第5章存储体系和结构(2015)

1、计算机组成原理计算机组成原理1第第5章章 存储系存储系统统和结构和结构 计算机组成原理计算机组成原理2第第5章章了解存储器的各种分类方法了解存储器的各种分类方法了解存储系统的两个层次了解存储系统的两个层次(Cache-主存层次主存层次,主主-辅存层辅存层次次了解主存储器的基本结构了解主存储器的基本结构理解主存储器的有关术语理解主存储器的有关术语(如位、存储字、存储单元、如位、存储字、存储单元、存储体等存储体等)理解主存储器的主要技术指标理解主存储器的主要技术指标掌握字节编址存储器的各种访问方法，将不同长度的掌握字节编址存储器的各种访问方法，将不同长度的数据按要求存放在存储器中数据按要求存放在存

2、储器中计算机组成原理计算机组成原理3第第5章章了解半导体随机存储器了解半导体随机存储器(静态静态RAM和动态和动态RAM)不同不同的基本存储原理的基本存储原理理解动态理解动态RAM的的3中不同刷新方式的特点中不同刷新方式的特点了解了解RAM芯片的基本结构芯片的基本结构理解各种不同理解各种不同ROM的特点的特点理解主存储器中包括理解主存储器中包括RAM和和ROM两种方式两种方式掌握主存储器容量的各种扩展方法，使用若干存储芯掌握主存储器容量的各种扩展方法，使用若干存储芯片构成存储器片构成存储器掌握存储芯片的地址分配和片选信号的产生掌握存储芯片的地址分配和片选信号的产生计算机组成原理计算机组成原理4

3、第第5章章理解主存储器和理解主存储器和CPU的软连接的软连接(读写操作读写操作)了解主存储器的奇偶校验和了解主存储器的奇偶校验和ECC理解理解PC系列微机的存储器接口系列微机的存储器接口了解提高了解提高RAM芯片速度的技术芯片速度的技术了解并行交叉存储技术了解并行交叉存储技术理解理解Cache的特点和的特点和Cache的实现技术的实现技术理解虚拟存储器的概念理解虚拟存储器的概念计算机组成原理计算机组成原理5第第5章章存储系统是由容量、速度和价格各不相同的存储器构成存储系统是由容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统的系统设计一个容量大、速度快、成本低的存储系统是计算机设计一个容量大、速度快、

4、成本低的存储系统是计算机发展的重要课题发展的重要课题本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，介绍半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，介绍高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理 计算机组成原理计算机组成原理6第第5章章5.1 存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器的组织主存储器的组织5.3 半导体随机存储器和只读存储器半导体随机存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高提高主存读写速度的主存读写速度的技术技术5.6

5、 多体交叉存储技术多体交叉存储技术5.7 高速缓冲存储器高速缓冲存储器5.8 虚拟存储器虚拟存储器计算机组成原理计算机组成原理75.1 存储系统的组成存储系统的组成 存储系统和存储器是不同的概念存储系统和存储器是不同的概念介绍各种不同用途的存储器，讨论它们如何构介绍各种不同用途的存储器，讨论它们如何构成一个存储系统的成一个存储系统的计算机组成原理计算机组成原理85.1 存储系统的组成存储系统的组成 5.1.1 存储器分类存储器分类1.按存储器在计算机系统中的作用分类按存储器在计算机系统中的作用分类(1)高速缓冲存储器高速缓冲存储器 位于主存和位于主存和CPU之间，之间，存放正在执行的程序段存放

6、正在执行的程序段和数据，以便和数据，以便CPU高速地使用它们高速地使用它们计算机组成原理计算机组成原理95.1 存储存储系统系统的的组成组成(2)主存储器主存储器 存放计算机运行期间所需要的程序和数据，存放计算机运行期间所需要的程序和数据， CPU可直接随机地进行读写访问可直接随机地进行读写访问计算机组成原理计算机组成原理105.1 存储存储系统系统的的组成组成(3)辅助存储器辅助存储器 存放当前暂不参与运行的程序和数据，及需要存放当前暂不参与运行的程序和数据，及需要永久性保存的信息。永久性保存的信息。CPU不能直接访问它不能直接访问它计算机组成原理计算机组成原理115.1 存储存储系统系统的

7、的组成组成计算机组成原理计算机组成原理125.1 存储存储系统系统的的组成组成2.按存取方式分类按存取方式分类(1)随机存取存储器随机存取存储器RAM CPU对任何一个存储单元的读写时间是一样的，对任何一个存储单元的读写时间是一样的，即即存取时间是相同的存取时间是相同的(2)只读存储器只读存储器ROM ROM可以看作可以看作RAM的一种特殊方式，存储器的一种特殊方式，存储器的内容只能随机读出而不能写入的内容只能随机读出而不能写入计算机组成原理计算机组成原理135.1 存储存储系统系统的的组成组成2.按存取方式分类按存取方式分类(3)顺序存取存储器顺序存取存储器SAM SAM的内容只能按某种顺序

