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文档简介
1、1第第4章章 主存储器与存储系统主存储器与存储系统4.1 存储器基本概念存储器基本概念4.2 半导体存储器的结构和原理半导体存储器的结构和原理4.3 高速存储器高速存储器4.4 Cache存储器存储器4.5 虚拟存储器虚拟存储器2存储器的用途:存储器的用途: 存放程序和数据。存放程序和数据。存储器的要求:存储器的要求: 高速度、大容量、低价格。高速度、大容量、低价格。存储系统:存储系统: 由几个容量、速度和价格不同的存储器组成由几个容量、速度和价格不同的存储器组成的。的。4.1 存储器基本概念存储器基本概念34.1.1存储器的分类存储器的分类1. 按存储介质分类按存储介质分类(1) 半导体存储
2、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4(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)存取时间与物理地址有关(串行访问) 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘 随机存储器随机存储器RAM:SRAM、DRAM、非易失性、非易失性RAM 只读存储器只读存储器ROM4.
3、1.1存储器的分类存储器的分类5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):SRAM存存储储器器主存储器:主存储器:DRAM辅助存储器辅助存储器3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类4.1.1存储器的分类存储器的分类64.1.2 主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标(1) 存储容量存储容量主存存放二进制代码的总位数主存存放二进制代码的总位数 存储器的容量存储器的容量 = 存储单元的个数存储单元的个数存储字长存储字长单位为;单位为;K, M, G, T, P(2) 存储速度存储速度存取时间:存取时间:指一次读操作命令发出到该操作完成,将数据
4、读指一次读操作命令发出到该操作完成,将数据读出到数据总线上所经历的时间。出到数据总线上所经历的时间。存储周期:存储周期:指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通常,存储周期略大于存取时间,其时间单位为常,存储周期略大于存取时间,其时间单位为ns。(3) 存储器的可靠性存储器的可靠性用平均故障间隔时间用平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)来来衡量。衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔,单可以理解为两次故障之间的平均时间间隔,单位为小时。位为小时。74.1.3 存储器的组成和数据存放存储器的组成和数
5、据存放 存储体中各个存储单元,以二进制形式进行统一编号,这个编存储体中各个存储单元,以二进制形式进行统一编号,这个编号称为号称为地址地址,又称为,又称为地址码地址码。地址码与存储单元是一一对应的,。地址码与存储单元是一一对应的,即每个存储单元都有自己唯一的地址。即每个存储单元都有自己唯一的地址。 Mn28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CPUCPU主机主机4.1.4 存储系统的层次结构存储系统的层次结构 94.2 半导体存储器的结构和原理半导体存储器的结构和原理 半导体存储器是当前主存的首选器件
6、半导体存储器是当前主存的首选器件主要由如下部分组成:主要由如下部分组成:u 存储阵列存储阵列u 地址译码与驱动地址译码与驱动u 读写放大电路读写放大电路u 时序控制电路时序控制电路10半导体存储芯片简介半导体存储芯片简介半半导导体体存存储储器器随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM只读存储器只读存储器(ROMROM)静态静态RAMRAM(SRAMSRAM)动态动态RAMRAM(DRAMDRAM)二极管二极管ROMROM双极型双极型ROMROMMOSMOS型型ROMROM固定(掩模)固定(掩模)ROMROM可编程可编程ROMROMPROMPROMEPROMEPROME E2 2PROMPROM
