第12周大课 存储系统(1)

1、1/39计算机组成原理计算机组成原理总线概述总线概述总线的设计与实现总线的设计与实现总线的控制总线的控制 总线的性能指标总线的性能指标2/39计算机组成原理计算机组成原理存储器概述存储器概述存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理半导体存储器半导体存储器3/39计算机组成原理计算机组成原理掌握存储器的主要性能指标掌握存储器的主要性能指标熟悉半导体存储器熟悉半导体存储器RAM和和ROM理解存储器访问的局部性原理理解存储器访问的局部性原理熟悉存储器扩展设计的方法熟悉存储器扩展设计的方法4/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 2 存储器访

2、问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 4 主存储器主存储器 6. 5 高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache 6. 6 虚拟存储器虚拟存储器 5/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 按处理器是否直接访问，分为按处理器是否直接访问，分为主存主存和和辅存辅存按掉电后信息是否丢失，分为按掉电后信息是否丢失，分为易失性存储器易失性存储器和和非易失非易失性存储器性存储器。按支持的访问类型来分，分为按支持的访问类型来分，分为可读可读/

3、写存储器写存储器和和只读只读存储器存储器ROM。按访问方式的不同，分为按访问方式的不同，分为按地址访问的存储器按地址访问的存储器、按内按内容访问的存储器容访问的存储器CAM和和指定位置访问的存储器指定位置访问的存储器。也叫相联存储器也叫相联存储器 例如堆栈例如堆栈 6/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 按实现介质来分，存储器有按实现介质来分，存储器有半导体存储器半导体存储器、磁表面存磁表面存储器储器、光盘存储器光盘存储器和和铁电存储器铁电存储器等。等。 按访问周期是否均等，存储器可分为按访问周期是否

4、均等，存储器可分为随机访问存储器随机访问存储器RAM和和顺序访问存储器顺序访问存储器。所有的半导体存储器都是随机访问存储器所有的半导体存储器都是随机访问存储器所有的磁表面存储器和光盘存储器都是非易失性存储器所有的磁表面存储器和光盘存储器都是非易失性存储器7/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 容量容量速度速度成本成本 一个存储系统通常由若干存储芯片组成。存储芯一个存储系统通常由若干存储芯片组成。存储芯片的规格表示为：片的规格表示为： 存储单元数目存储单元数目 存储字长。存储字长。 例如，例如，1K 1

5、表示一个具有表示一个具有1024个存储单元的存储个存储单元的存储字长为字长为1的存储芯片，的存储芯片，2 K 4表示一个具有表示一个具有2048个存储个存储单元的存储字长为单元的存储字长为4的存储芯片。的存储芯片。 6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 常用的单位有兆字节常用的单位有兆字节MB或千字节或千字节KB8/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 容量容量速度速度成本成本 Ta是指从读是指从读/写存储器开始到存储器发出完成信号的写存储器开始到存储器发出完成信号的时间间隔。时间间隔。Tc是指从一个读是指从一个读/写写/存储器操作

6、开始到下一存储器操作开始到下一个存储器操作能够开始的最小时间间隔。个存储器操作能够开始的最小时间间隔。TcTa。 存储器带宽是每秒传送的二进制位数。例如，一个存储器带宽是每秒传送的二进制位数。例如，一个存储器芯片的存储器芯片的Tc=100ns，每个访问周期可以读，每个访问周期可以读/写写16位，位，则该存储器的带宽则该存储器的带宽=16b/100ns=160Mb/s。提高存储器带。提高存储器带宽是计算机组成设计的重点宽是计算机组成设计的重点 。 6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 访问时间访问时间Ta、访问周期、访问周期Tc和存储器带宽和存储器带宽 2022-6-79/39计算机

7、组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 容量容量速度速度成本成本6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 也称价格，一般有两个指标：存储系统也称价格，一般有两个指标：存储系统总的拥有成本和每存储位的成本。总的拥有成本和每存储位的成本。前者指构成整个计算机存储系统的所有前者指构成整个计算机存储系统的所有存储器件及相关设备的购买总成本；存储器件及相关设备的购买总成本；后者等于存储芯片的容量（位）除以存后者等于存储芯片的容量（位）除以存储芯片的价格。储芯片的价格。 10/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评

8、价 6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理 经过对处理器访问主存储器情况的统计发现，无经过对处理器访问主存储器情况的统计发现，无论是取指令还是存取数据，处理器访问的存储单元趋论是取指令还是存取数据，处理器访问的存储单元趋向于聚集在一个相对较小的连续存储单元区域内。这向于聚集在一个相对较小的连续存储单元区域内。这种现象称为存储器访问的种现象称为存储器访问的局部性原理局部性原理。11/39计算机组成原理计算机组成原理6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构

