第4章 存储器系统.doc

无雨制作第4章 存储器系统一、存储器分类A、按与CPU的连接和功能分类：A、主存储器（主存、内存） B、辅助存储器（辅存、外存） C、高速缓存（Cache）B、按存取方式分类：A、随机存取存储器（RAM）：可读可写B、只读存储器（ROM）：只能读不能写二、主存的组成与操作A、（1）存储元件（存储元、存储位） 能够存储一位二进制信息的物理器件。存储元是存储器中最小的存储单位。 （2）作为存储元的条件： 有两个稳定状态，对应二进制的“0”、“1” 。 在外界的激励下，可写入“0”、“1”。 能够识别器件当前的状态。即可读出所存的“0”、“1”。B、存储单元 由一组存储元件组成，可以同时进行读写。C、存储体（存储阵列） 把大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般排列成阵列形式， 所以又称存储阵列。 D、存储单元的编址 按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。 按字编址：相邻的两个单元是两个字。三、主存的基本组成 四、主存与CPU的连接及主存的操作 五、存储器的主要性能指标1存储容量：存储容量的表示：在以字节为编址单位的机器中，常用字节表示存储容量。例如：4MB表示主存可容纳4兆个字节信息。对于存储器芯片，用存储单元数每个单元的位数表示。 例如：512k16位，表示主存有512k个单元，每个单元为16位。2存储容量的主要计量单位： 1K=1024 1M=1024K=220 1G=1024M=2303容量与存储器地址线的关系: 1K=210 需要 10 根地址线1M =220 需要 20 根地址线 256M =228 需要 28 根地址线六、存储器系统的层次结构1、存储器系统的多级层次结构通常由三级存储器组成，即：Cache 主存 辅存2、三级存储层次结构3、多级存储层次结构七、静态RAM的工作原理及芯片结构1、SRAM存储器芯片结构（1）字片式结构的存储器芯片 访存地址仅进行一个方向译码。又称为单译码方式或一维译码方式。 （2）位片式结构的存储器芯片2、刷新: SRAM是靠_触发器电路_存储信息的，所存的信息表现为双稳态电路的电平，所以不需要刷新。 DRAM是靠_电容_存储信息的，所存信息表现为电容上的电荷。由于电路中存在一定的漏电流，致使电容慢慢放电，导致所存信息丢失。因此必须在电容放电到一定程度前，重新写入信息，这一过程称为刷新。3、DRAM刷新方式 集中式刷新 分散式刷新 异步式刷新4、刷新最大周期设存储电容为C，其两端电压为u，电荷QCu，则泄漏电流为： 刷新间隔为:若C0.2pf，u1V，I0.1nA，则刷新间隔为t就是刷新最大间隔，即刷新最大周期。八、半导体只读存储器(ROM)1、所需的芯片数量：例：用2114芯片(1K4位)组成32K8位的存储器，所需芯片数为： 2、如何把许多芯片连接起来 A、通常存储器芯片在单元数和位数方面都与实际存储器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向两个方面进行扩展。B、按扩展方向可分为：位扩展、字扩展、字和位同时扩展。 （1）位扩展的连接方法： 将各存储器芯片的地址线、片选线和读/写线并联。 将各存储器芯片的数据线分别接到数据总线的对应位上。例：用2114芯片构成1K8位的存储器。结果： （2）字扩展的连接方式： 将所有芯片的地址线、数据线、读/写控制线并联。 由片选信号区分被选芯片。各芯片的片选信号分别接到存储器高位地址译码器的输出端的相应位上。 例：用16K8位的芯片构成64K8位的存储器，并写出各芯片的地址范围。结果： 分析：64K8位的存储器需要16位地址线A15A0，而16K8位的芯片的片内地址线为14根，所以用16位地址线中的低14位A13A0进行片内寻址，高两位地址A15、A14用于选择芯片，即选片寻址。 设存储器从0000H开始连续编址，则四块芯片的地址分配： 第一片地址范围为：0000H3FFFH 第二片地址范围为：4000H7FFFH 第三片地址范围为：8000HBFFFH 第四片地址范围为：C000HFFFFH （3）字和位同时扩展的连接方式： 所有芯片的片内地址线、读/写控制线并联。 不同地址区域内（组间），同一位芯片的数据线对应地并接在一起，连接到数据总线的对应位上。不同位芯片的数据线分别连接到数据总线的不同位上。 