x第04章 主存儲器與存儲系統(tǒng)

1、1第第4章章 主存儲器與存儲系統(tǒng)主存儲器與存儲系統(tǒng)4.1 存儲器基本概念存儲器基本概念4.2 半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)和原理半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)和原理4.3 高速存儲器高速存儲器4.4 Cache存儲器存儲器4.5 虛擬存儲器虛擬存儲器本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容（1）教學(xué)目的與要求教學(xué)目的與要求n掌握存儲器的分類、主要技術(shù)指標(biāo)掌握存儲器的分類、主要技術(shù)指標(biāo)n掌握存儲器的層次結(jié)構(gòu)掌握存儲器的層次結(jié)構(gòu)n理解主存的基本結(jié)構(gòu)和操作理解主存的基本結(jié)構(gòu)和操作n掌握掌握SRAM和和DRAM的工作原理的工作原理n了解只讀存儲器了解只讀存儲器2 存儲器是具有存儲器是具有“記憶記憶”功能的部件。功能的部件。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，

2、存儲器又稱為主存儲在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，存儲器又稱為主存儲器或內(nèi)存儲器器或內(nèi)存儲器(簡稱簡稱主存或內(nèi)存主存或內(nèi)存)。它是。它是一組或多組具有數(shù)據(jù)讀寫和數(shù)據(jù)存儲功一組或多組具有數(shù)據(jù)讀寫和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路。內(nèi)存的主要作用是存儲能的集成電路。內(nèi)存的主要作用是存儲運(yùn)行程序和各種所需的數(shù)據(jù)以及與外部運(yùn)行程序和各種所需的數(shù)據(jù)以及與外部部件交換信息時(shí)作為數(shù)據(jù)緩沖。部件交換信息時(shí)作為數(shù)據(jù)緩沖。 34.1 存儲器基本概念存儲器基本概念4.1.1 存儲器的分類存儲器的分類n1按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類n磁表面存儲器、半導(dǎo)體存儲器、光存儲器磁表面存儲器、半導(dǎo)體存儲器、光存儲器n2按存取方式分類按存取方式分類nRA

3、M：DRAM、SRAM、NV-RAMnROMnSASn3按用途分類按用途分類n主存儲器、輔助存儲器、主存儲器、輔助存儲器、Cache451按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類（1）磁）磁表面表面存儲器存儲器 利用磁性材料的兩個(gè)不同剩磁狀態(tài)存放利用磁性材料的兩個(gè)不同剩磁狀態(tài)存放二進(jìn)制代碼，容量比較大，但速度慢。二進(jìn)制代碼，容量比較大，但速度慢。（2）半導(dǎo)體存儲器）半導(dǎo)體存儲器 是主存儲器的主流，讀寫速度快。是主存儲器的主流，讀寫速度快。（3）光存儲器）光存儲器 用介質(zhì)表面用介質(zhì)表面的對光的不同的對光的不同 光強(qiáng)反射讀取光強(qiáng)反射讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1和和0。62按存取方式按存取方式分類分類（1）隨機(jī)存儲器）隨機(jī)存

4、儲器RAM (Random Access Memory) 通過指令可以隨機(jī)地對任何存儲單元的內(nèi)通過指令可以隨機(jī)地對任何存儲單元的內(nèi)容進(jìn)行存取，且存取時(shí)間與存儲單元的物理位容進(jìn)行存取，且存取時(shí)間與存儲單元的物理位置無關(guān)。隨機(jī)存儲器分為三類：靜態(tài)置無關(guān)。隨機(jī)存儲器分為三類：靜態(tài)RAM、動態(tài)動態(tài)RAM和非易失性和非易失性RAM。7n靜態(tài)靜態(tài)RAM(SRAM) 每個(gè)存儲單元都由一個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，每每個(gè)存儲單元都由一個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，每個(gè)存儲單元可以存儲一個(gè)二進(jìn)制位，只要個(gè)存儲單元可以存儲一個(gè)二進(jìn)制位，只要芯片不掉電，存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)就不會丟芯片不掉電，存儲的二進(jìn)制數(shù)據(jù)就不會丟失。失。SRAM芯片的存儲密度比