8、存取，的内容只能按某种顺序存取，存取时间与存取时间与信息在存储体上的物理位置有关信息在存储体上的物理位置有关计算机组成原理计算机组成原理145.1 存储存储系统系统的的组成组成(4)直接存取存储器直接存取存储器DAM第一步直接指向整个存储器中的某个小区域第一步直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道）（如磁盘上的磁道）第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读写操作目的地后再进行读写操作计算机组成原理计算机组成原理155.1 存储存储系统系统的的组成组成3.按存储介质分类按存储介质分类(1)磁芯存储器磁芯存储器利用两种不同的剩磁状态

9、表示利用两种不同的剩磁状态表示“1”或或“0”。磁。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失断电而丢失磁芯存储器的读出是破坏性读出磁芯存储器的读出是破坏性读出计算机组成原理计算机组成原理165.1 存储存储系统系统的的组成组成3.按存储介质分类按存储介质分类(2)半导体存储器半导体存储器采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型（TTL电路或电路或ECL电路）存储器和电路）存储器和MOS型存储型存储器两大类器两大类 计算机组成原理计算机组成原理175.1 存储存储系统系统的的组成组成(3)磁表面存储器磁表

10、面存储器 在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等 (4)光存储器光存储器 采用激光技术控制访问的存储器，如采用激光技术控制访问的存储器，如CD-ROM（只读光盘）（只读光盘） 、WORM（CD-R，写一次多次，写一次多次读光盘）读光盘） 、CD-RW（可读可写光盘）（可读可写光盘）计算机组成原理计算机组成原理185.1 存储存储系统系统的的组成组成4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。

11、断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，被破坏，则称破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破坏的信息操作，以便恢复被破坏的信息如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出性读出计算机组成原理计算机组成原理19磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘

12、 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）Flash Memory存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM5.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理20Flash Memory闪存（闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位，区块大小一般为为单位，区块大

13、小一般为256KB到到20MB 5.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理21Flash Memory闪存卡大概有闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、卡）、Compact Flash（CF卡）、卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、卡）、Secure Digital（SD卡）、卡）、Memory Stick（记忆棒）、（记忆棒）、XD-Picture Card（XD卡）卡）和微硬盘（和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的同，但是技术原理都是相同的 5.1 存储存储系统系统的的组成组

14、成计算机组成原理计算机组成原理225.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理235.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理245.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理255.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理265.1 存储存储系统系统的的组成组成5.1.2 存储系统层次结构存储系统层次结构解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整按一定的体系结

15、构组织起来，形成一个统一整体的存储系统体的存储系统计算机组成原理计算机组成原理27高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量价格价格 位位存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系CPUCPU主机主机5.1 存储存储系统系统的的组成组成计算机组成原理计算机组成原理285.1 存储存储系统系统的的组成组成从从CPU的角度看，的角度看，n种不同的存储器（种不同的存储器（M1Mn）在逻）在逻辑上是一个整体辑上是一个整体M1速度最快、容量最小、位价格最高；速度最快、容量最小、位价格最高；Mn速度最慢、速度最慢、容量最大、位

16、价格最低容量最大、位价格最低整个存储系统具有接近于整个存储系统具有接近于M1的速度，接近的速度，接近Mn的容量，的容量，接近接近Mn的位价的位价最常用的数据在最常用的数据在M1中，次常用的在中，次常用的在M2中，最少使用的中，最少使用的在在Mn中中 计算机组成原理计算机组成原理295.1 存储存储系统系统的的组成组成CPUM1M2Mn存储层次 计算机组成原理计算机组成原理305.1 存储存储系统系统的的组成组成由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统分为两个层次的三级存储系统分为两个层次高速缓存和主存间称为高速缓存和主存间称为Cache

17、- -主存存储层次主存存储层次（Cache存储系统）存储系统）主存主存- -辅存存储层次（虚拟存储系统）辅存存储层次（虚拟存储系统）计算机组成原理计算机组成原理31缓存缓存CPU主存主存辅存辅存缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存10 ns20 ns200 nsms（速度）（速度）（容量）（容量）5.1 存储存储系统系统的的组成组成虚拟存储器虚拟存储器虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器计算机组成原理计算机组成原理325.1 存储存储系统系统的的组成组成 Cache存储系统是为解决主存速度不足而提出来的存储系统是为解决主存速度不足而提出来的在在Cpu和主存之间，

