第3章2003計(jì)算機(jī)CPU_第1頁
第3章2003計(jì)算機(jī)CPU_第2頁
第3章2003計(jì)算機(jī)CPU_第3頁
第3章2003計(jì)算機(jī)CPU_第4頁
第3章2003計(jì)算機(jī)CPU_第5頁
已閱讀5頁,還剩1頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

1、第3章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器要求:1 掌握單片靜態(tài)RAM存儲(chǔ)容量與其地址線和數(shù)據(jù)線的關(guān)系。2 給定內(nèi)存儲(chǔ)器空間,要求計(jì)算所需的芯片組、芯片數(shù)。3 了解Cache的作用及工作原理。3.1 概述存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分,是用來存放程序及數(shù)據(jù)的物理實(shí)體。1存儲(chǔ)器的分類按存儲(chǔ)器和CPU的關(guān)系分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器:(1)內(nèi)存儲(chǔ)器:也稱為主存,通過系統(tǒng)總線直接與CPU聯(lián)接,用來存放執(zhí)行的程序和處理的數(shù)據(jù); (2)外存儲(chǔ)器:需通過專門的接口電路和主機(jī)相連,用來存放暫不執(zhí)行的程序或不被處理的數(shù)據(jù)。(一旦需要時(shí),須先調(diào)入內(nèi)存)主要有磁盤、磁帶、光盤等。說明:本章只簡單介紹內(nèi)存儲(chǔ)器。2微機(jī)中的內(nèi)存儲(chǔ)器主要由半導(dǎo)體存

2、儲(chǔ)器組成。按存取方式分為:(1)RAM(Random Access Memory)原意是“隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”,現(xiàn)多指讀寫存儲(chǔ)器(Read/write memory)。(P45,關(guān)于隨機(jī)存取、順序存取的概念)(2)ROM(Read Only Memory):只讀存儲(chǔ)器(機(jī)器運(yùn)行時(shí)只讀、不能寫)ROM中包含系統(tǒng)軟件和永久的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。3內(nèi)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)P46(也是選擇存儲(chǔ)器件應(yīng)考慮的因素)(1)存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器芯片的容量指存儲(chǔ)器芯片所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量的多少,通常的表達(dá)方式是:存儲(chǔ)容量字?jǐn)?shù)字長,解釋為:存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)單元數(shù)每單元所含基本存儲(chǔ)單元數(shù)芯片的地址單元數(shù)(Memory locations)每單

3、元位數(shù)(Bits per location)注:一個(gè)基本存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)1位的二進(jìn)制信息。內(nèi)存的總?cè)萘縿t是整個(gè)CPU可尋址的存儲(chǔ)器空間8(因?yàn)樵?0X86系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器是以字節(jié)為單位組織的,即一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)8位二進(jìn)制信息)。例,8086系統(tǒng)中,內(nèi)存容量為1MB,即可存儲(chǔ)2208位的二進(jìn)制信息。(2)存取時(shí)間,又稱存取周期。P46,。計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度與存儲(chǔ)器的存取周期有著直接的關(guān)系,因此它是存儲(chǔ)器的一項(xiàng)重要參數(shù)。一般地,存儲(chǔ)周期越短,計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度越快。當(dāng)然,一個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存取周期不僅與存儲(chǔ)器芯片的存取周期有關(guān),還與存取路徑中的緩沖器以及地址/數(shù)據(jù)線的延遲有關(guān),往往是四者之和。(3)功耗P

4、46,。功耗在用電池供電的系統(tǒng)中是非常重要的問題,比如野外作業(yè)的微型機(jī)系統(tǒng)。CMOS(Complement MetalOxide Semiconductor)能夠很好地滿足低功耗地要求,但集成度較低,且器件速度慢。通常功耗是與速度成正比的,所以既達(dá)到低功耗又得到高速度是很困難很不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)前,HMOS(High density MetalOxide Semiconductor)制造的存儲(chǔ)器件在速度、功耗、器件容量方面進(jìn)行了很好的折衷。(4)可靠性P46(5)集成度P46(6)易失性(揮發(fā)性)是區(qū)分存儲(chǔ)器種類的重要外部特性之一,易失性指電源斷開后,存儲(chǔ)器的內(nèi)容是否丟失。如果某種存儲(chǔ)器在斷電后,仍

