同的值。 包含性原則包含性原則 n處在內(nèi)層的信息一定被包含在其外層的存儲器中，反處在內(nèi)層的信息一定被包含在其外層的存儲器中，反 之則不成立，即內(nèi)層存儲器中的全部信息是其相鄰?fù)庵畡t不成立，即內(nèi)層存儲器中的全部信息是其

6、相鄰?fù)?層存儲器中一部分信息的復(fù)制品層存儲器中一部分信息的復(fù)制品 。 P198P198 11 微電子技術(shù)發(fā)展趨勢微電子技術(shù)發(fā)展趨勢 CPU與與DRAM性能比較性能比較 處理器性能每年處理器性能每年 增長增長60% 動態(tài)存儲器性能 每年增長9% 1 10 100 1000 1980 1981 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 DRAM CPU 1982 CPU與主存儲器的性能差與主存儲器的性能差 異，每年增長異，每年增長50% 性能性能 摩爾定律 年份

7、年份 12 現(xiàn)代計算機(jī)中的存儲層次現(xiàn)代計算機(jī)中的存儲層次 利用程序的局部性原理利用程序的局部性原理 n以最低廉的價格提供盡可能大的存儲空間 n以最快速的技術(shù)實現(xiàn)高速存儲訪問 13 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述 主存儲器部件的組成和設(shè)計主存儲器部件的組成和設(shè)計 n主存儲器概述 n動態(tài)存儲器原理 n靜態(tài)存儲器原理 n存儲器的組織 教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 14 主存儲器概述主存儲器概述 計算機(jī)中存儲計算機(jī)中存儲正處在運行中正處在運行中的程序和數(shù)據(jù)的程序和數(shù)據(jù)(或一部分或一部分)

8、的部件，通過的部件，通過 地址、數(shù)據(jù)、控制三類總線與地址、數(shù)據(jù)、控制三類總線與 CPU等其他部件連通。等其他部件連通。 地址總線地址總線 AB 的位數(shù)決定了可尋址的最大內(nèi)存空間的位數(shù)決定了可尋址的最大內(nèi)存空間 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB 的位數(shù)與工作頻率的乘積正比于最高數(shù)據(jù)入出量的位數(shù)與工作頻率的乘積正比于最高數(shù)據(jù)入出量 控制總線控制總線 CB 指出總線周期的類型和指出總線周期的類型和本次讀寫操作完成的時刻本次讀寫操作完成的時刻 READY WRITE READ CPU Main Memory AB k 位（給出地址）位（給出地址） DB n 位（傳送數(shù)據(jù)）位（傳送數(shù)據(jù)） 例如：例如： k= 32

9、 位位 n= 64 位位 P200P200 15 主存儲器的讀寫過程主存儲器的讀寫過程 主存儲體 數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器 /WE /CS0 /CS1 讀過程： 給出地址給出地址 給出片選與讀命令給出片選與讀命令 保存讀出內(nèi)容保存讀出內(nèi)容 寫過程： 給出地址給出地址 給出片選與數(shù)據(jù)給出片選與數(shù)據(jù) 給出寫命令給出寫命令 主存儲體 16 主存儲器概述主存儲器概述 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) n存取時間 w通常用讀寫一個存儲單元所需的時間度量，即讀寫速度 n存儲周期 w連續(xù)兩次讀寫存儲單元所需的時間間隔 w大于讀寫一次存儲單元的存取時間 n存儲容量 w通常用構(gòu)成存儲器的字節(jié)（8位）或者字?jǐn)?shù)（2、4、8個

10、字節(jié)） 表述 w多數(shù)計算機(jī)能在邏輯上同時支持按字節(jié)或者字讀寫存儲器 17 半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器的分類 易失性 存儲器 非易失性 存儲器 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 只讀 存儲器 ROM 隨機(jī)讀寫 存儲器 RAM 掩膜 ROM 可編程 ROM （PROM） 可擦除 ROM （EPROM） 電擦除 ROM （E 2PROM） 靜態(tài) RAM （SRAM） 動態(tài) RAM （DRAM） 快速擦寫存儲器 （Flash Memory） 計算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三十二講 主講教師：趙主講教師：趙宏偉宏偉 學(xué)時：學(xué)時：64 19 靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)和動態(tài)RAM芯片特性芯片特性 SRAMDRAM 存儲信息觸發(fā)器

