計算機組成原理：存儲體系概述、主存儲器

1第5章存儲體系5.1存儲體系概述5.2主存儲器5.3主存儲器與CPU的連接5.4高速存儲器5.5高速緩沖存儲器Cache5.6虛擬存儲器5.7外存儲器5.8存儲保護作業(yè)25.1存儲體系概述一個二進制位（bit）是構(gòu)成存儲器的最小單位；字節(jié)（8bits）是數(shù)據(jù)存儲的基本單位。單元地址是內(nèi)存單元的唯一標(biāo)志。存儲器具有兩種基本的訪問操作：讀和寫。一、存儲器的分類二、主存儲器的性能指標(biāo)三、存儲器的層次結(jié)構(gòu)3一、存儲器的分類1、計算機存儲系統(tǒng)中的存儲器分類2、計算機的主存儲器分類41、計算機存儲系統(tǒng)中的存儲器分類（1）按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體存儲器（RAM、ROM，用作主存）磁性材料：磁表面存儲器（磁盤、磁帶，用作輔存）光介質(zhì)：光盤存儲器（用作輔存）（2）按存取方式分類隨機存取存儲器：存儲器中任何存儲單元的內(nèi)容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關(guān)（主存）順序存取存儲器：存取時間和存儲單元的物理位置有關(guān)（磁盤、磁帶）相聯(lián)存儲器：按內(nèi)容訪問。（3）按存儲器的讀寫功能分類只讀存儲器（ROM）：一般隱含指隨機存取。讀寫存儲器（RAM）：一般隱含指隨機存取。51、計算機存儲系統(tǒng)中的存儲器分類（4）按信息的可保存性分類永久記憶的存儲器：又稱非易失性存儲器，在斷電后還能保存信息（輔存、ROM）非永久記憶的存儲器：又稱易失性存儲器，在斷電后信息丟失（主存中的RAM）（5）按在計算機系統(tǒng)中的作用分類主存儲器：又稱內(nèi)存，為主機的一部分，用于存放系統(tǒng)當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，屬于臨時存儲器。輔助存儲器：又稱外存，為外部設(shè)備，用于存放暫不用的數(shù)據(jù)和程序，屬于永久存儲器。CPU內(nèi)存儲器外存儲器62、計算機的主存儲器分類主存的地位：在現(xiàn)代計算機中，主存儲器處于全機的中心地位。

主存的分類：要求為隨機存取、快速隨機讀寫存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）掩膜式只讀存儲器（MROM）可編程只讀存儲器(PROM)可擦除可編程序的只讀存儲器(EPROM)電可擦除的可編程序的只讀存儲器(E2PROM)閃存(Flashmemory)：介于EPROM和E2PROM之間的永久性存儲器7存儲器分類綜述主存儲器輔助存儲器存儲器RAMROMSRAMDRAM磁盤光盤軟盤硬盤→Cache磁帶MROMPROMEPROME2PROMCD-ROMWORMEOD8二、主存儲器的性能指標(biāo)1、存儲容量：指存儲器可容納的二進制信息量，描述存儲容量的單位是字節(jié)或位。量化單位：1K＝2101M＝2201G＝2301T＝240存儲器芯片的存儲容量＝存儲單元個數(shù)×每存儲單元的位數(shù)兆千兆太9二、主存儲器的性能指標(biāo)2、存儲速度：由以下3個方法來衡量。存取時間（MemoryAccessTime）：指啟動一次存儲器操作到完成該操作所需的全部時間。存取時間愈短，其性能愈好。通常存取時間用納秒（ns＝10－9s）為單位。存儲周期（MemoryCycleTime）：指存儲器進行連續(xù)兩次獨立的存儲器操作所需的最小間隔時間。通常存取周期TC大于存取時間tA

，即TC≥tA。存儲器帶寬：是單位時間里存儲器所能存取的最大信息量，存儲器帶寬的計量單位通常是位/秒（bps）或字節(jié)/秒，它是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)指標(biāo)。10二、主存儲器的性能指標(biāo)3、存儲器的價格：用每位的價格來衡量。設(shè)存儲器容量為S，總價格為C，則位價為C/S(分/位)。它不僅包含了存儲元件的價格，還包括為該存儲器操作服務(wù)的外圍電路的價格。4、可靠性：指存儲器正常工作（正確存?。┑男阅堋?、功耗：存儲器工作的耗電量。存儲容量、速度和價格的關(guān)系：速度快的存儲器往往價格較高，容量也較小。容量、速度和價格三個指標(biāo)是相互制約的。11三、存儲器的層次結(jié)構(gòu)訪問速度越來越快存儲容量越來越大，每位的價格越來越便宜12存儲器的主要性能特性比較存儲器層次通用寄存器Cache主存儲器磁盤存儲器脫機存儲器存儲周期<10ns10～60ns60～300ns10～30ms2～20min存儲容量<512B8KB～2MB32MB～1GB1GB～1TB5GB～10TB價格很高較高高較低低材料工藝ECLSRAMDRAM磁表面磁、光等ms（毫秒），μs（微秒），ns（毫微秒）1s=1000ms，1ms=1000μs13RAMBUS內(nèi)存條DDR內(nèi)存條內(nèi)存14硬盤磁盤片磁頭馬達(dá)磁頭驅(qū)動輔助電路15軟盤寫保護16磁帶17光盤驅(qū)動器18優(yōu)盤195.2主存儲器特點：主存儲器可以被CPU直接存?。ㄔL問）。一般由半導(dǎo)體材質(zhì)構(gòu)成。隨機存?。鹤x寫任意存儲單元所用時間是相同的，與單元地址無關(guān)。與輔存相比，速度快，價格高，容量小。主存的操作：讀存儲器操作：寫存儲器操作：動畫演示205.2主存儲器主存儲器按其功能可分為RAM和ROM。一、隨機讀寫存儲器RAM