7、FLASHFLASH高速缓冲存储器高速缓冲存储器cachecache主存主存Random Access MemoryRead Only Memory114.2.1 随机存储器随机存储器RAMRAMRAM存储单元:是存储器的最基本存储细胞,它可以存放存储单元:是存储器的最基本存储细胞,它可以存放1 1位位二值数据。二值数据。通过指令可以随机地对存储单元进行读取或改写通过指令可以随机地对存储单元进行读取或改写的存储器。的存储器。RAM是易失性存储器,掉电后所存数据全部消失。是易失性存储器,掉电后所存数据全部消失。在重要的应用场合应配备后备电源或不间断电源。在重要的应用场合应配备后备电源或不间断电源
8、。根据存储信息的机理不同,分为根据存储信息的机理不同,分为SRAMSRAM和和DRAMDRAM静态读写存储器静态读写存储器(SRAM):依靠触发器来存储依靠触发器来存储1位二进制数据,位二进制数据,存取速度快存取速度快,容量小。主要用作容量小。主要用作cache。动态读写存储器动态读写存储器(DRAM):依靠电容存储电荷来保留依靠电容存储电荷来保留1位二进位二进制数据,存储容量比制数据,存储容量比SRAM大。主要用作主存大。主要用作主存121静态静态RAM基本电路为基本电路为双稳态触发器双稳态触发器,每个触发器存放一位,每个触发器存放一位二进制数。二进制数。主要特点:主要特点:u存取速度快,可
9、用于存取速度快,可用于高速缓存高速缓存Cache等应用等应用场合;场合;u不需要刷新电路,扩展电路简单,使用方便;不需要刷新电路,扩展电路简单,使用方便;u但集成度低,价格较高,功耗也比较大。但集成度低,价格较高,功耗也比较大。13静态静态RAM芯片芯片6264 采用采用CMOS工艺,容量为工艺,容量为8K8位的高速、低功耗存储芯片。位的高速、低功耗存储芯片。142动态动态RAM利用利用MOS管栅极对其衬底间分布电容的充放电来存管栅极对其衬底间分布电容的充放电来存储二进制信息。储二进制信息。电容存在漏电现象。电容存在漏电现象。(1 1)写入过程:)写入过程:为了避免存储信为了避免存储信息的丢失
10、,必须定时地给电容补息的丢失,必须定时地给电容补充漏掉的电荷。通常把这种操作充漏掉的电荷。通常把这种操作称为称为“刷新刷新”(2 2)读出过程:)读出过程:读出读出“1”1”后,后,C CS S上的电荷因转移到上的电荷因转移到C CD D无法无法维持维持“1”1”状态,即所存信息被破坏,这种破坏称为状态,即所存信息被破坏,这种破坏称为“破坏破坏性读出性读出”,因此读出,因此读出“1”1”后必须进行后必须进行“再生再生”操作。操作。15(2) 动态动态RAM芯片芯片Intel 2164RASCAS由单管动态由单管动态MOS存储单元电路构成的存储单元电路构成的DRAM,容量为,容量为64K1位位:
11、行地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内行地址:行地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内行地址锁存器中;锁存器中;:列地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内列地址:列地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内列地址锁存器中;锁存器中;RASCAS16 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174.2.2只读存储器只读存储器ROM和闪速存储器和闪速存储器 1ROM的主要类型和特点的主要类型和特点 数
12、据一旦写入,只能读出,不能随意更数据一旦写入,只能读出,不能随意更改,掉电后数据不会丢失。改,掉电后数据不会丢失。ROM类型:类型:n可编程只读存储器可编程只读存储器PROMn可擦写可编程只读存储器可擦写可编程只读存储器EPROMn电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器EEPROMn闪存闪存Flash Memory等等(1 1)可擦除可编程)可擦除可编程ROMROM(EPROMEPROM)擦除方法:将器件放在紫外线下照射约擦除方法:将器件放在紫外线下照射约2020分钟分钟,可以将编程,可以将编程信息全部擦去,信息全部擦去,相当于相当于存储了全存储了全“1”1”。是是整片擦除整片擦除。
