計(jì)算機(jī)組成原理第五章課件

第五章存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器多體交叉存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器2/3/202315.1存儲(chǔ)器概述5.1.1存儲(chǔ)器分類 SRAM RAM內(nèi)存儲(chǔ)器 DRAM ROM ROMEPROM E2PROM存儲(chǔ)器 FLASHMEMORY FLOPPYDISK DISK HARDDISK外存儲(chǔ)器 CD OPTICALDISKDVD MO2/3/20232存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）輔助存儲(chǔ)器（外存）1、主存儲(chǔ)器☆存儲(chǔ)當(dāng)前正在使用的信息；☆要求較高的操作速度；☆存儲(chǔ)容量不要求很大；☆半導(dǎo)體存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)。

按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)中的作用分類2/3/202332、輔助存儲(chǔ)器：☆長(zhǎng)期保存信息；☆工作速度低；☆存儲(chǔ)容量達(dá)；☆用磁性存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)；☆可讀/寫。2/3/20234輔助存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元CPU2/3/20235RAM—隨機(jī)存儲(chǔ)器雙極型RAMMOS型RAM靜態(tài)RAM動(dòng)態(tài)RAM掩膜ROM—內(nèi)容由廠家制做可編程PROM—可一次性編程可擦洗EPROM—可多次改寫ROM—只讀存儲(chǔ)器FlashMemory—閃速存儲(chǔ)器

按讀寫功能分類：2/3/202365.1.2存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)1、容量用大規(guī)模集成電路構(gòu)成的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件常用位容量來表示存儲(chǔ)功能。如一個(gè)4K1和一個(gè)1K4的器件，它們的位容量是一樣的。但是，前者可用來組成4K內(nèi)存單元的某一位，芯片只有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端，在存儲(chǔ)容量較大的系統(tǒng)中，一般都采用這樣的器件；后者則可以用來組成1K內(nèi)存單元的某4位，有4個(gè)數(shù)據(jù)輸入端和4個(gè)數(shù)據(jù)輸出端，在內(nèi)存容量較小的系統(tǒng)中，一般采用這樣的器件。 總的來說，采用位容量高的器件。2/3/202371字節(jié)（byte）=8位（bit）1個(gè)字（word）＝2字節(jié)外存中，為了表示更大的容量，采用MB、GB、TB等單位。1KB=210B （B表示字節(jié)）1MB=220B1GB=230B1TB=240B64KB=64K8bit2/3/202382、存取速度

存儲(chǔ)器的速度可用訪問時(shí)間、存儲(chǔ)周期或頻寬來描述；▲訪問時(shí)間：用讀出時(shí)間TA及寫入時(shí)間TW來描述；

TA：從存儲(chǔ)器接到讀命令以后至信息被送到數(shù)據(jù)總線上所需的時(shí)間；

TW：將一個(gè)字寫入存儲(chǔ)器所需的時(shí)間?！嫒≈芷冢═M）：存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需要的全部時(shí)間；或者說：?jiǎn)?dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作之間所需的最小時(shí)間間隔；2/3/20239常用存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)讀寫操作的最短間隔時(shí)間；

TM直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度；一般有TM>TA、TM>TW

，單位用微秒或毫微秒?！鎯?chǔ)器的頻寬B：表示存儲(chǔ)器被連續(xù)訪問時(shí)，提供的數(shù)據(jù)傳送速率；常用每秒鐘傳送信息的位數(shù)（或字節(jié)數(shù)）來衡量。3、價(jià)格存儲(chǔ)器的價(jià)格：可用總價(jià)格C或每位價(jià)格c來表示，若存儲(chǔ)器按位計(jì)算的容量為S；則:c=C/S2/3/2023105.1.3存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器的容量和速度的要求幾乎是無止境的，理想的存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有充足的容量和與CPU相匹配的速度。但是實(shí)際的存儲(chǔ)器都是非理想化的，其制約因素是價(jià)格(每位成本)、容量和速度。這3個(gè)基本指標(biāo)是矛盾的。存取速度越高，每位價(jià)格就越高。隨著所使用存儲(chǔ)容量的增大，就得使用速度較低的器件。2/3/202311

用戶需求：大容量、高速度、低成本←矛盾

解決方案：訪存局部性原理→層次結(jié)構(gòu)