9、存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理n访问局部性表现为访问局部性表现为时间局部性时间局部性和和空间局部性空间局部性。n时间局部性时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。信息。空间局部性空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。信息旁边。n一个程序在某个时间段内访问的主存储器空间范围称一个程序在某个时间段内访问的主存储器空间范围称为该程序的为该程序的工作集工作集。对大多数程序而言，工作集的变。对大多数程序而言，工作集的变化十分缓慢，有时甚至是不变的化十分缓慢，有

10、时甚至是不变的。 12/39计算机组成原理计算机组成原理6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理 用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、速度快、价格低。速度快、价格低。 在现有存储器工艺技术水平下，上述要求无法满在现有存储器工艺技术水平下，上述要求无法满足。容量大的存储器在速度上通常要比容量小的存储足。容量大的存储器在速度上通常要比容量小的存储器慢。速度快的存储器在价格上通常要比速度慢的存器慢。速度快的存储器在价格上通常要比速度慢的存储

11、器贵。储器贵。 6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统13/39计算机组成原理计算机组成原理 这需要利用存储器访问的局部性原理，选择不同这需要利用存储器访问的局部性原理，选择不同容量、速度和价格的存储器来构造一个层次结构的存容量、速度和价格的存储器来构造一个层次结构的存储系统。即把最近频繁访问的一小部分信息存放在速储系统。即把最近频繁访问的一小部分信息存放在速度快、容量小的存储器中，而信息的全部存放在速度度快、容量小的存储器中，而信息的全部存放在速度慢、容量大的存储器。慢、容量大的存储器。6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统低一级存储器低一级存储器高一级高一级存储器存储器

12、读读a写写a块块X块块 Y块块X处处理理器器aa14/39计算机组成原理计算机组成原理 计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次是采用高速缓冲存储器的次是采用高速缓冲存储器的“Cache 主存主存”层次层次，以，以及基于虚拟存储器的及基于虚拟存储器的“主存主存 辅存辅存”层次层次。 前者能提高存储系统的等效访问速度，即弥补主前者能提高存储系统的等效访问速度，即弥补主存储器在速度上的不足；后者扩大了存储系统的容量存储器在速度上的不足；后者扩大了存储系统的容量，即弥补主存储器在容量上的不足。，即弥补主存储器在容量上的不足。6. 2. 2 层次结构存储系

13、统层次结构存储系统 若要访问的信息在高一级存储器中找到，则称为若要访问的信息在高一级存储器中找到，则称为命中命中，否则称为不命中或，否则称为不命中或失效失效。命中率命中率是指对层次结是指对层次结构存储系统中的某一级存储器来说，要访问的数据正构存储系统中的某一级存储器来说，要访问的数据正在这一级中的比率。在这一级中的比率。 15/39计算机组成原理计算机组成原理 设第设第1级和第级和第2级存储器分别用级存储器分别用M1和和M2表示。设表示。设执行一组有代表性的程序后，测得对执行一组有代表性的程序后，测得对M1和和M2访问的访问的次数分别为次数分别为R1和和R2，则，则M1的命中率的命中率H为为

14、6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统 这里假设采用的存储管理策略为处理器对这里假设采用的存储管理策略为处理器对M1和和M2的访问是同时启动的。若在的访问是同时启动的。若在M1中取到了目标数据中取到了目标数据则访存结束；否则直接从则访存结束；否则直接从M2读取，而不是等待目标数读取，而不是等待目标数据从据从M2送到送到M1后再从后再从M1中读取。中读取。112RHRR16/39计算机组成原理计算机组成原理 整个存储层次的平均访存周期整个存储层次的平均访存周期Tc与与M1和和M2的访的访存周期存周期Tc1和和Tc2的关系为的关系为 6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统层次结

15、构存储系统的平均字节价格层次结构存储系统的平均字节价格C为为 C = (C1 S1 + C2 S2 ) / (S1 + S2) 式中，式中，C1和和S1分别为分别为M1的单位字节价格和容量，的单位字节价格和容量，C2和和S2分别为分别为M2的单位字节价格和容量。的单位字节价格和容量。cc1c2(1)TH THT17/39计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 2 存储器访问的局部性原理与层次结构存储系统存储器访问的局部性原理与层次结构存储系统 6. 3 半导体存储器半导体存储器 根据存储的信息是否可以读根据存储的信息是否可以读/写，半导体存储器

16、分为写，半导体存储器分为随机访问半导体存储器（随机访问半导体存储器（RAM）和只读半导体存储器（）和只读半导体存储器（ROM）。其中）。其中RAM是可读、可写的；而是可读、可写的；而ROM中的内容中的内容是事先写入的，不会因读取而丢失，在工作时只能对其进是事先写入的，不会因读取而丢失，在工作时只能对其进行读操作，不能写入新的内容。行读操作，不能写入新的内容。 当然，作为半导体存储器，它们都是随机访问型的，当然，作为半导体存储器，它们都是随机访问型的，即访问任何一个单元的时间是相等的，与单元的地址大小即访问任何一个单元的时间是相等的，与单元的地址大小无关。无关。18/39计算机组成原理计算机组成

