第3章-存储系统

1、第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章存储系统存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53 3.1.1 存储器概述存储器概述 3.23.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 3.33.3 高速缓冲存储系统高速缓冲存储系统 第第3 3 章章 存存储储系系统统3.43.4 虚拟存储系统虚拟存储系统 3.53.5 存储器技术的发展存储器技术的发展 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5本章要点本章要点l存储器的基本组成存储器的基本组成l存储器的技术指标存储器的技术指标l存储器分

2、类存储器分类l存储器的设计存储器的设计lcache系统的工作原理系统的工作原理lcache系统的地址变换与映像系统的地址变换与映像l虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 3.1.13.1.1 主存储器的基本组成和技术指标主存储器的基本组成和技术指标 3.1.33.1.3 存储器的层次结构存储器的层次结构 3.1.23.1.2 存储器分类存储器分类 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 3.1.1 3.1.1 主存储器的基本组成和

3、技术指标主存储器的基本组成和技术指标 存存储储体体读写读写驱动驱动器器数据数据寄存寄存器器地址地址译码译码驱动驱动地址地址寄存寄存器器cpu读写控制逻辑读写控制逻辑控制总线控制总线m位数据总线位数据总线n位地址总线位地址总线第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5存储体存储体3.1 3.1 存储器概述存储器概述 l存储体是存储器的核心，由很多个存储存储体是存储器的核心，由很多个存储单元组成，每个存储单元可存放一位或单元组成，每个存储单元可存放一位或几位二进制数码。几位二进制数码。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章

4、章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5写入写入din列地址选择列地址选择位线位线dvcc图图3.2 六管静态存储位六管静态存储位写放大器写放大器t3写选择写选择输出输出dout行地址选择行地址选择位线位线d读选择读选择写放大器写放大器读放大器读放大器t4t1t2t5t6t7t8aa第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5图图3.3 动态存储单元动态存储单元数据线数据线字线字线cst(a) 单管动态

5、存储元件单管动态存储元件(b) 多个存储元件构成的动态存储单元多个存储元件构成的动态存储单元 .字线字线数据线数据线字线字线数据线数据线8第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 图图3.4 二维矩阵的形式组成存储体二维矩阵的形式组成存储体 x地地址址译译码码器器y地址译码器地址译码器.a0a4a5a955第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23

6、.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 lcpu按地址访问存储器的存储单元。 选中了某一单元驱动相应的读/写电路，实现对2n个片内存储单元的选址。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 执行存储器读出和写入操作时所占用的时间 。通常用存取时间和存取周期来衡量存储器的存储速度 。存储字位数存储字位数地址寄存器地址寄存器用字节用字节(b)数来表示数来表示 存储容量通常有两种表示存储容量通常有两种表示:第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存

7、储器概述 规定的时间内存储器无故障读/写的概率。 通常用平均无故障时间mtbf来衡量 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.51.1.按构成存储器的存储介质分类按构成存储器的存储介质分类半导体存储器半导体存储器磁表面存储器磁表面存储器磁芯存储器磁芯存储器光盘存储器光盘存储器 双极型（双极型（ttl） 金属氧化物半导体型（金属氧化物半导体型（mos） 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.52. 2. 按存取方式分类按存取方式分类（1）rom（2）ram（3）串行访问存储器）串行访问存储器sram dram sam dam 第第3

8、3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.3.按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类静态静态ram动态动态ram随机存储器随机存储器ram只 读 存 储 器只 读 存 储 器rompromepromeepromrom缓冲存储器缓冲存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器闪存存储器（闪存存储器（flash memory）光盘存储器光盘存储器磁带存储器磁带存储器磁盘存储器磁盘存储器第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.54.4.按访问方式分类按访问方式分类按地址访问按地址访问按内容访问按内容访问第第3 3章章 存储系统存储系统 3.

9、23.1作业作业3.33.43.53.1.3 3.1.3 存储器的层次结构存储器的层次结构如何拥有一个大容量、高速度和低成本的存如何拥有一个大容量、高速度和低成本的存储器储器 ？l存储系统的层次结构存储系统的层次结构，即利用存储系统原理来构成，即利用存储系统原理来构成基于不同速度和容量的存储器层次结构，而非只是基于不同速度和容量的存储器层次结构，而非只是依赖于某一存储技术或部件。依赖于某一存储技术或部件。l存储系统存储系统是由多个性能各不相同的存储器用硬件是由多个性能各不相同的存储器用硬件和软件方法连接成一个系统，它对应用程序员是透和软件方法连接成一个系统，它对应用程序员是透明的，其明的，其速