13、编程:在编程器上进行的,编程器通常与微机联用。编程:在编程器上进行的,编程器通常与微机联用。 (2 2)电可擦除可编程)电可擦除可编程ROMROM(E E2 2PROMPROM或或EEPROMEEPROM)擦除方法:用擦除方法:用电擦除电擦除,并且擦除的,并且擦除的速度要快速度要快的多(一般为毫的多(一般为毫秒数量级)。秒数量级)。E2PROME2PROM的电擦除过程就是改写过程,它具有的电擦除过程就是改写过程,它具有ROMROM的非易失性,又具备类似的非易失性,又具备类似RAMRAM的功能,可以随时改写。是的功能,可以随时改写。是以字以字为单位进行改写的。为单位进行改写的。(3 3)Flas
14、h Memory (Flash Memory (闪速型存储器闪速型存储器) )它既有它既有EPROMEPROM集成度高、价格便宜的优点;又有集成度高、价格便宜的优点;又有EEPROMEEPROM电擦除电擦除重写的特性。而且擦除和重写的速度快重写的特性。而且擦除和重写的速度快, ,功耗低。功耗低。目前应用:闪盘、目前应用:闪盘、MP3MP3、各种闪卡(、各种闪卡(SDSD、CFCF、MMC)MMC)194.2.3 存储器与存储器与CPU的连接的连接u计算机系统中,存储器芯片与计算机系统中,存储器芯片与CPU之间的连接,实质上就是之间的连接,实质上就是其与其与数据总线、地址总线和控制总线数据总线、
15、地址总线和控制总线三种系统总线的连接。三种系统总线的连接。u在构成存储系统时,由于存储芯片的容量有限,单个芯片往在构成存储系统时,由于存储芯片的容量有限,单个芯片往往不能满足存储器位数往不能满足存储器位数(数据线的位数数据线的位数)或字数或字数(存储单元的个数存储单元的个数)的要求,需要用的要求,需要用多个存储芯片进行组合多个存储芯片进行组合。这种组合称为存储器。这种组合称为存储器的扩展。的扩展。字扩展字扩展位扩展位扩展字、位扩展字、位扩展20片选信号的产生方法片选信号的产生方法u线选法:线选法:利用地址总线的剩余高位地址线直接利用地址总线的剩余高位地址线直接作为存储器芯片的片选信号,低位地址
16、线和存储作为存储器芯片的片选信号,低位地址线和存储器地址线相连。器地址线相连。u部分译码法:部分译码法:只将其中一部分剩余的高位地址只将其中一部分剩余的高位地址线作为译码器的输入,译码输出产生片选信号。线作为译码器的输入,译码输出产生片选信号。u全译码法:全译码法:将所有剩余的高位地址线作为译码将所有剩余的高位地址线作为译码器的输入,译码输出产生片选信号。器的输入,译码输出产生片选信号。1 1有一个具有有一个具有2020位地址和位地址和3232位字长的存储器,问:位字长的存储器,问:(1 1) 该存储器能存储多少个字节的信息?该存储器能存储多少个字节的信息?(2 2) 如果存储器由如果存储器由
17、512K512K8 8位位SRAMSRAM芯片组成,需要多芯片组成,需要多少芯片?少芯片?2.2.用用16K16K8 8位的位的DRAMDRAM芯片组成芯片组成64K64K3232位存储器,位存储器,需要多少芯片?需要多少芯片?22内存按字节编址,地址从内存按字节编址,地址从A4000H到到CBFFFH,共有,共有_(1)_字节。若用存储容量为字节。若用存储容量为32K8bit的存储芯片构的存储芯片构成该内存,至少需要成该内存,至少需要_(2)_片。片。软软件设计师、网络工件设计师、网络工程师程师(1)A.80KB.96K C.160K D.192k(2)A.2B.5 C.8D.10正确答案:
18、正确答案:C、B1.1.存储器是计算机系统中的记忆设备,它主要用来(存储器是计算机系统中的记忆设备,它主要用来( )。)。 A.A.存放数据存放数据 B.B.存放程序存放程序 C.C.存放数据和程序存放数据和程序 D.D.存放微程序存放微程序 2.2.与外存相比,内存的特点是与外存相比,内存的特点是( ) ( ) A A容量大,速度快,成本低容量大,速度快,成本低 B. B. 容量大,速度慢,成本高容量大,速度慢,成本高 C. C. 容量小,速度快,成本高容量小,速度快,成本高 D. D. 容量小,速度快,成本低容量小,速度快,成本低 3.某计算机的字长某计算机的字长16位,它的存储容量是位,
19、它的存储容量是64KB,若按字编址,那么它的寻址范若按字编址,那么它的寻址范围是(围是( )。)。 A.64K B.32K C.64KB D.32KB 某计算机字长某计算机字长32位,其存储容量为位,其存储容量为4MB,若按半字编址,它的寻址范围是,若按半字编址,它的寻址范围是( )4.计算机的存储器系统是指(计算机的存储器系统是指( )。)。 A.RAM存储器存储器 B.ROM存储器存储器 C.C.主存储器主存储器 D.cacheD.cache,主存储器和外存储器,主存储器和外存储器 5 5. .半导体静态存储器半导体静态存储器SRAMSRAM的存储原理是(的存储原理是( )。)。 A.A.
