计算机组成原理第四章_2014-15-2(2)

1、4.1 概述概述4.2 主存储器主存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器4.4 辅助存储器辅助存储器一、存储器分类一、存储器分类1. 按存储介质分类按存储介质分类(1) 半导体存储器半导体存储器(2) 磁表面存储器磁表面存储器(3) 磁芯存储器磁芯存储器(4) 光盘存储器光盘存储器易失易失TTL 、MOS磁头、载磁体磁头、载磁体硬磁材料、环状元件硬磁材料、环状元件激光、磁光材料激光、磁光材料非非易易失失(1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）存取时间与物理地址无关（随机访问） 顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带2. 按存取方式分类按存取方式分类(2) 存取时间与物理地址有关（串行访问

2、）存取时间与物理地址有关（串行访问） 随机存储器随机存储器 只读存储器只读存储器 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只只 读读磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘 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 RAM3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类高高低低小小大大快快慢慢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

3、带速度速度容量容量 价格价格 位位1. 存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构缓存缓存CPU主存主存辅存辅存2. 缓存缓存 主存层次和主存主存层次和主存 辅存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms主存储器主存储器（速度）（速度）（容量）（容量）一、概述一、概述1. 主存的基本组成主存的基本组成存储体存储体驱动器驱动器译码器译码器MAR控制电路控制电路读读写写电电路路MDR地址总线地址总线数据总线数据总线读读写写2. 主存和主存和 CPU 的联系的联系MDRMARCPU主主 存存读读

4、数据总线数据总线地址总线地址总线写写设地址线设地址线 24 根根按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 16 位位按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 32 位位3. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配224 = 16 M8 M4 M存储单元地址范围取决于地址线有多少根！存储单元地址范围取决于地址线有多少根！(2) 存储速度存储速度4. 主存的技术指标主存的技术指标(1) 存储容量存储容量(3) 存储器的带宽存储器的带宽主存主存 存放二进制代码的总位数存放二进制代码的总位数 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 读出时间读出时间 写入

5、时间写入时间 存储器的存储器的 访问时间访问时间 存取时间存取时间 存取周期存取周期 读周期读周期 写周期写周期 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的（读或写）所需的 最小间隔时间最小间隔时间 位位/秒秒芯片容量芯片容量二、半导体存储芯片简介二、半导体存储芯片简介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）104141138二、半导体存储芯片简介二、半导体存储芯片简

6、介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片选线片选线读读/写控制线写控制线（低电平写（低电平写 高电平读）高电平读）（允许读）（允许读）CSCEWE（允许写）（允许写）WEOE0,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A02. 半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式(1) 线选法线选法00000,00,7007D07D 读读 / 写写

7、选通选通 读读/写控制电路写控制电路 A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写(2) 重合法重合法00000000000,031,00,31I/OD0,0读读 三三. 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 用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 1K 8位位 的

8、存储器的存储器？片？片 四、存储器与四、存储器与 CPU 的连接的连接 1. 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 (1) 位扩展位扩展（增加存储字长）（增加存储字长）10根地址线根地址线8根数据线根数据线DDD0479AA021142114CSWE2片片 (2) 字扩展（增加存储字的数量）字扩展（增加存储字的数量） 用用 1K 8位位 存储芯片组成存储芯片组成 2K 8位位 的存储器的存储器11根地址线根地址线8根数据线根数据线？片？片2片片1K 8 8位位1K 8 8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS1 (3) 字、位扩展字、位扩展用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 4

9、K 8位位 的存储器的存储器8根数据线根数据线12根地址线根地址线WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0CS1CS2CS3片选片选译码译码1K41K41K41K41K41K41K41K4？片？片8片片 2. 存储器与存储器与 CPU 的连接的连接 (1) 地址线的连接地址线的连接(2) 数据线的连接数据线的连接(3) 读读/写命令线的连接写命令线的连接(4) 片选线的连接片选线的连接(5) 合理选择存储芯片合理选择存储芯片(6) 其他其他 时序、负载时序、负载例例4.1 P94 解解: : (1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码(2) 确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类

