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文檔簡介

1、第四章 存儲器和存儲系統分層的存儲系統n基本概念n存儲容量n 存儲器可以容納的二進制信息量n存儲器包含的存儲單元的總數n 存儲容量 = 存儲單元字節(jié))n存儲器所能記憶的全部二進制信息量n 例如:某存儲器有4096字節(jié)的存儲單元n 則存儲器的存儲容量為 4KB = 32KBitn存儲系統的分層結構寄存器組高速緩沖存儲器主 存 儲 器輔 助 存 儲 器CPU內部主機內部外部設備價錢高低容量小大CacheCPURAMROM外存主存帶 Cache 的結構層次n存儲系統中的主存n按存儲介質分類n半導體存儲器n體積小、功耗低、存取時間短、信息容易丟失n磁表面存儲器n信息不易丟失n磁芯存儲器n體積龐大、工藝

2、復雜、功耗大n光盤存儲器n記錄密度高、耐用性好、可靠性高、可互換性強n按存取方式分類n只讀存儲器ROM)n 掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH n memoryn隨機存取存儲器RAM)n SRAM、DRAMn串行訪問存儲器n 磁帶存儲器譯碼器與驅動地址寄存器讀寫電路控制電路存儲體讀寫地址總線數據總線控制總線圖圖 主存的基本組成主存的基本組成n主存的工作過程n主存的技術指標n存儲容量n主存中能存放二進制代碼的總數n存儲容量 = 存儲單元數 * 字長n存儲速度n存取時間:又叫存儲器的訪問時間,是指啟動一次存儲器操作讀或寫到完成該操作所需要的全部時間n存取周期:存儲器進行連續(xù)

3、兩次獨立的存儲器操作所需要的最小時間間隔n MOS的存取周期100ns,TTL的存取周期10nsn存儲器的帶寬n每秒從存儲器中進出信息的最大數量。單位為字節(jié)/秒或字/秒n例如:存取周期為500ns,則1秒周內能進行1/( 500 * n 10-9 )= 200萬次操作,假設每個存儲周期能夠n 訪問16位的二進制數,則它的帶寬為n 200萬 * 2 * 8 = 200萬 * 2 字節(jié)/秒n = 4M字節(jié)/秒提高存儲器的帶寬:縮短存取周期、增加存儲字長、增加存儲體n幾種半導體存儲器存儲體地址譯碼讀寫電路地址總線A0An數據總線D0Dm片選線讀控制線寫控制線圖圖 存儲器芯片的基本結構存儲器芯片的基本

4、結構n地址線n編號方式:A0,A1,Ann存儲器芯片引腳的數目決定的存儲器的容量。n一個存儲器芯片引腳的數目為10n則地址范圍為00 0000 0000 11 1111 1111n存儲容量為 210 = 1024 個存儲單元,即 1KB。n假設CPU有16位的地址總線,那么它可以訪問的存儲空n間范圍為 0000H FFFFH,即 216 = 64KBn8086,8088地址總線為20位,可以訪問的存儲空間的范n圍為:00000H FFFFFH,即 220 = 1MB80286地址總線為24位,可訪問的存儲空間為16M80386,80486和Pentium地址總線為32位,可訪問的存儲空間為4G

5、Pentium Pro 和 Pentium II 的地址總線為36位,可訪問的存儲空間為64G16位二進制數表示的地址:0000, 0001, 0002, 000E, 000F0000, 0001, 0002, 000E, 000FFFE0, FFE1, FFE2, FFEE, FFEFFFF0, FFF1, FFF2, . FFFE, FFFFn數據線n表示方式:D0,D1,Dmn存儲器的容量通常為字節(jié)n*也可以用字16位)、4位或1位來進行表示n1K*8 表示有1K的存儲容量,每個存儲單元輸出8位數據n16K * 1 表示有16K的存儲容量,每個存儲單元輸出1位n 的數據n芯片選擇線片選線