層次結(jié)構(gòu)組織：*相關(guān)問題:①設(shè)置原則是什么？設(shè)置幾層？②各層間一次傳輸時(shí)數(shù)據(jù)大小是多少？為什么引入計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)？2/3/202312合理地分配容量、速度和價(jià)格的有效措施是實(shí)現(xiàn)分級(jí)存儲(chǔ)。這是一種把幾種存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合起來，互相補(bǔ)充的折衷方案。下圖是典型的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖，這個(gè)層次結(jié)構(gòu)有如下規(guī)律(從上到下)：

價(jià)格依次降低；容量依次增加；訪問時(shí)間依次增長(zhǎng)；

CPU訪問頻度依次減小。使用這樣的存儲(chǔ)體系，從CPU看，存儲(chǔ)速度接近于最上層的，容量及成本卻是接近最下層的，大大提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比。2/3/202313處理器寄存器高速緩沖存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（SRAM,DRAM)輔助存儲(chǔ)器（磁盤存儲(chǔ)器等）大容量（海量）存儲(chǔ)器（光盤、磁帶存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)外部設(shè)備主機(jī)內(nèi)CPU芯片內(nèi)速度高低小大快慢容量?jī)r(jià)格/位2/3/202314▲

存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存－主存和

主存－輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次上；高速緩存（Cache）主存寄存器組CPU輔存主機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1、“高速緩存—主存”層次這個(gè)層次主要解決存儲(chǔ)器的速度問題。在CPU與主存之間增設(shè)一級(jí)存儲(chǔ)器，稱高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）2/3/202315

Cache速度可與CPU相匹配，但容量較小，只能存放一小段程序和數(shù)據(jù)；CPU訪問內(nèi)存時(shí)，將地址碼同時(shí)送到Cache和主存，若在Cache中找到相應(yīng)內(nèi)容，稱訪問“命中”，信息就從

Cache中讀??；否則CPU從主存中讀取（稱訪問“不命中”）；此時(shí)一般要進(jìn)行Cache和主存的信息交換。2/3/2023162、“主存—輔存”層次這個(gè)層次主要解決存儲(chǔ)器的容量問題?！爸鞔妗o存”層次是一個(gè)既具有主存的存取速度又具有輔存的大容量低成本特點(diǎn)的一個(gè)存儲(chǔ)器總體。把正在被CPU使用的“活動(dòng)”的程序和數(shù)據(jù)放在主存中，其余信息則存放在容量大、但速度較慢的輔存中。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)：面對(duì)程序員的是一個(gè)具有輔存的容量、主存的速度的存儲(chǔ)器；解決了主存容量不足的問題。2/3/2023175.1.4主存儲(chǔ)器與CPU的連接

（MFC）（RD、WR）主存存儲(chǔ)體有2k個(gè)存儲(chǔ)單元每單元為n位控制電路CPUMARMDR地址總線k位數(shù)據(jù)總線n位主存與CPU的連接2/3/202318特點(diǎn)：

