計算機組成原理ch02

1、第二章 存儲系統(tǒng)2.1 存儲器概述2.2 主存儲器2.3 高速緩沖存儲器(Cache)2.4 輔助存儲器2.5 小型案例實訓2.6 本章小結2.7 學習加油站1磁盤 磁帶 光盤 高速緩沖存儲器（Cache）Flash Memory存儲器主存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài) RAM動態(tài) RAM一、存儲器的分類1. 按存儲器在計算機系統(tǒng)中的作用分類2.1 存儲器概述2(1) 存取時間與物理地址無關（隨機訪問） 順序存取存儲器SAM 磁帶(2) 存取時間與物理地址有關（串行訪問） 隨機存儲器RAM 只讀存儲器ROM 直接存取存儲器DAM 磁盤在程序的執(zhí)行過程中 可

2、 讀 可 寫在程序的執(zhí)行過程中 只讀2.1 存儲器概述2. 按存放方式分類32.1 存儲器概述3. 按存儲介質分類(1) 半導體存儲器(2) 磁表面存儲器(3) 磁芯存儲器(4) 光盤存儲器易失TTL 、MOS磁頭、載磁體硬磁材料、環(huán)狀元件激光、磁光材料非易失42.1 存儲器概述4. 按信息的可保存性分類易失性存儲器：斷電后存儲信息即消失的存儲器，如半導體RAM。非易失性存儲器：斷電后信息仍然保存的存儲器，稱。例如，ROM、磁芯存儲器、磁表面存儲器和光存儲器。破壞性讀出：如果某個存儲單元所存儲的信息被讀出時，原存信息將被破壞，必須緊接一個重寫(再生)的操作。非破壞性讀出：單元原存信息不被破壞。

3、52.1 存儲器概述二、 存儲器的層次結構高低小大快慢外存寄存器緩存主存磁盤光盤磁帶光盤磁帶速度容量價格 位CPUCPU主機62.1 存儲器概述三、存儲器的主要技術指標存儲容量存取時間 存儲周期存儲器帶寬單位字數(shù)或字節(jié)數(shù)(B) ，如64KB、512KB、64MB 一次讀操作命令發(fā)出到該操作完成，將數(shù)據(jù)讀出到數(shù)據(jù)總線上所經(jīng)歷的時間。連續(xù)啟動兩次讀操作所需間隔的最小時間。單位時間內存儲器所存取的信息量，通常以位/秒或字節(jié)/秒為度量單位。72.2 主存儲器一、半導體存儲器的分類 1. 隨機存取存儲器（RAM）NV-RAM芯片使用了下面的技術：(1) 它用由CMOS構成的功耗極低的SRAM存儲單元。(

4、2）內部使用鋰電池作為后備電源。(3) 使用一個智能控制電路。 靜態(tài) RAM動態(tài) RAM非易失性存儲器(NV-RAM)RAM82.2 主存儲器2. 只讀存儲器（ROM）MROMPROMEPROMROMEEPROMFlashROM92.2 主存儲器二、隨機存取寄存器（RAM）結構1. 半導體存儲芯片的基本結構芯片容量譯碼驅動存儲矩陣讀寫電路1K 4位16K 1位8K 8位讀/寫控制線地址線數(shù)據(jù)線地址線（單向）數(shù)據(jù)線（雙向）104141138片選線102.2 主存儲器2. SRAM讀寫周期波形圖112.2 主存儲器3. 動態(tài)存儲器(DRAM) 1)DRAM存儲元的記憶原理122.2 主存儲器2)D

5、RAM芯片的邏輯結構132.2 主存儲器動態(tài)存儲器的刷新方式通常有以下幾種：(1)集中式刷新方式(2)分散式刷新方式 (3)異步式刷新方式142.2 主存儲器動態(tài)存儲器(DRAM)和靜態(tài)存儲器(SRAM)的比較(1)集成度 在同樣的大小的芯片中，動態(tài)RAM的集成度遠高于靜態(tài)RAM；(2)封裝尺寸 動態(tài)RAM行、列地址按先后順序輸送，減少了芯片引腳，封裝尺寸也減少；(3)功耗 動態(tài)RAM的功耗僅為靜態(tài)RAM的；(4)價格 動態(tài)RAM的價格僅為靜態(tài)RAM的。因此，隨著動態(tài)RAM容量不斷擴大，速度不斷提高，它被廣泛應用于計算機的主存；(5)存儲元件 動態(tài)RAM使用電容，因此它的速度比靜態(tài)RAM低；(

