第5章存儲(chǔ)體系和結(jié)構(gòu)01

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理第第5章章 存儲(chǔ)系存儲(chǔ)系統(tǒng)統(tǒng)和結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理1.2 計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)的硬件組成Cache主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器CacheCacheCache高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） CPU可以直接訪可以直接訪問，用來存放當(dāng)前正在問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的執(zhí)行的程序中的活躍部活躍部分（副本）分（副本），以便快速，以便快速地向地向CPU提供指令和提供指令和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 可由可由CPU直接訪問，直接訪問，用來

2、存放當(dāng)前正在執(zhí)用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 設(shè)置在主機(jī)外部，設(shè)置在主機(jī)外部，CPU不能直接訪問不能直接訪問，用來存放暫時(shí)不參與用來存放暫時(shí)不參與運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，需要時(shí)再傳送到主存。需要時(shí)再傳送到主存。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理第第5章章 本章重點(diǎn)討論主存儲(chǔ)器的工作原理、本章重點(diǎn)討論主存儲(chǔ)器的工作原理、組成方式以及運(yùn)用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片組組成方式以及運(yùn)用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片組成主存儲(chǔ)器的一般原則和方法，此外成主存儲(chǔ)器的一般原則和方法，此外還介紹了高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)還介紹了高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的基本原理。器的基本原理。 計(jì)算機(jī)組成原

3、理計(jì)算機(jī)組成原理第第5章章5.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成5.2 主存儲(chǔ)器的組織主存儲(chǔ)器的組織5.3 半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器5.4 主存儲(chǔ)器的連接與控制主存儲(chǔ)器的連接與控制5.5 提高提高主存讀寫速度的主存讀寫速度的技術(shù)技術(shù)5.6 多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)5.7 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器5.8 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器 ： 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)： 存儲(chǔ)系統(tǒng)和存儲(chǔ)器是兩個(gè)不同的概念，下存儲(chǔ)系統(tǒng)和存儲(chǔ)器是兩個(gè)不同的概念，下面首先介紹各種不同用途的

4、存儲(chǔ)器，然后討面首先介紹各種不同用途的存儲(chǔ)器，然后討論它們是如何構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的。論它們是如何構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的。 存儲(chǔ)系統(tǒng)是由幾個(gè)容量、速度和價(jià)格各不存儲(chǔ)系統(tǒng)是由幾個(gè)容量、速度和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器構(gòu)成的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一個(gè)容量大、相同的存儲(chǔ)器構(gòu)成的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一個(gè)容量大、速度快、成本低的存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的速度快、成本低的存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要課題。一個(gè)重要課題。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1.1存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類1. 按存儲(chǔ)介質(zhì)分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(1) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(2) 磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器(3) 磁芯存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器(4) 光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器易失易失TTL

5、 、MOS磁頭、載磁體磁頭、載磁體硬磁材料、環(huán)狀元件硬磁材料、環(huán)狀元件激光、磁光材料激光、磁光材料非非易易失失計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理(1) 存取時(shí)間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問）存取時(shí)間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問） 順序存取存儲(chǔ)器順序存取存儲(chǔ)器 磁帶磁帶2. 按存取方式分類按存取方式分類(2) 存取時(shí)間與物理地址有關(guān)（串行訪問）存取時(shí)間與物理地址有關(guān)（串行訪問） 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 直接存取存儲(chǔ)器直接存取存儲(chǔ)器 磁盤磁盤在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 可可 讀讀 可可 寫寫在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 只只 讀讀計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理磁盤、磁帶、光盤

6、，磁盤、磁帶、光盤，U盤，盤，盤陣，云盤盤陣，云盤 高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）Flash Memory存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器主存儲(chǔ)主存儲(chǔ)器器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)靜態(tài) RAM動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM3. 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類按在計(jì)算機(jī)中的作用分類計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成2.按存取方式分類按存取方式分類(1)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM CPU可以對可以對RAM單元的內(nèi)容隨機(jī)地讀單元的內(nèi)容隨機(jī)地讀寫訪問。寫訪問。CPU對任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫對任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫時(shí)間是一樣的，即時(shí)間是一樣的，即

