微机原理 第六章 存储器系统

1、6.1存储系统的基本概念存储系统的基本概念 6.2半导体存储器半导体存储器 6.3高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 6.4微机的外部存储器微机的外部存储器 第六章第六章 存储器系统存储器系统 6.1 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构一、存储系统的层次结构 微机存储系统有三个基本参数：容量、速度、成本微机存储系统有三个基本参数：容量、速度、成本 F容量：以字节数表示容量：以字节数表示 F速度：以访问时间速度：以访问时间TA、存储周期、存储周期TM或带宽或带宽BM 表示表示 TA从接收读申请到读出信息到存储器输出端从接收读申请到读出信息到存储器输出端 的时间

2、的时间 TM连续两次启动存储器所需的最小时间间连续两次启动存储器所需的最小时间间 隔隔 TM TA M M T w B 一、存储系统的层次结构一、存储系统的层次结构 w数据总线宽度数据总线宽度 F成本：以每位价格表示成本：以每位价格表示 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构一、存储系统的层次结构 速度速度 成本成本 低低 磁带磁带 磁盘磁盘 半导体主存储器半导体主存储器 Cache 寄存器寄存器 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构一、存储系统的层次结构 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 外存平均访问时间外存平均访问时间ms级级 硬盘硬盘91

3、0ms 光盘光盘80120ms 内存平均访问时间内存平均访问时间ns级级 SRAM Cache15ns SDRAM内存内存715ns EDO内存内存6080ns EPROM存储器存储器100400ns 一、存储系统的层次结构一、存储系统的层次结构 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 寄存器寄存器 Cache 主存储器主存储器 辅助存储器辅助存储器(磁盘磁盘) 大容量存储器大容量存储器(磁带磁带) 外存储器外存储器 内存储器内存储器 二、存储器访问的局部性原理二、存储器访问的局部性原理 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 存储器访问的局部性指处理器访问存储器时，无论取存储器访问的局部性指处理

4、器访问存储器时，无论取 指令还是取数据，所访问的存储单元都趋向于聚集在指令还是取数据，所访问的存储单元都趋向于聚集在 一个较小的连续单元区域中。一个较小的连续单元区域中。 时间上的局部性时间上的局部性最近的将来要用到的信息很可能最近的将来要用到的信息很可能 就是现在正在使用的信息。主要由循环造成就是现在正在使用的信息。主要由循环造成 空间上的局部性空间上的局部性最近的将来要用到的信息很可能最近的将来要用到的信息很可能 与现在正在使用的信息在空间上是邻近的。主要由顺与现在正在使用的信息在空间上是邻近的。主要由顺 序执行和数据的聚集存放造成序执行和数据的聚集存放造成 二、存储器访问的局部性原理二、

5、存储器访问的局部性原理 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 存储器的层次结构是依靠存储器访问的局部性实现的存储器的层次结构是依靠存储器访问的局部性实现的 存储器的层次结构的性能由命中率来衡量：存储器的层次结构的性能由命中率来衡量： 命中率命中率对层次结构存储系统中的某一级存储器来对层次结构存储系统中的某一级存储器来 说，要访问的数据正好在这一级的概率说，要访问的数据正好在这一级的概率 二、存储器访问的局部性原理二、存储器访问的局部性原理 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 例：两级存储系统例：两级存储系统 M1访问时间访问时间TA1， 命中率命中率H M2访问时间访问时间TA2 则平均访问

6、时间则平均访问时间 TA=HTA1+(1-H)TA2 规定：访问时间比规定：访问时间比 访问效率访问效率 1 2 A A T T r A A T T e 1 则则 Hrr e )1( 1 Hrr e )1( 1 二、存储器访问的局部性原理二、存储器访问的局部性原理 存储系统的基本概念存储系统的基本概念 追求追求1 0 1.0 1.0 r=1 r=2 r=10 r=100 e H 6.2 半导体存储器半导体存储器 一、半导体存储器的分类一、半导体存储器的分类 RAM 静态静态RAM（SRAM） 动态动态RAM（DRAM） ROM 掩膜型掩膜型ROM 可编程可编程ROM（PROM） 可擦除可编程可