10、型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2片片1K4位位ROM1片片 2K8位位(3) 分配地址线分配地址线A10 A0 接接 2K 8位位 ROM 的地址线的地址线A9 A0 接接 1K 4位位 RAM 的地址线的地址线(4) 确定片选信号确定片选信号C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

11、 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K 8位位1片片 ROM1K 4位位2片片RAM 2K 8位位 ROM 1K 4位位 RAM1K 4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2AMREQA14A15A13A12A11A10A9A0D7D4D3D0WR例例 4.1 CPU 与存储器的连接图与存储器的连接图六、存储器的校验六、存储器的校验考虑编码的纠

12、错考虑编码的纠错 、检错能力检错能力!汉明码是具有一位纠错能力的编码汉明码是具有一位纠错能力的编码汉明码的组成需增添汉明码的组成需增添 ？位检测位位检测位检测位的位置检测位的位置 ？检测位的取值检测位的取值 ？2k n + k + 1检测位的取值与该位所在的检测检测位的取值与该位所在的检测“小组小组” 中中承担的奇偶校验任务有关承担的奇偶校验任务有关组成汉明码的三要素组成汉明码的三要素2 . 汉明码的组成汉明码的组成2i ( i = 0，1，2 ，3 ， )各检测位各检测位 Ci 所承担的检测小组为所承担的检测小组为gi 小组独占第小组独占第 2i1 位位gi 和和 gj 小组共同占第小组共同

13、占第 2i1 + 2j1 位位gi、gj 和和 gl 小组共同占第小组共同占第 2i1 + 2j1 + 2l1 位位 C1 检测的检测的 g1 小组包含第小组包含第 1，3，5，7，9，11，C2 检测的检测的 g2 小组包含第小组包含第 2，3，6，7，10，11，C4 检测的检测的 g3 小组包含第小组包含第 4，5，6，7，12，13，C8 检测的检测的 g4 小组包含第小组包含第 8，9，10，11，12，13，14，15，24，例例4.4 求求 0101 按按 “偶校验偶校验” 配置的汉明码配置的汉明码解：解： n = 4根据根据 2k n + k + 1得得 k = 3汉明码排序如

14、下汉明码排序如下:二进制序号二进制序号名称名称1 2 3 4 5 6 7C1 C2 C40 0101 的汉明码为的汉明码为 010010101 0 110按配偶原则配置按配偶原则配置 0011 的汉明码的汉明码 二进制序号二进制序号 名称名称1 2 3 4 5 6 7C1 C2 C41 0 000 1 1解：解： n = 4 根据根据 2k n + k + 1取取 k = 3C1= 3 5 7 = 1C2= 3 6 7 = 0C4= 5 6 7 = 0 0011 的汉明码为的汉明码为 1000011练习练习13. 汉明码的纠错过程汉明码的纠错过程形成新的检测位形成新的检测位 Pi ，如增添如增

15、添 3 位位 （k = 3）， 新的检测位为新的检测位为 P4 P2 P1 。以以 k = 3 为例，为例，Pi 的取值为的取值为P1 = 1 3 5 7P2 = 2 3 6 7P4 = 4 5 6 7对于按对于按 “偶校验偶校验” 配置的汉明码配置的汉明码 不出错时不出错时 P1= 0，P2 = 0，P4 = 0C1C2C4其位数与增添的检测位有关，其位数与增添的检测位有关，P1= 1 3 5 7 = 0 无错无错P2= 2 3 6 7 = 1 有错有错P4= 4 5 6 7 = 1 有错有错P4P2P1 = 110第第 6 位出错，可纠正为位出错，可纠正为 0100101，故要求传送的信息

16、为故要求传送的信息为 0101。纠错过程如下纠错过程如下例例4.5解：解： 已知接收到的汉明码为已知接收到的汉明码为 0100111（按配偶原则配置）试问要求传送的信息是什么（按配偶原则配置）试问要求传送的信息是什么? 练习练习2P4 = 4 5 6 7 = 1P2 = 2 3 6 7 = 0P1 = 1 3 5 7 = 0 P4 P2 P1 = 100第第 4 位错，可不纠位错，可不纠写出按偶校验配置的汉明码写出按偶校验配置的汉明码0101101 的纠错过程的纠错过程练习练习3按配奇原则配置按配奇原则配置 0011 的汉明码的汉明码配奇的汉明码为配奇的汉明码为 0101011七、提高访存速度

