第章主存储器与存储系统ppt课件.ppt

第6章主存储器与存储系统 本章主要内容 本章讲述存储器的分类 主存储器的构成和并行主存储器的思想及设计方法 存储系统的概念及存储系统的构成 重点掌握并行主存储器的构成 Cache的组成原理与地址映射方式 替换算法 掌握段式 页式和段页式虚拟存储器的构成原理 地址映射方式等 6 1存储器分类6 2主存储器的主要技术指标6 3读写存储器6 4非易失性半导体存储器6 5主存储器组成6 6相联存储器6 7存储系统与并行存储器6 8高速缓冲器Cache6 9虚拟存储器原理 6 1存储器分类 1 随机存储器 RandomAccessMemory RAM 2 只读存储器 ReadOnlyMemory ROM 3 可编程只读存储器 ProgrammableROM PROM 4 可擦除可编程只读存储器 ErasablePROM EPROM 5 电可擦除可编程只读存储器 ElectricallyEPROM E2PROM 6 2主存储器的主要技术指标 主存储器的主要性能指标为主存容量 存储器存取时间和存储器存储周期 存储器存取时间 MemoryAccessTime 存储周期 MemoryCycleTime 主存储器的速度和容量两项技术指标 6 3读写存储器 图6 1静态MOS6管基本存储电路 6 3 1静态RAM1 静态RAM的基本电路 2 静态RAM的结构3 静态RAM芯片实例 Intel21144 由2114SRAM构成规定容量的存储器 图6 5地址译码电路 6 3 2动态RAM 1 动态RAM基本存储电路 图6 6单管动态RAM的基本存储电路 2 动态RAM的特点及举例3 动态RAM的刷新 6 4非易失性半导体存储器 6 4 1只读存储器 ROM 图6 844MOSROM 6 4 2可编程只读存储器 PROM 图6 9熔丝式PROM基本存储电路 6 4 3可擦除可编程只读存储器EPROM 1 EPROM的存储电路 图6 10P沟道FAMOS管基本存储电路及P沟道FAMOS管结构 2 典型EPROM芯片的介绍按上述原理及工艺制造的EPROM芯片常用的有27系列 如2708 1K8 2716 2K8 2764 8K8 27128 16K8 和27512 64K8 等 6 4 4电可擦除可编程只读存储器 E2PROM 1 E2PROM的特点E2PROM ElectricErasablePROM 突出的优点是可以在线擦除和改写 2 E2PROM芯片介绍 图6 11E2PROM管脚图 6 4 5快速擦写存储器 FlashMemory 1 Flash的主要性能特点2 Flash的工作原理 6 4 6几种新型存储器 1 高速缓存动态随机存储器 CachedDRAM CDRAM 2 DirectRambus接口动态随机存储器 DirectRambusDRAM DRDRAM 3 双数据传输率同步动态随机存储器 DoubleDataRateSDRAM DDRSDRAM 4 同步链动态随机存储器 SynchnonousLinkDRAM SLDRAM 5 虚拟通道存储器 VirtualChannelMemory VCM 6 快速循环动态存储器 FastCycleRAM FCRAM 7 扩展数据输出动态存储器 ExtendedDataOutDRAM EDODRAM 6 5主存储器组成 存储器扩展有以下三种方法 6 5 1位扩展指用多个存储器器件对字长进行扩充 位扩展的一般方法是 1 在给定的芯片中选择合适的芯片 并确定使用数量 2 将选中芯片的地址线 读写线 片选线对应连接 3 将数据线单独连接 拼接成要求的数据宽度 例如 使用Intel2114 1K 4 芯片扩展成为1K 8容量的存储器 根据要求可以选用2片2114 按如图6 12所示连接 图6 12位扩展实例 6 5 2字扩展 指用多个存储器器件对字数进行扩充 字扩展的一般方法是 1 在给定的芯片中选择合适的芯片 并确定使用数量 2 将选中芯片的低位地址线 读写线 数据线对应连接 3 用高位地址线译码 将输出接至各芯片的片选端 例如 使用Intel2114 1K 4 芯片扩展成为4K 4容量的存储器 根据要求可以选用4片2114 按如图6 13所示连接 图6 13字扩展实例 6 5 3字位扩展 如果已有芯片m n若干块 现在要扩展为M N 设M m N n 容量的存储器 则字位扩展共需要m n的芯片数量为 C 字位扩展的一般方法 1 选择芯片先进行位扩展 扩展成 组 使得 组 的字长达到要求的字长 2 再用 组 进行字扩展 按照字扩展的方法将字数增加到目标字数 举例见例6 2 6 6相联存储器 一般的存储器都是按地址访问的 相联存储器是一种按内容访问的存储器 一般情况下 相联存储器有两种工作方式 即相关方式和随机工作方式 6 7存储系统与并行存储器 6 7 1存储系统的概念存储系统是指两个或两个以上速度 容量和价格不相同的存储器用硬件 软件 或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统 