6、6)刷新 動態(tài)RAM需要再生，故需配置再生電路，也需要消耗一部分功率。通常，容量不大的高速存儲器大多用靜態(tài)RAM實現(xiàn)。152.2 主存儲器三、只讀存儲器（ROM）結構 1. 掩膜ROM 2. 可編程ROM(1) EPROM( 2)EPROM(3) EEPROM(4)FlashROM162.2 主存儲器四、存儲器與CPU的連接方法 1. 存儲容量的擴展(1)位擴展(2)字擴展(3)字、位擴展17 (1) 位擴展（增加存儲字長） 用 2片 1K 4位 存儲芯片組成 1K 8位 的存儲器10根地址線8根數(shù)據(jù)線DDD0479AA021142114CSWE18 (2) 字擴展（增加存儲字的數(shù)量） 用 2

7、片 1K 8位 存儲芯片組成 2K 8位 的存儲器11根地址線8根數(shù)據(jù)線 1K 8位 1K 8位D7D0WEA1A0A94.2CS0A10 1CS119 (3) 字、位擴展用 8片 1K 4位 存儲芯片組成 4K 8位 的存儲器8根數(shù)據(jù)線12根地址線WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0CS1CS2CS3片選譯碼.4.21K41K41K41K41K41K41K41K4202.2 主存儲器2. 存儲器與CPU的連接(1)地址線的連接(2)數(shù)據(jù)線的連接(3)讀寫命令線的連接 (4)片選線的連接(5)合理選擇存儲芯片例題MDRMARCPU主 存讀數(shù)據(jù)總線地址總線寫片選212.2 主存儲器【例2

8、.2】設CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用作訪存控制信號(低電平有效)，用作讀/寫控制信號(高電平為讀，低電平為寫)?，F(xiàn)有下列存儲芯片：1K4位RAM；4K8位RAM；8K8位RAM；2K8位ROM；4K8位 ROM；8K8位ROM及74LSl38譯碼器和各種門電路，如圖2-17所示。畫出CPU與存儲器的連接圖，要求： 主存地址空間分配： 6000H67FFH為系統(tǒng)程序區(qū)： 6800H6BFFH為用戶程序區(qū)。 合理選用上述存儲芯片，說明各選幾片？ 詳細畫出存儲芯片的片選邏輯圖。22解: (1) 寫出對應的二進制地址碼(2) 確定芯片的數(shù)量及類型0 1 1 00 0 0 00 0 0 00

9、0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 00 1 1 11 1 1 11 1 1 10 1 1 01 0 0 00 0 0 00 0 0 00 1 1 01 0 1 11 1 1 11 1 1 12K8位1K8位4.2系統(tǒng)程序區(qū)用戶程序區(qū)2片1K4位1片 2K8位23(3) 分配地址線A10 A0 接 2K 8位 ROM 的地址線A9 A0 接 1K 4位 RAM 的地址線(4) 確定片選信號CBA0 1 1 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 00 1 1 11 1 1 11 1

10、 1 10 1 1 01 0 0 00 0 0 00 0 0 00 1 1 01 0 1 11 1 1 11 1 1 12K 8位1片 ROM1K 4位2片RAM24 2K 8位 ROM 1K 4位 RAM1K 4位 RAM&Y5Y4G1CBAG2BG2AMREQA14A15A13A12A11A10A9A0D7D4D3D0WR252.2 主存儲器五、提高訪存速度的措施1. 存儲體系結構上的改進 (1)高速緩沖存儲器(Cache) (2)并行主存儲器系統(tǒng)1) 單體多字并行主存系統(tǒng)2)多體交叉存取方式的并行主存系統(tǒng) 多體交叉存取方式適合于流水線的處理方式261) 單體多字系統(tǒng) W位W位W位W位W位