6、)n存儲器芯片上有一個或一個以上允許存儲器芯片工作的控制線n表示方式:片選CS),片允許CE),n 或簡寫為 Sn讀寫控制線n存儲器芯片上傳輸讀、寫控制信號,ROM只有讀信號,RAM上有一到兩個讀寫控制信號n表示方式nROM 允許輸出信號 OE 或簡稱 GnRAM 讀信號 WE 或簡稱 Wn 寫信號 OE 或簡稱 Gn只讀存儲器n掩膜ROMY 列地址譯碼01231A5 A6 A7 A8 A9選通輸出0131X行地址譯碼A0A1A2A3A4nPROM行線列線VCC熔絲存0,則燒斷熔絲;存1,熔絲不斷。只能實現一次編程nEPROMn改寫方式n紫外線照射n電氣的方法EEPROM)nFLASH mem

7、oryP 基片N+N+SDGSiO2n靜態(tài)RAMSRAM)VCCT1T3T2T4T5T6AA位線B位線B地址選擇n動態(tài)RAM字線數據線TCS利用存儲器芯片構造存儲系統n利用與非門實現譯碼n例:假設某微處理器有20根地址線n A0,A1,A2,A19n 8根數據線D0,D1,D2,D7n n 20根地址線:CPU可以訪問1M個存儲單元n 8根數據線:CPU和存儲器之間每次傳送的數n 據為8位n 存儲器使用 2K * 8 EPROM:11根地址線,8n 根數據線2K*8EPROM數據線D0D7地址線A0A10CEOEVPPVCCRD地址線A12A19地址線A11M/IO2K * 8 EPROM被譯

8、為地址 FF000HFF7FFHn利用譯碼器實現譯碼Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ABC G1G2AG2B譯碼輸入輸入使能74LS138譯碼器G2AG2BG1CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XXXXX11111111XXXXX11111111XXXXX111111110010000111111100100110111111001010110111110010111110111100110011110111001101111110110011101111110100111011111110例:假設微處理器系統中從0E0000H開始的64K存儲區(qū) 無存儲器,已知某一類RAM是8K*8的存儲

9、芯片, 如何進行擴充?8K*8CEW/R數據線D0D7地址線A0A12Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A12D0D7A0A12D0D7數據線數據線地址線地址線RDW/RW/RA13A15A16A17A19ABCG1G2AG2BE0000E1FFFE2000E3FFFE4000E5FFFE6000E7FFFE8000E9FFFEA000EBFFFEC000EDFFFEE000EFFFFCECE存儲器的擴展n存儲器的位擴展n位擴展是指增加存儲器的字長,如1K*4的存n 儲器,可組成1K*8的存儲器21142114A0A9D4D7D0D3CSWEn存儲器的字擴展n字擴展是指增加存儲器的字的數量,

10、如2片n 1K*8的存儲器,可組成2K*8的存儲器,n 即存儲器的容量增加了一倍D0D71K * 8 A1K * 8 BWEA0A9A10存儲器的容量為2K,即 000 0000 0000 100 0000 0000 011 1111 1111 111 1111 11111 K1 KCS0CS1n存儲器的字、位擴展n字、位擴展是指既增加存儲器的字的數量又增n 加字長,如4片1K*4的存儲器,可n 組成2K*8的存儲器,即存儲器的n 容量、字長都增加了一倍。1K * 41K * 41K * 41K * 4D0D7WECS0A0A9A10CS1例:假設 8086 系統中從 0E0000H 開始的

11、64K 存儲區(qū)無 存儲器,2764EPROM 是 8k*8 的只讀存儲器,如何 對其進行擴充?解:第一步:將地址范圍寫成二進制代碼,并確定其總容量解:第一步:將地址范圍寫成二進制代碼,并確定其總容量 A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 164K第二步:根據地址范圍的容量及該范圍在計算機中的應用,選 擇存儲芯片 要擴充64K的存儲容量,給定