20、依靠双稳态触发器电路依靠双稳态触发器电路 B.B.依靠定时刷新依靠定时刷新 C.C.依靠读后再生依靠读后再生 D.D.信息不再变化信息不再变化 6 6.CPU.CPU能直接访问(能直接访问( )和()和( ),但不能直接访问磁盘和光盘。),但不能直接访问磁盘和光盘。 A.A.主存主存 B.B.辅存辅存 C.C.软盘软盘 D.D.闪存闪存 E.cacheE.cache 7.某某SRAM芯片,存储容量为芯片,存储容量为64K16位,该芯片的地址线和数据线数目为位,该芯片的地址线和数据线数目为( )A.64,16 B.16,64 C.64,8 D.16,6 8.某一某一RAM芯片,其容量为芯片,其容
21、量为5128位,除电源和接地端外,该芯片引出线的位,除电源和接地端外,该芯片引出线的最小数目应是最小数目应是( )A 23 B 25 C 50 D 199.若内存按字节编址,用存储容量为若内存按字节编址,用存储容量为32K X 8 比特的存储器芯片构成地址编号比特的存储器芯片构成地址编号A0000H至至DFFFFH的内存空间,则至少需要的内存空间,则至少需要( )片。片。10.对存储器的要求是对存储器的要求是 ,为了解决这些矛盾。计算机采用多级存储器体系,为了解决这些矛盾。计算机采用多级存储器体系结构结构用作存储器的芯片有不同的类型。用作存储器的芯片有不同的类型。1.1. 可随机读写,且只要不
22、断电则其中存储的信息就可一直保存的,称可随机读写,且只要不断电则其中存储的信息就可一直保存的,称为为_ _A A _ _。2.2. 可随机读写,但即使在不断电的情况下其存储的信息出要定时刷新可随机读写,但即使在不断电的情况下其存储的信息出要定时刷新才不致丢失的,称为才不致丢失的,称为_ _ _。3.3. 所存信息由生产厂家用掩膜技术写好后就无法再改变的称为所存信息由生产厂家用掩膜技术写好后就无法再改变的称为_ _ _。4.4. 通过紫外线照射后可擦除所有信息,然后重新写入新的信息并可多通过紫外线照射后可擦除所有信息,然后重新写入新的信息并可多次进行的,称为次进行的,称为_ _ _。5.5. 通
23、过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息,但不能进行字节级别通过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息,但不能进行字节级别删除操作的,称为删除操作的,称为_E_ _E_ 。供选择的答案:供选择的答案:A A、B B:RAMRAMSDSDRAMRAMDRAMDRAM SRAMSRAMC C、D D:EPROM EPROM PROMPROM ROMROMCDROMCDROME E: E2PROM E2PROM Flash MemoryFlash MemoryEPROMEPROMVirtual MemoryVirtual Memory264.3 高速存储器高速存储器 u双端口存储器(采用空间并行技术)双端口
24、存储器(采用空间并行技术)u多体交叉存储器(采用时间并行技术)多体交叉存储器(采用时间并行技术)u相联存储器相联存储器由于由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹配的,这和主存储器之间在速度上是不匹配的,这种情况便成为限制高速计算机设计的主要问题。为种情况便成为限制高速计算机设计的主要问题。为了提高了提高CPU和主存之间的数据传输率,除了主存采和主存之间的数据传输率,除了主存采用更高速的技术来缩短读出时间外,还可以采用并用更高速的技术来缩短读出时间外,还可以采用并行技术的存储器。行技术的存储器。 271、 双端口存储器双端口存储器 存储器具有两组相互独立的数据线、地址线和读写控制线电存储器具有两
25、组相互独立的数据线、地址线和读写控制线电路,称为左端口和右端口。在不附加其它控制电路的情况下,路,称为左端口和右端口。在不附加其它控制电路的情况下,各自端口可对片内任意单元进行互不干扰的读操作和写操作。各自端口可对片内任意单元进行互不干扰的读操作和写操作。 采用并行独立操作,可实现存储数据共享。采用并行独立操作,可实现存储数据共享。28芯片的读写控制芯片的读写控制 1. 无冲突读写控制无冲突读写控制2. 有冲突读写控制有冲突读写控制u仲裁法仲裁法 u地址仲裁法地址仲裁法双端口存储器的应用:双端口存储器的应用:1、运算器中,作为通用寄存器组,能快速提供两个操作数。、运算器中,作为通用寄存器组,能