11、地址寄存器主存控制部件. . . . . . . . . . .單字長寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 存儲體 增加存儲器的帶寬 272) 多體并行系統(tǒng)(a) 高位交叉 各個體并行工作M0地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址譯碼體內地址體號28(2) 低位交叉M0地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址譯碼 體號體內地址各個體輪流編址292.2 主存儲器2. 存儲芯片設計上的改進(1)同步型動態(tài)存儲器(SDRAM)(2)雙倍速率SDRAM(DDR SDRAM)(3)Direct Rambus DRAM(Direct RDRAM)(4)同步鏈接內存

12、SLDRAM(SyncLink DRAM)(5)虛擬信道內存(Virtual Channel DRAM)302.3 高速緩沖存儲器(Cache)一、Cache的功能與基本原理1.程序的局部性原理 :時間、空間2.Cache的位置：CPU與內存之間3.思想：利用了SRAM的速度優(yōu)勢和DRAM的高集成度、低功耗及低成本的特點 4.作用：解決CPU與主存之間速度不匹配而采用的一項重要技術，從而達到提高CPU訪存的速度目的312.3 高速緩沖存儲器(Cache)5.Cache的基本原理 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 結束命中

13、？Cache滿？CPU發(fā)出訪問地址 開始YNYN讀322.3 高速緩沖存儲器(Cache)二、Cache存儲器的地址映像1.全相連映像2.直接映像3.組相連映像331. 全相聯(lián)映象主存 中的 任一塊 可以映象到 緩存 中的 任一塊字塊2m1字塊2c1字塊1 字塊0字塊2c1字塊1字塊0標記標記標記主存字塊標記 字塊內地址主存地址Cache 存儲器主存儲器 字塊034塊0Cache塊1塊Cb-1塊0塊1塊i塊Mb-1主存儲器全相聯(lián)映象方式35 字塊2m1 字塊2c+1 字塊2c+11 字塊2c +1 字塊2c 字塊2c1 字塊1 字塊0主存儲體 字塊 1 標記 字塊 0 標記字塊 2c1標記Ca

14、che存儲體t位01C1 字塊字塊地址 主存字 塊標記t 位c 位b 位主存地址 比較器（t位）= 不命中有效位=1？*m位 Cache內地址否是命中2. 直接映象每個緩存塊 i 可以和 若干 個 主存塊 對應每個主存塊 j 只能和 一 個 緩存塊 對應i = j mod C4.3 字塊2c+1 字塊2c 字塊0 字塊 036塊0Cache塊1塊Cb-1塊0塊Cb-1主存儲器直接相聯(lián)映象方式塊Cb塊2Cb-1塊Mb-Cb塊Mb-1區(qū)0區(qū)1區(qū)Me-137組2m1字塊2c-r+1 組2c-r + 1 字塊2c-r組2c-r 組1 字塊0 字塊 3標記 字塊 1標記字塊 2c1標記 字塊 2標記 字

15、塊 0標記字塊 2c2標記 字塊內地址組地址主存字塊標記s = t + r 位q = cr 位b 位組012c-r1主存地址Cache主存儲器m 位共 Q 組，每組內兩塊（r = 1)1某一主存塊 j 按模 Q 映射到 緩存 的第 i 組中的 任一塊i = j mod Q直接映象全相聯(lián)映象3. 組相聯(lián)映象4.3 組0 字塊 1 字塊 0組2c-r組2c-r+1382.3 高速緩沖存儲器(Cache)三、替換策略1. 先進先出算法(FIFO)2. 近期最少使用算法(LRU)392.4 輔助存儲器一、磁記錄的原理1 .原理：利用磁性材料在不同方向的磁場作用下具有兩個穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來記錄信息。 2.