18、增加辅助硬件，让它们构成一个整和主存之间，增加辅助硬件，让它们构成一个整体体从从CPU看，速度接近看，速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，的速度，容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价格每位价格接近于主存的价格Cache存储系统全部用硬件来调度，对系统程序员和应存储系统全部用硬件来调度，对系统程序员和应用程序员都是透明的用程序员都是透明的计算机组成原理计算机组成原理335.1 存储存储系统系统的的组成组成 CPUCache主存辅助硬件计算机组成原理计算机组成原理345.1 存储存储系统系统的的组成组成 虚拟存储系统是为解决主存容量不足提出来的虚拟存储系统是为解决主存容量不足提出来的在

19、主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成在主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一个整体一个整体从从CPU看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的价格址空间，每位价格是接近于辅存的价格由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此对由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的计算机组成原理计算机组成原理355.1 存储存储系统系统的的组成组成CPU主存辅存辅助软硬件计算机组成原理计算机组成原理36第第5章章5.1 存储系统的组成存储

20、系统的组成5.2 主存储器的组织主存储器的组织5.3 半导体随机存储器和只读存储器半导体随机存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高提高主存读写速度的主存读写速度的技术技术5.6 多体交叉存储技术多体交叉存储技术5.7 高速缓冲存储器高速缓冲存储器5.8 虚拟存储器虚拟存储器计算机组成原理计算机组成原理375.2 主存储器主存储器的的组织组织主存储器是整个存储系统的核心，存放计算机主存储器是整个存储系统的核心，存放计算机运行期间需要的程序和数据运行期间需要的程序和数据CPU可直接随机地对它进行访问可直接随机地对它进行访问计算机组成原理计算机组成原理385.

21、2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.1 主存储器的基本结构主存储器的基本结构存储体、地址译码驱动电路、存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路和读写电路存储体存储体地址线地址线读读/写控制线写控制线I/O地址译码驱动地址译码驱动和读写电路和读写电路数据线数据线计算机组成原理计算机组成原理395.2 主存储器主存储器的的组织组织存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储体中体中地址译码驱动电路包含地址译码驱动电路包含译码器译码器和和驱动器驱动器两部分。译码两部分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的译码输器将地址总线输入的地址码转换

22、成与之对应的译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一单元，并由驱出线上的有效电平，以表示选中了某一单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，完成对动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，完成对被选中单元的读、写操作被选中单元的读、写操作I/O和读写电路包括读出放大器、写入电路和读和读写电路包括读出放大器、写入电路和读/写控写控制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作入操作计算机组成原理计算机组成原理405.2 主存储器主存储器的的组织组织存储器的读存储器的读/写操作在控制器的控制下进行写操作在控制器的控制下进行半导体存储器芯片

23、中的控制电路，必须接收到半导体存储器芯片中的控制电路，必须接收到来自控制器的读来自控制器的读/写命令或写入允许信号后，写命令或写入允许信号后，才能实现正确的读才能实现正确的读/写操作写操作计算机组成原理计算机组成原理415.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.2 主存储器的存储单元主存储器的存储单元位位是二进制数的最基本单位，存储器存储信息的最小是二进制数的最基本单位，存储器存储信息的最小单位单位作为一个整体存入或取出的一个二进制数，为作为一个整体存入或取出的一个二进制数，为存储字存储字存放存储字或存储字节的主存空间称为存放存储字或存储字节的主存空间称为存储单元或主存储单元或主存单元存单元

24、大量存储单元的集合构成一个大量存储单元的集合构成一个存储体存储体计算机组成原理计算机组成原理425.2 主存储器主存储器的的组织组织一个存储单元可能存放一个字，也可能存放一个字节，一个存储单元可能存放一个字，也可能存放一个字节，由计算机的结构确定由计算机的结构确定对于字节编址的计算机，最小寻址单位是一个字节，对于字节编址的计算机，最小寻址单位是一个字节，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字节；对于字编相邻的存储单元地址指向相邻的存储字节；对于字编址的计算机，最小寻址单位是一个字，相邻的存储单址的计算机，最小寻址单位是一个字，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字元地址指向相邻的存储字存储单元是存储单