26、快速提供两个操作数。2、使用双端口存储器,一个端口面向、使用双端口存储器,一个端口面向CPU,一个端口面向,一个端口面向外部设备,从而提高信息的吞吐量。外部设备,从而提高信息的吞吐量。3、在多机系统中,多机共享存储器。实现多个、在多机系统中,多机共享存储器。实现多个CPU之间的之间的通信。通信。294.3.2 多体交叉存储器多体交叉存储器 多体交叉存储器由多个存储体组成,每个存储体都多体交叉存储器由多个存储体组成,每个存储体都有自己独立的地址寄存器、数据寄存器和读写控制有自己独立的地址寄存器、数据寄存器和读写控制电路,称为电路,称为“存储模块存储模块”。存储模块独立编址地并行工作,可在一个工作
27、周期存储模块独立编址地并行工作,可在一个工作周期(或略长或略长)读出多个主存字,从而提高了数据带宽。读出多个主存字,从而提高了数据带宽。u高位交叉存储体高位交叉存储体u低位交叉存储体低位交叉存储体301、高位交叉存储体、高位交叉存储体 例例M0M0M3M3共四个模块,则每个模块共四个模块,则每个模块8 8个字个字顺序方式:顺序方式: M0M0:0 07 7 M1M1:8 81515 M2M2:16162323 M3M3:242431315 5位地址组织如下:位地址组织如下: X X X X XX X X X X高位选模块,低位选块内地址高位选模块,低位选块内地址31M0M1M2M3体内地址体内
28、地址体号体号体号体号地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011 000111 11111、高位交叉存储体、高位交叉存储体32特点:特点:高位交叉存储器中,相邻地址的存储单元分布高位交叉存储器中,相邻地址的存储单元分布在相同的存储体中,从而当访问两个相邻或相近的存在相同的存储体中,从而当访问两个相邻或相近的存储单元时,由于这两个存储单元在同一个存储体中,储单元时,由于这两个存储单元在同一个存储体中,因此不能并行工作。一般适用于共享存储器的多机系因此不能并行工作。一般适用于共享存储器的多机
29、系统。统。优点:某一模块出现故障时,其他模块可以照常工作,优点:某一模块出现故障时,其他模块可以照常工作,通过增添模块来扩充存储器容量比较方便。通过增添模块来扩充存储器容量比较方便。缺点:各模块串行工作,存储器的带宽受到了限制。缺点:各模块串行工作,存储器的带宽受到了限制。1、高位交叉存储体、高位交叉存储体332、低位交叉存储体、低位交叉存储体 例例M0M0M3M3共四个模块,则每个模块共四个模块,则每个模块8 8个字个字交叉方式:交叉方式: M0M0:0 0,4,.4,.除以除以4 4余数为余数为0 0 M1 M1:1 1,5,.5,.除以除以4 4余数为余数为1 1 M2 M2:2 2,6
30、,.6,.除以除以4 4余数为余数为2 2 M3 M3:3 3,7,.7,.除以除以4 4余数为余数为3 35 5位地址组织如下:位地址组织如下: X X X X XX X X X X高位选块内地址,低位选模块高位选块内地址,低位选模块34M0M1M2M3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各个体轮流编址各个体轮流编址2、低位交叉存储体、低位交叉存储体35特点:连续地址分布在相邻的不同模块内,同一个特点:连续地址分布在相邻的不同模块
31、内,同一个模块内的地址都是不连续的。模块内的地址都是不连续的。优点:对连续字的成块传送可实现多模块流水式并优点:对连续字的成块传送可实现多模块流水式并行存取,大大提高存储器的带宽。使用场合为成批行存取,大大提高存储器的带宽。使用场合为成批数据读取。数据读取。相邻地址的存储单元分布在不同的存储相邻地址的存储单元分布在不同的存储体。当访问地址相邻的数据,如数组等时,可实现体。当访问地址相邻的数据,如数组等时,可实现并行操作。该方法通常适用于单处理器的高速数据并行操作。该方法通常适用于单处理器的高速数据存取、存取、Cache等。等。2、低位交叉存储体、低位交叉存储体36交叉编址的特点交叉编址的特点在
32、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 3374.3.3 相联存储器相联存储器相联存储器相联存储器(Associative Memory)是是一种不根据地址,一种不根据地址,而根据存储内容进行存取的存储器而根据存储内容进行存取的存储器。数据写入按顺序。数据写入按顺序进行,不需要地址。数据读出时,要求进行,不需要地址。数据读出时,要求CPU给出一个给出一个关键字,用它与存储器中的所有内容或部分内容进行关