5、較低，功耗也芯片的存儲密度比較低，功耗也比較大，但存取速度快，比較大，但存取速度快，常用作高速緩沖常用作高速緩沖存儲器存儲器(Cache Memory)。2按存取方式按存取方式分類分類8n動態(tài)動態(tài)RAM(DRAM) 動態(tài)動態(tài)RAM(Dynamic，DRAM)通過電容通過電容充放電來存儲二進(jìn)制信息。由于電容存在充放電來存儲二進(jìn)制信息。由于電容存在漏電現(xiàn)象，因此漏電現(xiàn)象，因此DRAM芯片需要頻繁刷新，芯片需要頻繁刷新，以保證數(shù)據(jù)不丟失。以保證數(shù)據(jù)不丟失。DRAM的存儲密度比的存儲密度比SRAM高，高，可用于可用于大容量存儲器，如大容量存儲器，如主存主存等。等。但由于需要數(shù)據(jù)刷新操作，使得它的存取但

6、由于需要數(shù)據(jù)刷新操作，使得它的存取速度比速度比SRAM慢。慢。2按存取方式按存取方式分類分類9n非易失性非易失性RAM(NV-RAM) 結(jié)合了結(jié)合了RAM和和ROM的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)是非的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)是非易失性的易失性的(non volatile RAM，NV-RAM)。NV-RAM允許允許CPU對其進(jìn)行隨機(jī)讀寫，同對其進(jìn)行隨機(jī)讀寫，同時(shí)掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。時(shí)掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。2按存取方式按存取方式分類分類10(2) 只讀存儲器只讀存儲器ROM(Read-Only Memory) 任何單元的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，任何單元的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，芯片掉電后數(shù)據(jù)不芯片掉電后數(shù)據(jù)不丟失。丟失。(3)

7、串行存儲器串行存儲器SAS(Serial Access Storage) SAS在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)，必須按某種在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)，必須按某種順序進(jìn)行，存取時(shí)間與存儲單元的物理順序進(jìn)行，存取時(shí)間與存儲單元的物理位置有關(guān)。位置有關(guān)。2按存取方式按存取方式分類分類113按用途分類按用途分類(1) 主存儲器主存儲器 主存儲器簡稱主存，又稱內(nèi)存，存放計(jì)算主存儲器簡稱主存，又稱內(nèi)存，存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的執(zhí)行程序和所需數(shù)據(jù)，存取速機(jī)運(yùn)行期間的執(zhí)行程序和所需數(shù)據(jù)，存取速度快。但與輔助存儲器相比，存儲容量不大，度快。但與輔助存儲器相比，存儲容量不大，價(jià)格較高。價(jià)格較高。12(2) 輔助存儲器輔助存儲器 又稱外部存儲

8、器又稱外部存儲器(簡稱輔存或外存簡稱輔存或外存)，是為了解決主存儲器容量不足而設(shè)置的是為了解決主存儲器容量不足而設(shè)置的儲存器。用來存放當(dāng)前不參加運(yùn)行的程儲存器。用來存放當(dāng)前不參加運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。當(dāng)需要這些信息時(shí)，將它們序和數(shù)據(jù)。當(dāng)需要這些信息時(shí)，將它們調(diào)入內(nèi)存后使用，調(diào)入內(nèi)存后使用，CPU不能直接訪問外不能直接訪問外存存。外存的存儲容量大，位成本低，但。外存的存儲容量大，位成本低，但讀寫速度較慢。讀寫速度較慢。3按用途分類按用途分類13 (3) 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器Cache Cache的物理位置介于主存儲器與的物理位置介于主存儲器與CPU之間，用于解決之間，用于解決CPU與主存儲器

