计算机汇编课件

第二部分：第5章存储系统

本次课程要点：

、掌握存储系统的基本概念及组成。

、掌握存储系统的不同分类。

、掌握存储器的主要技术指标。

、掌握随机存取存储器的工作原理。

第二部分：第5章存储系统

存储系统是由几个容量、速度和价格各

不相同的存储器构成的系统，设计一个容量大、

速度快、成本低的存储系统是计算机发展的一

个重要课题。本章重点讨论主存储器的工作原

理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主

存储器的一般原则和方法，此外还介绍高速缓

冲存储器和虚拟存储器的基本原理。

第二部分：第5章存储系统

一、存储系统的组成

存储系统和存储器是两个不同的概念，下

面首先介绍各种不同用途的存储器，然后讨论

它们是如何构成一个存储系统的。

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■二、存储器的分类

1、按存储器在计算机系统中的作用分类

⑴高速缓冲存储器

高速缓冲存储器用来存放正在执行的程序

段和数据。高速缓冲存储器的存取速度可以与

£PU的速度相匹配，但存储容量较小，价格较

高。

⑵主存储器

主存用来存放计算机运行期间所需要的程

序和数据，CPU可直接随机地进行读/写访问。

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■二、存储器的分类

1、按存储器在计算机系统中的作用分类（续）

⑶辅助存储器

辅助存储器用来存放当前暂不参与运行的

程序和数据以及一些需要永久性保存的信息。

辅存设在主机外部，CPU不能直接访问它。辅

存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，

CPU才能使用。

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［二、存储器的分类

2、按存取方式分类

⑴随机存取存储器RAM

CPU可以对存储器中的内容随机地存取，

CPU对任何一个存储单元的写入和读出时间是

一样的，即存取时间相同，与其所处的物理位

置无关。

⑵只读存储器ROM

ROM可以看作RAM的一种特殊形式，其

特点是：存储器的内容只能随机读出而不能写

入。这类存储器常用来存放那些不需要改变的

信息。

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『二、存储器的分类

2、按存取方式分类（续）

⑶顺序存取存储器SAM

SAM的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长

短与信息在存储体上的物理位置有关，所以SAM只能

用平均存取时间作为衡量存取速度的指标。

⑷直接存取存储器DAM

DAM既不像RAM那样能随机地访问任一个存储

单元，也不像SAM那样完全按顺序存取，而是介于两

者之间。当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个

存储器中的某个小区域；第二步在小区域内顺序检索或

等待，直至找到目的地后再进行读/写操作。

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,二、存储器的分类

3、按存取介质分类

⑴磁芯存储器

采用具有矩形磁滞回线的磁性材料，利用两种不同

的剩磁状态展示“1”或“0”。磁芯存储器的特点是信息

可以长期存储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器的读

出是破坏性读出，即不论磁芯原存的内容为“0”还是

“1”，读出之后磁芯的内容一律变为“0”。

⑵半导体存储器

采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS型存

储器和TTL型存储器两大类。MOS型存储器集成度高

、功耗低、价格便宜、存取速度较慢；TTL型存储器存

取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高。半导体

RAM存储的信息会因为断电而丢失。

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・二、存储器的分类

3、按存取介质分类（续）

⑶磁表面存储器

在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，

用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。由

于它的容量大、价格低、存取速度慢，故多用

作辅助存储器。

⑷光存储器

采用激光技术控制访问的存储器，一般分

为只读式、一次写入式、可读写式3种，它们的

存储容量都很大。

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二、存储器的分类

4、按信息的可保存性分类

断电后，存储信息即消失的存储器，称易失

性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称非

易失性存储器。

如巢某个存储单元所存储的信息被读出时，

原存信息号被破坏，则称破坏性读出；如果读出

时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性

读出。具宥破坏性读出的存储器，每当一次读出

操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，

以便恢复被破坏的信息。

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■二、存储系统层次结构

为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛

盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存

储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一

整体的存储系统。

多级存储层次从CPU的角度来看，n种不同的

存储器在逻辑上是一个整体。其中：

M工速度最快、容量最小、位价格最高；M。速度最

慢、容量最大、位价格最低。整个存储系统具有接

近于M—勺速度，相等或接近Mn的容量，接近于Mn

的位价格。在多级存储层次中，最常用的数据在M工

中，次常用的在M2中，最少使用的在Mn中。

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♦三、存储系统层次结构

1、多级存储层次

1-

存储层次

・

CPUM2<~Mn

I__________________________________1

图工多级存储层次

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・二、存储系统层次结构

2、Cache-主存存储层次（Cache存储系统）

Cache存储系统是为解决主存速度不足而

提出来的。从CPU看，速度接近Cache的速度,

容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价

格。由于Cache存储系统全部用硬件来调度，