25、元是CPU对主存可访问操作的最小存储单位对主存可访问操作的最小存储单位计算机组成原理计算机组成原理435.2 主存储器主存储器的的组织组织IBM 370机是字长为机是字长为32位的计算机，主存按字位的计算机，主存按字节编址，每一个存储字包含节编址，每一个存储字包含4个单独编址的存储个单独编址的存储字节字节字地址即是该字高位字节的地址，其字地址即是该字高位字节的地址，其字地址总字地址总是等于是等于4的整数倍的整数倍，正好用地址码的最末两位来，正好用地址码的最末两位来区分同一个字的四个字节区分同一个字的四个字节计算机组成原理计算机组成原理445.2 主存储器主存储器的的组织组织PDP-11机是字长

26、为机是字长为16位的计算机，主存也按字位的计算机，主存也按字节编址，每一个存储字包含节编址，每一个存储字包含2个单独编址的存储个单独编址的存储字节字节它的它的字地址总是字地址总是2的整数倍的整数倍，但却是用低位字节，但却是用低位字节地址作为字地址，并用地址码的最末地址作为字地址，并用地址码的最末1位来区分位来区分同一个字的两个字节同一个字的两个字节计算机组成原理计算机组成原理455.2 主存储器主存储器的的组织组织00001444488910115672312235字地址字地址字节地址字节地址大端方案大端方案小端方案小端方案计算机组成原理计算机组成原理465.2 主存储器主存储器的的组织组织一

27、个字由四个字节组成，一个字由四个字节组成，B3、B2、B1、B0表示，表示，B3是是字的最高有效字节，字的最高有效字节，B0是最低有效字节是最低有效字节字节地址字地址B3B2B1B0NN+3N+2N+1N+0字节地址字地址B3B2B1B0NN+0N+1N+2N+3(a)(b)大端方案大端方案小端方案小端方案计算机组成原理计算机组成原理475.2 主存储器主存储器的的组织组织(a)称小端方案。假设字地址为称小端方案。假设字地址为N，则字节，则字节B3、B2、B1、B0依次存放在地址为依次存放在地址为N+3、N+2、N+1、N+0的存储单元的存储单元即字地址等于最低有效字节地址即字地址等于最低有效

28、字节地址采用小端方案的计算机有采用小端方案的计算机有Intel 80X86、DEC VAX等等计算机组成原理计算机组成原理485.2 主存储器主存储器的的组织组织 (b)称大端方案。假设字地址为称大端方案。假设字地址为N，则字节，则字节B3、B2、B1、B0依次存放在地址为依次存放在地址为N+0、N+1、N+2、N+3的存储单元的存储单元即字地址等于最高有效字节地址即字地址等于最高有效字节地址采用大端方案的计算机有采用大端方案的计算机有IBM360/370、Motorola 68000等等计算机组成原理计算机组成原理495.2 主存储器主存储器的的组织组织大端方案将高字节（大端方案将高字节（M

29、SB）存放在低地址，小端方案）存放在低地址，小端方案将高字节存放在高地址将高字节存放在高地址采用大端方案进行数据存放符合人类的正常思维，而采用大端方案进行数据存放符合人类的正常思维，而采用小端方案进行数据存放利于计算机处理采用小端方案进行数据存放利于计算机处理到目前为止，采用大端或者小端进行数据存放，其孰到目前为止，采用大端或者小端进行数据存放，其孰优孰劣也没有定论优孰劣也没有定论大端与小端方案的差别体现在一个处理器的寄存器、大端与小端方案的差别体现在一个处理器的寄存器、指令集、数据总线等各个层次中指令集、数据总线等各个层次中计算机组成原理计算机组成原理505.2 主存储器主存储器的的组织组织

30、不同排列组织方式的不同排列组织方式的CPU之间传输数据之间传输数据小端结构计算机传输小端结构计算机传输01020304H给大端方案结构给大端方案结构大端方案结构计算机读出：大端方案结构计算机读出：04030201H计算机组成原理计算机组成原理515.2 主存储器主存储器的的组织组织将一个将一个32位的整数位的整数0 x12345678存放到一个整型变量中存放到一个整型变量中(按字节编址按字节编址)，从地址，从地址0 x4000开始存放，采用大端或开始存放，采用大端或小端方案小端方案计算机组成原理计算机组成原理525.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.3 主存储器的主要技术指标主存储器的主

31、要技术指标1.存储容量存储容量指指主存所能容纳的二进制信息总量主存所能容纳的二进制信息总量对于字节编址的计算机，以字节数来表示容量对于字节编址的计算机，以字节数来表示容量对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示容量来表示容量计算机组成原理计算机组成原理535.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.3 主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标1.存储容量存储容量存储容量存储容量=存储单元个数存储单元个数*存储字长存储字长如某计算机的容量为如某计算机的容量为64K16，表示它有，表示它有64K个字，每个字的字长为个字，每个字的字长为16位，若用字