可讀可寫，是一種易失性存儲(chǔ)器，在掉電后存放在存儲(chǔ)單元的信息全部丟失，所以它一般用來暫存輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間結(jié)果等。RAMSRAM——速度快，容量小，功耗大DRAM——速度慢，容量大5.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM2/3/2023195.2.1SRAM——靜態(tài)存儲(chǔ)器利用觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)表示“0”和“1”，至少需要6個(gè)晶體管才能表示一個(gè)二進(jìn)制位。SRAM功耗較大，容量較小，存取速度較快，幾乎是后面介紹的DRAM的10倍。價(jià)格較高，不需要刷新。當(dāng)CPU速度愈來愈快的時(shí)候，SRAM就變得非常重要。因?yàn)镈RAM跟不上CPU的速度，所以只好就用SRAM來做溝通的橋梁－－這就是高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)的概念。因此，SRAM主要的用途就是拿來作為Cache用。2/3/202320（行選線）●●（列選線）存儲(chǔ)元●●●●位線B●●●●&&I/O基本存儲(chǔ)元讀操作？若某個(gè)存儲(chǔ)元被選中，則該存儲(chǔ)元的T5，T6，T7，T8管均導(dǎo)通，A，B兩點(diǎn)與位線D與D相連存儲(chǔ)元的信息被送到I/O與I/O線上。I/O與I/O線接著一個(gè)差動(dòng)讀出放大器，從其電流方向可以判知所存信息是“1”還是“0”。寫操作？寫“0”：在I/O線上輸入低電位，在I/O線上輸入高電位，打開T5，T6，T7，T8四個(gè)開門管把低、高電位分別加在Q，Q點(diǎn)，使T3管導(dǎo)通,T2管截止,將“0”信息寫入了存儲(chǔ)元。2/3/202321地址寄存器X譯碼器驅(qū)動(dòng)器I/O電路Y譯碼器地址寄存器輸出驅(qū)動(dòng)控制電路輸出輸入讀/寫片選01638164X64存儲(chǔ)矩陣0163A6A7A11靜態(tài)MOSRAM芯片結(jié)構(gòu)圖.........A0A1A5........................2/3/202322靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器芯片實(shí)例(62256SRAM)▲芯片容量為32K×8▲62256SRAM芯片引腳地址引腳：A0—A14數(shù)據(jù)引腳：I/O0—I/O7片選：CE低有效讀/寫控制：WE，低電平時(shí)為寫入控制；高電平時(shí)為讀出控制。WEA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615VccA14A13A8A9A11OEI/O3I/O4I/O5I/O6I/O7CEA10M622562/3/202323靜態(tài)存儲(chǔ)芯片的讀/寫周期

tRCtAtCOtOTD地址數(shù)據(jù)出tWCtWtAWtWRtDHtDW數(shù)據(jù)入地址CSDoutCSWEDin（a）讀周期（b）寫周期靜態(tài)RAM芯片的讀、寫周期2/3/202324【例】有問題嗎？下圖是某SRAM的寫入時(shí)序圖。其中R/W是讀/寫命令控制線，當(dāng)R/W線為低電平時(shí)（寫有效）,存儲(chǔ)器按給定地址把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。請(qǐng)指出下圖寫入時(shí)序中的錯(cuò)誤，并畫出正確的寫入時(shí)序圖。2/3/202325【解】寫入存儲(chǔ)器的時(shí)序信號(hào)必須同步。通常，當(dāng)R/W線為有效信號(hào)時(shí)，地址線和數(shù)據(jù)線的電平必須是穩(wěn)定的。當(dāng)R/W線達(dá)到低電平時(shí)，數(shù)據(jù)立即被存儲(chǔ)。因此，當(dāng)R/W線處于低電平時(shí)，如果數(shù)據(jù)線改變了數(shù)值，那么存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)⑤。同樣，當(dāng)R/W線處于低電平時(shí)地址線如果發(fā)生了變化，那么同樣數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)到新的地址②或③。所以：正確的寫入時(shí)序見下圖。2/3/202326注意到：在CS和R/W均有效時(shí)，地址線和數(shù)據(jù)線上的數(shù)值必須是穩(wěn)定的。正確時(shí)序2/3/2023275.2.2存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展不同的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)對(duì)芯片提出不同的要求。現(xiàn)有的芯片往往不能完全滿足系統(tǒng)的需要，因此如何用現(xiàn)有的芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能要求就成為了存儲(chǔ)系統(tǒng)必須解決的重要問題之一。芯片不滿足使用的需要主要有以下幾個(gè)方面：1．位數(shù)不夠如系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)容量為128K×8位，可選的芯片卻只有128K×1位或者128K×4位的芯片。這種情況下,芯片能夠滿足128K的要求，而位數(shù)卻不能滿足8位的要求。此時(shí)需要對(duì)位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，即位擴(kuò)展。2/3/2023282．字?jǐn)?shù)不夠如系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)容量為256K×8位，可選的芯片卻只有64K×8位或者128K×8位的芯片。這種情況下，芯片能滿足8位的要求，但卻不能滿足容量256K的要求。需要對(duì)字進(jìn)行擴(kuò)展，即字?jǐn)U展。3．字?jǐn)?shù)位數(shù)均不夠如系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)容量為256K×8位，可選的芯片卻只有64K×4位或者128K×4位等芯片。這種情況下，芯片既不能滿足8位的要求，又不能滿足容量256K的要求。此時(shí)需要對(duì)位數(shù)和字同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，即字位擴(kuò)展。2/3/2023291、位擴(kuò)展方式方法：利用芯片并聯(lián)的方法，根據(jù)所需位數(shù)選擇RAM（或ROM）芯片的個(gè)數(shù)，將RAM（或ROM）的地址線、讀/寫線、片選信號(hào)線對(duì)應(yīng)地并聯(lián)接在一起，而各個(gè)片子的輸入/輸出（I/O）作為字的各個(gè)位線。當(dāng)芯片不能直接滿足系統(tǒng)需求時(shí)，就需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。上述是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)的三種主要情況，因此對(duì)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展又主要有位擴(kuò)展、字?jǐn)U展和字位擴(kuò)展。2/3/202330例：用8個(gè)1K1RAM擴(kuò)展成