7、存取時(shí)間是相同的存取時(shí)間是相同的。(2)只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM ROM可以看作可以看作RAM的一種特殊方式，的一種特殊方式，存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能隨機(jī)讀出而不能寫入。存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能隨機(jī)讀出而不能寫入。(3)順序存取存儲(chǔ)器順序存取存儲(chǔ)器SAM SAM的內(nèi)容只能按某種順序存取，的內(nèi)容只能按某種順序存取，存存取時(shí)間與信息在存儲(chǔ)體上的物理位置有關(guān)取時(shí)間與信息在存儲(chǔ)體上的物理位置有關(guān)。 注意計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成(4)直接存取存儲(chǔ)器直接存取存儲(chǔ)器DAM 當(dāng)要存取所需的信息時(shí)，第一步直接當(dāng)要存取所需的信息時(shí)，第一步直接指向整個(gè)存儲(chǔ)器中的某個(gè)小區(qū)域（如磁盤指向整個(gè)存

8、儲(chǔ)器中的某個(gè)小區(qū)域（如磁盤上的磁道），第二步在小區(qū)域內(nèi)順序檢索上的磁道），第二步在小區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直至找到目的地后再進(jìn)行讀寫操或等待，直至找到目的地后再進(jìn)行讀寫操作。作。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成3.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(1)磁芯存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器 利用兩種不同的剩磁狀態(tài)表示利用兩種不同的剩磁狀態(tài)表示“1”或或“0”。磁芯存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息可以長期。磁芯存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息可以長期存儲(chǔ)，不會(huì)因斷電而丟失；但磁芯存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，不會(huì)因斷電而丟失；但磁芯存儲(chǔ)器的讀出是破壞性讀出。的讀出是破壞性讀出。(2)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 采用半導(dǎo)體器件制造的存

9、儲(chǔ)器，主要采用半導(dǎo)體器件制造的存儲(chǔ)器，主要有雙極型（有雙極型（TTL電路或電路或ECL電路）存儲(chǔ)器電路）存儲(chǔ)器和和MOS型存儲(chǔ)器兩大類。型存儲(chǔ)器兩大類。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成(3)磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器 在金屬或塑料基體上，涂復(fù)一層磁性在金屬或塑料基體上，涂復(fù)一層磁性材料，用磁層存儲(chǔ)信息，常見的有磁盤、材料，用磁層存儲(chǔ)信息，常見的有磁盤、磁帶等。磁帶等。 (4)光存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器 采用激光技術(shù)控制訪問的存儲(chǔ)器，如采用激光技術(shù)控制訪問的存儲(chǔ)器，如CD-ROM（只讀光盤）（只讀光盤） 、WORM（CD-R，寫一次多次讀光盤）寫一次多次讀光盤） 、CD-R

10、W（可讀可寫（可讀可寫光盤）。光盤）。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成4.按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類 斷電后，存儲(chǔ)信息即消失的存儲(chǔ)器，斷電后，存儲(chǔ)信息即消失的存儲(chǔ)器，稱易失性存儲(chǔ)器。斷電后信息仍然保存的稱易失性存儲(chǔ)器。斷電后信息仍然保存的存儲(chǔ)器，稱非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器，稱非易失性存儲(chǔ)器。 如果某個(gè)存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的信息被讀如果某個(gè)存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的信息被讀出時(shí)，原存信息將被破壞，則稱破壞性讀出時(shí)，原存信息將被破壞，則稱破壞性讀出。具有破壞性讀出的存儲(chǔ)器，每當(dāng)一次出。具有破壞性讀出的存儲(chǔ)器，每當(dāng)一次讀出操作之后，必須緊接一個(gè)重寫（再生）讀出操作之后，必

11、須緊接一個(gè)重寫（再生）的操作，以便恢復(fù)被破壞的信息。的操作，以便恢復(fù)被破壞的信息。 如果讀出時(shí)，被讀單元原存信息不被如果讀出時(shí)，被讀單元原存信息不被破壞，則稱非破壞性讀出。破壞，則稱非破壞性讀出。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)：主要包括：存儲(chǔ)器容量、 存儲(chǔ)周期（帶寬）、 可靠性(存儲(chǔ)器的可靠性用平均故障間隔時(shí)間MTBF來衡量。MTBF可以理解為兩次故障之間的平均時(shí)間間隔。MTBF越長，表示可靠性越高，即保持正確工作能力越強(qiáng)。Mean Time Between Failure)、 性/價(jià)比。 對于不同的存儲(chǔ)器有不同的要求。對于外存儲(chǔ)器，要求容量極大，而對緩沖存儲(chǔ)器則要求速度非常快，