32、节数表示，位，若用字节数表示，则可记为则可记为128K字节（字节（128KB）计算机组成原理计算机组成原理545.2 主存储器主存储器的的组织组织2.存取速度存取速度 (1)存取时间存取时间Ta 又称为访问时间或读又称为访问时间或读/写时间，执行一次度操作写时间，执行一次度操作或写操作的时间，指或写操作的时间，指从地址传送给主存开始到数从地址传送给主存开始到数据能够被使用为止的时间间隔据能够被使用为止的时间间隔计算机组成原理计算机组成原理555.2 主存储器主存储器的的组织组织2.存取速度存取速度 (2)存取周期存取周期Tm 又称为读写周期、访存周期，指存储器进行一又称为读写周期、访存周期，指

33、存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次即连续两次访问存储器操作之间所需要的最短时间访问存储器操作之间所需要的最短时间 计算机组成原理计算机组成原理565.2 主存储器主存储器的的组织组织一般情况，一般情况，Tm Ta 。因为对任何一种存储器，。因为对任何一种存储器，在读写操作之后，有一段恢复内部状态的复原在读写操作之后，有一段恢复内部状态的复原时间时间对于破坏性读出的存储器，对于破坏性读出的存储器，Tm2Ta，因为存，因为存储器中的信息读出后需要马上进行重写（再生）储器中的信息读出后需要马上进行重写（再生）计算机组成原理计算机组成原理575.2

34、主存储器主存储器的的组织组织 (3)主存带宽主存带宽Bm又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字最大数量，单位为字/秒或字节秒或字节/秒或位秒或位/秒秒计算机组成原理计算机组成原理585.2 主存储器主存储器的的组织组织 (3)主存带宽主存带宽BmBm=主存等效工作频率主存位宽主存等效工作频率主存位宽8 =内存时钟频率内存时钟频率倍增系数倍增系数主主存位数存位数 8以以DDR400内存为例，运行频率为内存为例，运行频率为200MHz，数，数据总线位数为据总线位数为64bit，由于上升沿和下降沿都传，由于上升沿和下降沿都传输数据，因此

35、倍增系数为输数据，因此倍增系数为2，带宽为：，带宽为：200264/83.2GB/s计算机组成原理计算机组成原理595.2 主存储器主存储器的的组织组织主存提供信息的速度跟不上主存提供信息的速度跟不上CPU处理指令和数处理指令和数据的速度，主存的带宽是改善计算机系统瓶颈据的速度，主存的带宽是改善计算机系统瓶颈的关键因素。提高主存的带宽，可以采取的措的关键因素。提高主存的带宽，可以采取的措施有：施有：缩短存取周期；缩短存取周期；增加存储字长；增加存储字长；增加存储体；增加存储体； 计算机组成原理计算机组成原理605.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.4 数据在主存中的存放数据在主存中的存放

36、假设假设，存储字为，存储字为64位（位（8个字节），读个字节），读/写的数写的数据有四种不同长度，分别是字节（据有四种不同长度，分别是字节（8位）、半位）、半字（字（16位）、单字（位）、单字（32位）和双字（位）和双字（64位）位）字节字节半半字字单单字字双双字字计算机组成原理计算机组成原理615.2 主存储器主存储器的的组织组织数据字长（数据字长（32位）不等于存储字长（位）不等于存储字长（64位）位）现有一批数据，依次为：字节、半字、双字、现有一批数据，依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字单字、半字、单字、字节、单字计算机组成原理计算机组成原理625.2 主存储器主存储

37、器的的组织组织(1)不浪费存储器资源的存放方法不浪费存储器资源的存放方法四种不同长度的数据一个紧接着一个存放四种不同长度的数据一个紧接着一个存放优点：优点：不浪费的主存资源；不浪费的主存资源；问题：问题：当访问的一个双字、单字或半字跨越当访问的一个双字、单字或半字跨越两个存两个存储字时储字时，存储器的工作速度降低了一倍，读写控制，存储器的工作速度降低了一倍，读写控制比较复杂比较复杂计算机组成原理计算机组成原理63存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5.2 主存储器主存储器的的组织组织依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字字、字节、单

38、字计算机组成原理计算机组成原理645.2 主存储器主存储器的的组织组织(2)从存储字的起始位置开始存放方法从存储字的起始位置开始存放方法从存储字的起始位置开始存放，空余部分浪费不用从存储字的起始位置开始存放，空余部分浪费不用优点：优点：无论访问一个字节、半字、单字或双字都可以无论访问一个字节、半字、单字或双字都可以在在一个存取周期一个存取周期内完成，读写数据的控制比较简单内完成，读写数据的控制比较简单缺点：缺点：浪费储器资源浪费储器资源计算机组成原理计算机组成原理65存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5.2 主存储器主存储器的的组织组织依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单依次为：字