11、電容 破壞性讀出非是 需要刷新不要需要 送行列地址同時送分兩次送 運行速度快慢 集成度低高 發(fā)熱量大小 存儲成本高低 20 動態(tài)存儲器讀寫原理動態(tài)存儲器讀寫原理 動態(tài)存儲器，是用金屬氧化物半導(dǎo)體（動態(tài)存儲器，是用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）的單個）的單個 MOS管來存儲一個二進(jìn)制位（管來存儲一個二進(jìn)制位（bit）信息的。信息被存儲）信息的。信息被存儲 在在MOS管管T的源極的寄生電容的源極的寄生電容CS中，例如，用中，例如，用CS中存儲中存儲 有電荷表示有電荷表示1，無電荷表示，無電荷表示0。 + - - 字線字線 位位 線線 高，高，T 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 低，低，T 截止。截止。 VDD CS 柵

12、極柵極 T 源極源極漏極漏極 充電充電 放電放電 通過電容通過電容CS有有 無無存儲電荷來存儲電荷來 區(qū)分信號區(qū)分信號1、0 P201P201 21 + + - - VDD CS 字線字線 位位 線線 T 寫寫 1 ：使位線為低電平，：使位線為低電平， 高，高，T 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 低，低，T 截止。截止。 低低 若若CS 上無電荷，則上無電荷，則 VDD 向向 CS 充電；充電； 把把 1 信號寫入了電容信號寫入了電容 CS 中。中。 若若CS 上有電荷，則上有電荷，則 CS 的電荷不變，的電荷不變， 保持原記憶的保持原記憶的 1 信號不變。信號不變。 22 + + - - VDD CS 字線字

13、線 位位 線線 T 高，高，T 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 低，低，T 截止。截止。 高高 寫寫 0 ：使位線為高電平，：使位線為高電平， 若若CS 上有電荷，則上有電荷，則 CS 通過通過 T 放電；放電； 若若CS 上無電荷，則上無電荷，則 CS 無充放電動作，無充放電動作， 保持原記憶的保持原記憶的 0 信號不變。信號不變。 把把 0 信號寫入了電容信號寫入了電容 CS 中。中。 23 + - - VDD CS 字線字線 位位 線線 T 接在位線上的讀出放大器會感知這種變化，讀出為接在位線上的讀出放大器會感知這種變化，讀出為 1。 高，高，T 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 高高 讀操作：讀操作： 首先使位線充電至高電

14、平，當(dāng)字線來高電平后，首先使位線充電至高電平，當(dāng)字線來高電平后，T導(dǎo)通，導(dǎo)通， 低低 若若 CS 上無電荷，則位線上無電位變化上無電荷，則位線上無電位變化 ，讀出為，讀出為 0 ； 若若 CS 上有電荷，則會放電，并使位線電位由高變低，上有電荷，則會放電，并使位線電位由高變低， 24 25 26 動態(tài)存儲器讀寫原理動態(tài)存儲器讀寫原理 破壞性讀出破壞性讀出：讀操作后，被讀單元的內(nèi)容一定被清為零，：讀操作后，被讀單元的內(nèi)容一定被清為零， 必須把剛讀出的內(nèi)容立即寫回去，通常稱其為預(yù)充電延遲，必須把剛讀出的內(nèi)容立即寫回去，通常稱其為預(yù)充電延遲， 它影響存儲器的工作頻率，在結(jié)束預(yù)充電前不能開始下一它影響

15、存儲器的工作頻率，在結(jié)束預(yù)充電前不能開始下一 次讀。次讀。 要定期刷新要定期刷新：在不進(jìn)行讀寫操作時，：在不進(jìn)行讀寫操作時，DRAM 存儲器的各存儲器的各 單元處于斷路狀態(tài)，由于漏電的存在，保存在電容單元處于斷路狀態(tài)，由于漏電的存在，保存在電容CS 上上 的電荷會慢慢地漏掉，為此必須定時予以補(bǔ)充，通常稱其的電荷會慢慢地漏掉，為此必須定時予以補(bǔ)充，通常稱其 為刷新操作。刷新不是按字處理，而是每次刷新一行，即為刷新操作。刷新不是按字處理，而是每次刷新一行，即 為連接在同一行上所有存儲單元的電容補(bǔ)充一次能量。刷為連接在同一行上所有存儲單元的電容補(bǔ)充一次能量。刷 新周期一般為新周期一般為2ms，刷新有