1K8的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。10241A0A1…A9R/WCSI/O10241A0A1…A9R/WCSI/O10241A0A1…A9R/WCSI/O??????????......R/WCSA0A1A9D0D1D72/3/20233110248RAM............R/WCSD0D1D7A0A1A92、字?jǐn)U展方式方法：利用外加譯碼器控制芯片的片選輸入端 來實(shí)現(xiàn)。2/3/202332CPU譯碼器16K816K816K816K8A15A14A0~A13D0~D7R/WR/WR/WR/WCSCSCSCS2/3/2023333.字位同時(shí)擴(kuò)展由m1×n1位存儲(chǔ)器芯片組成m2×n2位的存儲(chǔ)器，需要(m2/m1)×(n2/n1)片的m1×n1位存儲(chǔ)器芯片。字位擴(kuò)展構(gòu)成的存儲(chǔ)器1K×4bitD7~D4D7~D4D7~D4D7~D42/3/202334①地址線的連接，包括內(nèi)部地址線和芯片選擇線的連接；②數(shù)據(jù)線的連接，數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)相接；③控制線的連接，控制線主要有讀/寫控制線WE和存儲(chǔ)器訪問線MREQ。4.靜態(tài)RAM芯片與CPU連接2/3/2023355.2.3DRAM利用MOS管的柵極對(duì)其襯底間的分布電容來保存信息，以儲(chǔ)存電荷的多少即電容端電壓的高低來表示“1”和“0”?？梢杂蓡喂躆OS管存放一位二進(jìn)制信息。優(yōu)點(diǎn)：集成度高、功耗低、價(jià)格便宜缺點(diǎn)：DRAM中的信息會(huì)因電容器的漏電而消失，一般信息只能保存2ms左右，為了保存DRAM中的信息，每隔1~2ms要對(duì)其進(jìn)行刷新。系統(tǒng)中必須配有刷新電路。微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存條都采用DRAM芯片。2/3/202336VDD預(yù)充脈沖??????????????X地址線(字選擇線)Y地址線(位選擇線)T7T8T2T1T3T4T5T6CBCBDD存儲(chǔ)元AB2/3/202337

讀操作:先給出預(yù)充信號(hào)，使T5、T6管導(dǎo)通，于是電源就向位線D和D上的電容充電，使它們都達(dá)到電源電壓。當(dāng)字選擇線使T3，T4管導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)的信息通過A，B端向位線輸出。若原存信息為“1”，則電容C2上存有電荷，T2導(dǎo)通，而T1管截至，因此D上的預(yù)充電荷經(jīng)T2管泄漏，故D=“0”，而D仍為“1”，信號(hào)通過I/O和I/O線輸出。與此同時(shí)，D上的電荷可以通過A點(diǎn)向C2補(bǔ)充。故讀出的過程也是刷新的過程。

刷新操作:為防止存儲(chǔ)的信息電荷泄漏而丟失信息，由外界按一定規(guī)律不斷給柵極進(jìn)行充電，補(bǔ)足柵極的信息電荷，這就是所謂的“再生”和“刷新”。只要定時(shí)給全部存儲(chǔ)單元電路執(zhí)行一遍空讀操作（信息不向外輸出），那么就可以實(shí)現(xiàn)信息“再生”或“刷新”。2/3/202338特點(diǎn)：