39、节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字字、字节、单字计算机组成原理计算机组成原理665.2 主存储器主存储器的的组织组织(3)边界对齐的数据存放方法边界对齐的数据存放方法8位数据，位数据，1个存储单元，起始地址为个存储单元，起始地址为*(任意任意)16位数据，位数据，2个存储单元，起始地址为个存储单元，起始地址为*0(2的整倍数的整倍数)32位数据，位数据，4个存储单元，起始地址为个存储单元，起始地址为*00(4的整倍数的整倍数)64位数据，位数据，8个存储单元，起始地址为个存储单元，起始地址为*000(8的整倍数的整倍数)无论访问双字、单字、半字或字节，无论访问双字、单字、半字或字节，

40、一个存取周期一个存取周期内完成内完成计算机组成原理计算机组成原理67存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）01816243291725332101831119412205132161422715232634272836352937303139385.2 主存储器主存储器的的组织组织依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字字、字节、单字计算机组成原理计算机组成原理685.2 主存储器主存储器的的组织组织例：某机数据字长例：某机数据字长32位位,存储字长存储字长64位，主存储器按字节位，主存储器按字节编址编址,现有现有4种不同长度的数据种不

41、同长度的数据(字节、半字、单字、双字节、半字、单字、双字字),请采用一种既节省存储空间请采用一种既节省存储空间,又能保证任何长度的又能保证任何长度的数据都在单个存取周期内完成读写的方法数据都在单个存取周期内完成读写的方法,将一批数据将一批数据顺序地存入主存顺序地存入主存,画出主存中数据的存放示意图画出主存中数据的存放示意图数据依次为：字节、半字、双字、单字、字节、单字、数据依次为：字节、半字、双字、单字、字节、单字、双字、半字、单字、字节双字、半字、单字、字节计算机组成原理计算机组成原理69第第5章章5.1 存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器的组织主存储器的组织5.3 半导体随机存储

42、器和只读存储器半导体随机存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高提高主存读写速度的主存读写速度的技术技术5.6 多体交叉存储技术多体交叉存储技术5.7 高速缓冲存储器高速缓冲存储器5.8 虚拟存储器虚拟存储器计算机组成原理计算机组成原理705.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器主存储器分为主存储器分为RAM和和ROM两大部分两大部分RAM可读可写，可读可写，ROM只能读不能写只能读不能写RAM的工作原理、结构、基本类型的工作原理、结构、基本类型计算机组成原理计算机组成原理715.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只

43、读存储器5.3.1 RAM记忆单元电路记忆单元电路存放一个二进制位的物理器件为记忆单元，是存储器的存放一个二进制位的物理器件为记忆单元，是存储器的最基本构件，最基本构件，地址码相同的多个记忆单元构成一个存储地址码相同的多个记忆单元构成一个存储单元单元记忆单元由记忆单元由MOS电路组成电路组成计算机组成原理计算机组成原理72MOS管管开启电压（又称阈值电压）：开启电压（又称阈值电压）：使得源极使得源极S和漏极和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；标准的标准的N沟道沟道MOS管，管，VT约为约为36V；通过工艺上的改进，可以使通过工艺上的改进，可以使MOS

44、管的管的VT值降到值降到23V5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器计算机组成原理计算机组成原理735.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.1 RAM记忆单元电路记忆单元电路静态静态RAM，SRAM（Static RAM），存储电路以双稳），存储电路以双稳态触发器为基础态触发器为基础动态动态RAM，DRAM（Dynamic RAM），存储电路以电），存储电路以电容为基础容为基础计算机组成原理计算机组成原理745.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器六管静态六管静态MOS记忆单元电路记忆单元电路集成度低集成度低功耗

45、大功耗大组成高速缓冲存组成高速缓冲存储器和小容量主储器和小容量主存系统存系统计算机组成原理计算机组成原理755.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器四管动态四管动态MOS记忆单元电路记忆单元电路集成度高集成度高功耗小功耗小存取速度慢存取速度慢组成主存组成主存计算机组成原理计算机组成原理765.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.2 动态动态RAM的刷新的刷新电容电容由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，是储金属电极间加上电压时，电极上就会存储电