同一地址区域内（组内），不同芯片的片选信号连在一起，接到片选译码器的同一输出端；不同地址区域内的芯片的片选信号分别接到片选译码器的不同输出端。例：用2114(1K4位)芯片构成4K8位的存储器。结果：例1:用512K*1位的存储器芯片构成2MB的存储器(存储器按字节编址)，则共需选_32_块芯片。在这些芯片中，其中_32_块芯片的A1地址线应对应地接在一起；_32_块芯片的读写控制线应接在一起；每_8_块芯片的片选信号线应接在一起；每_4_块芯片的数据输入线DIN应接在一起。该存储器地址总线至少_21_位，其中_2_位用于选片寻址，_19_位用于片内寻址。若存储器按芯片容量划分若干个地址区域且从0连续编址，则第一个地址区域的最后一个地址为_07FFFF_H，最后一个地址区域的第一个地址为_180000_H。该存储器应选择具有_2_个输入_4_个输出的译码器用于选片，一个输出端控制_8_块芯片的片选信号。例2:用256K*1位的存储器芯片构成16MB的存储器(存储器按字节编址)，则共需选512块芯片。在这些芯片中，其中512块芯片的A1地址线应对应地接在一起；512块芯片的读写控制线应接在一起；每8块芯片的片选信号线应接在一起；每64块芯片的数据输入线DIN应接在一起。该存储器地址总线至少24位，其中6位用于选片寻址，18位用于片内寻址。若存储器按芯片容量划分若干个地址区域且从0连续编址，则第一个地址区域的最后一个地址为03FFFFH，最后一个地址区域的第一个地址为FC0000H。该存储器应选择具有6个输入64个输出的译码器用于选片，一个输出端控制8块芯片的片选信号。例3:某微机系统有16根地址线，8根数据线，地址空间安排为：16KB系统程序存储区，用ROM芯片，安排在地址最低区；接着留出16KB的设备地址空间；其后的32KB作为用户程序区，采用RAM芯片。给定芯片如下，请画出连线图，给出各存储区的地址范围。 ROM区：16K8位，需1片16K8位ROM芯片 RAM区：32K8位，需2片16K8位RAM芯片 I/O区：16K8位，主存不应使用 RD WR CS A0 A13 CS DEA0A13RAM ROMD7D0 D7D0 A15A14 A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H3FFFHROM区 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H7FFFHI/O区 10 00000000000000 10 11111111111111 8000HBFFFHRAM区1 11 00000000000000 11 11111111111111 C000HFFFFHRAM区28、 辅助存储器 1、辅存主要有磁表面存储器和光存储器两类。 2、磁表面存储器存储信息的原理 记录介质:磁层 基本原理:电磁转换。 利用磁性材料在不同方向的磁场作用下，形成的两种稳定的剩磁状态来记录信 息。 读写元件:磁头是由高导磁率的材料制成的电磁铁，磁头上绕有读写线圈， 可以通过不同方向的电流。 3、磁记录方式 归零制（RZ） 若写入“1”，则加正向写入脉冲；若写入“0”，则加负向写入脉冲。每写完一 位信息，电流归零。 不归零制（NRZ） 若写入“1”，则加正向写入脉冲；若写入“0”，则加负向写入脉冲。写完一位 信息后，电流不归零。 不归零1制（NRZ1） 若写入“1”，则写入电流改变一次方向；若写入0”，则写入电流方向维持不变。 不归零1制也称为见1就翻的不归零制。 调相制（PM） A、若写入“1” ，则在一个写入周期中间使写入电流从正变负（或相反）； 若写入“0” ，则在一个写入周期中间使写入电流从负变正（或相反）。 B、若连续写多个“0”或多个“1” ，则在两个位周期交界处，写入电流 改变一次方向。 调频制（FM） A、若写入“1” ，则在一个写入周期中间使写入电流改变一次方向（不管原 方向如何）；若写入“0” ，则在一个写入周期中保持写入电流方向不变。 B、不论写“0”还是写 “1”，在两个位周期交界处，写入电流均改变一次方 向。 改进调频制（MFM） A、若写入“1” ，则在一个写入周期中间使写入电流改变一次方向（不管原 来方向如何）；若写入“0” ，则在一个写入周期中保持写入电流方向不变。 B、若连续写多个“0”，则在两个“0”的位周期交界处，写入电流改变一次方 向。 注：结论: 写入线圈上的电流取决于磁记录方式和所要记录的信息。九、磁记录方式的主要评价标准 1、自同步能力： A、从读出的脉冲信号序列中提取同步时钟信号的能力。