12、容量不一定大。因此性能/價(jià)格比是評價(jià)整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)很重要的 指標(biāo)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成5.1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 為了解決存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格為了解決存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格之間的矛盾，通常把各種不同存儲(chǔ)容量、之間的矛盾，通常把各種不同存儲(chǔ)容量、不同存取速度的存儲(chǔ)器，按一定的體系結(jié)不同存取速度的存儲(chǔ)器，按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，形成一個(gè)統(tǒng)一整體的存儲(chǔ)系構(gòu)組織起來，形成一個(gè)統(tǒng)一整體的存儲(chǔ)系統(tǒng)。統(tǒng)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成 從從CPU的角度來看，的角度來看，n種不同的存儲(chǔ)器種不同的存儲(chǔ)器（M1

13、Mn）在邏輯上是一個(gè)整體。其中：）在邏輯上是一個(gè)整體。其中：M1速度最快、容量最小、位價(jià)格最高；速度最快、容量最小、位價(jià)格最高；Mn速度最慢、容量最大、位價(jià)格最低。整個(gè)速度最慢、容量最大、位價(jià)格最低。整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有接近于存儲(chǔ)系統(tǒng)具有接近于M1的速度，相等或接的速度，相等或接近近Mn的容量，接近于的容量，接近于Mn的位價(jià)格。在多級的位價(jià)格。在多級存儲(chǔ)層次中，最常用的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)層次中，最常用的數(shù)據(jù)在M1中，次常中，次常用的在用的在M2中，最少使用的在中，最少使用的在Mn中。中。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理高高低低小小大大快快慢慢輔存輔存寄存器寄存器緩存緩存主存主存磁盤磁盤光盤光盤磁帶磁帶光盤光

14、盤磁帶磁帶速度速度容量容量 價(jià)格價(jià)格 位位1. 存儲(chǔ)器三個(gè)主要特性的關(guān)系存儲(chǔ)器三個(gè)主要特性的關(guān)系存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)CPUCPU主機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成CPUM1M2Mn存儲(chǔ)層次 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成 由高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助由高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器構(gòu)成的三級存儲(chǔ)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成的三級存儲(chǔ)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)層次。其層次。其中高速緩存和主存間稱為中高速緩存和主存間稱為Cache- -主存存儲(chǔ)層次（主存存儲(chǔ)層次（Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)）；主存存儲(chǔ)系統(tǒng)）；主存- -輔存存

15、儲(chǔ)層次（虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)）。輔存存儲(chǔ)層次（虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)）。 寄存器，盤陣，寄存器，盤陣，U盤盤. .計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成 Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存速度不足存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存速度不足而提出來的而提出來的。在。在Cache和主存之間，增加輔和主存之間，增加輔助硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從助硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從CPU看，看，速度接近速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，的速度，容量是主存的容量，每位價(jià)格接近于主存的價(jià)格。由于每位價(jià)格接近于主存的價(jià)格。由于Cache存存儲(chǔ)系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，因此它對系統(tǒng)儲(chǔ)系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，因此它對系統(tǒng)

16、程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成 CPUCache主存輔助硬件計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成 虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存容量不足虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存容量不足而提出來的而提出來的。在主存和輔存之間，增加輔。在主存和輔存之間，增加輔助的軟硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從助的軟硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從CPU看，速度接近主存的速度，容量是虛看，速度接近主存的速度，容量是虛擬的地址空間，每位價(jià)格是接近于輔存的擬的地址空間，每位價(jià)格是接近于輔存的價(jià)格。由于虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)需要通過操

17、作系價(jià)格。由于虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)需要通過操作系統(tǒng)來調(diào)度，因此對系統(tǒng)程序員是不透明的，統(tǒng)來調(diào)度，因此對系統(tǒng)程序員是不透明的，但對應(yīng)用程序員是透明的。但對應(yīng)用程序員是透明的。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的的組成組成CPU主存輔存輔助軟硬件計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理第第5章章5.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成5.2 主存儲(chǔ)器的組織主存儲(chǔ)器的組織5.3 半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器5.4 主存儲(chǔ)器的連接與控制主存儲(chǔ)器的連接與控制5.5 提高提高主存讀寫速度的主存讀寫速度的技術(shù)技術(shù)5.6 多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)5.7 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存