10、度速度接近速度最快的那个存储器，存储接近速度最快的那个存储器，存储容容量量与容量最大的那个存储器相等或接近与容量最大的那个存储器相等或接近。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 高速缓冲存储系统高速缓冲存储系统 1gb寄存器寄存器大小：大小： 1k 速度：速度： 250ps 磁盘磁盘大小：大小： 1tb 速度：速度： 10ms 主存储器主存储器大小：大小： 速度：速度： 100ns cache大小：大小： 1mb 速度：速度： 1ns 图图3.6 多级存储器层次结构多级存储器层次结构 存储器总线存储器总线存储器总线存储器总线cpu寄存器寄存器辅助存储器辅助

11、存储器高速缓存高速缓存主主 存存虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2 3.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 3.2.13.2.1 常用的译码电路常用的译码电路 3.2.23.2.2 内存容量的扩充内存容量的扩充 3.2.33.2.3 设计实例设计实例 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2 3.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 单个存储器芯片的存储容量有限，为了满单个存储器芯片的存储容量有限，为了满足实际存储器容量的需求，必须采用多个存储足实际存储器容量的需求，必须采用多个

12、存储器芯片互连以扩大存储容量，构成系统所需的器芯片互连以扩大存储容量，构成系统所需的存储器。存储器。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5进行存储器的扩展设计时，互联的存储器其地址线、进行存储器的扩展设计时，互联的存储器其地址线、数据线和控制线与系统总线连接，那么如何确定数据线和控制线与系统总线连接，那么如何确定cpu访问的是哪个存储器芯片呢？访问的是哪个存储器芯片呢？ 3.2.1 常用的译码电路常用的译码电路 l片选方法：片选方法：线选法线选法译码法译码法 l线选法：直接以系统的高位地址线作为存储芯片的片选信线选法：直接以系统的高位地址线作为存储芯片的片选

13、信号号l译码法：指使用译码器与系统的高位地址连接，将其译码译码法：指使用译码器与系统的高位地址连接，将其译码输出值作为存储芯片的片选信号输出值作为存储芯片的片选信号 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5常用的译码芯片有74ls139和74ls138等，由基本的2 -4译码器和3 -8译码器构成 。3.2.1 3.2.1 常用的译码电路常用的译码电路2-4译码器译码器sta1a23y2y1y0y2-4译码器逻辑图译码器逻辑图第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2.2 内存容量的扩充内存容量的扩充 大容量存储器的构成需要在

14、字长和位长两个方向对其进行扩展 l通常有位扩展、字扩展和字位扩展三种方式 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.51 1、位扩展、位扩展 位扩展：指当ram芯片的字长不能满足实际的存储器系统的字长要求时，需要对ram进行位扩展，即增加存储字长。l位扩展可采用存储器芯片地址线并联，数据线串联的方式实现。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 解：解：16k 1位的位的ram芯片其地址线为芯片其地址线为14条，条，有一位数据位，有一位数据位，其地址线为其地址线为14条，条，但是数据位为但是数据位为8位，所以需采用位扩展方式即用位，

15、所以需采用位扩展方式即用8片片16k 1位的位的ram芯片芯片 构成构成第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.52 2、字扩展、字扩展 字扩展：是指增加存储字的数量，采用多个芯片地址串联的方式实现扩展存储空间的范围。l字扩展是位数不变，仅在字方向扩展。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5例： 解：解：1k 8位的位的ram芯片其地址线为芯片其地址线为10条，有条，有8位位数据位，数据位，其地址线为其地址线为11条，数据位为条，数据位为8位，位，其数据位相

16、同，需对地址进行扩展，所以采用字扩展方式，其数据位相同，需对地址进行扩展，所以采用字扩展方式，共需共需2片片1k 8位的位的ram芯片。芯片。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53 3、字位扩展、字位扩展 字位扩展：是指从字方向和位方向两个方面对存储器进行扩展。l若使用容量为pk位的存储芯片，设计构成容量为mn位的存储器（pm，kn），共需存储芯片数为：( m /p ) ( n / k )。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5例： 解：（解：（2k

17、/ 1k）（8 /4）= 4（片），（片），由每组二片存储芯片完成位扩展；二组这样由每组二片存储芯片完成位扩展；二组这样的存储芯片完成字扩展的存储芯片完成字扩展 。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5存储器的设计主要考虑以下问题：存储器的设计主要考虑以下问题： 3.2.3 设计实例设计实例 l根据需要合理选择存储芯片根据需要合理选择存储芯片l考虑构成一定容量存储器的方法考虑构成一定容量存储器的方法l存储器芯片间、及相关器件如何相连存储器芯片间、及相关器件如何相连第第3 3章章 存储系统