7、擦除可编程ROM（EPROM） 电可擦除可编程电可擦除可编程ROM（E2PROM) 半导体存储器半导体存储器 二、半导体存储器的组成二、半导体存储器的组成 P. 157 三、静态三、静态RAM（SRAM） FSRAM基本存储电路基本存储电路 P. 159 半导体存储器半导体存储器 三、静态三、静态RAM（SRAM） 存储矩阵存储矩阵 地址译码器地址译码器 地址寄存器地址寄存器 地址总线地址总线 读写放大器读写放大器 数据寄存器数据寄存器 数据总线数据总线 控制电路控制电路 OE WE CE SRAM芯片的结构芯片的结构 半导体存储器半导体存储器 三、静态三、静态RAM（SRAM） FSRAM的

8、特点的特点 读写速度快读写速度快 所用管子数目多，单个器件容量小所用管子数目多，单个器件容量小 T1、T2总有一个处于到通状态，功耗较大总有一个处于到通状态，功耗较大 SRAM通常用来做通常用来做Cache 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 行选择信号行选择信号 列选择信号列选择信号 数据输入输出线数据输入输出线 刷新放大器刷新放大器 单管动态存储电路单管动态存储电路 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 存储矩阵存储矩阵 地址总线地址总线 I/O缓冲器 缓冲器 数据总线数据总线 读写控制读写控制/动态刷新电路动态刷新电路 RAS# DRAM

9、芯片的结构芯片的结构 地址锁存器地址锁存器 CAS#WE# 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 FDRAM的特点的特点 所用管子少，芯片位密度高所用管子少，芯片位密度高 功耗小功耗小 需要刷新需要刷新 存取速度慢存取速度慢 DRAM主要用来做内存主要用来做内存 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 FDRAM的种类的种类 FPM DRAM 存取时间存取时间80100ns EDO DRAM 存取时间存取时间5070ns SDRAM 存取时间存取时间610ns SIMMSingle Inline Memory Module 单列直插式内存模块单列直

10、插式内存模块 72线：线：32位数据、位数据、12位行列公用地址、位行列公用地址、RAS#、CAS#等等 在在Pentium微型机中必须成对使用微型机中必须成对使用 FPM/EDO 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 FDRAM内存条的种类内存条的种类 DIMMDual Inline Memory Module 双列直插式内存模块双列直插式内存模块 168线：线：64位数据、位数据、14位行列公用地址、位行列公用地址、RAS#、CAS#等等 可单数使用可单数使用 FPM/EDO/SDRAM 四、动态四、动态RAM（DRAM） 半导体存储器半导体存储器 FDRAM内存条

11、的种类内存条的种类 五、只读存储器（五、只读存储器（ROM） P.166 六、内存的扩展六、内存的扩展 P. 169 位扩展位扩展 地址扩展地址扩展 将多个内存芯片用位扩组装成内存模块（即内存条）将多个内存芯片用位扩组装成内存模块（即内存条） 将多个内存条插到内存插槽中将多个内存条插到内存插槽中地址扩展地址扩展 半导体存储器半导体存储器 七、内存的奇偶校验七、内存的奇偶校验 处理器处理器 存储器阵列存储器阵列 DRAM0 DRAM1 DRAM2 DRAM3 DRAM4 DRAM5 DRAM6 DRAM7 DRAMPB 奇偶检查奇偶检查 器器/产生器产生器 PB 8位位9位位 PE PE 半导体