12、了只讀存儲器2764EPROM, 共需要 8 片 2764EPROM 進行擴充。第四步:片選信號的形成第三步:分配地址線 將CPU的低13位地址線A0A12與2764EPROM相連,剩下 的高位地址線用于產生片選信號。1 譯碼器的輸入端A、B、C,決定了Y0Y7那個端口有輸出, 從而決定選中哪片芯片,將A15、A14、A13分別與C、B、A相 連,從000111變化,從而可以選擇8片芯片。 A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13、 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 為了使譯碼器進行工作,G1位高電平,G2A、G2B位低電平, 可以將A19、A18、A17連接到一個與非門上,與非門的輸出和 G2A、G2B輸入端相連。A16可以和一個非門電路相連,輸 出和G1的輸入端相連。Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A12D0D7A0A12D0D7數據線數據線地址線地址線RDW/RW/RA13A15A16A17A19ABCG1G2AG2BE0000E1FFFE2000E3FFFE4000E5FFFE6000E7FFFE8000E9FFFEA000EBFFFEC000EDF

14、FFEE000EFFFFCECE A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1針對譯碼器的Y0輸出,這時CBA=000,即A15=0, A14=0, A13=0地址范圍: 1110 0000 0000 0000 0000 = E0000H 1110 0001 1111 1111 1111 = E1FFFH針對譯碼器的Y1輸出,這時CBA=001

15、,即A15=0, A14=0, A13=1地址范圍: 1110 0010 0000 0000 0000 = E2000H 1110 0011 1111 1111 1111 = E3FFFH例:假設例:假設 CPU 有有16根地址線,根地址線,8根數據線,并用根數據線,并用 MREQ作作 為訪存控制信號低電平有效),用為訪存控制信號低電平有效),用 WR 做讀做讀/寫控寫控制信號高電平為讀,低電平為寫),現有下列存儲芯片:制信號高電平為讀,低電平為寫),現有下列存儲芯片:1K*4位位RAM,4K*8位位RAM,8K*8位位RAM,2K*8位位ROM,4K*8位位ROM,8K*8位位ROM及及74

16、LS138譯碼器譯碼器和各種門電路,畫出和各種門電路,畫出CPU與存儲器的連接圖,要求:與存儲器的連接圖,要求: 1. 主存地址空間分配主存地址空間分配 6000H 67FFH 為系統程序區(qū)為系統程序區(qū) 6800H 6BFFH 為用戶程序區(qū)為用戶程序區(qū) 2. 合理選用上述存儲芯片,說明各選幾片?合理選用上述存儲芯片,說明各選幾片? 3. 詳細畫出存儲器芯片的片選邏輯圖。詳細畫出存儲器芯片的片選邏輯圖。解:第一步:將地址范圍寫成二進制代碼,并確定其總容量解:第一步:將地址范圍寫成二進制代碼,并確定其總容量 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3

17、A2 A1 A0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1系統程序區(qū)2K*8用戶程序區(qū)1K*8第二步:根據地址范圍的容量及該范圍在計算機中的應用,選 擇存儲芯片 由 6000H 67FFH 為系統程序區(qū),為2K*8位,應選擇一 片 2K*8 位 ROM 由 6800H 6BFFH 為用戶程序區(qū),為1K*8位,應選擇兩 片 1K*4 位 RAM第三步:分配 CPU 的地址線 將 CPU

18、 的低11位地址線A10 A0與2K*8位的ROM地址線相 連,將 CPU 的低10位地址線A9 A0與1K*4位的RAM地址 線相連,剩下的高位地址與訪存控制信號共同產生存儲芯 片的片選信號。第四步:由題給出的74LS138譯碼器的輸入邏輯關系可知,必須保 證G1為高電平,G2A、G2B為低電平才能使譯碼器工作。 A15為低,連接到G2A上,A14為高,連接到G1上,MREQ 為低,連接到G2B上 。保證了三個控制端的要求 A13、A12、A11連接到C、B、A上。輸出Y4有效時,選中 一片ROM;Y5有效時,同時A10有效為低電平,選中兩片 RAM。讀出時低電平有效,RAM的讀/寫控制端與