18、儲(chǔ)器5.8 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 主存儲(chǔ)器是整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，它主存儲(chǔ)器是整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，它用來存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間所需要的程序和用來存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機(jī)地對它進(jìn)行訪問。可直接隨機(jī)地對它進(jìn)行訪問。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織5.2.1 主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 主存儲(chǔ)器通常由存儲(chǔ)體、地址譯碼驅(qū)主存儲(chǔ)器通常由存儲(chǔ)體、地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路、動(dòng)電路、I/O（數(shù)據(jù)線）和讀寫電路組成。（數(shù)據(jù)線）和讀寫電路組成。存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體地址線地址線讀讀/寫控制線寫控制

19、線I/O地址譯碼驅(qū)動(dòng)地址譯碼驅(qū)動(dòng)和讀寫電路和讀寫電路數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理主存的基本組成主存的基本組成存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器譯碼器譯碼器MAR控制電路控制電路讀讀寫寫電電路路MDR地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線讀讀寫寫計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 主存和主存和 CPU 的聯(lián)系的聯(lián)系MDRMARCPU主主 存存讀讀數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線寫寫計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 存儲(chǔ)體是主存儲(chǔ)器的核心，程序和數(shù)存儲(chǔ)體是主存儲(chǔ)器的核心，程序和數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)體中。據(jù)都存放在存儲(chǔ)體中。 地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上包含譯碼器地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上包

20、含譯碼器和驅(qū)動(dòng)器兩部分。譯碼器將地址總線輸入的和驅(qū)動(dòng)器兩部分。譯碼器將地址總線輸入的地址碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的譯碼輸出線上的有地址碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的譯碼輸出線上的有效電平，以表示選中了某一單元，并由驅(qū)動(dòng)效電平，以表示選中了某一單元，并由驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)電流去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的線路，完成正器提供驅(qū)動(dòng)電流去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的線路，完成正確地找到被選中存儲(chǔ)單元。確地找到被選中存儲(chǔ)單元。 I/O（數(shù)據(jù)）和讀寫電路包括讀出放大（數(shù)據(jù)）和讀寫電路包括讀出放大器、寫入電路和讀器、寫入電路和讀/寫控制電路，用以完成寫控制電路，用以完成被選中存儲(chǔ)單元中各位的讀出和寫入操作。被選中存儲(chǔ)單元中各位的讀出和寫入操作。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組

21、成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 存儲(chǔ)器的讀存儲(chǔ)器的讀/寫操作是在存儲(chǔ)器的控寫操作是在存儲(chǔ)器的控制電路的控制下進(jìn)行的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯制電路的控制下進(jìn)行的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片中的控制電路，必須接收到來自控制器片中的控制電路，必須接收到來自控制器的讀的讀/寫命令或?qū)懭朐试S信號(hào)后，才能實(shí)現(xiàn)寫命令或?qū)懭朐试S信號(hào)后，才能實(shí)現(xiàn)正確的讀正確的讀/寫操作。寫操作。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織5.2.2 主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元 位位是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。 一個(gè)二進(jìn)制數(shù)由

22、若干位組成，當(dāng)這個(gè)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)由若干位組成，當(dāng)這個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為一個(gè)整體存入或取出時(shí)，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為一個(gè)整體存入或取出時(shí)，這個(gè)數(shù)稱為數(shù)稱為存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字。 存放存儲(chǔ)字或存儲(chǔ)字節(jié)的主存空間稱存放存儲(chǔ)字或存儲(chǔ)字節(jié)的主存空間稱為為存儲(chǔ)單元或主存單元存儲(chǔ)單元或主存單元，大量存儲(chǔ)單元的集，大量存儲(chǔ)單元的集合構(gòu)成一個(gè)合構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MB，程序和數(shù)據(jù)都存放，程序和數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)體中，它是存儲(chǔ)器的核心。在存儲(chǔ)體中，它是存儲(chǔ)器的核心。注意計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 一個(gè)存儲(chǔ)單元可能存放一個(gè)字，也可一個(gè)存儲(chǔ)單元可能存放一個(gè)字，也可能存放一個(gè)字節(jié)，這是由計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)確定能