17、的措施七、提高访存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 调整主存结构调整主存结构1. 单体多字系统单体多字系统 W位位W位位W位位W位位W位位 地址寄存器地址寄存器 主存控制器主存控制器. . . . . . 单字长寄存器单字长寄存器 数据寄存器数据寄存器 存储体存储体 采用层次结构采用层次结构 Cache 主存主存 增加存储器的带宽增加存储器的带宽 2. 多体并行系统多体并行系统(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3体内地址体内地址体号体号体号体号地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 0

18、00011 000111 1111顺序编址顺序编址 各个体并行工作各个体并行工作M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址译码地址译码体内地址体内地址体号体号体号体号(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3体号体号体内地址体内地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11(2) 低位交叉低位交叉各个体轮流编址各个体轮流编址M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址译码地址译码 体号体号体内地

19、址体内地址 体号体号(2) 低位交叉低位交叉 各个体轮流编址各个体轮流编址低位交叉的特点低位交叉的特点在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽时间时间 单体单体访存周期访存周期 单体单体访存周期访存周期启动存储体启动存储体 0启动存储体启动存储体 1启动存储体启动存储体 2启动存储体启动存储体 3 设四体低位交叉存储器，存取周期为设四体低位交叉存储器，存取周期为T，总线传输周期，总线传输周期为为，为实现流水线方式存取，应满足，为实现流水线方式存取，应满足 T 4。连续读取连续读取 4 个字所需的时间为个字所需的时间为 T(4 1)(3) 存储器控制部

20、件（简称存控）存储器控制部件（简称存控）易发生代码易发生代码丢失的请求源，丢失的请求源，优先级优先级最高最高严重影响严重影响 CPU工作的请求源，工作的请求源，给予给予 次高次高 优先级优先级控制线路控制线路排队器排队器 节拍节拍发生器发生器QQCM来自各个请求源来自各个请求源 主脉冲主脉冲存控标记存控标记 触发器触发器3.高性能存储芯片高性能存储芯片(1) SDRAM (同步同步 DRAM)在系统时钟的控制下进行读出和写入在系统时钟的控制下进行读出和写入CPU 无须等待无须等待(2) RDRAM由由 Rambus 开发，主要解决开发，主要解决 存储器带宽存储器带宽 问题问题 (3) 带带 C

21、ache 的的 DRAM 在在 DRAM 的芯片内的芯片内 集成集成 了一个由了一个由 SRAM 组成的组成的 Cache ，有利于，有利于 猝发式读取猝发式读取 一、概述一、概述1. 问题的提出问题的提出避免避免 CPU “空等空等” 现象现象CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差异的速度差异缓存缓存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理2. Cache 的工作原理的工作原理(1) 主存和缓存的编址主存和缓存的编址主存和缓存按块存储主存和缓存按块存储 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长 主存块号主存块号主存储器主存储器

22、012m1字块字块 0字块字块 1字块字块 M1主存块号主存块号块内地址块内地址m位位b位位n位位M块块B个字个字缓存块号缓存块号块内地址块内地址c位位b位位C块块B个字个字 字块字块 0字块字块 1字块字块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号(2) 命中与未命中命中与未命中缓存共有缓存共有 C 块块主存共有主存共有 M 块块M C主存块主存块 调入调入 缓存缓存主存块与缓存块主存块与缓存块 建立建立 了对应关系了对应关系用用 标记记录标记记录 与某缓存块建立了对应关系的与某缓存块建立了对应关系的 主存块号主存块号命中命中未命中未命中主存块与缓存块主存块与缓存块 未建立未建立 对

23、应关系对应关系主存块主存块 未调入未调入 缓存缓存(3) Cache 的命中率的命中率CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 一般每块可取一般每块可取 4 8 个字个字命中率命中率= =访问访问CahceCahce的总命中次数的总命中次数/(/(访问访问CahceCahce的的总命中次数总命中次数 + + 访问主存的总次数访问主存的总次数) )(4) Cache 主存系统的效率主存系统的效率效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cach