19、CPU的 命令端WR相連 * ROM 的數據線是單向的2K * 81K * 41K * 4MREQD7D6D5D4D3D2D1D0WRA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CBAA13A12A11G1G2AG2BA15A14Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0提高訪問存儲器速度的方法n多存儲體方式n單體多字系統W位W位W位W位地址寄存器主存控制部件數據寄存器存儲體前提:指令和數據在主存中必須是連續(xù)存放的,一旦遇到轉前提:指令和數據在主存中必須是連續(xù)存放的,一旦遇到轉移指令或者操作數不能連續(xù)存放,這種方法的效果就不明顯移指令或者操作數不能連續(xù)存放,這種方法的效果就不明顯n多體并行存儲系統地址

20、碼被分為體號、體內地址兩部分)n高位交叉編址 有利于存儲器的擴充體 號體內地址地址譯碼01n-1nn+12n-12n2n+13n-13n3n+14n-100000000000100001000001100010000010100011000011100100000100100101000101100110000110100111000111101000001000101001001001101010001010101011001011101100001100101101001101101110001110101111001111110000010000110001010001110010010

21、0101100110100111101000101001101010101011101100101101101110101111110000110001110010110011110100110101110110110111111000111001111010111011111100111101111110111111M0M1M2M3n低位交叉編址 有利于解決訪存沖突體內地址地址譯碼044n-4154n-3264n-2374n-1體 號00000000010000100000110001000001010001100001110010000010010010100010110011000011

22、0100111000111100M0M1M2M3000001000101001001001101010001010101011001011101100001100101101001101101110001110101111001111101000010000110001010001110010010010110011010011110100010100110101010101110110010110110111010111110000011000111001011001111010011010111011011011111100011100111101011101111110011110111

23、111011111111n高速緩沖存儲器 - Cachen問題的提出n避免CPU與I/O爭搶訪存n I/O設備向主存請求的級別高于CPU訪存n解決CPU與主存之間速度不匹配的問題n CPU的速度每年增長60%n RAM速度每年改進 7%n程序訪問的局部性原理使CPU與Cache交換信息成為可能nCache的工作原理012.2m-1字塊0字塊1字塊2字塊2m-1主存塊號 塊內地址M塊= 2m B個字= 2bm位b位n位012.2c-1字塊0字塊1字塊2字塊2c-1緩存塊號 塊內地址C塊= 2c B個字= 2bc 位b位標志n影響Cache命中率的因素n塊長n 一般塊長取4至8個可編址單位字或字節(jié)

24、)n IBM370/168的主存是4體交叉,每個體寬為64n 位8個字節(jié)),Cache的塊長為32個字節(jié)。n容量n Cache的容量是成本與命中率的折衷n 80386主存的最大容量為4GB,Cache的容量為n 16KB或32KB,命中率可達95%以上CPU地址總線數據總線主存Cache存儲體Cache數據替換機構主存Cache地址映像變換機構主存地址命中、產生Cache地址直接通路沒命中訪問主存替換Cachen替換算法n先進先出FIFO)n優(yōu)點:實現容易、開銷小n缺陷:可能把一些常用的程序,如子程序、循環(huán)程序塊,作為最早進入Cache塊,替換出去n近期最少使用法LRU)n優(yōu)點:命中率高n缺陷

25、:開銷大nCache的讀/寫操作n讀操作開場CPU發(fā)出訪問地址命中?訪問Cache,取出信息送CPU訪問主存,取出信息送CPU將新的主存塊調入Cache中執(zhí)行替換算法騰出空位終了YNCache滿?YNn寫操作n寫直達法:數據寫入Cache的同時,也寫入主存的相應的塊。n 能始終保證Cache中的內容和主存中的內容一致。n寫回法:數據每次只是暫時寫入Cache中,并用標志將該塊加以注明,當該塊從Cache中替換出去時,才寫入主存中。n 該方法速度快,但因主存中的字塊未經隨時修改,可能失效。n信息只寫入主存,同時將相應的Cache塊有效位置“0”,表明此塊已失效,需要時從主存中調入。還有一種情況,