18、存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5例：第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5lintel 2114 是一种典型sram 存储器芯片，18脚封装，+5 v电源供电，芯片存储容量为1k4位， cs为片选信号，低电平有效 。lintel 2114芯片存储容量为1k4位，扩展成8k8位的存储器，该存储器共需要：（8k / 1k）（8 / 4）= 16片，采用字位扩展的方法。l使用74ls138译码器芯片译码。 74ls138是一种3 -8译码器，其中g为控制端，高电平有效，a、b、c为译码输入端，y7y0为对应译码输出端，低电平有效。 第第3 3章章 存

19、储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5图3.11 intel 2114存储器芯片扩展设计第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 表 3.2 图 3.11 中第1 至第 4 组存储器芯片的地址范围 组别 a0a12 地址范围 1 00000000000000001111111111 0000h03ffh 2 00100000000000011111111111 0400h07ffh 3 01000000000000101111111111 0800h0dffh 4 01100000000000111111111111 0c00h0fffh 5 1

20、0000000000001001111111111 1000h13ffh 6 10100000000001011111111111 1400h17ffh 7 11000000000001101111111111 1800h1dffh 8 11100000000001111111111111 1c00h1fffh 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.3 3.3 高速缓冲存储系统高速缓冲存储系统 3.3.13.3.1 cache cache系统的工作原理系统的工作原理 3.3.23.3.2 地址变换与映像地址变换与映像 3.3.33.3.3 替换策略替换策略

21、 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5cpu与主存的速度不匹配问题，已成为计算机系统发展的瓶颈。l为了解决cpu与内存速度不匹配的问题，应用了高速缓冲存储技术。l高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（cache）系统）系统由高速、小容量的由高速、小容量的cache和主存共同组成。和主存共同组成。l从从cpu角度看，高速缓存系统速度接近于角度看，高速缓存系统速度接近于cache，而容量为主存大小。而容量为主存大小。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5l程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理lcache存储系统基本工作原理就是基

22、于存储系统基本工作原理就是基于“局部性局部性”原理。原理。 lcache存储系统中，存储系统中，cache与主存储器之间以与主存储器之间以“块块”为单位进行信息交换，一般块的大小为为单位进行信息交换，一般块的大小为116个字个字 。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 块号块号b 块内地址块内地址w 块号块号b 块内地址块内地址w第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5bb命中？命中？cpu访存访存调入调入cache替换替换cachecache满？满？ynyn第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.4

23、3.5cache中的块与主存储器中的块是怎样建立对应关系的呢？程序中的主存地址又是如何变换成cache地址的呢？ 地址映像和地址变换 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5lcache的地址映像：是指把主存地址空间映像到cache地址空间，即按照某种规则将主存中的内容装入到cache中，并建立主存地址与cache地址的对应关系 地址变换：地址变换：是程序运行时，根据地址映像把主是程序运行时，根据地址映像把主存地址变换成存地址变换成cache地址，便于数据存取。地址，便于数据存取。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5地址映像

24、和相关的地址变换有方式： l1全相联映像及其变换全相联映像及其变换：主存中的任意一块可以映：主存中的任意一块可以映象到象到cache中的任意一块的位置上中的任意一块的位置上 l2. 直接映像及其变换直接映像及其变换：直接映像是让主存中的一个：直接映像是让主存中的一个块只能映像到块只能映像到cache中的某一个特定块地址的方式中的某一个特定块地址的方式 l3组相联映像及其变换组相联映像及其变换：组相联映像方式结合了直：组相联映像方式结合了直接相联映像和全相联映像的优点接相联映像和全相联映像的优点第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 第第3 3章章 存储系统存储

25、系统 3.23.1作业作业3.33.43.5图图3.10 全相联映像方式全相联映像方式 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5查目录表：查目录表： 命中，以命中，以b访问访问cache；未命中，以主存地；未命中，以主存地址访存，备份装入址访存，备份装入cache全相联地址变换全相联地址变换块号块号b块内地址块内地址w 主存块号主存块号b cache块号块号b 有效位有效位 b b 1目录表（由相联存储器构成，共目录表（由相联存储器构成，共cb个字）个字）主存地址主存地址块号块号b相联比较相联比较cache地址地址块内地址块内地址w查到相等查到相等的块号的块号有