24、e 的时间为的时间为 tc ， 访问访问 主存主存 的时间为的时间为 tm 则则 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e = 100%3. Cache 的基本结构的基本结构Cache替换机构替换机构Cache存储体存储体主存主存Cache地址映射地址映射变换机构变换机构由由CPU完成完成4. Cache 的的 读写读写 操作操作 访问访问Cache取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存取出信息送取出信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中

25、？命中？Cache满？满？CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始是是否否是是否否读读Cache 和主存的一致性和主存的一致性 4. Cache 的的 读写读写 操作操作写写 写直达法写直达法（Write through） 写回法写回法（Write back） 写操作时数据既写入写操作时数据既写入Cache又写入主存又写入主存 写操作时只把数据写入写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存而不写入主存当当 Cache 数据被替换出去时才写回主存数据被替换出去时才写回主存 写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现

26、涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问写操作时间就是访问 Cache 的时间的时间，读操作读操作 Cache 失效发生数据替换时，失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了被替换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性的复杂性5. Cache 的改进的改进(1) 增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cache(2) 统一缓存和分立缓存统一缓存和分立缓存指令指令 Cache数据数据 Cache与主存结构有关与主存结构有关与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache

27、 8K 数据数据 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache 字块字块2m1 字块字块2c+1 字块字块2c+11 字块字块2c +1 字块字块2c 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0主存储体主存储体 字块字块 1 标记标记 字块字块 0 标记标记字块字块 2c1标记标记Cache存储体存储体t位位012c1 字块字块字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比较器（比较器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中二、二、Cache 主存的地址映射

28、主存的地址映射1. 直接映射直接映射每个缓存块每个缓存块 i 可以和可以和 若干若干 个个 主存块主存块 对应对应每个主存块每个主存块 j 只能和只能和 一一 个个 缓存块缓存块 对应对应i = j mod C 字块字块2c+1 字块字块2c 字块字块0 字块字块 02. 全相联映射全相联映射主存主存 中的中的 任一块任一块 可以映射到可以映射到 缓存缓存 中的中的 任一块任一块字块字块2m1字块字块2c1字块字块1 字块字块0字块字块2c1字块字块1字块字块0标记标记标记标记标记标记主存字块标记主存字块标记 字块内地址字块内地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCa

29、che 存储器存储器主存储器主存储器 字块字块0字块字块2m1字块字块2c-r+1 字块字块2c-r + 1 字块字块2c-r字块字块2c-r 字块字块1 字块字块0 字块字块 3标记标记 字块字块 1标记标记字块字块 2c1标记标记 字块字块 2标记标记 字块字块 0标记标记字块字块 2c2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记s = t + r 位位q = cr 位位b 位位组组012c-r1主存地址主存地址Cache主存储器主存储器m 位位共共 Q 组组，每组内两块（，每组内两块（r = 1)1某一主存块某一主存块 j 按模按模 Q 映射到映射到 缓存缓存 的

30、第的第 i 组组中的中的 任一块任一块i = j mod Q直接映射直接映射全相联映射全相联映射3. 组相联映射组相联映射 字块字块0 字块字块 1 字块字块 0 字块字块2c-r 字块字块2c-r+1三、替换算法三、替换算法1. 先进先出先进先出 （ FIFO ）算法算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法算法小结小结某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接全相联全相联组相联组相联某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓存块某一某一 主存块主存块 只能只能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一

31、块任一块不灵活不灵活成本高成本高一、概述一、概述1. 特点特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息2. 磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC = n k s寻道时间寻道时间 + 等待时间等待时间(1) 记录密度记录密度(2) 存储容量存储容量(3) 平均寻址时间平均寻址时间(4) 数据传输率数据传输率(5) 误码率误码率辅存的速度辅存的速度寻址时间寻址时间磁头读写时间磁头读写时间Dr = Db V出错信息位数与读出信息的总位数之比出错信息位数与读出信息的总位数之比二、磁记录原理和记录方式二、磁记录原理和记录方式1. 磁记录原理磁记录原理写写局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”IN读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1”读读1. 磁记录原理磁记录原理2. 磁表面存储器的记录方式磁表面存储器的记录方式011100