46、荷，是储能元件能元件存足够多的电荷表示存存足够多的电荷表示存“1”，电容上无电荷表示存，电容上无电荷表示存“0”电荷只能维持电荷只能维持1-2ms，信息会自动消失，必须在，信息会自动消失，必须在2ms内内对其重新充电对其重新充电计算机组成原理计算机组成原理775.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器单管动态记忆单元电路单管动态记忆单元电路计算机组成原理计算机组成原理785.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.2 动态动态RAM的刷新的刷新1.刷新间隔刷新间隔为了维持为了维持MOS型动态记忆单元的存储信息，每型动态记忆单元的存储信息，每隔一

47、定时间对存储体中的所有记忆单元的栅极隔一定时间对存储体中的所有记忆单元的栅极电容补充电荷电容补充电荷MOS型动态存储器允许的最大刷新间隔为型动态存储器允许的最大刷新间隔为2ms，应在应在2ms内，将全部存储体刷新一遍内，将全部存储体刷新一遍计算机组成原理计算机组成原理795.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器刷新和重写（再生）是两个完全不同的概念刷新和重写（再生）是两个完全不同的概念重写是随机的，某个存储单元只有在破坏性读重写是随机的，某个存储单元只有在破坏性读出之后才需要重写出之后才需要重写刷新是定时的，即使许多记忆单元长期未被访刷新是定时的，即使许多记忆单元长期未

48、被访问，若不及时补充电荷，信息会丢失问，若不及时补充电荷，信息会丢失重写按存储单元进行，刷新以存储体矩阵中的重写按存储单元进行，刷新以存储体矩阵中的一行为单位进行的一行为单位进行的计算机组成原理计算机组成原理805.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器2.刷新方式刷新方式集中式集中式分散式分散式异步式异步式计算机组成原理计算机组成原理815.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器1024个记忆单元（排列成个记忆单元（排列成3232矩阵）矩阵）按行进行刷新按行进行刷新每刷新一行占用一个存取周期，存取周期为每刷新一行占用一个存取周期，存取周期为500n

49、s(0.5 s)32行行32列列计算机组成原理计算机组成原理825.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器(1)集中刷新方式集中刷新方式在允许的最大刷新间隔内，按照存储芯片容量在允许的最大刷新间隔内，按照存储芯片容量的大小集中安排若干个刷新周期，刷新时停止的大小集中安排若干个刷新周期，刷新时停止读写操作读写操作 刷新时间刷新时间=存储体矩阵行数存储体矩阵行数刷新周期刷新周期刷新周期是刷新一行需要的时间，刷新过程就刷新周期是刷新一行需要的时间，刷新过程就是是“假读假读”的过程，刷新周期就等于存取周期的过程，刷新周期就等于存取周期计算机组成原理计算机组成原理835.3 半导体

50、随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器2ms内内4000个存取周期，从个存取周期，从03967个周期内进个周期内进行读行读/写操作或保持，从写操作或保持，从39683999，32个周期个周期集中安排刷新操作集中安排刷新操作刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读读/写操作写操作刷新刷新013967396839993968个周期（个周期（1984 s）32个周期（个周期（16 s）“死时间率死时间率” 为为 32/4 000 100% = 0.8%“死区死区” 为为 0.5 s s 32 = 16 s s计算机组成原理计算机组成原理845.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只

51、读存储器优点：读优点：读/写操作时不受刷新工作的影响，系统写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度比较高的存取速度比较高缺点：在集中刷新期间必须停止读缺点：在集中刷新期间必须停止读/写，称为写，称为“死区死区”，存储容量越大，死区越长，存储容量越大，死区越长计算机组成原理计算机组成原理855.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器(2)分散刷新方式分散刷新方式刷新操作分散到每个存取周期内，存取周期分两部分，刷新操作分散到每个存取周期内，存取周期分两部分，前一部分时间进行读前一部分时间进行读/写操作或保持，后一部分时间进写操作或保持，后一部分时间进行刷新操作。一个存取周期

52、内刷新存储矩阵中的一行行刷新操作。一个存取周期内刷新存储矩阵中的一行刷新间隔（刷新间隔（32 s）周期周期0周期周期1周期周期31读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新tC = = tM + + tR读写读写刷新刷新无无 “死区死区”(存取周期为存取周期为 0.5 s + 0.5 s )计算机组成原理计算机组成原理865.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器分散刷新方式没有死区，加长了系统的存取周分散刷新方式没有死区，加长了系统的存取周期，如存储芯片的存取周期为期，如存储芯片的存取周期为0.5 s，则系统的，则系统的存取周期应为存取周期应为1 s，降低了