26、效位有效位为为1表示表示映像有效映像有效第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5l主存空间按cache的大小分成me个区lcache和每个主存区都划分成cb个块l主存块和cache块容量相同。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5cache地址: 块号b 块内地址w主存地址: 区号e 块号b 块内地址w第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5块块0块块1块

27、块cb-1cache主存储器主存储器块块2cb-1块块mb-cb块块mb-cb+1块块mb-1块块1块块cb-1块块cb块块cb +1块块0区区0区区1区区me-1第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5直接相联地址变换直接相联地址变换块号块号b块内地址块内地址w有效位有效位 区号区号e（按地址访问）（按地址访问） e 1区表存储器（共区表存储器（共cb个字）个字）主存地址主存地址块号块号b相等相等cache地址地址块内地址块内地址w区号区号e相等比较相等比较块失效块失效访问访问cache若相等且有效位为若相等且有效位为1，即即 命中，以命中，以cache地地址

28、访问址访问cache；读出；读出数据送往数据送往cpu。以块号以块号b访问区访问区表，读出区号进表，读出区号进行比较行比较 不等不等图3.16 直接相联映象地址变换第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5cache地址:主存地址: 块号b 组内块号b 块内地址w 区号e 组号g 组内块号b 块内地址w第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5图3.17 组相联映像方式区0 主存储器 块 0

29、块 1 块 2 块 3 块 4 块 5 块 6 块 7 组 0 组 1 组 0 组 1 区1第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5组相联映像方式地址变换组相联映像方式地址变换组内块号组内块号b块内地址块内地址w组内块号组内块号b 区号区号e，组内块号，组内块号b gb个块个块 块表块表主存地址主存地址组内块号组内块号b相等相等cache地址地址块内地址块内地址w组号组号g相联比较相联比较块失效块失效若相等即若相等即 命中，以命中，以g,b,w组成组成cache地址地址访问访问cache；读出数；读出数据送往据送往cpu。以组号以组号b访问块访问块表，读出一组字

30、表，读出一组字与与e,b进行比较进行比较不等不等区号区号e组号组号g第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.4 3.4 虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.

31、33.43.53.4 3.4 虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.4.1 虚拟存储器的工作原理l 虚拟存储器即虚拟存储系统，简称为虚存，并不是一个实际的物理存储器，而是一个逻辑模型，它是在主存-辅存层次，增加部分软件和必要的硬件支持，使其形成一个有机整体，获得一个比物理主存大得多的具有整个虚拟空间的存储器。l虚拟存储器不仅扩大了主存的容量，解决了存储容量和存储速度的矛盾，也是管理存储设备的有效方法。l虚拟存储系统一般由操作系统实现，应用程序员无须考虑程序的存储问题。 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.

32、43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5l（2）地址映像l （3）地址变换 地址变换是指程序运行时，用户虚地址变换为主存实地址(内部地址变换)或辅存地址(外部地址变换) ，便于数据存取。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.50段段1段段2段段3段段0123段号段号8k16k9k30k起始地址起始地址程序段通

33、过段表与主存中的区域唯一对应程序段通过段表与主存中的区域唯一对应如第如第i程序段对应段表中段号为程序段对应段表中段号为i的一行，由起始地址和段长即的一行，由起始地址和段长即可找到主存中对应的段。可找到主存中对应的段。1k500200200段长段长08k9k16k30k01k050002000200程序空间程序空间段表段表主存储器主存储器第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5虚地址虚地址u、s、d段表基址寄存器堆段表基址寄存器堆该用户或作业的段表该用户或作业的段表主存实地址主存实地址用户号用户号u段号段号s段内偏移段内偏移d段表长度段表长度 段表基地址段表基地址

34、6as段名段名 起始地址起始地址 5 4装入位装入位 段长段长 访问方式访问方式 2 1 0 3段表基址寄存器段表基址寄存器一个用户（一道作业）的段表一个用户（一道作业）的段表多用户虚地址多用户虚地址主存实地址主存实地址+u=6s=3as第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.50页页1页页2页页3页页0123页号页号主存页号主存页号程序分页程序分页页表映像页表映像主存页主存页第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5虚地址u、p、d页表基址寄存器堆该用户或作业的页表主存实地址用户号用户号u虚页号虚页号p页内偏移页内偏移dpa装入位装入位 修改位修改位 主存页号主存页号 各种标志各种标志 1 p页表基址寄存器页表基址寄存器页表页表多用户多用户虚地址虚地址av实页号实页号p+pa主存实地址主存实地址a页内偏移页内偏移d第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5