23、存放一個(gè)字節(jié)，這是由計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)確定的。對于字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，最小尋址單位的。對于字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，最小尋址單位是一個(gè)字節(jié)，相鄰的存儲(chǔ)單元地址指向相鄰是一個(gè)字節(jié)，相鄰的存儲(chǔ)單元地址指向相鄰的存儲(chǔ)字節(jié)；對于字編址的計(jì)算機(jī)，最小尋的存儲(chǔ)字節(jié)；對于字編址的計(jì)算機(jī)，最小尋址單位是一個(gè)字，相鄰的存儲(chǔ)單元地址指向址單位是一個(gè)字，相鄰的存儲(chǔ)單元地址指向相鄰的存儲(chǔ)字。相鄰的存儲(chǔ)字。 存儲(chǔ)單元是存儲(chǔ)單元是CPU對主存可訪問操作的對主存可訪問操作的最小存儲(chǔ)單位。最小存儲(chǔ)單位。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 例如，例如，IBM 370機(jī)是字長為機(jī)是字長為32位的計(jì)算位的計(jì)算機(jī)，主存

24、按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字包含機(jī)，主存按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字包含4個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，字地址即是該字高個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，字地址即是該字高位字節(jié)的地址，其位字節(jié)的地址，其字地址總是等于字地址總是等于4的整數(shù)的整數(shù)倍倍，正好用地址碼的最末兩位來區(qū)分同一個(gè)，正好用地址碼的最末兩位來區(qū)分同一個(gè)字的四個(gè)字節(jié)。字的四個(gè)字節(jié)。PDP-11機(jī)是字長為機(jī)是字長為16位的位的計(jì)算機(jī)，主存也按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字計(jì)算機(jī)，主存也按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字包含包含2個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，它的個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，它的字地址字地址總是總是2的整數(shù)倍的整數(shù)倍，但卻是用低位字節(jié)地址作，但卻是用低位字節(jié)地址作為字地址，并

25、用地址碼的最末為字地址，并用地址碼的最末1位來區(qū)分同位來區(qū)分同一個(gè)字的兩個(gè)字節(jié)。一個(gè)字的兩個(gè)字節(jié)。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織00001444488910115672312235字地址字地址字節(jié)地址字節(jié)地址計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 假設(shè)一個(gè)字由四個(gè)字節(jié)組成，我們使用假設(shè)一個(gè)字由四個(gè)字節(jié)組成，我們使用B3、B2、B1、B0來分別表示這四個(gè)字節(jié)，其來分別表示這四個(gè)字節(jié)，其中中B3是字的最高有效字節(jié)，是字的最高有效字節(jié)，B0是最低有效字是最低有效字節(jié)。字節(jié)編址計(jì)算機(jī)的主存地址安排有兩種節(jié)。字節(jié)編址計(jì)算機(jī)的主存地址安排有兩種

26、方案，但字地址總是等于方案，但字地址總是等于4的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。字節(jié)地址字地址B3B2B1B0NN+3N+2N+1N+0字節(jié)地址字地址B3B2B1B0NN+0N+1N+2N+3(a)(b)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 圖圖 (a)稱為小端方案。假設(shè)字地址為稱為小端方案。假設(shè)字地址為N，則字節(jié)則字節(jié)B3、B2、B1、B0依次存放在地址為依次存放在地址為N+3、N+2、N+1、N+0的存儲(chǔ)單元，即字地的存儲(chǔ)單元，即字地址等于最低有效字節(jié)地址。采用小端方案的址等于最低有效字節(jié)地址。采用小端方案的計(jì)算機(jī)有計(jì)算機(jī)有Intel 80X86、DEC VAX等。等。 圖圖

27、 (b)稱為大端方案。假設(shè)字地址為稱為大端方案。假設(shè)字地址為N，則字節(jié)則字節(jié)B3、B2、B1、B0依次存放在地址為依次存放在地址為N+0、N+1、N+2、N+3的存儲(chǔ)單元，即字地的存儲(chǔ)單元，即字地址等于最高有效字節(jié)地址。采用大端方案的址等于最高有效字節(jié)地址。采用大端方案的計(jì)算機(jī)有計(jì)算機(jī)有IBM360/370、Motorola 68000等。等。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 大端方案將高字節(jié)（大端方案將高字節(jié)（MSB）存放在低地）存放在低地址，小端方案將高字節(jié)存放在高地址。采用址，小端方案將高字節(jié)存放在高地址。采用大端方案進(jìn)行數(shù)據(jù)存放符合人類的正常思維，大端方