16、 構成：磁頭 ，運動機構以及控制電路等。 3. 特點：(1) 掉電非易失性 利用不同剩磁狀態(tài)來存儲信息。(2)一次寫入，多次讀出 利用電磁感應獲得讀出，因此讀出過程不會破壞磁化狀態(tài)，屬于“非破壞性讀出” 。(3)可多次重寫 重新磁化可以改變記錄介質的磁化狀態(tài)。(4)順序存取方式。(5) 讀寫速度慢 在機械運動過程中讀寫(6)可靠性較差。402.4 輔助存儲器二、磁記錄方式1. 歸零制(RZ)2. 不歸零制(NRZ)3. 不歸零-1制(NRZ-1)4. 調相制(PM)5. 調頻制(FM)6. 改進調頻制(MFM)412.4 輔助存儲器422.4 輔助存儲器三、磁盤存儲器按盤片材料分類：硬盤、軟盤

17、兩種 溫盤的構成：是一種典型的固定式盤片活動頭硬盤存儲器。其主要特點是把磁頭、盤片、磁頭定位機構甚至讀寫電路等均密封在一個盤盒內，構成密封的頭-盤組合體。這個組合體不可隨意拆卸，它的防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高。磁盤存儲器由驅動器、控制器和盤片三部分組成。432.4 輔助存儲器1. 硬磁盤存儲器1) 硬盤的信息分布和磁盤地址 (a) 硬盤的信息分布 在硬盤中信息分布呈以下層次：記錄面、圓柱面、磁道和扇區(qū)。442.4 輔助存儲器(b) 磁盤地址磁盤地址一般表示為：驅動器號圓柱面(磁道)號記錄面(磁頭)號扇區(qū)號452.4 輔助存儲器2) 硬盤存儲器的主要技術參數(shù)(1) 存儲容量C (2

18、) 平均尋址時間(3) 存儲密度(4) 數(shù)據(jù)傳輸率磁盤組所有盤片能記錄的二進制信息的最大數(shù)量，一般以字節(jié)為單位。平均磁道定位時間和平均旋轉等待時間之和位密度和道密度單位時間內磁盤存儲器所能傳送的數(shù)據(jù)量462.4 輔助存儲器【例2.4】磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(qū)域內徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內層位密度400位/cm，轉速2400轉/分，平均尋道時間為10ms 。問：(1) 共有多少柱面?(2) 盤組總存儲容量是多少？(3) 數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4) 平均尋址時間是多少？(5) 采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何

19、表示磁盤地址?(6) 如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?47解：(1)有效存儲區(qū)域16.5115.5(cm) 因為道密度40道/cm，所以共有405.5220道，即220個圓柱面。(2) 內層磁道周長為2R23.141169.08（cm） 每道信息量400位/cm69.08cm27632位3454B 每面信息量3454B220759880B 盤組總容量759880Bl07598800B7.25MB(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率DrrN N為每條磁道容量，N3454 B r為磁盤轉速，r2400轉/60秒40轉/秒 DrrN403454B13816 B/

20、s(4)磁盤旋轉一圈的時間為 25ms 平均尋址時間 10ms Ta10ms25/2ms22.5ms(5) 采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個扇區(qū)，每個記錄塊 記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式：(6) 如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一柱面上，因為不需要重新尋道，數(shù)據(jù)讀寫速度快。驅動器號圓柱面號盤面號扇區(qū)號482.4 輔助存儲器2. 軟磁盤存儲器1) 軟盤片(a)形狀及尺寸：圓形盤片，按盤片直徑可分為：5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸等。(b)結構：保護套，讀寫槽。(c)讀寫保護：在軟盤保護套上設置有寫保護開關來實現(xiàn)

21、只讀不寫的功能。2) 磁頭492.4 輔助存儲器3 光盤存儲器1) 光盤存儲器的類型只讀光盤(CD-ROM)只寫一次型光盤(CD-R) 可擦寫型光盤(CD-RW)DVD-ROM光盤502.5 小型案例實訓【案例1】模塊化存儲器設計?！菊f明】已知某8位機的主存采用半導體存儲器，地址碼為18位，若使用4K4位RAM芯片組成該機所允許的最大主存空間，并選用模塊條的形式，問：若每個模塊條為32K8位，共需幾個模塊條？每個模塊內共有多少片RAM芯片？主存共需多少RAM芯片？CPU如何選擇各模塊條？51【解答】 由于主存地址碼給定18位，所以最大存儲空間為218=256K，主存的最大容量為256KB?，F(xiàn)每