數(shù)據(jù)預(yù)先存好，使用時(shí)只能讀出，不能寫入，一般用來存放系統(tǒng)啟動(dòng)程序和參數(shù)表等，也用來存放常駐內(nèi)存的監(jiān)控程序等。5.3只讀存儲(chǔ)器ROM掩膜ROMPROM——可編程ROMEPROM——可擦除PROME2PROM——電可擦除PROMFlachMemory——閃存2/3/202339一.ROM的邏輯結(jié)構(gòu)1.地址譯碼器 譯碼量由存儲(chǔ)單元的數(shù)量決定。例1.共有2i個(gè)存儲(chǔ)單元，則地址譯碼器應(yīng)有i個(gè)輸入，2i個(gè)輸出。2.存儲(chǔ)體（又叫存儲(chǔ)矩陣）存儲(chǔ)矩陣由許多存儲(chǔ)單元排列而成，每個(gè)存儲(chǔ)單元可用二極管、三極管或MOS管構(gòu)成。3.輸出緩沖器作用：1）提高存儲(chǔ)器的帶負(fù)載能力；2）實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)的總線聯(lián)接。2/3/202340地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣MN輸出緩沖器……..........A0Ai地址輸入W2i-1W0B0BN-1ROM矩陣M條輸入線—字線N條輸入線—位線存儲(chǔ)容量=MN2/3/202341二、幾種ROM類型：1、掩膜ROM特點(diǎn)：內(nèi)部信息在芯片制造時(shí)由廠家寫入，用戶對(duì)這類芯片無法進(jìn)行任何修改。2/3/2023422、可編程ROMPROM(ProgrammableROM)PROM中的程序和數(shù)據(jù)可由用戶寫入，但只能寫入一次，是一次性寫入的ROM。存儲(chǔ)單元可以用半導(dǎo)體二極管、三極管、MOS三極管電路構(gòu)成。VCC行線列線熔絲熔絲斷為“0”熔絲未斷為“1”2/3/202343PROM結(jié)構(gòu)框圖地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣MN輸出緩沖器……..........A0Ai地址輸入W2i-1W0B0BN-1……寫入控制2/3/2023443、可擦除的PROMEPROM(ErasablePROM)可由用戶自行寫入數(shù)據(jù)和程序，寫入后的內(nèi)容可由紫外線燈照射擦除，然后再可重新寫入。EPROM可多次擦除，多次寫入。為了擦除數(shù)據(jù)，需要將存取器從芯片上拔下。停電后，信息可長(zhǎng)久保留。2/3/202345P溝道的EPROM基本存儲(chǔ)元電路P+P++++++–––––N型襯底SiO2SiO2浮置柵漏極D源極S2/3/2023464、電可擦除PROME2PROM(ElectricallyErasablePROM)——在讀數(shù)據(jù)的方式上與EPROM完全一樣；可用電信號(hào)擦除和改寫的PROM，在每次寫入操作時(shí)執(zhí)行一個(gè)自動(dòng)擦除，擦寫方便；比RAM的寫操作慢的多；價(jià)格較高、使用受限；E2ROM存放的數(shù)據(jù)至少可維持10年。2/3/2023475、閃速存儲(chǔ)器(FlachMemory)具有整片電擦除和部分電擦除的優(yōu)點(diǎn)；具有耗電低、容量大、體積小、可靠性高、無需后備電池、可改寫、重復(fù)使用性好等優(yōu)點(diǎn)；廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用來存放主板和顯卡上的BIOS，使BIOS的升級(jí)變得更容易。2/3/202348例：設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用MREQ作為訪存控制信號(hào)（低電平有效），用WR作為讀/寫控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫）?，F(xiàn)有下列存儲(chǔ)芯片：1K4位RAM，4K8位RAM,

8K8位ROM，2K8位ROM，4K8位ROM及74138譯碼器和各種門電路。試畫出CPU與存儲(chǔ)器的連接圖。2/3/202349解:

(1)寫出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼(2)確定芯片的數(shù)量及類型0110000000000000A15A14A13A11A10…A7…

A4A3…

A0…01100111111111110110100000000000…01101011111111112K×8位1K×8位RAM2片1K×4位ROM1片2K×8位2/3/202350(3)分配地址線A10~A0接2K

