x第04章 主存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)

1第4章主存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)4.1存儲(chǔ)器基本概念4.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和原理4.3高速存儲(chǔ)器4.4Cache存儲(chǔ)器4.5虛擬存儲(chǔ)器本章主要內(nèi)容（1）教學(xué)目的與要求掌握存儲(chǔ)器的分類(lèi)、主要技術(shù)指標(biāo)掌握存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)理解主存的基本結(jié)構(gòu)和操作掌握SRAM和DRAM的工作原理了解只讀存儲(chǔ)器2存儲(chǔ)器是具有“記憶”功能的部件。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器又稱(chēng)為主存儲(chǔ)器或內(nèi)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)主存或內(nèi)存)。它是一組或多組具有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的集成電路。內(nèi)存的主要作用是存儲(chǔ)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。34.1存儲(chǔ)器基本概念4.1.1存儲(chǔ)器的分類(lèi)1．按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)磁表面存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器2．按存取方式分類(lèi)RAM：DRAM、SRAM、NV-RAMROMSAS3．按用途分類(lèi)主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、Cache451．按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)（1）磁表面存儲(chǔ)器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。（2）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是主存儲(chǔ)器的主流，讀寫(xiě)速度快。（3）光存儲(chǔ)器用介質(zhì)表面的對(duì)光的不同光強(qiáng)反射讀取數(shù)據(jù)1和0。62．按存取方式分類(lèi)（1）隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)通過(guò)指令可以隨機(jī)地對(duì)任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容進(jìn)行存取，且存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)。隨機(jī)存儲(chǔ)器分為三類(lèi)：靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM和非易失性RAM。7靜態(tài)RAM(SRAM)每個(gè)存儲(chǔ)單元都由一個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位，只要芯片不掉電，存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失。SRAM芯片的存儲(chǔ)密度比較低，功耗也比較大，但存取速度快，常用作高速緩沖存儲(chǔ)器(CacheMemory)。2．按存取方式分類(lèi)8動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)動(dòng)態(tài)RAM(Dynamic，DRAM)通過(guò)電容充放電來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。由于電容存在漏電現(xiàn)象，因此DRAM芯片需要頻繁刷新，以保證數(shù)據(jù)不丟失。DRAM的存儲(chǔ)密度比SRAM高，可用于大容量存儲(chǔ)器，如主存等。但由于需要數(shù)據(jù)刷新操作，使得它的存取速度比SRAM慢。2．按存取方式分類(lèi)9非易失性RAM(NV-RAM)結(jié)合了RAM和ROM的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)是非易失性的(nonvolatileRAM，NV-RAM)。NV-RAM允許CPU對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)讀寫(xiě)，同時(shí)掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。2．按存取方式分類(lèi)10(2)只讀存儲(chǔ)器ROM(Read-OnlyMemory)任何單元的內(nèi)容只能讀出，不能寫(xiě)入，芯片掉電后數(shù)據(jù)不丟失。(3)串行存儲(chǔ)器SAS(SerialAccessStorage)

SAS在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，必須按某種順序進(jìn)行，存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。2．按存取方式分類(lèi)113．按用途分類(lèi)(1)主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱(chēng)主存，又稱(chēng)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)，存取速度快。但與輔助存儲(chǔ)器相比，存儲(chǔ)容量不大，價(jià)格較高。12(2)輔助存儲(chǔ)器又稱(chēng)外部存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)輔存或外存)，是為了解決主存儲(chǔ)器容量不足而設(shè)置的儲(chǔ)存器。用來(lái)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)，將它們調(diào)入內(nèi)存后使用，CPU不能直接訪問(wèn)外存。外存的存儲(chǔ)容量大，位成本低，但讀寫(xiě)速度較慢。3．按用途分類(lèi)13(3)高速緩沖存儲(chǔ)器CacheCache的物理位置介于主存儲(chǔ)器與CPU之間，用于解決CPU與主存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題。Cache存取指令和數(shù)據(jù)的速度更快，但存儲(chǔ)容量小。3．按用途分類(lèi)144.1.2主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)1．存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是指半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的位數(shù)。位(bit)是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。存儲(chǔ)容量的單位一般是K位(Kilobits)、M位(Megabits)等。應(yīng)用不同，對(duì)存儲(chǔ)容量的要求也不同。一般情況下，存儲(chǔ)容量大有利于提高系統(tǒng)性能。154.1.2主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)2．速度通常存儲(chǔ)芯片的工作速度慢于CPU的工作速度，所以存儲(chǔ)芯片的工作速度直接關(guān)系到CPU執(zhí)行指令的速度。速度是存儲(chǔ)芯片的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常用存取時(shí)間和

存儲(chǔ)周期來(lái)表示。從啟動(dòng)一次存取操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)兩次存取操作所需要的最小時(shí)間間隔。164.1.2主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)3．存儲(chǔ)器的可靠性存儲(chǔ)器的可靠性用平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailure)來(lái)衡量。MTBF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)。接收CPU的控制信號(hào)，控制存儲(chǔ)器操作。存放寫(xiě)入或讀出的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的主體，存儲(chǔ)器的核心。地址，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有唯一的地址。174.1.3存儲(chǔ)器的組成和數(shù)據(jù)存放存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)容量N×M=2n×M184.1.4存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)衡量存儲(chǔ)器有三個(gè)指標(biāo)：