17、原理6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 根据存储原理的不同，根据存储原理的不同，RAM分为分为静态静态RAM ( Statically RAM，SRAM ) 动态动态RAM ( Dynamical RAM，DRAM ) 前者利用电流的开关特性来表示信息前者利用电流的开关特性来表示信息0/1， 后者靠栅极电容上的电荷来表示信息后者靠栅极电容上的电荷来表示信息0/1。 19/39计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM SRAM存储芯片的引脚主要有：存储芯片的引脚主要有

18、：地址信号引脚地址信号引脚A0，A1，A2，数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，芯片选择信号引脚芯片选择信号引脚CS或或CE。写命令信号引脚写命令信号引脚WE。数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚OE。1.电源引脚和接地引脚电源引脚和接地引脚VCC和和GND。 SRAM的外特性与读写时序的外特性与读写时序20/39计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM 典型的典型的SRAM有有2114(1K 4位位)，6116(2K8位位)，6264 (8K8位位)，62256(32K8位位)等。等。2114 SRAM芯片的逻辑表示

19、芯片的逻辑表示引脚说明引脚说明 21/39计算机组成原理计算机组成原理2114 SRAM芯片的读周期时序如下：芯片的读周期时序如下： 为了保证数据能够可靠地按时输出，片选信号为了保证数据能够可靠地按时输出，片选信号CS必必须在数据有效前须在数据有效前tCO时间有效，即地址有效后，必须在时间有效，即地址有效后，必须在tAtCO 时刻有效，否则数据就不能在时刻有效，否则数据就不能在tA时刻稳定地出现在时刻稳定地出现在数据线上数据线上 。22/39计算机组成原理计算机组成原理2114 SRAM芯片的写周期时序如下：芯片的写周期时序如下： 写周期写周期tWC是对存储芯片进行连续两次写操作的最小时间是对

20、存储芯片进行连续两次写操作的最小时间间隔，包括滞后时间间隔，包括滞后时间tAW、写入时间、写入时间tW和维持时间和维持时间tWR 。23/39计算机组成原理计算机组成原理6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 向向ROM写入原始信息的过程称为写入原始信息的过程称为“编程编程”。 依据依据“编程编程”方法的不同，方法的不同，ROM可以分为以下可以分为以下4类：类：（1）掩模型）掩模型ROM，MROM（2）可编程）可编程ROM，PROM（3）可擦除的可编程）可擦除的可编程ROM，EPROM（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM

21、，EEPROM6. 3. 2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 24/39计算机组成原理计算机组成原理ROM的外特性与读的外特性与读/写周期写周期 ROM存储芯片的引脚主要有：存储芯片的引脚主要有：地址信号引脚地址信号引脚A0，A1，A2，数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，芯片选择信号引脚芯片选择信号引脚 CS 或或 CE。数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚 OE。1.电源引脚和接地引脚工作电源电源引脚和接地引脚工作电源VCC、脱机编程电源、脱机编程电源VPP和和GND 25/39计算机组成原理计算机组成原理 典型的典型的EPROM有有2716(2K 8位位)、2732(4

22、K 8位位)、2764(8K 8位位)、27128(16K 8位位)等。等。2716 的逻辑表示和引脚说明的逻辑表示和引脚说明26/39计算机组成原理计算机组成原理6. 4 主存储器主存储器 6. 4. 1 主存储器组成主存储器组成 主存储器由主存储器由RAM和和ROM芯片组成。芯片组成。 系统程序区存放的是不需要改动也不允许改动的系统系统程序区存放的是不需要改动也不允许改动的系统程序，所以这部分存储空间用程序，所以这部分存储空间用ROM来实现；来实现； 系统程序工作区是系统程序在工作时写入并读出临时系统程序工作区是系统程序在工作时写入并读出临时数据的，所以这部分存储空间用数据的，所以这部分存

23、储空间用RAM来实现。来实现。 用户程序区存放用户的程序与数据，这些信息可读、用户程序区存放用户的程序与数据，这些信息可读、可改写，所以这部分存储空间也用可改写，所以这部分存储空间也用RAM来实现。来实现。27/39计算机组成原理计算机组成原理 6. 4. 1 主存储器组成主存储器组成 设计一个主存储器，首先要考虑它的容量。目前的设计一个主存储器，首先要考虑它的容量。目前的微处理器都是按字节编址的，所以微处理器都是按字节编址的，所以 主存储器的容量主存储器的容量=存储单元数存储单元数 字节字节 一个处理器对应的主存储器的最大存储单元数是由一个处理器对应的主存储器的最大存储单元数是由其地址总线的

