张 第5章内存扩展.

1、1第第5 5章章 存储器系统2主要内容：n存储器系统的概念存储器系统的概念n半导体存储器的分类及其特点半导体存储器的分类及其特点n半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接n存储器接口设计（存储器扩展技术）存储器接口设计（存储器扩展技术）n高速缓存高速缓存35.1 概 述主要内容：主要内容：n存储器系统及其主要技术指标存储器系统及其主要技术指标n半导体存储器的分类及特点半导体存储器的分类及特点n两类半导体存储器的主要区别两类半导体存储器的主要区别4一、存储器系统51. 存储器系统的一般概念n将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同将两个或两个以上速度、容量

2、和价格各不相同 的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法 连接起来连接起来n系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近 最大的存储器。最大的存储器。构成存储系统。构成存储系统。62. 两种存储系统n在一般计算机中主要有两种存储系统：在一般计算机中主要有两种存储系统：Cache存储系统存储系统主存储器主存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器虚拟存储系统虚拟存储系统主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器7Cache存储系统n对程序员是透明的对程序员是透明的n目标：目标：n提高存储速度提高存储速度Cache主存储器主存储器8虚拟

3、存储系统n对应用程序员是透明的。对应用程序员是透明的。n目标：目标：n扩大存储容量扩大存储容量主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器94. 微机中的存储器 通用寄存器组及通用寄存器组及 指令、数据缓冲栈指令、数据缓冲栈高速缓存高速缓存主存储器主存储器联机外存储器联机外存储器脱机外存储器脱机外存储器片内存储部件片内存储部件内存储部件内存储部件外存储部件外存储部件10二、半导体存储器112. 半导体存储器的分类n内存储器内存储器随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）只读存储器（只读存储器（ROM）12随机存取存储器（RAM）nRAM静态存储器（静态存储器（SRAM）不需要动不需要动态刷新，价格高态

4、刷新，价格高动态存储器（动态存储器（DRAM）需动态刷需动态刷新新13只读存储器（ROM）n只读存储器只读存储器掩模掩模ROM: 数据工厂生产时固数据工厂生产时固化，不可更改化，不可更改PROM:Programble ROM 专业工具一次性可写专业工具一次性可写ROMEPROM：Erasable PROMEEPROM: Electrically Erasable PROM143. 主要技术指标n存储容量存储容量n存储单元个数存储单元个数每单元的二进制数位数每单元的二进制数位数n存取时间存取时间n实现一次读实现一次读/ /写所需要的时间写所需要的时间n可靠性可靠性n功耗功耗n价格价格151. 存

5、储器扩展方法n位扩展位扩展n字扩展字扩展n字位扩展字位扩展扩展字长扩展字长扩展单元数扩展单元数既扩展字长也扩展单元数既扩展字长也扩展单元数5.3 RAM与总线连接方法与总线连接方法16位扩展n构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元 的字长时的字长时需进行位扩展。需进行位扩展。n位扩展：每单元字长的扩展。位扩展：每单元字长的扩展。17位扩展方法： P134n将每片的地址线、控制线并联，数据线分将每片的地址线、控制线并联，数据线分 别引出。别引出。n位扩展特点：位扩展特点：n存储器的单元数不变，位数增加。存储器的单元数不变，位数增加。188片片1024x1的的

6、RAM =1Kx8位（即位（即1KB）1024个单元个单元(2的的10次方次方)x1x8片（每单元字长的扩展）片（每单元字长的扩展）地址线：有地址线：有10bits（a0-a9）的地址线，共）的地址线，共2的的10次个地址次个地址数据线：只有数据线：只有1bit，所以用，所以用8片扩展为片扩展为d0-d719字扩展 P135n地址空间的扩展地址空间的扩展n芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。n扩展原则：扩展原则：n每个芯片的地址线、数据线、控制线并联。每个芯片的地址线、数据线、控制线并联。n片选端分别引出，以使每个芯片有不同的地址范围。片选端分别

7、引出，以使每个芯片有不同的地址范围。204片片16Kx8bits的的RAM =16Kx4片片x8位（即位（即64KB）地址线：地址线：16K有有14bits（a0-a13）的地址线，而）的地址线，而64K需要需要共共2的的16次个地址，我们使用次个地址，我们使用a14-a15来扩展来扩展数据线：有数据线：有8bits，为，为d0-d7，无需扩展，无需扩展地址：n0000 0000 0000 0000 0011 1111 1111 1111n0100 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111n1000 0000 0000 0000 1011 1111 1111 111

8、1n1100 0000 0000 0000 1111 1111 1111 111121片片2片片1片片3片片4字位同时扩展法 P135228片片256x4bits的的RAM =256 x4片片x4位位x2片片 （即（即1024x8=1KB）地址线：地址线：256自带自带a0-a7, 1K需要有需要有10bits（a0-a9）的地）的地址线，我们使用址线，我们使用a8-a9来扩展来扩展数据线：自己数据线：自己1片有片有4bits，为，为d0-d3，再加，再加1片扩展片扩展d4-d7地址：n00 0000 0000 00 1111 1111n01 0000 0000 01 1111 1111n10

9、 0000 0000 10 1111 1111n11 0000 0000 11 1111 111123片片2片片1片片3片片4主-辅存存储层次 P1492425Cache的基本概念n设置设置Cache的理由：的理由：nCPU与主存之间在执行速度上存在较大差异；与主存之间在执行速度上存在较大差异；n高速存储器芯片的价格较高；高速存储器芯片的价格较高；Cache主存层次 P14426Cache的工作原理CPUCache主主 存存DBDBDB命中命中存存在在不命中不命中访问内存时，CPU首先访问Cache，找到则 “命中”，否则为“不命中”。28Cache的写操作 P146写操作写操作通过式写通过式

10、写: 新内容直接写入新内容直接写入Cache和内存和内存回写式回写式:只写只写Cache,满后写满后写内存内存29贯穿读出式CPUCache主主 存存n CPU CPU对主存的所有数据请求都首先送到对主存的所有数据请求都首先送到CacheCache， 在在CacheCache中查找。中查找。n 若若命中，切断命中，切断CPUCPU对主存的请求，并将数据送出；对主存的请求，并将数据送出；n 如果不命中，则将数据请求传给主存如果不命中，则将数据请求传给主存。30旁路读出式nCPU向向Cache和主存同时发出和主存同时发出数据数据请求。请求。n命中，则命中，则Cache将数据回送给将数据回送给CPU

11、，并同时中断并同时中断CPU对主对主 存的请求；存的请求；n若不命中，则若不命中，则Cache不做任何动作，由不做任何动作，由CPU直接访问主存直接访问主存CPUCache主主 存存31写穿式n从从CPU发出的写信号送发出的写信号送Cache的同时的同时也写入主存。也写入主存。CPUCache主主 存存32回写式（写更新）n数据一般只写到数据一般只写到Cache，当当Cache中的数据中的数据被再次更新时，将原更新的数据写入主存相被再次更新时，将原更新的数据写入主存相应单元，并接受新的数据。应单元，并接受新的数据。CPUCache主主 存存更新更新写入写入33Cache的分级体系结构n一级一级Cache：容量一般为容量一般为8KB-64KBn一级一级Cache集成在集成在CPU片内。片内。L1 Cache分为指令分为指令Cache和数据和数据Cache。使指令和数据的访问互不影使指令和数据的访问互不影响。响。指令指令Cache用于存放预取的指令。数据用于存放预取的指令。数据Cache中存放指令的操作数。中存放指令的操作数。 n二级二级Cache：容量一般为容量一般为128KB