同步能力的大小可以用R 来衡量。 B、R=最小磁化翻转间隔/最大磁化翻转间隔 比值R越大，自同步能力越强。 2、编码效率 A、指每次磁层磁化翻转所存储信息的位数。 B、编码效率=位密度/最大磁化翻转密度也说明了记录一位信息的最大磁化翻 转次数。 十、磁盘存储器 1、磁盘的分类 A、按盘片材料分 硬盘：载体是金属，容量大，速度快。 软盘：载体是塑料，对环境要求低，价格低。 B、按磁头与盘组分 固定头可卸盘组 磁头固定，每磁道一个磁头，环境要求高，没有磁头运动，速度快。 固定头固定盘组 活动头可卸盘组 每个盘片一个磁头，需运动寻道，结构简单，成本低。 活动头固定盘组 2、记录面（盘面）：磁盘片表面称为记录面。盘片的上下两面都能记录信息。 磁道：记录面上一系列同心圆。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道。 磁道的编址：从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆 叫n磁道，n磁道里面的圆面积不用来记录信息。 柱面（圆柱面）：n个面上位于同一半径的磁道形成一个圆柱面。磁盘组的圆柱面 数等于一个盘面的磁道数。在读/写过程中，各个盘面的磁头总是 处于同一个圆柱面上。存取信息时，可按圆柱面顺序地进行操作。 扇区：将盘面沿垂直于磁道的方向划分成若干个扇区。 扇区的编号方法：可以连续编号，也可间隔编号。 扇段：每条磁道在扇区内的部分称为扇段，每个扇段存储等量的信息。扇段是磁盘 信息的基本单位。由于各条磁道的半径不同，各条磁道的存储密度不同。外 圈存储密度低，内圈存储密度高。 扇段的记录格式：磁盘存储器的每个扇段记录定长的数据，读/写操作是以扇段为单 位一位一位串行进行的。每一个扇段记录一个记录块。例：磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速2400转/分，平均寻道时间为10ms 。问： (1)共有多少柱面? (2)盘组总存储容量是多少？ (3)数据传输率多少? (4)平均寻址时间是多少？ (5)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命令中如何表示磁盘地址? (6)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个 柱面上? 解：(1)共有多少柱面? 有效存储区域16.5115.5(cm) 因为道密度40道/cm，所以共有405.5220道，即 220个圆柱面。 (2)盘组总存储容量是多少？ 内层磁道周长为2R23.141169.08（cm） 每道信息量400位/cm69.08cm27632位3454B 每面信息量3454B220759880B 盘组总容量759880Bl07598800B7.25MB (3)数据传输率多少? 磁盘数据传输率DrrN N为每条磁道容量，N3454B r为磁盘转速，r2400转/60秒40转/秒 DrrN403454B13816B/s (4)平均寻址时间是多少？ 磁盘旋转一圈的时间为 平均寻址时间TA10ms25/2ms22.5ms十一、高速缓冲存储器(Cache) 1、命中、不命中、命中率 Cache命中(hit)：CPU欲访问的数据已在Cache中。 Cache不命中(miss)：CPU欲访问的数据不在Cache内。 命中率：CPU 欲访问的信息在 Cache 中的比率。2、 Cache 的读写操作 A、读操作 B、替换算法 （1）先进先出 （ FIFO ）算法 （2）近期最少使用（ LRU）算法 C、写操作 如果Cache命中，会遇到如何保持Cache与主存中的内容一致的问题。 写直达法：即同时写入主存和高速存储器。 写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略较 容易实现。 写回法：只写入高速存储器并标记该组修改过。当淘汰该组时需将内容写回主存 储器。 写操作时间就是访问 Cache 的时间，读操作 Cache 失效发生数据替换时，被替 换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性。 如果Cache不命中，就直接把信息写入主存，而与Cache无关。3、 Cache 主存的地址映射 A、直接映射：某一 主存块 只能固定 映射到 某一 缓存块 B、全相联映射：某一 主存块 能 映射到 任一 缓存块