因此它对系统程序员和应用程序员来说都是透

明的。

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、存储系统层次结构

2、Cache-主存存储层次（Cache存储系统）

图2Cache存储系统

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■二、存储系统层次结构

3、主存-辅存存储层次（虚拟存储系统）

虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出

来的。从CPU看，速度接近主存的速度，容量

是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的

价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来

调度，因此对系统程序员是不透明的，但对应

用程序员是透明的。

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、存储系统层次结构

3、主存-辅存存储层次（虚拟存储系统）

图3虚拟存储系统

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四、主存储器的组织

主存储器是整个存储系统的核心，它用来

存放计算机运行期间所需要的程序和数据，

CPU可直接随机地对它进行访问。

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四、主存储器的组织

1、主存储器的基本结构

主存通常由存储体、地址译码驱动电路、

工/o和读写电路组成。

地

I/和O

址

读

译

写

地址线I>码存储体o仁〉数据线

电

驱

路

动

图4主存的组成框图读/写控制线

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」四、主存储器的组织

1、主存储器的基本结构（续）

存储体是主存储器的核心，程序和数据都

存放在存储体中。

地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱

动器两部分。译码器将地址总线输入的地址码

转换成与之对应的译码输出线上的有效电平，

以表示选中了某一存储单元，然后由驱动器提

供驱动电流去驱动相应的读写电路，完成对被

选中存储单元的读写操作。

工/O和读写电路包括读出放大器、写入电

路和读写控制电路，用以完成被选中存储单元

中各位的读出和写入操作。

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「四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元

位是二进制数的最基本单位，也是存储器

存储信息的最小单位。一个二进制数由若干位

组成，当这个二进制数作为一个整体存入或取

出时，这个数称为存储字。存放存储字或存储

字节的主存空间称为存储单元或主存单元，大

量存储单元的集合构成一个存储体，为了区别

存储体中的各个存储单元，必须将它们逐一编

号。存储单元的编号称为地址，虚址和存储单

元之而有一'对一的对应突系。

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・四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元（续）

IBM370机是字长为32位的计算机，主

存按字节编址，每一个存储字包含4个单独编址

的存储字节，它被称为大端方案，即字地址等

于最高有效字节地址，且字地址总是等于4的整

数倍，正好用地址码的最末两位来区分同一个

字的4个字节。

字地址一字要^址

Z""""""

00123

44567

8891011

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■四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元（续）

PDPT工机是字长为16位的计算机，主存

也按字节编址，每一个存储字包含2个单独编址

的存储字节，它被称为小端方案，即字地址等

于最低有效字节地址，且字地址总是等于2的整

数倍，正好用地址码的最末工位来区分同一个字

的两个字节。

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・四、主存储器的组织

3、主存储器的主要技术指标

(1)存储容量

对于字节编址的计算机，以字节数来表示

存储容量；对于字编址的计算机，以字数与其

字长的乘积来表示存储容量。如某机的主存容

量为64Kxi6位，表示它有64K个存储单元，

每个存储单元的字长为16位，若改用字节数表

示，则可记为128K字节(128KB)。

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，四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元(续)

(2)存取时间Ta

存取时间又称为访问时间或读写时间，它

是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经

历的时间。例如：读出时间是指从CPU向主存

发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元

的内容读出为止所用的时间；写入哈间是指从

CPU向主存发出有效地址和写命令开始，直到

信息写入被选中单元为止所用的时间。显然Ta

越小，存取速度越快。

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2、主存储器的存储单元（续）

（3）存取周期Tm

存取周期又可称作读写周期、访内周期，

是指主存进行一次完整的读写操作所需的全部

时间，即连续两次访问存储器操作之间所需要

的最短时间。显然，一般情况下，Tm>Tao这

是因为对于任何一种存储器，在读写操作之后，

总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于破

坏性读出的RAM,存取周期往往比存取时间要

大得多，甚至可以达到这是因为存

储器中的信息读出后需要马上进行重写（再

生）。

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・四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元（续）

（4）主存带宽Bm

主存的带宽又称为数据传输率，表示每秒从

主存进出信息的最大数量，单位为字每秒或字节

每秒或位每秒。目前，主存提供信息的速度还跟

不上CPU处理指令和数据的速度，所以，主存的

带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。为

了提高主存的带宽，可以采取的措施有：

缩短存取周期；

增加存储字长；

增加存储体。

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・四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元(续)