容量、速度、價(jià)格/位。

用單一的存儲(chǔ)器很難同時(shí)滿足三個(gè)指標(biāo)。

理想的存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)滿足：系統(tǒng)容量的要求訪問(wèn)速度與CPU速度相匹配的要求價(jià)格成本用存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)不是硬件的簡(jiǎn)單堆積，是硬件與軟件相結(jié)合的方法連接起來(lái)成為一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)器。這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等或接近，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。1920存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)圖214.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和原理

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是當(dāng)前主存的首選器件，主要由如下部分組成：存儲(chǔ)陣列地址譯碼與驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)放大電路時(shí)序控制電路等224.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM通過(guò)指令可以隨機(jī)地對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀取或改寫(xiě)的存儲(chǔ)器。RAM是易失性存儲(chǔ)器，掉電后所存數(shù)據(jù)全部消失。在重要的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)配備后備電源或不間斷電源。RAM可以分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM231．靜態(tài)RAM(1)靜態(tài)RAM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)器存放一位二進(jìn)制數(shù)。主要特點(diǎn)：存取速度快，可用于高速緩存Cache等應(yīng)用場(chǎng)合；不需要刷新電路，擴(kuò)展電路簡(jiǎn)單，使用方便；但集成度低，價(jià)格較高，功耗也比較大。24靜態(tài)RAM基本結(jié)構(gòu)25主要引腳地址信號(hào)：輸入信號(hào)，選擇存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)信號(hào)：雙向信號(hào)，存取數(shù)據(jù)。片選信號(hào)：輸入信號(hào)。存儲(chǔ)芯片可進(jìn)行讀寫(xiě)操作的前提是片選信號(hào)有效。讀寫(xiě)控制信號(hào)：輸入信號(hào)。控制芯片的讀或?qū)懝ぷ鞣绞?。輸出控制信?hào)：輸入信號(hào)。此信號(hào)有效時(shí)，允許從芯片中讀出數(shù)據(jù)。26(2)靜態(tài)RAM芯片62646264采用CMOS工藝，容量為8K×8位的高速、低功耗存儲(chǔ)芯片。276264的引腳分配圖I/O0~I/O7：8條雙向數(shù)據(jù)線；A0~A12：13條地址信號(hào)線；，CS2：兩條選片信號(hào)的引線，當(dāng)且僅當(dāng)分別為0和1時(shí)，芯片才被選中。：輸出允許。只有為0時(shí)，才能讀出數(shù)據(jù)。：寫(xiě)允許信號(hào)。當(dāng)為低電平時(shí)，允許寫(xiě)入數(shù)據(jù)；當(dāng)為高電平，且為低電平時(shí)，允許從芯片讀出數(shù)據(jù)。NC：空腳，無(wú)電路連接。286264工作方式選擇工作方式CS2數(shù)據(jù)線讀操作0110數(shù)據(jù)輸出寫(xiě)操作010×數(shù)據(jù)輸入禁止輸出0111高阻未選中1×××高阻未選中×0××高阻292．動(dòng)態(tài)RAM(1)動(dòng)態(tài)RAM的基本結(jié)構(gòu)利用MOS管柵極對(duì)其襯底間分布電容的充放電來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。由于電容存在漏電現(xiàn)象。為維持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM需要專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)刷新電路，周期性對(duì)電容執(zhí)行讀出再寫(xiě)入操作。30動(dòng)態(tài)RAM基本結(jié)構(gòu)31(2)動(dòng)態(tài)RAM芯片Intel2164由單管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路構(gòu)成的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，容量為64K×1位。32Intel2164的引腳意義A0~A7：8根地址信號(hào)線；：行地址選通信號(hào)。有效時(shí)將地址信號(hào)鎖存到片內(nèi)行地址鎖存器中；：列地址選通信號(hào)。有效時(shí)將地址信號(hào)鎖存到片內(nèi)列地址鎖存器中；：寫(xiě)允許控制線，低電平時(shí)為數(shù)據(jù)寫(xiě)入；Din：數(shù)據(jù)輸入引腳；Dout：數(shù)據(jù)輸出引腳。334.2.2只讀存儲(chǔ)器ROM和閃速存儲(chǔ)器1．ROM的主要類(lèi)型和特點(diǎn)

數(shù)據(jù)一旦寫(xiě)入，只能讀出，不能隨意更改，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。ROM類(lèi)型：可編程只讀存儲(chǔ)器PROM可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM閃存FlashMemory等342．ROM的基本結(jié)構(gòu)ROM的基本結(jié)構(gòu)與RAM相似，ROM僅有數(shù)據(jù)讀取功能，控制信號(hào)中不需要讀寫(xiě)控制信號(hào)線。當(dāng)輸出控制信號(hào)無(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端處于高阻狀態(tài)。353．EPROM芯片舉例-2716典型的EPROM芯片2716，2K×8位36Intel2716的引腳分配圖A0~A10：11根地址線；O0~O7：8位數(shù)據(jù)線；：片選信號(hào)，低電平有效；：數(shù)據(jù)輸出允許控制線，低電平有效；Vpp：編程電壓輸入線。編程時(shí)在該引腳上加上編程電壓，。372716工作方式工作方式VppVccO7~O0讀出00+5+5數(shù)據(jù)輸出維持1×