28、案進(jìn)行數(shù)據(jù)存放符合人類的正常思維，而采用小端方案進(jìn)行數(shù)據(jù)存放利于計(jì)算機(jī)處而采用小端方案進(jìn)行數(shù)據(jù)存放利于計(jì)算機(jī)處理。到目前為止，采用大端或者小端進(jìn)行數(shù)理。到目前為止，采用大端或者小端進(jìn)行數(shù)據(jù)存放，其孰優(yōu)孰劣也沒有定論。大端與小據(jù)存放，其孰優(yōu)孰劣也沒有定論。大端與小端方案的差別體現(xiàn)在一個(gè)處理器的寄存器、端方案的差別體現(xiàn)在一個(gè)處理器的寄存器、指令集、數(shù)據(jù)總線等各個(gè)層次中。指令集、數(shù)據(jù)總線等各個(gè)層次中。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理Endian：在各種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，對于字節(jié)、字等的存儲(chǔ)機(jī)制有所不同，因而引發(fā)了計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域中一個(gè)很重要的問題，即通信雙方交流的信息單元（比特、字節(jié)、字、雙字等等）應(yīng)該以

29、什么樣的順序進(jìn)行傳送。如果不達(dá)成一致的規(guī)則，通信雙方將無法進(jìn)行正確的編/譯碼從而導(dǎo)致通信失敗。1980年，Danny Cohen在其著名的論文On Holy Wars and a Plea for Peace中為了平息一場關(guān)于在消息中字節(jié)該以什么樣的順序進(jìn)行傳送的爭論而引用了該詞。該文中，Cohen非常形象貼切地把支持從一個(gè)消息序列的最高位開始傳送的那伙人叫做Big-Endians，支持從最低位開始傳送的相對應(yīng)地叫做Little-Endians。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理據(jù)Jargon File記載，endian這個(gè)詞來源于Jonathan Swift在1726年寫的諷刺小說 Gullive

30、rs Travels（格利佛游記）。該小說在描述Gulliver暢游小人國時(shí)碰到了如下的一個(gè)場景。在小人國里的小人因?yàn)榉浅Ｐ。ㄉ砀?英寸）所以總是碰到一些意想不到的問題。有一次因?yàn)閷λ蟮霸搹拇蟮囊欢耍˙ig-End）剝開還是小的一端（Little-End）剝開的爭論而引發(fā)了一場戰(zhàn)爭，并形成了兩支截然對立的隊(duì)伍：支持從大的一端剝開的人Swift就稱作Big-Endians，而支持從小的一端剝開的人就稱作Little-Endians.（后綴ian表明的就是支持某種觀點(diǎn)的人）。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理1 Little-endian：將低序字節(jié)存儲(chǔ)在起始地址（低位編址）2 Big-endian：

31、將高序字節(jié)存儲(chǔ)在起始地址（高位編址）計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理LE（little-endian）：最符合人的思維的字節(jié)序：地址低位存儲(chǔ)值的低位，地址高位存儲(chǔ)值的高位怎么講是最符合人的思維的字節(jié)序，是因?yàn)閺娜说牡谝挥^感來說，低位值小，就應(yīng)該放在內(nèi)存地址小的地方，也即內(nèi)存地址低位反之，高位值就應(yīng)該放在內(nèi)存地址大的地方，也即內(nèi)存地址高位計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理BE（big-endian）：最直觀的字節(jié)序地址低位存儲(chǔ)值的高位，地址高位存儲(chǔ)值的低位為什么說直觀，不要考慮對應(yīng)關(guān)系只需要把內(nèi)存地址從左到右按照由低到高的順序?qū)懗霭阎蛋凑胀ǔ５母呶坏降臀坏捻樞驅(qū)懗鰞烧邔φ?，一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的填充進(jìn)去計(jì)算機(jī)

32、組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織5.2.3 主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)1.存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)容量是指主存所能容納的二進(jìn)制主存所能容納的二進(jìn)制信息總量信息總量。對于字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，以字。對于字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，以字節(jié)數(shù)來表示容量；對于字編址的計(jì)算機(jī)，節(jié)數(shù)來表示容量；對于字編址的計(jì)算機(jī)，以字?jǐn)?shù)與其字長的乘積來表示容量。以字?jǐn)?shù)與其字長的乘積來表示容量。 如某計(jì)算機(jī)的容量為如某計(jì)算機(jī)的容量為64K16，表示它，表示它有有64K個(gè)字，每個(gè)字的字長為個(gè)字，每個(gè)字的字長為16位，若用字位，若用