以由两个存储器构成的存储系统为例 1 存储容量S2 位价格C整个存储系统的平均位价格可以这样来计算 3 访问周期T其中 H表示命中率 在程序执行过程中对M1存储器的访问次数为N1 N2同理 T表示整个系统的访问周期 T HT1 1 H T2 6 7 2增加存储器的数据宽度 图6 18宽字存储器 6 7 3多体交叉存储技术 图6 19低位交叉访问存储器的结构 6 7 4一种无冲突访问的存储器 产生访问冲突的根本原因主要有两个 一个是程序中的转移指令 二是数据的随机性 下面以一维数组的无冲突访问存储器为例介绍 图6 22一维数组的存储方案 6 8高速缓冲器Cache 6 8 1Cache的工作原理1 程序的局部性在一个较短的时间间隔内 这种对局部范围的存储器地址的频繁访问 而对此范围以外的地址访问甚少的现象 称为程序的局部性 Cache是为了解决存储器的速度问题而设计的 2 Cache的基本结构 图6 27Cache的基本结构 3 Cache的读写过程 1 写直达法 write through 2 回写法 write back 将CPU要写的信息暂时只写入Cache 并用标志将该块加以注明 直到该块从Cache中替换出去时才一次写回内存 CPU同时写主存和Cache 6 8 2Cache的地址映像与地址变换 1 直接映像及地址变换直接映像是将主存中的一块唯一映像到Cache中的一块 而Cache中的一块要对应主存中的若干块 设主存中的块号为B Cache块的块号为b 若Cache的块数为Cb 则映像关系可以表示为 b BmodCb 图6 28直接映像方式 直接映像方式如下图所示 图6 29直接映像地址变换 直接映像方式的地址变换如下图所示 2 全相联映像及地址变换全相联映像方式是主存中的任意一块可以映像到Cache中任意的块位置上 如果Cache的块数为Cb 主存的块数为Mb 则主存和Cache块之间的映像关系共有Cb Mb种 图6 31全相联映像方式 全相联映像方式如下图所示 图6 32全相联映像方式的地址变换 全相联映像方式地址变换如下图所示 3 组相联映像及地址变换组相联映像方式把主存按Cache的容量分区 主存中的各区和Cache在按同样大小划分成数量相等的组 组内再划分成块 主存的组到Cache的组之间采用直接映像方式 对应组内各块之间采用全相联映像方式 组相联映像方式如右图所示 图6 34组相联映像方式的地址变换 组相联映像方式的地址变换如下图所示 6 8 3替换算法 在采用全相连映像方式和组相连映像方式从内存向Cache传送一个新块 而Cache中的可用位置已被占满时 就需要使用替换算法 将Cache中的块替换出去而调入新块 常用的替换算法有以下几种 1 随机 RAND 算法该算法完全不管Cache块的过去 现在及将来的使用情况 而是简单地根据一个随机数 选择一块替换掉 2 先进先出 FIFO 算法该算法的思想是按调入Cache的先后决定替换的顺序 即在需要替换时 将最先进入Cache的块作为被替换的块 3 近期使用最少 LRU 算法该算法是根据块的使用状况将CPU近期最少使用的块作为被替换的块 4 最优化 OPT 算法OPT算法是一种以将来使用最少作为替换的目标的一种算法 6 8 4Cache的加速比 Cache系统的加速比Sp定义为 其中 TC为Cache的访存周期 Tm为主存的访问周期 T为Cache系统的等效访问周期 Cache的命中率为H 6 9虚拟存储器原理 6 9 1虚拟存储器的工作原理虚拟存储器主要由软件管理 根据采用的存储映像算法 可以将虚拟存储器的管理方式分成段式 页式和段页式三种 6 9 2地址映像与变换 在虚拟存储器中 有三种地址空间 第一种是虚拟地址空间 也称为虚空间或虚拟存储器空间 它是应用程序员用来编写程序的地址空间 第二种空间是主存储器的地址空间 也称主存地址空间 主存物理空间或实存地址空间 第三种是辅存地址空间 地址映像就是把虚拟地址空间映像到主存地址空间 1 页式虚拟存储器页式虚拟存储器是把虚拟存储空间和主存实空间划分成固定容量的页 Page 各虚拟页可装入主存中不同的实际页面位置 目前主要有页式虚拟存储器 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器3种 页式虚拟存储器的地址映像方式如下所示 图6 36页式虚拟存储器的地址映像方式 图6 37页式虚拟存储器页面映像的一个实例 下图为页式虚拟存储器中页面映像关系的一个例子 2 段式虚拟存储器段式虚拟存储器以段为单位与主存进行数据交换 操作系统通过段表对段进行管理 图6 38段式虚拟存储器的地址映像方式 3 段页式虚拟存储器 虚拟地址格式为 如果有多个用户在机器上运行 多道程序的每一道需要一个基号 由它指明该道程序的段表起始地址 6 9 3页面替换算法及其实现 页面替换算法与Cache中的行替换算法的不同点 1 缺页至少要涉及前一次磁盘存取 读取所缺的页 2 页面替换是由操作系统软件实现的 3 页面替换的选择余地很大 属于一个进程的页面都可替换 虚拟存储器中的替换策略一般采用LRU算