5、能保存其中的內(nèi)容,則稱為非易失性存儲(chǔ)器,否則,就叫易失性存儲(chǔ)器。對于易失性存儲(chǔ)器,即使電源只是瞬間斷開,也會(huì)使原有的指令和數(shù)據(jù)丟失殆盡,RAM是易失性存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器一般是非易失性的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中,ROM也是非易失性的,所以,微型計(jì)算機(jī)中,用ROM來存放系統(tǒng)啟動(dòng)程序、監(jiān)控程序和基本輸入/輸出程序。(操作系統(tǒng)是存放在外存儲(chǔ)器中的)。32 讀寫存儲(chǔ)器RAM1 基本結(jié)構(gòu)及組成P47,圖3.1。(1) 存儲(chǔ)矩陣基本存儲(chǔ)單元(基本存儲(chǔ)電路):能夠存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息的基本電路。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片上所有基本存儲(chǔ)電路的集合體稱為存儲(chǔ)體;為便于尋址和操作,這些基本存儲(chǔ)電路常排列成矩陣的形式,因此又稱存儲(chǔ)矩陣。(

6、2)地址譯碼器(包括行地址譯碼器和列地址譯碼器)P47,接收系統(tǒng)地址總線上的地址信號(hào),并產(chǎn)生地址譯碼信號(hào),以便選中存儲(chǔ)矩陣中的某一個(gè)或幾個(gè)基本存儲(chǔ)電路。(具有相同地址的基本存儲(chǔ)電路構(gòu)成了一個(gè)存儲(chǔ)單元)。(3)存儲(chǔ)器控制電路P47,存儲(chǔ)器控制電路通過??刂菩盘?hào)線有:(Chip Enable)或(Chip Select):片選信號(hào),用于使能存儲(chǔ)器工作;(Output Enable):輸出允許信號(hào),用于開啟存儲(chǔ)器的三態(tài)輸出緩沖器,輸出被選中的單元中的數(shù)據(jù)讀出數(shù)據(jù);(Write Enable):寫允許信號(hào),用于控制將數(shù)據(jù)寫入被選中的單元中。注:對存儲(chǔ)器芯片而言,以上控制線都是輸入端,且低電平有效。在某

7、些芯片中,將、合并成一條控制線,并規(guī)定為高電平時(shí)對存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作,低電平是進(jìn)行寫操作。在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中,為節(jié)省引線端,常將行、列地址信號(hào)分時(shí)送入,這時(shí)需要增加行選擇信號(hào)和列選擇信號(hào)。(4)三態(tài)雙向緩沖器三態(tài):高電平(High Level)、低電平(Low Level)、高阻(High Impendent)。使存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)線能夠直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。2 基本存儲(chǔ)電路(具體不介紹)根據(jù)基本存儲(chǔ)電路不同,RAM又分為:SRAM(Static RAM,靜態(tài)RAM)、DRAM(Dynamic RAM,動(dòng)態(tài)RAM)、iRAM(integrated RAM,集成動(dòng)態(tài)RAM,自帶刷新電路)等。3 典型存

8、儲(chǔ)器芯片舉例P52,例:Intel6116靜態(tài)RAM芯片。簡單介紹它的4個(gè)組成部分。P52,圖3.6存儲(chǔ)容量與芯片地址線和數(shù)據(jù)線的關(guān)系。4 靜態(tài)RAM芯片組的連接本節(jié)介紹如何用多片靜態(tài)RAM芯片構(gòu)成一個(gè)內(nèi)存儲(chǔ)器陣列(填滿一個(gè)內(nèi)存儲(chǔ)器空間)。由于單片存儲(chǔ)器的容量有限,在要求較大的內(nèi)存儲(chǔ)器容量的情況下,通常將多片存儲(chǔ)器芯片排成在一起構(gòu)成內(nèi)存儲(chǔ)器陣列。芯片組:一個(gè)芯片組中可以有一個(gè)或多個(gè)芯片(型號(hào)與容量相同),這些芯片工作的地址范圍相同,即它們的片選信號(hào)是相連的。若設(shè)計(jì)容量為Nbyte的內(nèi)存存儲(chǔ)器陣列,使用靜態(tài)RAM單片容量為PQbit,則需要的芯片組數(shù)N/P,每組中芯片數(shù)8/Q。33 只讀存儲(chǔ)器R

9、OMP58,ROM是非易失性存儲(chǔ)器,稱為對ROM進(jìn)行編程。(編程器或燒寫器)P59,圖3.13,說明:實(shí)際上,結(jié)構(gòu)與RAM類似,也應(yīng)該是4個(gè)部分,但控制邏輯不完全相同,基本存儲(chǔ)電路不同。P5864,自學(xué)。ROM、OTP ROM、EPROM、E2PROM、FLASHMEMORY。34 高速緩沖存儲(chǔ)器Cache1 概述(1) 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的多級結(jié)構(gòu)微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)程序和數(shù)據(jù)的訪問頻度設(shè)若干級存儲(chǔ)系統(tǒng)。1級 2級 3級 4級5級 寄存器高速緩存 主存儲(chǔ)器軟、硬盤、光盤 磁盤機(jī)雙極性器件幾KB幾個(gè)ns磁性材料等幾MB幾十GB帶有機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置若干msMOS:RAM、ROM幾百KB幾十MB幾十個(gè)ns