53、整机的速度降低了整机的速度新过于频繁（每新过于频繁（每32 s重复刷新），存储容量比重复刷新），存储容量比较小的情况下，没有充分利用所允许的最大刷较小的情况下，没有充分利用所允许的最大刷新间隔（新间隔（2ms）计算机组成原理计算机组成原理875.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 (3)异步刷新方式异步刷新方式充分利用最大刷新间隔时间，把刷新操作平均充分利用最大刷新间隔时间，把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内进行，故有：分配到整个最大刷新间隔时间内进行，故有： 相邻两行的刷新间隔相邻两行的刷新间隔=最大刷新间隔时间最大刷新间隔时间/行数行数计算机组成原理计算机

54、组成原理885.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 对对3232矩阵，矩阵，2ms内需将内需将32行刷新一遍行刷新一遍相邻两行的刷新时间间隔相邻两行的刷新时间间隔=2ms/32=62.5 s，即，即每隔每隔62.5 s安排一个刷新周期，在刷新时封锁安排一个刷新周期，在刷新时封锁读读/写写刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s将刷新安排在指令译码阶段，不会出现将刷新安排在指令译码阶段，不会出现 “死区死区”“死区死区” 为为 0.5 s s 每行每隔每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次计算机

55、组成原理计算机组成原理895.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器异步刷新方式有死区，比集中刷新方式的死区异步刷新方式有死区，比集中刷新方式的死区小得多，为小得多，为0.5 s可以避免使可以避免使CPU连续等待过长的时间，而且减连续等待过长的时间，而且减少了刷新次数少了刷新次数计算机组成原理计算机组成原理905.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器例例一个一个1K*4位的动态位的动态RAM芯片，若其内部结构芯片，若其内部结构排列成排列成64*64形式，且存取周期为形式，且存取周期为0.1us1. 若采用分散刷新和集中刷新相结合的方式，若采用分散刷

56、新和集中刷新相结合的方式，刷新信号周期应该取多少？刷新信号周期应该取多少？2. 若采用集中刷新，则对该存储芯片刷新一遍若采用集中刷新，则对该存储芯片刷新一遍需多少时间？死时间率是多少？需多少时间？死时间率是多少？计算机组成原理计算机组成原理915.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器3.刷新控制刷新控制 MOS型动态型动态RAM的刷新要注意几个问题：的刷新要注意几个问题： 刷新对刷新对CPU是透明的是透明的 刷新是一行一行地进行的，每一行中各记忆刷新是一行一行地进行的，每一行中各记忆单元同时被刷新，故刷新操作时仅需要行地址单元同时被刷新，故刷新操作时仅需要行地址，不需要

57、列地址，不需要列地址计算机组成原理计算机组成原理925.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器3.刷新控制刷新控制 MOS型动态型动态RAM的刷新要注意几个问题：的刷新要注意几个问题： 刷新操作类似于读出操作刷新操作类似于读出操作 因为所有芯片同时被刷新，刷新时，从单个因为所有芯片同时被刷新，刷新时，从单个芯片的存储容量着手，不是从整个存储器的容芯片的存储容量着手，不是从整个存储器的容量着手量着手计算机组成原理计算机组成原理93 3. 动态动态 RAM 和静态和静态 RAM 的比较的比较DRAMSRAM存储原理存储原理集成度集成度芯片引脚芯片引脚功耗功耗价格价格速度速度刷

58、新刷新电容电容触发器触发器高高低低少少多多小小大大低低高高慢慢快快有有无无主存主存缓存缓存5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器计算机组成原理计算机组成原理945.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.3 RAM芯片分析芯片分析1.RAM芯片芯片存储芯片通过地址线、数据线和控制线与外部存储芯片通过地址线、数据线和控制线与外部连接连接地址线是地址线是单向单向输入的，数目与芯片容量有关输入的，数目与芯片容量有关容量为容量为10244时，地址线有时，地址线有10根；容量为根；容量为64K1时，地址线有时，地址线有16根根计算机组成原理计算机组成

59、原理955.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.3 RAM芯片分析芯片分析1.RAM芯片芯片数据线是数据线是双向双向的的数目与数据位数有关数目与数据位数有关10244的芯片，数据线有的芯片，数据线有4根；根；64K1的芯片，的芯片，数据线有数据线有1根根计算机组成原理计算机组成原理965.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.3 RAM芯片分析芯片分析1.RAM芯片芯片控制线有控制线有读读/写控制写控制线（或写允许线）和片选线（或写允许线）和片选读读/写控制线决定芯片是进行读操作还是写操写控制线决定芯片是进行读操作还是写操片选线片选

60、线决定该芯片是否被选中决定该芯片是否被选中计算机组成原理计算机组成原理97芯片容量芯片容量1. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K4位位16K1位位8K8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）1041411385.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器计算机组成原理计算机组成原理981. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线