二、只讀存儲器ROM

三、高性能的主存儲器21一、隨機讀寫存儲器RAM22一、隨機讀寫存儲器RAM1、靜態(tài)存儲器（SRAM）2、動態(tài)存儲器（DRAM）3、SRAM和DRAM的對比231、靜態(tài)存儲器（SRAM）（1）SRAM存儲位元（2）SRAM存儲器（3）SRAM存儲器的特點24（1）SRAM存儲位元“1”狀態(tài)：T1截止，T2導(dǎo)通“0”狀態(tài)：

T2截止，T1導(dǎo)通動畫演示六管MOS靜態(tài)存儲器結(jié)構(gòu)25（2）SRAM存儲器地址譯碼方式：線性譯碼方式：n位地址線，經(jīng)過一維譯碼后，有2n根選擇線。雙向譯碼方式26（2）SRAM存儲器雙向譯碼方式：n位地址分為行、列地址分別譯碼動畫演示272114SRAM存儲器1K×4位2114地址線10根數(shù)據(jù)線4根A9～A0D3～D0CSWE片選線寫使能28（3）SRAM存儲器的特點使用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器表示0和1代碼。電源不掉電的情況下，信息穩(wěn)定保持（靜態(tài)）。存取速度快，集成度低（容量?。?，價格高。常用作高速緩沖存儲器Cache。292、動態(tài)存儲器（DRAM）（1）DRAM存儲位元（2）DRAM存儲器（3）DRAM的刷新方式（4）DRAM存儲器的特點30（1）DRAM存儲位元“1”狀態(tài)：電容C上有電荷“0”狀態(tài)：電容C上無電荷再生：讀出后信息可能被破壞，需要重寫。刷新：經(jīng)過一段時間后，信息可能丟失，需要重寫。單管MOS動態(tài)存儲器結(jié)構(gòu)31（2）DRAM存儲器4M×4位的DRAM32DRAM的讀/寫過程33（3）DRAM的刷新方式刷新周期：從上一次刷新結(jié)束到下一次對整個DRAM全部刷新一遍為止，這一段時間間隔稱為刷新周期。刷新操作：即是按行來執(zhí)行內(nèi)部的讀操作。由刷新計數(shù)器產(chǎn)生行地址，選擇當(dāng)前要刷新的行，讀即刷新，刷新一行所需時間即是一個存儲周期。刷新行數(shù)：單個芯片的單個矩陣的行數(shù)。對于內(nèi)部包含多個存儲矩陣的芯片，各個矩陣的同一行是被同時刷新的。對于多個芯片連接構(gòu)成的DRAM，DRAM控制器將選中所有芯片的同一行來進行逐行刷新。單元刷新間隔時間：DRAM允許的最大信息保持時間；一般為2ms。刷新方式：集中式刷新、分散式刷新和異步式刷新。34集中式刷新例：64K×1位DRAM芯片中，存儲電路由4個獨立的128×128的存儲矩陣組成。設(shè)存儲器存儲周期為500ns，單元刷新間隔是2ms。在2ms單元刷新間隔時間內(nèi)，集中對128行刷新一遍，所需時間128×500ns=64μs，其余時間則用于訪問操作。在內(nèi)部刷新時間（64μs）內(nèi)，不允許訪存，這段時間被稱為死時間。35分散式刷新在任何一個存儲周期內(nèi)，分為訪存和刷新兩個子周期。訪存時間內(nèi)，供CPU和其他主設(shè)備訪問。在刷新時間內(nèi)，對DRAM的某一行刷新。存儲周期為存儲器存儲周期的兩倍，即500ns×2＝1μs。刷新周期縮短，為128×1μs＝128μs。在2ms的單元刷新間隔時間內(nèi)，對DRAM刷新了2ms÷128μs遍。36異步式刷新異步刷新采取折中的辦法，在2ms內(nèi)分散地把各行刷新一遍。避免了分散式刷新中不必要的多次刷新，提高了整機速度；同時又解決了集中式刷新中“死區(qū)”時間過長的問題。刷新信號的周期為2ms/128=15.625μs。讓刷新電路每隔15μs產(chǎn)生一個刷新信號，刷新一行。37（4）DRAM存儲器的特點使用半導(dǎo)體器件中分布電容上有無電荷來表示0和1代碼。電源不掉電的情況下，信息也會丟失，因此需要不斷刷新。存取速度慢，集成度高（容量大），價格低。常用作內(nèi)存條。383、SRAM和DRAM的對比比較內(nèi)容SRAMDRAM存儲信息0和1的方式雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器極間電容上的電荷電源不掉電時信息穩(wěn)定信息會丟失刷新不需要需要集成度低高容量小大價格高低速度快慢適用場合Cache主存39二、只讀存儲器ROMMROMPROMEPROME2PROMFlashMemory40幾種非易失性存儲器的比較

存儲器類別擦除方式能否單字節(jié)修改寫機制MROM只讀不允許否掩膜位寫PROM寫一次讀多次不允許否電信號EPROM寫多次讀多次紫外線擦除，脫機改寫否電信號E2PROM寫多次讀多次電擦除，在線改寫能電信號FlashMemory寫多次讀多次電擦除，在線改寫否