33、字節(jié)數(shù)表示，則可記為節(jié)數(shù)表示，則可記為128K字節(jié)（字節(jié)（128KB）。）。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織2.存取速度存取速度 (1)存取時(shí)間存取時(shí)間Ta 存取時(shí)間又稱為訪問時(shí)間或讀存取時(shí)間又稱為訪問時(shí)間或讀/寫時(shí)間，寫時(shí)間，它是指它是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間所經(jīng)歷的時(shí)間。 (2)存取周期存取周期Tm 存取周期又可稱作讀寫周期、訪存周存取周期又可稱作讀寫周期、訪存周期，它是指期，它是指存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問存儲(chǔ)器操所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問

34、存儲(chǔ)器操作之間所需要的最短時(shí)間作之間所需要的最短時(shí)間。 注意計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 顯然，一般情況下，顯然，一般情況下，Tm Ta 。這是因。這是因?yàn)閷θ魏我环N存儲(chǔ)器，在讀寫操作之后，為對任何一種存儲(chǔ)器，在讀寫操作之后，總要有一段恢復(fù)內(nèi)部狀態(tài)的復(fù)原時(shí)間。對總要有一段恢復(fù)內(nèi)部狀態(tài)的復(fù)原時(shí)間。對于破壞性讀出的存儲(chǔ)器，存取周期往往比于破壞性讀出的存儲(chǔ)器，存取周期往往比存取時(shí)間要大得多，甚至可以達(dá)到存取時(shí)間要大得多，甚至可以達(dá)到Tm2Ta，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)器中的信息讀出后需要，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)器中的信息讀出后需要馬上進(jìn)行重寫（再生）。馬上進(jìn)行重寫（再生）。計(jì)算機(jī)組成原

35、理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 (3)主存帶寬主存帶寬Bm 與存取周期密切相關(guān)的指標(biāo)是主存的與存取周期密切相關(guān)的指標(biāo)是主存的帶寬，它又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，表示每秒從帶寬，它又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，表示每秒從主存進(jìn)出信息的最大數(shù)量，單位為字主存進(jìn)出信息的最大數(shù)量，單位為字/秒或秒或字節(jié)字節(jié)/秒或位秒或位/秒。秒。 Bm=主存等效工作頻率主存位寬主存等效工作頻率主存位寬8=內(nèi)存時(shí)鐘頻率內(nèi)存時(shí)鐘頻率倍增系數(shù)倍增系數(shù)主主存位數(shù)存位數(shù) 8。以。以DDR400內(nèi)存為例，它的運(yùn)行頻率內(nèi)存為例，它的運(yùn)行頻率為為200MHz，數(shù)據(jù)總線位數(shù)為，數(shù)據(jù)總線位數(shù)為64bit，由于，由于上升沿和下降沿都傳輸數(shù)

36、據(jù)，因此倍增系上升沿和下降沿都傳輸數(shù)據(jù)，因此倍增系數(shù)為數(shù)為2，此時(shí)帶寬為：，此時(shí)帶寬為：200264/83.2GB/s。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織 目前，主存提供信息的速度還跟不上目前，主存提供信息的速度還跟不上CPU處理指令和數(shù)據(jù)的速度，所以，主存處理指令和數(shù)據(jù)的速度，所以，主存的帶寬是改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)瓶頸的一個(gè)關(guān)鍵的帶寬是改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)瓶頸的一個(gè)關(guān)鍵因素。為了提高主存的帶寬，可以采取的因素。為了提高主存的帶寬，可以采取的措施有：措施有： 縮短存取周期；縮短存取周期； 增加存儲(chǔ)字長；增加存儲(chǔ)字長； 增加存儲(chǔ)體。增加存儲(chǔ)體。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理5.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器的的組織組織5.2.4 數(shù)據(jù)在主存中的存放數(shù)據(jù)在主存中的存放 在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的三種不同存放方法。存儲(chǔ)器中的三種不同存放方法。假設(shè)假設(shè)，存，存儲(chǔ)字為儲(chǔ)字為64位（位（8個(gè)字節(jié)），讀個(gè)字節(jié)），讀/寫的數(shù)據(jù)有四寫的數(shù)據(jù)有四種不同長度，它們分別是字節(jié)（種不同長度，它們分別是字節(jié)（8位）、半