33、键字,用它与存储器中的所有内容或部分内容进行比较,若有内容相等,则读出此单元数据。比较,若有内容相等,则读出此单元数据。u存储体存储体u检索寄存器检索寄存器CRu屏蔽寄存器屏蔽寄存器MRu查找结果寄存器查找结果寄存器SRR38相联存储器组成相联存储器组成 存储体存储体检索寄存器检索寄存器CR:用来存放检用来存放检索字,位数与相联存储器的索字,位数与相联存储器的存储单元位数相同。存储单元位数相同。屏蔽寄存器屏蔽寄存器MR:用来存放屏用来存放屏蔽码,位数与检索寄存器位蔽码,位数与检索寄存器位数相同。当要求按照检索字数相同。当要求按照检索字的部分内容检索时,则将的部分内容检索时,则将MR中需要比较的
34、对应位设置成中需要比较的对应位设置成“1”,不需要比较的位设置,不需要比较的位设置为为“0”。这里,置。这里,置“1”的字的字段称为关键字段。段称为关键字段。查找结果寄存器查找结果寄存器SRR:当按检索项内容检索存储体时,当按检索项内容检索存储体时,SRR用来存放符合检索要用来存放符合检索要求的单元地址,其位数等于相联存储器的字长,每一位对应一个存储单元,位的求的单元地址,其位数等于相联存储器的字长,每一位对应一个存储单元,位的序数即为相联存储器的单元地址。比较时,若比较结果第序数即为相联存储器的单元地址。比较时,若比较结果第i个字满足要求,则将个字满足要求,则将其第其第i位置位置 “1”,不
35、满足要求的位置,不满足要求的位置“0”。39相联存储器检索举例相联存储器检索举例 404.4 Cache存储器(存储器(SRAM)CPU 和主存(和主存(DRAM)的速度差异大,为了避免的速度差异大,为了避免CPU处于处于“空等空等”的状态。的状态。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u程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理人们在使用计算机的过程中,通过对大量的典型程序运行情况人们在使用计算机的过程中,通过对大量的典型程序运行情况分析后发现,在一个较短时间间隔内,分析后发现,在一个较短时间间隔内,CPU当前所需要的指令当前所需要的指令或数据在存储器中往往集中
36、在同一地址附近小的区域,称为程或数据在存储器中往往集中在同一地址附近小的区域,称为程序访问的局部性原理。包括时间的局部性和空间的局部性。序访问的局部性原理。包括时间的局部性和空间的局部性。412.功能:解决功能:解决CPU和主存之间的速度不匹配问题和主存之间的速度不匹配问题u一般采用高速的一般采用高速的SRAM构成。构成。uCPU和主存之间的和主存之间的速度差别速度差别很大采用两级或多很大采用两级或多级级Cache系统系统u早期的一级早期的一级Cache在在CPU内,二级在主板上内,二级在主板上u全由全由硬件调度硬件调度,对用户透明,对用户透明42Cache的基本结构的基本结构 主存和缓存按块
37、存储,块的大小相同主存和缓存按块存储,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433. Cache 的基本组成的基本组成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44(1) Cache 的的 读写读写 操作操作读读 访问访问Cache取出信息送取
38、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中中执行执行替换算法替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中?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地址映像地址映像454.4.2 Cache存储器的地址映像存储器的地址映像 地址映像是将主存地址映射为地址映像是将主存地址映射为Cache中的地址。中的地址。Cache的的空间小,其地址的位数也少,主存的空间大,其地址的位空间小,其地址的位数也少,主存的空间大,其地址的位数也较多。因此,在数也较多。因此,在Cache与主存字块相同的情况下,与主存字块相同的
39、情况下,Cache中的一个字块与主存中的若干字块相对应,即若干中的一个字块与主存中的若干字块相对应,即若干主存地址将映射到同一个主存地址将映射到同一个Cache地址。地址。 1直接映像方式直接映像方式 2全相联映像方式全相联映像方式 3组相联映像方式组相联映像方式461直接映像方式直接映像方式每个主存地址映像到每个主存地址映像到Cache一个指定地址的方式一个指定地址的方式i = j mod C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472全相联映像方式全相联映像方式主存中任意一个块