16、，刷新有兩種常用方式兩種常用方式： n集中刷新，停止內(nèi)存讀寫操作，逐行將所有各行刷新一遍； n分散刷新，每隔一定時間段，刷新一行，各行輪流進(jìn)行。 信號序關(guān)系：結(jié)論性內(nèi)容參考信號序關(guān)系：結(jié)論性內(nèi)容參考P203。 27 靜態(tài)存儲器存儲原理靜態(tài)存儲器存儲原理 靜態(tài)存儲器（靜態(tài)存儲器（SRAM）是用觸發(fā)器線路記憶和讀寫數(shù)據(jù)的，）是用觸發(fā)器線路記憶和讀寫數(shù)據(jù)的， 通常用通常用6個個MOS管組成存儲一位二進(jìn)制信息的存儲單元。管組成存儲一位二進(jìn)制信息的存儲單元。 其中其中4個個MOS管組成兩個反相器，輸入輸出交叉耦合構(gòu)成管組成兩個反相器，輸入輸出交叉耦合構(gòu)成 一位觸發(fā)器，記憶一位二進(jìn)制信息。一位觸發(fā)器，記憶

17、一位二進(jìn)制信息。 P204P204 28 29 存儲器的組織存儲器的組織 用用10241位的芯片組成位的芯片組成1KB RAM A0 A9 D0 D7 8 I/O 7 I/O 6 I/O 5 I/O 4 I/O 3 I/O 2 I/O 1 10241 I/O 地 址 線 數(shù) 據(jù) 線 30 存儲器的組織存儲器的組織 用用2564位的芯片組成位的芯片組成1KB RAM A8 A9 A0 A7 D0 D7 地 址 線 數(shù) 據(jù) 線 A0 CE 4 I/O A0 CE 3 2564 A7 I/O A0 CE 6 I/O A0 CE 5 2564 A7 I/O A0 CE 8 I/O A0 CE 7 25

18、64 A7 I/O A0 CE 2 I/O A0 CE 1 2564 A7 I/O 譯 碼 器 計算機(jī)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三十三講 主講教師：趙主講教師：趙宏偉宏偉 學(xué)時：學(xué)時：64 32 存儲器設(shè)計存儲器設(shè)計 地址譯碼（芯片選擇）地址譯碼（芯片選擇） 字?jǐn)U展字?jǐn)U展 位擴(kuò)展位擴(kuò)展 33 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述 主存儲器部件的組成和設(shè)計主存儲器部件的組成和設(shè)計 n主存儲器概述 n動態(tài)存儲器原理 n靜態(tài)存儲器原理 n存儲器的組織 教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 34 教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)

19、存儲器實例教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例 設(shè)計基本要求設(shè)計基本要求 n需要ROM來存放監(jiān)控程序 n需要RAM供用戶和監(jiān)控程序使用 n能夠讓用戶進(jìn)行擴(kuò)展 地址總線：地址總線：16位，高位，高3位譯碼產(chǎn)出片選信號位譯碼產(chǎn)出片選信號 數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線：16位，分為內(nèi)部位，分為內(nèi)部DB和外部和外部DB 控制總線：控制總線： n時鐘信號：與CPU時鐘同步，簡化設(shè)計 n讀寫信號：由/MIO，REQ和/WE譯碼生成內(nèi)存和IO讀 寫信號 35 靜態(tài)存儲器字位擴(kuò)展靜態(tài)存儲器字位擴(kuò)展 教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)的存儲器的容量為教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)的存儲器的容量為 10K字，每個字的字長為字，每個字的字長為 16 位。位。 存儲器芯片選

20、用兩種：存儲器芯片選用兩種： n有 8192 個存儲單元、每個存儲單元由 8 位組成的靜態(tài)存儲器芯片 58C65ROM n有 2048 個存儲單元、每個存儲單元由 8 位組成的靜態(tài)存儲器芯片 6116RAM 為組成為組成 16 位的存儲器，必須使用兩片芯片完成字長擴(kuò)展（位的存儲器，必須使用兩片芯片完成字長擴(kuò)展（位擴(kuò)展位擴(kuò)展）；）； 為達(dá)到為達(dá)到10K的內(nèi)容容量，還必須用兩片芯片完成存儲單元的數(shù)量擴(kuò)展的內(nèi)容容量，還必須用兩片芯片完成存儲單元的數(shù)量擴(kuò)展 （字?jǐn)U展字?jǐn)U展）；）； 為訪問為訪問 8192 個存儲單元，需要使用個存儲單元，需要使用13位地址，應(yīng)把地址總線的低位地址，應(yīng)把地址總線的低 13