(5)可靠性

可靠性是指在规定的时间内，存储器无故

障读写的概率。通常，用平均故障时间MTBF

柬衡量可靠性。

(6)功耗

功耗是一个不可忽视的问题，它反映了存

储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程

度。通常希望功耗要小，这对存储器件的工作

稳定性有好处。大多数半导体存储器的工作功

耗与维持功耗是不同的，唐者天大地小于前者。

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四、主存储器的组织

3、数据在主存中的存放

在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中的3

种不同存放方法。设存储字长为64位（8个字节），即

一个存取周期最多能够从主存读或写64位数据。读写

的数据有4种不同长度，它们分别是字节（8位）、半

字（16位）、单字（32位）和双字（64位）。请注意:

此例中数据字长（32位）不等于存储字长（64位）。

字节||

半字1____________

单字_________________________

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■:四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元(续)

(1)不浪费存储器资源的存放方法

现有一批数据，它们依次为：字节、半字、

双字、箪字、串字、章字、字节、箪字。4种不

同长度的数据一个紧接着一个存放。优点是不浪

费宝贵的主存资源，但存在的问题是：当访问的

一个双字、单字或半字跨越两个存彳诸单元昼，后

储器的工作速度降低了一半，而且读写控制比较

复杂。

第二部分：第5章存储系统

四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元(续)

(2)从存储字的起始位置开始存放的方法

无论要存放的是字节、半字、单字或双字,

都必须从存储字的起始位置开始存放，而空余

部分浪费不用。优点是：无论访问一个字节、

半字、单字或双字都可以在一个存储周期内完

成，读写数据的控制比较简单。缺点是：浪费

了宝贵的存储器资源。

第二部分：第5章存储系统

,四、主存储器的组织

2、主存储器的存储单元（续）

（2）从存储字的起始位置开始存放的方法（续）

第二部分：第5章存储系统

■:四、主存储器的组织

2、主存福器的寿福单元(续)

(2)边界对齐的数据存放方法

此方法规定，双字地址的最末3个二进制位

必须为000,单字地址的最末两位必须为00,

半字地址的最末一位必须为0。它能够保证无论

访问双字、单字、半字或字节，都在一个存取周

期内完成，尽管存储器资源仍然有浪费。

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「五、半导体随机存储器和只读存储器

主存储器通常分为RAM和ROM两大部分。

RAM可读可写，ROM只能读不能写。

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五、半导体随机存储器和只读存储器

1、随机存取存储器

(1)RAM记忆单元电路

存放一个二进制位的物理器件称为记忆单

元，它是存储器的最基本构件，地址码相同的

多个记忆单元构成一个存储单元。记忆单元可

以由各种材料制成，但最常见的由MOS电路组

成。RAM又可分为静态RAM,即SRAM

(StaticRAM)和动态RAM,即DRAM

(DynamicRAM)两种。

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五、半导体随机存储器和只读存储器

1、随机存取存储器

(1)RAM记忆单元电路

静态RAM用触发器作为存储单元存放1和0,存

取速度快，只要不掉电即可持续保持内容不变。

一般静态RAM的集成度较低，成本较高。

动态RAM的基本存储电路为带驱动晶体管的电

容。电容上有无电荷状态被视为逻辑1和0。随着

时间的推移，电容上的电荷会逐渐减少，为保持

其内容必须周期性地对其进行刷新(对电容充电)

以维持其中所存的数据，所以在硬件系统中也得

设置相应的刷新电路来完成动态RAM的刷新。

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［五、半导体随机存储器和只读存储器

1、随机存取存储器

(2)6管SRAM记忆单元电路

SRAM记忆单元是用双稳态触发器来记忆

信息的，图5中所示，T工〜管构成一个记忆

单元的主体，能存放一位二进制信息，其中：

T工、管构成存储信息的双稳态触发器；T5

丁6管构成门控电路，控制读写操作；丁3、是

T］、丁2管的负载管。

SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗

也较大，所以一般用来组成高速缓冲存储器和

小容量主存系统。

•定义：

“0〃（行选普线）

T1导通、工2截止,存

存储

丁2导通、力截止，存"1”单元

位

位线

•保持状态:线B

5

行选择线Xi低，T5T6

T

管截止T

数

据

线DK（列选择线）据

•工作状态:

写“1”操作：行选择线Xj加高包平，核线乐高长平，使

%截止、T2导通（“1”状态）

写“0”操作：行选择线Xj加高包平，核线嬴低长平，使

12截止、明导通（“0”状态）

XL

（行选择线）

位

线

B

T二

7TB1

—

数

数

据

据

线

D匕（列选择线）线

读操作：行选择线Xj加高电।平

若原存"1”:12导通,也流队8绐4T