22、個模塊條的存儲容量為32KB，所以主存共需256KB/32KB=8 塊板。 每個模塊條的存儲容量為32KB，現(xiàn)使用4K4位的RAM芯片拼成4K8位（共8組），用地址碼的低12位（A0A11）直接接到芯片地址輸入端，然后用地址的高3位（A14A12）通過3:8譯碼器輸出分別接到8組芯片的片選端。共有82=16個RAM。 主存共需128片RAM芯片。CPU用A17A16A15通過3:8譯碼器來選擇模塊條，如圖2-29所示。522.5 小型案例實訓【案例2】存儲器設計?！菊f明】已知某8位機的【說明】用8K8位的ROM芯片和8K4位的RAM芯片組成存儲器，按字節(jié)編址，其中RAM的地址為2000H7FF

23、FH，ROM的地址為C000FFFFH，畫出此存儲器組成結構圖及與CPU的連接圖?！窘獯稹縍AM的地址范圍展開為001,00011,1111111111111，A12A0為0000H1FFFH，容量為8K，高位地址A15A14A13為001011，所以RAM的容量為8K3=24K。RAM用8K4的芯片組成，需8K4的芯片6片。ROM的末地址-首地址=FFFFH-C000H=3FFFH，所以ROM的容量為214=16K。ROM用8K8的芯片組成，需8K8的芯片2片。ROM的地址范圍展開為110001111111111111111，高位地址A15 A14A13為110111。532.6 本章小結

24、1.多級存儲體系結構，即Cache、主存和外存 ,以容量大、速度快、成本低 之間的矛盾。2.存儲器的技術指標有存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬 。3. SRAM和DRAM的特點及應用。4. Cache是一種高速緩沖存儲器，是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要的硬件技術，并且發(fā)展為多級Cache體系，指令Cache與數(shù)據(jù)Cache分設體系。 542.7 學習加油站【問題1】目前微機中使用的半導體存儲器包括哪幾種類型？它們各有哪些特點？分別適用于什么場合（請從存取方式、制造工藝、速度、容量等各個方面討論）？人們通常所說的內存是指這其中的哪一種或哪幾種類型？答：微機中使用的半

25、導體存儲器包括半導體隨機存儲器（RAM）和半導體只讀存儲器（ROM），其中RAM又可以分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。RAM是可讀、可寫的存儲器，CPU可以對RAM單元的內容隨機地讀/寫訪問。RAM多用MOS型電路組成。SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗也較大，所以一般用來組成高速緩沖存儲器和小容量內存系統(tǒng)；DRAM集成度高，功耗小，但存取速度慢，一般用來組成大容量內存系統(tǒng)。ROM可以看作RAM的一種特殊形式，其特點是：存儲器的內容只能隨機讀出而不能寫入。這類存儲器常用來存放那些不需要改變的信息，由于信息一旦寫入存儲器就固定不變了，即使斷電，寫入的內容也不會丟失，所以又稱為固定存儲器。內存是指RAM和ROM，其中的RAM是動態(tài)RAM。552.7 學習加油站【問題2】存儲元、存儲單元、存儲體、存儲單元地址這幾個術語有何聯(lián)系和區(qū)別?答：計算機在存取數(shù)據(jù)時，以存儲單元為單位進行存取。機器的所有存儲單元長度相同，一般由8的整數(shù)倍個存儲元構成。同一單元的存儲元必須并行工作，同時讀出、寫入。由許多存儲單元構成一臺機器的存儲體。由于每個存儲單元在存儲體中的地位平等，為區(qū)別不同單元，給每個存儲單元賦予地址。562.7 學習加油站【問題3】針對寄存器組、主存、cache、光盤存儲器、軟盤、硬盤、磁帶，回答以下問題： （1