9、之間的速與主存儲器之間的速度匹配問題。度匹配問題。Cache存取指令和數(shù)據(jù)的速存取指令和數(shù)據(jù)的速度更快，但存儲容量小。度更快，但存儲容量小。3按用途分類按用途分類144.1.2 主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)1 存儲容量存儲容量 存儲容量存儲容量是指半導(dǎo)體存儲芯片所能存儲是指半導(dǎo)體存儲芯片所能存儲的二進(jìn)制信息的位數(shù)。位的二進(jìn)制信息的位數(shù)。位(bit)是二進(jìn)制數(shù)的是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。存儲容量的單位一般是單位。存儲容量的單位一般是K位位(Kilobits)、M位位(Megabits)等。應(yīng)用不同，對存儲容量等。應(yīng)用

10、不同，對存儲容量的要求也不同。一般情況下，存儲容量大的要求也不同。一般情況下，存儲容量大有利于提高系統(tǒng)性能。有利于提高系統(tǒng)性能。154.1.2 主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 2 速度速度 通常存儲芯片的工作速度慢于通常存儲芯片的工作速度慢于CPU的工的工作速度，所以存儲芯片的工作速度直接關(guān)作速度，所以存儲芯片的工作速度直接關(guān)系到系到CPU執(zhí)行指令的速度。速度是存儲芯執(zhí)行指令的速度。速度是存儲芯片的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常用片的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常用存取時(shí)間存取時(shí)間和和 存儲周期存儲周期來表示。來表示。從啟動一次存取從啟動一次存取操作到完成該操操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。作所經(jīng)歷的時(shí)間

11、。對存儲器進(jìn)行連續(xù)兩對存儲器進(jìn)行連續(xù)兩次存取操作所需要的次存取操作所需要的最小時(shí)間間隔。最小時(shí)間間隔。164.1.2 主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)3存儲器的可靠性存儲器的可靠性 存儲器的可靠性用存儲器的可靠性用平均故障間隔時(shí)間平均故障間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)來衡來衡量。量。MTBF可以理解為兩次故障之間的平可以理解為兩次故障之間的平均時(shí)間間隔，單位為小時(shí)。均時(shí)間間隔，單位為小時(shí)。 接收接收CPU的控制信的控制信號，控制存儲器操號，控制存儲器操作。作。存放寫入或讀存放寫入或讀出的數(shù)據(jù)。出的數(shù)據(jù)。存儲二進(jìn)制信息的主存儲二進(jìn)制信息的主體，

12、存儲器的核心。體，存儲器的核心。地址，每個(gè)存儲單元都地址，每個(gè)存儲單元都有唯一的地址。有唯一的地址。174.1.3 存儲器的組成和數(shù)據(jù)存放存儲器的組成和數(shù)據(jù)存放 存儲器基本結(jié)構(gòu)存儲器基本結(jié)構(gòu) 存存 儲儲 容容 量量N M = 2nM184.1.4 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) n衡量存儲器有三個(gè)指標(biāo)：衡量存儲器有三個(gè)指標(biāo)：容量、速度、價(jià)格容量、速度、價(jià)格/位。位。 用用單一的存儲器很難同時(shí)滿足三個(gè)指標(biāo)。單一的存儲器很難同時(shí)滿足三個(gè)指標(biāo)。 理想理想的存儲系統(tǒng)應(yīng)滿足：的存儲系統(tǒng)應(yīng)滿足：n系統(tǒng)容量的系統(tǒng)容量的要求要求n訪問速度與訪問速度與CPU速度相匹配的速度相匹配的要求要求n 價(jià)格成本價(jià)格

13、成本n用存儲系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)用存儲系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)n存儲系統(tǒng)不是硬件的簡單堆積，是硬件與軟件存儲系統(tǒng)不是硬件的簡單堆積，是硬件與軟件相結(jié)合的方法連接起來成為一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系相結(jié)合的方法連接起來成為一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個(gè)存儲器。它是一個(gè)存儲器。n這個(gè)存儲器的這個(gè)存儲器的速度速度接近速度接近速度最快最快的那個(gè)存儲器，的那個(gè)存儲器，存儲器存儲器容量容量與容量與容量最大最大的那個(gè)存儲器相等或接的那個(gè)存儲器相等或接近，近，單位容量的價(jià)格單位容量的價(jià)格接近接近最便宜最便宜的那個(gè)存儲器。的那個(gè)存儲器。1920存儲器層次結(jié)構(gòu)圖存儲器層次結(jié)構(gòu)