26、被修改的單元不在Cache內,這時,寫操作只對主存進行。nCache的改進n單一緩存和兩級緩存n統一緩存和分開緩存n統一緩存:指令和數據都存放在同一緩存內的Cachen分開緩存:指令和數據分別存放在兩個緩存中。外部存儲器n主要技術指標n存儲密度:單位長度內存儲的二進制信息n道密度:磁盤沿半徑方向,單位長度的磁道數n位密度:單位長度磁道能紀錄的二進制信息的位數磁道磁盤磁帶n存儲容量n外存儲器所能存儲的二進制信息的總數量。一般以位或字節(jié)為單位。n磁盤存儲器容量n盤面數:可以存儲數據的盤面?zhèn)€數n扇區(qū):每個磁道分為若干個區(qū)域,每個扇區(qū)存放512個字節(jié)數據n磁盤存儲器容量 = 盤面數*每個盤面的磁道數*

27、扇區(qū)數*每個扇區(qū)存儲字節(jié)數n格式化容量和非格式化容量n非格式化容量:磁盤表面可以利用的磁化單元總數n格式化容量:磁盤按某種特定的存儲格式所能存儲數據的總量n平均存取時間n平均找道時間+平均等待時間+控制指令運行時間n數據傳輸率n單位時間內磁表面存儲器向主機傳送數據的位數n或字節(jié)數n數據傳輸率 = 記錄密度 * 記錄介質的運行速度n誤碼率n是衡量磁表面存儲器出錯概率的參數n誤碼率 = 出錯信息的位數 / 讀出的總信息位數n磁記錄原理和記錄方式n磁記錄原理寫線圈NS寫線圈SN磁芯磁通磁層磁載體局部磁化單元局部磁化單元寫入0寫入1n記錄方式n歸零制RZ)n記錄1時通正向脈沖電流,記錄0時通負向脈沖電

28、流n兩位信息之間的驅動電流歸零n記錄密度不高,目前很少使用n不歸零制NRZ)n磁頭線圈始終有電流n當連續(xù)記錄 1 或者 0 時,寫電流方向不變,只有當兩個相鄰的代碼不同時,寫電流才改變方向。n見1就翻的不歸零制NRZ1)n磁頭線圈始終有電流n記錄 0 時電流不改變方向,記錄 1 時電流改變方向n調相制PM)n記錄0時,電流由負編正,記錄1時,電流由正變負n每兩個相同信息的交界處,電流方向變化一次;相鄰信息不同時,電流方向不變n應用于磁帶存儲器中n調頻制FM)n以驅動電流變化的頻率不同來區(qū)別記錄1或者0n記錄0時,在一位信息的記錄時間內電流保持不變;記錄1時,在一位信息記錄時間的中間時刻,電流改

29、變一次方向。相鄰信息的交界處,線圈電流均變化一次。n廣泛應用于硬磁盤和軟磁盤中n改進調頻制MFM)n記錄0時,在記錄時間內電流不變,在記錄1時在記錄時間的中間時刻電流發(fā)生一次變化。(與調頻制相同)n只有當連續(xù)記錄兩個或兩個以上的0時,才在每位的起始處電流改變一次。n寫入同樣的數據序列時,MFM比FM磁翻轉次數少,在相同長度的磁層上可記錄的信息量將會增加,從而提高了磁記錄密度。n倍密度軟磁盤采用MFM的記錄方式0 1 1 1 0 0 0 1 0歸零制RZ不歸零制NRZ見1就翻的不歸零制NRZ1調相制PM調頻制FM改進調頻制MFMn評價記錄方式的主要指標n編碼效率n位密度與磁化翻轉密度的比值,可以用記錄一位信息的最大磁化翻轉次數來表示nFM、PM記錄方式中,記錄一位信息的最大磁化翻轉次數為2,因此編碼效率為50%。nMFM、NRZ、NRZ1中,編碼效率為100%n自同步能力n從單個磁道讀出的脈沖序列中所提取同步時鐘脈沖的難易程度。nNRZ1采用外同步nFM、MFM是具有自同步能力的記錄方式n軟磁盤存儲器n概述n軟盤存儲器的盤片使用類似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的,簡稱軟盤n軟盤特點n轉速低、

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