24、线数决定的。设处理器的地址总线的线数其地址总线的线数决定的。设处理器的地址总线的线数为为N，则其对应的主存储器最大存储单元个数为，则其对应的主存储器最大存储单元个数为2N。实。实际设计时，为了降低成本，为计算机配备的主存储器容际设计时，为了降低成本，为计算机配备的主存储器容量往往小于量往往小于2N字节。字节。 由于单片存储芯片提供的存储容量与字长一般不能由于单片存储芯片提供的存储容量与字长一般不能直接满足实际需求，所以经常是将若干存储芯片连接在直接满足实际需求，所以经常是将若干存储芯片连接在一起组成特定机器的存储系统，这就叫存储器扩展。一起组成特定机器的存储系统，这就叫存储器扩展。 28/39

25、计算机组成原理计算机组成原理 按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长两片两片1K 4 芯片组芯片组成成1K 8存储器存储器 29/39计算机组成原理计算机组成原理 按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（2）字扩展：）字扩展：扩大存储单元的数量扩大存储单元的数量两片两片1K 8 芯片组芯片组成成2K 8存储器存储器 （1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长3

26、0/39计算机组成原理计算机组成原理 按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（2）字扩展：）字扩展： 扩大存储单元的数量扩大存储单元的数量（3）字位同时扩展）字位同时扩展 既要扩大存储字长，又要扩大存储字的数量既要扩大存储字长，又要扩大存储字的数量 例如为了构造一个例如为了构造一个2K 8的存储系统，可将的存储系统，可将4片片1K 4的存储芯片先两两并连再依次串连。的存储芯片先两两并连再依次串连。 （1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长31/39计算机组成原理计算机组成原理【例例6-6】某计算

27、机主存容量为某计算机主存容量为64KB，其中，其中ROM区为区为4KB，其余为其余为RAM区，按字节编址。现要用区，按字节编址。现要用2K8位的位的ROM芯芯片和片和4K4位的位的RAM芯片来设计该存储器，则需要上述规芯片来设计该存储器，则需要上述规格的格的ROM芯片数和芯片数和RAM芯片数分别是芯片数分别是 。 A1、15 B2、15 C1、30 D2、30 D32/39计算机组成原理计算机组成原理2. 主存储器与处理器的连接主存储器与处理器的连接（1）数据线的连接。）数据线的连接。 当处理器的数据线数大于存储芯片的数据线数时，需当处理器的数据线数大于存储芯片的数据线数时，需要进行存储器位扩

28、展。要进行存储器位扩展。（2）地址线的连接。）地址线的连接。 尽可能选择与处理器的地址线数相等的存储芯片。尽可能选择与处理器的地址线数相等的存储芯片。 当进行字扩展时，处理器的部分地址线（如地址线的当进行字扩展时，处理器的部分地址线（如地址线的低位）直接连到存储芯片的地址线上，剩余的地址线（如低位）直接连到存储芯片的地址线上，剩余的地址线（如地址线的高位）连接到译码器的输入端，再把译码输出信地址线的高位）连接到译码器的输入端，再把译码输出信号与存储芯片的片选端相连。号与存储芯片的片选端相连。 例如，例如，3-8译码器根据三个输入端译码器根据三个输入端A，B，C的的8种不同种不同组合状态选择组合

29、状态选择8个输出端中的一个输出有效信号。个输出端中的一个输出有效信号。33/39计算机组成原理计算机组成原理2. 主存储器与处理器的连接主存储器与处理器的连接（3）控制线的连接）控制线的连接 读读/写控制线写控制线WR与存储芯片读与存储芯片读/写控制端写控制端(WE)相连。相连。访存控制访存控制IO/MREQ与与3-8译码器使能端译码器使能端G2A和和G2B连接，译连接，译码器的另外一个使能端码器的另外一个使能端G1可以直接与电源可以直接与电源Vcc连接。连接。 34/39计算机组成原理计算机组成原理 例例6-10 设某处理器有设某处理器有18根地址线，根地址线，8根数据线，并用根数据线，并用IO/M作为访存控制信号，作为访存控制信号，RD/ WR为读为读/写信号。现有如下各种写信号。现有如下各种芯片及各种门电路芯片及各种门电路(自定自定)。要求主存地址空间分配为。要求主存地址空间分配为032767为系统程序区，为系统程序区，3276898303为用户程序区，最大为用户程序区，最大16K地址空间为系统程序工作区。请说明选用存储芯片的地址空间为系统程序工作区。请说明选用存储芯片的类型、数量，并写出每片存储芯片的二进制地址范围。画类型、数量，并写出每片存储芯片的二进制地址范围。画出处理器与存储芯片的连接图出处理器与存储芯片的连接图 。 35/