14、圖214.2 半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)和原理半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)和原理 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器是當(dāng)前主存的首選器是當(dāng)前主存的首選器件，主要由如下部分組成：件，主要由如下部分組成：n 存儲陣列存儲陣列n 地址譯碼與驅(qū)動地址譯碼與驅(qū)動n 讀寫放大電路讀寫放大電路n 時(shí)序控制電路等時(shí)序控制電路等224.2.1 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM 通過指令可以隨機(jī)地對存儲單元進(jìn)行讀通過指令可以隨機(jī)地對存儲單元進(jìn)行讀取或改寫的存儲器。取或改寫的存儲器。RAM是易失性存儲器，是易失性存儲器，掉電后所存數(shù)據(jù)全部消失。在重要的應(yīng)用掉電后所存數(shù)據(jù)全部消失。在重要的應(yīng)用場合應(yīng)配備后備電源或不間斷電源。場合應(yīng)配備后備電源或不間斷

15、電源。RAM可以分為可以分為n 靜態(tài)隨機(jī)存儲器靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAMn 動態(tài)隨機(jī)存儲器動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM231靜態(tài)靜態(tài)RAM(1) 靜態(tài)靜態(tài)RAM的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 基本電路為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器基本電路為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器存放一位二進(jìn)制數(shù)。主要特點(diǎn)：存放一位二進(jìn)制數(shù)。主要特點(diǎn)：n存取速度快，可用于高速緩存存取速度快，可用于高速緩存Cache等應(yīng)等應(yīng)用場合；用場合；n不需要刷新電路，擴(kuò)展電路簡單，使用方不需要刷新電路，擴(kuò)展電路簡單，使用方便；便；n但集成度低，價(jià)格較高，功耗也比較大。但集成度低，價(jià)格較高，功耗也比較大。 24靜態(tài)靜態(tài)RAM基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 25主要引腳主要引腳n

16、地址信號：地址信號：輸入信號，選擇存儲單元。輸入信號，選擇存儲單元。n數(shù)據(jù)信號：數(shù)據(jù)信號：雙向信號，存取數(shù)據(jù)。雙向信號，存取數(shù)據(jù)。n片選信號：片選信號：輸入信號。存儲芯片可進(jìn)行讀輸入信號。存儲芯片可進(jìn)行讀寫操作的前提是片選信號有效。寫操作的前提是片選信號有效。n讀寫控制信號：讀寫控制信號：輸入信號?？刂菩酒淖x輸入信號。控制芯片的讀或?qū)懝ぷ鞣绞?。或?qū)懝ぷ鞣绞?。n輸出控制信號：輸出控制信號：輸入信號。此信號有效時(shí)，輸入信號。此信號有效時(shí)，允許從芯片中讀出數(shù)據(jù)。允許從芯片中讀出數(shù)據(jù)。26(2) 靜態(tài)靜態(tài)RAM芯片芯片6264 6264采用采用CMOS工藝，容量為工藝，容量為8K8位的位的高速、低功

17、耗存儲芯片。高速、低功耗存儲芯片。276264的引腳分配圖的引腳分配圖nI/O0I/O7：8條雙向數(shù)據(jù)線；條雙向數(shù)據(jù)線；nA0A12：13條地址信號線；條地址信號線； n ，CS2 ：兩條選片信號的引線，當(dāng)且僅當(dāng)：兩條選片信號的引線，當(dāng)且僅當(dāng)分別為分別為0和和1時(shí)，芯片才被選中。時(shí)，芯片才被選中。n ：輸出允許。只有為輸出允許。只有為0時(shí)，才能讀出數(shù)據(jù)。時(shí)，才能讀出數(shù)據(jù)。n ：寫允許信號。當(dāng)為低電平時(shí)，允許寫入寫允許信號。當(dāng)為低電平時(shí)，允許寫入數(shù)據(jù)；當(dāng)為高電平，且數(shù)據(jù)；當(dāng)為高電平，且 為低電平時(shí)，允許為低電平時(shí)，允許從芯片讀出數(shù)據(jù)。從芯片讀出數(shù)據(jù)。nNC：空腳，無電路連接。：空腳，無電路連接。