10、構(gòu)成: CPU內(nèi)部容量: 幾個(gè)或十幾個(gè)訪問速度:高低(訪問頻度)高低(速度)小 大(容量)說明: 并不是每種微機(jī)系統(tǒng)都具備此五級存儲(chǔ)系統(tǒng),例如只有高性能的微機(jī)系統(tǒng)中含Cache。 速度高的存儲(chǔ)器其集成度往往低,造價(jià)高,不適用于大容量存儲(chǔ)器中,所以微型計(jì)算機(jī)中常采用多級存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),以解決速度與容量(造價(jià))的矛盾。(2) 高速緩存Cache的作用通常,SRAM的速度相當(dāng)快,一般為20ns左右,但SRAM很貴,而DRAM則要便宜得多,但速度相對慢,主存一般采用DRAM構(gòu)成。隨著微處理器速度的不斷提高,存儲(chǔ)器的存取速度和效率對整個(gè)系統(tǒng)的性能影響變得很突出。比如,33MHz的80386,一個(gè)總線周期為6

11、0ns,而目前動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM的存取時(shí)間為100ns,加上存取過程中由于地址鎖存、數(shù)據(jù)緩沖產(chǎn)生的延時(shí),這樣,即使采用多種措施,CPU也必須加入2個(gè)等待狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)對DRAM的正常訪問。因此,在32位微型機(jī)系統(tǒng)普遍采用了高速緩存(Cache)技術(shù),換句話說,Cache技術(shù)的采用是與微處理器速度不斷提高有關(guān)的。在80386系統(tǒng)中,Cache是在CPU片外,80486則在CPU片內(nèi)集成了一個(gè)8KB的程序及數(shù)據(jù)Cache,并可外接一個(gè)二級高速緩存;Pentium在CPU片內(nèi)集成了兩個(gè)8KBCache,一個(gè)作程序緩存,另一個(gè)作數(shù)據(jù)緩存。無論Cache在CPU片內(nèi)或片外,也不論Cache容量的大小,它們

12、的功能、問題及解決問題的方案是一致的。Cache技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是用SRAM和DRAM構(gòu)成一個(gè)組合的存儲(chǔ)系統(tǒng),使它兼有SRAM和DRAM的優(yōu)點(diǎn)。采用這樣的技術(shù),在主存和高速CPU之間設(shè)置一個(gè)小容量的高速存儲(chǔ)器SRAM,其中存放CPU當(dāng)前最頻繁使用的程序塊和數(shù)據(jù),于是,CPU對存儲(chǔ)器的訪問主要體現(xiàn)在對SRAM的存取,因此可以不必加等待狀態(tài)而保持高速操作。可見,在Cache系統(tǒng)中,小容量的高速SRAM作為面向CPU的即時(shí)存儲(chǔ)器部件,而大容量的慢速DRAM用作背景存儲(chǔ)部件,因此,這樣的系統(tǒng)以接近于DRAM的價(jià)格提供了SRAM的性能。見P65圖3.20。高速緩沖存儲(chǔ)器與內(nèi)存、CPU的關(guān)系總之,高速緩存是

13、介內(nèi)存和CPU之間的一種快速小容量存儲(chǔ)器(通常由SRAM構(gòu)成),其作用是:有效減少CPU訪問低速內(nèi)存的次數(shù),從而提高整機(jī)的性能。(大大減少了CPU訪問容量較大、速度較慢的主存的次數(shù),對提高存儲(chǔ)器存取速度、從而提高程序運(yùn)行速度非常有效。)(3)Cache的命中率P6566,采用Cache技術(shù)的關(guān)鍵問題是如何使 2 Cache的編址和讀/寫操作幾個(gè)概念:(1)P66,Cache是位于CPU和內(nèi)存之間的一個(gè),無需普通程序員干涉。Cache與內(nèi)存不是統(tǒng)一編址的,或者說Cache對普通程序員來說是不可見的,不可編程的。(2)每個(gè)Cache單元(區(qū)塊)中實(shí)際上都是一個(gè)地址數(shù)據(jù)對,通常數(shù)據(jù)(指令或數(shù)據(jù))的長度是4個(gè)字節(jié),而地址的長度則與Cache的組織形式(結(jié)構(gòu))、內(nèi)存容量有關(guān)。(3) CPU對存儲(chǔ)器的訪問:CPU在訪問存儲(chǔ)器時(shí),先要計(jì)算出物理地址。根據(jù)物理地址(除低2位外)與Cache中的地址數(shù)據(jù)對中的地址部分比較,若有相等者,則稱命中(HIT),于是CPU不再訪問內(nèi)存,轉(zhuǎn)而訪問Cache;如果Cache中的所有地址數(shù)據(jù)對中的地址均不符合,則稱未命中(MISS),CPU必須訪問內(nèi)存儲(chǔ)器。 在讀周期命中,則直接從Cache取數(shù);而

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論