40、可映射到主存中任意一个块可映射到Cache中的任意一个位置中的任意一个位置字块2m1字块2c1字块1 字块0字块2c1字块1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+cCache 存储器存储器主存储器主存储器 字块0483组相联映像方式组相联映像方式字块2m1字块2c-r+1 字块2c-r + 1 字块2c-r字块2c-r 字块1 字块0 字块 3标记 字块 1标记字块 2c1标记 字块 2标记 字块 0标记字块 2c2标记 字块内地址组地址主存字块标记s = t + r 位位q = cr 位位b 位位
41、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 字块0 字块 1 字块 0 字块2c-r 字块2c-r+149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
42、 组组 中的中的 任一块任一块不灵活不灵活成本高成本高组相联映像是结合直接映像和全相联映像特点的一种折中组相联映像是结合直接映像和全相联映像特点的一种折中映像方式。主存和映像方式。主存和Cache都进行分组,主存中一个组内的块都进行分组,主存中一个组内的块数与数与Cache中的分组数相同。地址映像时,组间采用直接映中的分组数相同。地址映像时,组间采用直接映像,组内采用全相联映像。像,组内采用全相联映像。504.4.3 Cache中主存块的替换算法中主存块的替换算法 新数据块需要调入新数据块需要调入Cache,而它的可用位置已被,而它的可用位置已被其它数据占用时,即产生了冲突。这需要用替换其它数
43、据占用时,即产生了冲突。这需要用替换算法来解决。替换算法的目标是使算法来解决。替换算法的目标是使 Cache 获得更获得更高的命中率。高的命中率。u随机法随机法(RAND):命中率低:命中率低u先进先出法先进先出法(FIFO)u近期最少使用法近期最少使用法(LRU):常用:常用51LRU算法算法LRU算法通过找出近期使用频率最低的数据块,并将其替换。算法通过找出近期使用频率最低的数据块,并将其替换。该算法相对于以上两种方法更加合理,它比较好地利用了数该算法相对于以上两种方法更加合理,它比较好地利用了数据使用的历史统计,因而命中率相对较高。据使用的历史统计,因而命中率相对较高。举例:设程序有举例
44、:设程序有5个数据块,个数据块,Cache空间为空间为3块,开块,开始页面块为空,页地址流序列为始页面块为空,页地址流序列为P1,P2,P1,P5,P4,P1,P3,P4,P2,P4。给出。给出FIFO和和LRU页页面替换算法对这面替换算法对这3块块Cache的使用过程并计算命中的使用过程并计算命中率。率。52LRU算法举例算法举例534.4.4 Cache写策略写策略Cache 和主存的一致性和主存的一致性 写写 全写法全写法(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间就是访问主存的时间写操
45、作时间就是访问主存的时间 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 ,写操写操作时间就是访问作时间就是访问 Cache 的时间的时间.544.5 虚拟存储器虚拟存储器缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存缓存缓存CPU主存主存辅存辅存10 ns20 ns200 nsms(速度)(速度)(容量)(容量)由硬件来实现由硬件来实现由硬件和操作系统来实现由硬件和操作系统来实现虚拟存储器是指存储器层次结构中虚拟存储器是指存储器层次结构中“主存主存外存外存”层次的存储层次的存储系统,它是以主存和外存为基础
46、,在存储器管理硬件和操作系系统,它是以主存和外存为基础,在存储器管理硬件和操作系统的存储管理软件共同支持下构成的一种存储系统。统的存储管理软件共同支持下构成的一种存储系统。55虚拟存储器虚拟存储器4.5.2 主存主存-Cache系统与主存系统与主存-外存系统的差别外存系统的差别 (1) 目标不同目标不同 (2) 数据通路不同数据通路不同 (3) 管理手段不同管理手段不同 (4) 数据传送量不同数据传送量不同564.5.3 虚拟存储器管理方式虚拟存储器管理方式 1段式虚拟存储器段式虚拟存储器 段式管理方案是一种模块化的存储管理段式管理方案是一种模块化的存储管理方式,一个复杂的大程序总可以分解为在