18、 1CSOEWEOE286264工作方式選擇工作方式選擇工作方式工作方式CS2數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線讀操作讀操作0110數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出寫操作寫操作010數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入禁止輸出禁止輸出0111高阻高阻未選中未選中1高阻高阻未選中未選中0高阻高阻1CSWEOE292動態(tài)動態(tài)RAM(1) 動態(tài)動態(tài)RAM的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 利用利用MOS管柵極對其襯底間分布電容的管柵極對其襯底間分布電容的充放電來存儲二進(jìn)制信息。由于電容存在充放電來存儲二進(jìn)制信息。由于電容存在漏電現(xiàn)象。漏電現(xiàn)象。 為維持?jǐn)?shù)據(jù)，為維持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM需要專門的動態(tài)刷需要專門的動態(tài)刷新電路，周期性對電容執(zhí)行讀出再寫入操新電路，周期性對電容執(zhí)行讀

19、出再寫入操作。作。 30動態(tài)動態(tài)RAM基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 31(2) 動態(tài)動態(tài)RAM芯片芯片Intel 2164 由單管動態(tài)由單管動態(tài)MOS存儲單元電路構(gòu)成的隨存儲單元電路構(gòu)成的隨機(jī)存取存儲器，容量為機(jī)存取存儲器，容量為64K1位位 。32Intel 2164的引腳意義的引腳意義nA0A7：8根地址信號線；根地址信號線；n ：行地址選通信號。有效時(shí)將地址信號鎖：行地址選通信號。有效時(shí)將地址信號鎖存到片內(nèi)行地址鎖存器中；存到片內(nèi)行地址鎖存器中；n ：列地址選通信號。有效時(shí)將地址信號鎖：列地址選通信號。有效時(shí)將地址信號鎖存到片內(nèi)列地址鎖存器中；存到片內(nèi)列地址鎖存器中；n ：寫允許控制線，低電平時(shí)為數(shù)

20、據(jù)寫入；：寫允許控制線，低電平時(shí)為數(shù)據(jù)寫入；nDin：數(shù)據(jù)輸入引腳；：數(shù)據(jù)輸入引腳；nDout：數(shù)據(jù)輸出引腳。：數(shù)據(jù)輸出引腳。 RASCASWE334.2.2只讀存儲器只讀存儲器ROM和閃速存儲器和閃速存儲器 1ROM的主要類型和特點(diǎn)的主要類型和特點(diǎn) 數(shù)據(jù)一旦寫入，只能讀出，不能隨意更數(shù)據(jù)一旦寫入，只能讀出，不能隨意更改，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。改，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。ROM類型：類型：n可編程只讀存儲器可編程只讀存儲器PROMn可擦寫可編程只讀存儲器可擦寫可編程只讀存儲器EPROMn電可擦除可編程只讀存儲器電可擦除可編程只讀存儲器EEPROMn閃存閃存Flash Memory等等342ROM的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) ROM的基本結(jié)構(gòu)與的基本結(jié)構(gòu)與RAM相似，相似，ROM僅有僅有數(shù)據(jù)讀取功能，控制信號中不需要讀寫控制信數(shù)據(jù)讀取功能，控制信號中不需要讀寫控制信號線。當(dāng)輸出控制信號無效時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端處號線。當(dāng)輸出控制信號無效時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端處于高阻狀態(tài)。于高阻狀態(tài)。353EPROM芯片舉例芯片舉例-2716 典型的典型的EPROM芯片芯片2716，2K8位位12345678910111213141516171819202122232