×

8位ROM的地址線A9~A0接1K

×

4位RAM的地址線(4)確定片選信號(hào)CBA0110000000000000A15A13A11A10…A7…A4A3…

A0…01100111111111110110100000000000…01101011111111112K

×

8位1片ROM1K

×

4位2片RAM2/3/2023512K

×8位ROM

1K

×4位

RAM1K

×4位

RAM………&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2A……MREQA14A15A13A12A11A10A9A0…D7D4D3D0WR…………CPU與存儲(chǔ)器的連接圖………2/3/2023525.4多體交叉存儲(chǔ)器提高訪存速度的措施：采用高速器件采用層次結(jié)構(gòu)Cache–主存調(diào)整主存結(jié)構(gòu)，采用多體交叉存儲(chǔ)器采用相聯(lián)存儲(chǔ)器，加長(zhǎng)存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)2/3/2023535.4.1編址方式通常，一個(gè)由若干個(gè)模塊組成的主存儲(chǔ)器是線性編址的。這些地址在各模塊有兩種編址方式：一、順序編址特點(diǎn)：某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作；某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其它模塊可以照常工作；通過增添模塊來擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。但由于各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。2/3/202354M0……M1……M2M3…………塊內(nèi)地址塊號(hào)地址0000000000010011110100000100010111111000001000011011111100001100011111112/3/202355M0地址01……n－1M1nn+1……2n－1M22n2n+13n－1M33n3n+14n－1…………地址譯碼塊內(nèi)地址塊號(hào)高位交叉，各個(gè)體并行工作2/3/202356二、交叉方式特點(diǎn)：連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，同一個(gè)模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。地址碼的低位字段經(jīng)過譯碼選擇不同的模塊，而高位字段指向相應(yīng)模塊內(nèi)的存儲(chǔ)字。這種方式對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式并行存取，因而可大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。2/3/202357M0……M1……M2M3…………

塊號(hào)塊內(nèi)地址地址0000000000010000100000110001000001010001100001111111001111011111101111112/3/202358低位交叉，各個(gè)體輪流編址M0地址04……4n－4M115……4n－3M2264n－2M3374n－1…………地址譯碼

塊內(nèi)地址

塊號(hào)2/3/202359低位交叉的特點(diǎn)：在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬時(shí)間單體訪存周期單體訪存周期啟動(dòng)存儲(chǔ)體0啟動(dòng)存儲(chǔ)體1啟動(dòng)存儲(chǔ)體2啟動(dòng)存儲(chǔ)體32/3/202360設(shè)四體低位交叉存儲(chǔ)器，存取周期為T，總線傳輸周期為τ，為實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足T＝4τ。T字塊號(hào)時(shí)間W4W3W2W1W0M0M0M1M2M3連續(xù)讀取4

個(gè)字所需的時(shí)間為T＋(4－1)τ2/3/202361例：設(shè)存儲(chǔ)器容量為32字，字長(zhǎng)64位，模塊數(shù)m=4，分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=200ns,數(shù)據(jù)總線寬度為64位,總線傳送周期τ=50ns。問順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少?2/3/202362解：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m=4個(gè)字的信息總量都是：q=64位×4=256位順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出4個(gè)字所需的時(shí)間分別是：t2=mT=4×200ns=800ns=8×10-7s;t1=T+(m-1)τ=200ns+3×50ns=350ns=3.5×10-7s順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是：W2=q/t2=256÷(8×10-7)=32×107［位/s］