47、方式,一个复杂的大程序总可以分解为在逻辑上相对独立的模块。当某个段由辅存逻辑上相对独立的模块。当某个段由辅存装入主存时,只要系统赋予该段一个基地装入主存时,只要系统赋予该段一个基地址,就可以此基址和段内的相对偏移形成址,就可以此基址和段内的相对偏移形成存储单元在主存中的物理地址。存储单元在主存中的物理地址。 57段式虚拟存储器定位映像及地址变换段式虚拟存储器定位映像及地址变换 582页式虚拟存储器页式虚拟存储器 页式虚拟存储系统将虚拟空间等分成固页式虚拟存储系统将虚拟空间等分成固定大小的页,称为虚页或逻辑页;主存空定大小的页,称为虚页或逻辑页;主存空间也等分为同样大小的页,称为实页或物间也等分
48、为同样大小的页,称为实页或物理页。理页。592页式虚拟存储器页式虚拟存储器 在页式管理中,虚存地址由虚页号和页在页式管理中,虚存地址由虚页号和页内地址构成,实地址由实页号和页内地址内地址构成,实地址由实页号和页内地址构成。在任意时刻,每个虚地址都与一个构成。在任意时刻,每个虚地址都与一个实际地址相对应,这个实际地址可能在主实际地址相对应,这个实际地址可能在主存中,也可能在辅存中。虚地址转换为实存中,也可能在辅存中。虚地址转换为实地址是通过页表来实现的。页表是一个虚地址是通过页表来实现的。页表是一个虚页号与物理页号的映像表。页号与物理页号的映像表。 60页式虚拟存储器定位映像及地址变换页式虚拟存
49、储器定位映像及地址变换 613段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器 段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器与段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器与页式虚拟存储器相结合的一种管理方法。页式虚拟存储器相结合的一种管理方法。在这种方式中,将程序空间按逻辑模块分在这种方式中,将程序空间按逻辑模块分段后,再将每个段分成大小固定的页。其段后,再将每个段分成大小固定的页。其要求是段的长度必须是页长的整数倍,段要求是段的长度必须是页长的整数倍,段的起点必须是某一页的起始点。程序对主的起点必须是某一页的起始点。程序对主存的调入调出是按页面为单位进行的。存的调入调出是按页面为单位进行的。 62段页式虚拟存储器定位映像及地址变换
50、段页式虚拟存储器定位映像及地址变换 63本 章 小 结p对存储器的要求是对存储器的要求是容量大、速度快、成本低容量大、速度快、成本低。为了解决了这三方面的矛。为了解决了这三方面的矛盾,计算机采用多级存储体系结构,即盾,计算机采用多级存储体系结构,即cache、主存和外存。、主存和外存。CPU能直能直接方问内存接方问内存(cache、主存),但不能直接访问外存。存储器的技术指标、主存),但不能直接访问外存。存储器的技术指标有存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。有存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。p广泛使用的广泛使用的SRAM和和DRAM都是半导体随机读写存储器,前者速度比后都是半导
51、体随机读写存储器,前者速度比后者快,但集成度不如后者高。二者的优点是体积小,可靠性高,价格低者快,但集成度不如后者高。二者的优点是体积小,可靠性高,价格低廉,缺点是断电后不能保存信息。廉,缺点是断电后不能保存信息。p只读存储器和闪速存储器正好弥补了只读存储器和闪速存储器正好弥补了SRAM和和DRAM的缺点,即使断电的缺点,即使断电也仍然保存原先写入的数据。特别是闪速存储器能提供高性能、低功耗、也仍然保存原先写入的数据。特别是闪速存储器能提供高性能、低功耗、高可靠性以及移动性,是一种全新的存储器体系结构。高可靠性以及移动性,是一种全新的存储器体系结构。1.1.交叉存贮器实质上是一种交叉存贮器实质上是一种_存贮器,它能存贮器,它能_执行执行_独立的读写独立的读写操作。操作。A A 模块式,并行,多个模块式,并行,多个 B B 模块式,串行,多个模块式,串行,多个C C 整体式,并行,一个整体式,并行,一个 D D 整体式,串行,多个整体式,串行,多个2.2.双端口存储器在双端口存储器在( )( )情况下会发生读情况下会发生读/ /写冲突。写冲突。 A. A. 左端口与右端口的地址码不同左端口与右端口的地址码不同 B. B. 左端口与右端口的地址码相同左端口与右端口的地址码相同 C. C. 左端口与右端口
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