21、位地址送到每個位地址送到每個58C65存儲器芯片的地址引腳；存儲器芯片的地址引腳； 為訪問為訪問 2048 個存儲單元，需要使用個存儲單元，需要使用11位地址，應(yīng)把地址總線的低位地址，應(yīng)把地址總線的低 11位地址送到每個位地址送到每個6116存儲器芯片的地址引腳；存儲器芯片的地址引腳； 對地址總線的高位部分進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生的譯碼信號送到相應(yīng)的存儲器對地址總線的高位部分進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生的譯碼信號送到相應(yīng)的存儲器 芯片的片選信號引腳芯片的片選信號引腳 /CS，用于選擇讓哪一個地址范圍內(nèi)的存儲器，用于選擇讓哪一個地址范圍內(nèi)的存儲器 芯片工作，保證不同存儲器芯片在時間上以互斥方式（分時）運行。芯片工作，保

22、證不同存儲器芯片在時間上以互斥方式（分時）運行。 還要向存儲器芯片提供讀寫控制信號還要向存儲器芯片提供讀寫控制信號 /WE，以區(qū)分是讀、還是寫操，以區(qū)分是讀、還是寫操 作，作，/WE信號為高電平是讀，為低是寫。信號為高電平是讀，為低是寫。 36 靜態(tài)存儲器字位擴(kuò)展靜態(tài)存儲器字位擴(kuò)展 地址總線低地址總線低13位位 高位地址譯碼給出高位地址譯碼給出片選信號片選信號 /CS0 /CS1 高八位數(shù)據(jù)高八位數(shù)據(jù) 低八位數(shù)據(jù)低八位數(shù)據(jù) /WE 2K * 8 bit 8K * 8 bit 8K * 8 bit 2K * 8 bit 譯碼器譯碼器 13 11 3 11 0 01FFF1FFF 20002000

23、27FF27FF 37 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述 主存儲器部件的組成和設(shè)計主存儲器部件的組成和設(shè)計 n主存儲器概述 n動態(tài)存儲器原理 n靜態(tài)存儲器原理 n存儲器的組織 教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例教學(xué)計算機(jī)的內(nèi)存儲器實例 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 38 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 動態(tài)存儲器系統(tǒng)的快速讀寫技術(shù)動態(tài)存儲器系統(tǒng)的快速讀寫技術(shù) n快速頁式工作技術(shù)快速頁式工作技術(shù) ：連續(xù)讀寫屬于同一行的多個列中 的數(shù)據(jù)，其行地址只需在第一次讀寫時送入（鎖存）， 之后保持不變，則每次讀寫屬于該行的多個列中的數(shù) 據(jù)

24、時，僅鎖存列地址即可，從而省掉了鎖存行地址時 間，也就加快了主存儲器的讀寫速度。 nEDO（Extended Data Out）技術(shù)：在數(shù)據(jù)輸出部分 增加數(shù)據(jù)鎖存線路，延長輸出數(shù)據(jù)的有效保持時間， 即使地址信號改變了，仍能取到正確的讀出數(shù)據(jù)，這 可以進(jìn)一步縮短地址送入時間，也就加快了主存儲器 的讀寫速度。 39 提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑提高儲存器系統(tǒng)性能的途徑 主存儲器的并行讀寫技術(shù)主存儲器的并行讀寫技術(shù) n并行讀寫能夠使主存儲器在一個工作周期或略多一點的時間內(nèi)讀并行讀寫能夠使主存儲器在一個工作周期或略多一點的時間內(nèi)讀 出多個主存字。在靜態(tài)和動態(tài)的存儲器都可使用并行讀寫技術(shù)。出多個主存字。在靜態(tài)和動態(tài)的存儲器都可使用并行讀寫技術(shù)。 主要有兩種方案：主要有兩種方案：