W1=q/t1=256÷(3.5×10-7)=73×107［位/s］2/3/2023635.5高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)Cache的工作原理地址映象與變換替換策略及更新策略2/3/202364▲問題的提出：避免CPU“空等”現(xiàn)象；CPU和主存（DRAM）的速度差異；程序訪問的局部性原理?！鴆ache的功能：cache是介于CPU和主存之間的小容量存儲(chǔ)器，存取速度比主存快(一般可達(dá)5~10倍以上）。它能高速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，加快程序的執(zhí)行速度。它是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項(xiàng)重要技術(shù)。2/3/202365▲設(shè)置Cache的必要性計(jì)算機(jī)有兩個(gè)核心器件，一個(gè)內(nèi)存，另外一個(gè)則是CPU二者是否能較好配合，將直接影響計(jì)算機(jī)性能。早期的CPU跟內(nèi)存的速度相差不多，但是隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，CPU的速度提高的比內(nèi)存快，現(xiàn)在內(nèi)存和CPU的讀寫速度相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。如果僅僅依靠?jī)?nèi)存給CPU傳輸數(shù)據(jù)，那么CPU可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間等待，降低資源利用率。所以，必須對(duì)二者速度進(jìn)行匹配。2/3/202366匹配內(nèi)存和CPU的速度有以下三個(gè)方法：（1）降低CPU速度；（2）采用高速的SRAM作為內(nèi)存的存儲(chǔ)器；（3）根據(jù)程序執(zhí)行的局部性原理，在二者之間設(shè)置一定的緩沖器。顯然，第一個(gè)方法降低了計(jì)算機(jī)性能，不可能采用；第二個(gè)方法需要用價(jià)格昂貴的SRAM來制作容量高達(dá)幾百兆的內(nèi)存，成本過高。因此第三個(gè)方法則呈了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的首選方法。2/3/202367實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常常在CPU和內(nèi)存間設(shè)置一個(gè)容量不大（常常為幾十至幾百K）但是速度跟CPU速度相同的Cache作為緩沖器，把正在執(zhí)行的指令代碼單元附近的一部分指令代碼或數(shù)據(jù)存入Cache中，CPU需要數(shù)據(jù)時(shí)，直接從Cache中讀取，這種方法解決了速度不匹配的問題，又不會(huì)大幅度增加成本。

根據(jù)Cache所處位置的不同，可以將Cache分為一級(jí)Cache、二級(jí)Cache和三級(jí)Cache。2/3/202368▲基本概念命中——訪問主存的數(shù)據(jù)或代碼存在于cache中。命中率——cache命中的統(tǒng)計(jì)概率失效——訪問主存的數(shù)據(jù)或代碼不存在于cache中。失效率——未命中的統(tǒng)計(jì)概率命中訪問時(shí)間——cache命中時(shí)所需的訪問時(shí)間失效訪問時(shí)間(misspenalty)——未命中時(shí)因訪問主存而增加的訪問時(shí)間2/3/202369▲設(shè)計(jì)問題主存種的塊放在cache的什么地方？——地址映象Cache放滿時(shí)怎么辦？——替換策略寫cache時(shí)是否寫主存？——更新策略cache容量、塊容量2/3/2023705.5.1Cache的工作原理CPU與Cache之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而Cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位。一個(gè)塊由通常若干定長(zhǎng)的字組成?；驹恚?/p>

當(dāng)CPU要讀取主存中一個(gè)字時(shí)，總是將存放該字的內(nèi)存地址同時(shí)發(fā)給Cache和主存。此時(shí)，Cache控制邏輯立即依據(jù)地址，判斷該字當(dāng)前是否已在Cache中：若是，將此字立即傳送給CPU，CPU無需再訪問主存（讓主存訪問失效）；2/3/202371若非，則用主存讀周期把此字從主存讀出送到CPU，與此同時(shí)，把含有這個(gè)字的數(shù)據(jù)塊從主存讀出并裝入到Cache中，將Cache中較舊的內(nèi)容（塊）替換掉。