12、存储器半导体存储器 半导体存储器半导体存储器 八、内存地址分析八、内存地址分析 F译码器译码器74LS138 半导体存储器半导体存储器 八、内存地址分析八、内存地址分析 例：例：2764为为8K 8的的EPROM芯片，要求其地址范围是芯片，要求其地址范围是 FA000HFBFFFH，设计其连线。，设计其连线。 半导体存储器半导体存储器 九、九、Pentium与内存的与内存的 连接连接 82439TX系统控制器系统控制器 （MTXC） 半导体存储器半导体存储器 九、九、Pentium与内存的连接与内存的连接 82439TX系统控制系统控制 器（器（MTXC） 半导体存储器半导体存储器 九、九、P

13、entium与内存的连接与内存的连接 6.3 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 一、一、Cache的工作原理的工作原理 FCache的结构的结构 0 2n-1 主存主存 1 块块0 块块M-1 M个块个块 每块每块K个字节个字节 Cache 标签标签块块 0 C-1 C个槽个槽 每个槽每个槽K个字节个字节 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 一、一、Cache的工作原理的工作原理 F地址映象地址映象 直接映象直接映象 每个主存块只允许放到每个主存块只允许放到Cache的特定的槽中的特定的槽中 优点：简单优点：简单 缺点：缺点：Cache命中率低、命中率低、 Cache空间

14、利用率也低空间利用率也低 字节号字节号槽号槽号 标签标签 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 一、一、Cache的工作原理的工作原理 F地址映象地址映象 全相联映象全相联映象 每个主存块允许放到每个主存块允许放到Cache的任何一个槽中的任何一个槽中 字节号字节号 标签标签 优点：复杂优点：复杂 优点：优点：Cache命中率高、命中率高、 Cache空间利用率也高空间利用率也高 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 一、一、Cache的工作原理的工作原理 F地址映象地址映象 组相联映象组相联映象 把把Cache分成若干组，每组若干个槽。分成若干组，每组若干个槽。 设每组有设每

15、组有J个槽，称为个槽，称为J路组相联路组相联 每个主存块允许放在特定组内的任意一个槽中每个主存块允许放在特定组内的任意一个槽中 字节号字节号组号组号 标签标签 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 一、一、Cache的工作原理的工作原理 F替换算法替换算法 1. 最近最少使用（最近最少使用（LRU） 需要记录使用情况的历史信息需要记录使用情况的历史信息 2. 先进先出（先进先出（FIFO） 用循环移位寄存器用循环移位寄存器 3. 用得最少（用得最少（LFU） 每个槽增加一个计数器每个槽增加一个计数器 F写入策略写入策略 通写通写 回写回写 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）

16、二、二、Pentium的片内的片内Cache Cache分成独立的分成独立的8K代码代码Cache和和8K数据数据Cache 采用二路组相联方式采用二路组相联方式 支持通写和回写两种写入方式支持通写和回写两种写入方式 采用采用LRU替换算法替换算法 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 二、二、Pentium的片内的片内Cache 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 二、二、Pentium的片内的片内Cache 每个每个Cache有有0路和路和1路两个路两个4KB缓存组成缓存组成 Cache中数据操作的基本单元为中数据操作的基本单元为32个字节，一个单元称为一个数个字节，一个

17、单元称为一个数 据线，每个据线，每个4KB缓存区有缓存区有128个数据线个数据线 片内片内Cache不能只填充部分数据线，这就是缓存式读总线周期要不能只填充部分数据线，这就是缓存式读总线周期要 进行四个四字数据传送的原因进行四个四字数据传送的原因 每个每个4KB缓存区有一个与之对应的标记目录，每个标记目录含有缓存区有一个与之对应的标记目录，每个标记目录含有 128个标记表项，记录着数据线的使用情况以及数据线中的数据个标记表项，记录着数据线的使用情况以及数据线中的数据 是否无效了是否无效了 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） 二、二、Pentium的片内的片内Cache 读操作读操作 命中命中 未命中未命中进行高速缓存数据线填充读操作，在突发式进行高速缓存数据线填充读操作，在突发式 读总线周期中读入读总线周期中读入256位数据位数据 写操作写操作 回写回写 通写通写 WB/WT#信号信号 高速缓冲存