這種替換控制由始終管理Cache使用情況的硬件邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，最常用的替換算法為L(zhǎng)RU（最近最少使用策略，在后面介紹）。2/3/202372配置了Cache的CPU和內(nèi)存之間的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖所示：2/3/202373在Cache控制器的作用下，CPU首先訪問Cache，如其需要的數(shù)據(jù)在Cache中，則直接訪問Cache即可，否則再訪問內(nèi)存。如果設(shè)置了L2Cache，則系統(tǒng)將按照L1Cache、L2Cache、內(nèi)存的順序訪問。值得注意的是：Cache不能被用戶直接訪問，用戶不能使用Cache地址進(jìn)行編程。2/3/202374~~~~……主存頁(yè)面號(hào)主存儲(chǔ)器012m－1頁(yè)面0頁(yè)面1頁(yè)面M－1主存頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址m位b位n位M頁(yè)B個(gè)字緩存頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址c位b位C頁(yè)B個(gè)字~~~~……頁(yè)面0頁(yè)面1頁(yè)面C－1012c－1標(biāo)記Cache緩存頁(yè)面號(hào)一、主存和緩存的編址：主存和緩存按頁(yè)面存儲(chǔ)頁(yè)面的大小相同，B為頁(yè)2/3/202375二、命中與未命中緩存共有C頁(yè)，主存共有M頁(yè)，M>>C命中：主存頁(yè)面調(diào)入緩存，主存頁(yè)與緩存頁(yè)建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系。用標(biāo)記記錄與某緩存頁(yè)建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系的主存頁(yè)號(hào)。未命中：主存頁(yè)面未調(diào)入緩存，主存頁(yè)與緩存頁(yè)未建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。2/3/202376三、Cache的命中率命中率：CPU欲訪問的信息在Cache中的比率。命中率與Cache的容量與頁(yè)面大小有關(guān)。在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)Nc為訪問cache的總命中次數(shù)，Nm為訪問主存的總次數(shù)，h定義為命中率，則有：命中率：為提高訪問效率，命中率h越接近1越好，命中率h與程序的行為、cache的容量、組織方式、塊的大小有關(guān)。2/3/202377若tc表示命中時(shí)的cache訪問時(shí)間，tm表示未命中時(shí)的主存訪問時(shí)間，（1-h）表示未命中率，則cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間ta為：平均訪問時(shí)間：訪問效率：訪問效率e與命中率有關(guān)。2/3/202378例：CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)為1900次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知cache存取周期為50ns，主存存取周期為250ns，求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。解:h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95r=tm/tc=250ns/50ns=5e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)×0.95)=83.3%ta=tc/e=50ns/0.833=60ns2/3/202379四、Cache的基本結(jié)構(gòu)Cache的結(jié)構(gòu)原理地址映象變換機(jī)構(gòu)

頁(yè)

號(hào)

頁(yè)內(nèi)地址2/3/2023805.5.2地址映象

1.直接映象 2.全相聯(lián)映像 3.組相聯(lián)映像2/3/202381一、直接映象是一種多對(duì)一的映射關(guān)系，但一個(gè)主存頁(yè)只能拷貝到cache的一個(gè)特定頁(yè)位置上去。cache的行號(hào)i和主存的頁(yè)號(hào)j有如下函數(shù)關(guān)系：i=jmodm（m為cache中的總行數(shù)）優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)：每個(gè)主存頁(yè)只有一個(gè)固定的頁(yè)位置可存放,容易產(chǎn)生沖突和Cache空間使用效率的降低。

這種方法一般只適合在大容量cache中采用。2/3/202382t位Cache主存標(biāo)記頁(yè)面0標(biāo)記頁(yè)面1標(biāo)記頁(yè)面2C-1頁(yè)面0頁(yè)面1頁(yè)面2C-1頁(yè)面2C+1頁(yè)面2C+1+1頁(yè)面2m-1直接映象方式...頁(yè)面2c頁(yè)面2C+1-1頁(yè)面2C+1.........第0區(qū)第1區(qū)第M區(qū)2/3/202383頁(yè)面標(biāo)記頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址m位t位c位b位比較標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記命中失靶Cache讀出主存主存讀出數(shù)據(jù)總線主存地址直接映象方式下，主存和Cache的讀出過程...2/3/202384例1：設(shè)有一個(gè)cache的容量為2K字，每個(gè)頁(yè)為16字，求：該cache可容納多少個(gè)頁(yè)？

如果主存的容量是256K字，則有多少個(gè)頁(yè)？

主存的地址有多少位？cache地址有多少位？在直接映象方式下，主存中的第i頁(yè)映象到cache中哪一個(gè)頁(yè)中？

進(jìn)行地址映象時(shí)，存儲(chǔ)器的地址分成哪幾段？各段分別有多少位？2/3/202385解：cache中有2048/16=128個(gè)頁(yè)。(2)主存有256K/16=16384個(gè)頁(yè)。(3)cache容量為2K=211字，所以cache字地址為11位。(4)主存中的第i頁(yè)映象到cache中第imod128個(gè)頁(yè)中。(5)存儲(chǔ)器的字地址分成三段：區(qū)號(hào)、頁(yè)號(hào)、頁(yè)內(nèi)字地址。區(qū)號(hào)的長(zhǎng)度為18-11=7位，頁(yè)號(hào)為7位。頁(yè)內(nèi)字地址為4位。2/3/202386例2:設(shè)主存容量為1MB，高速緩存容量為16KB，塊(頁(yè))的大小為512字節(jié)。采用直接地址映像法。（1）寫出主存地址格式。（4）畫出直接方式地址映像及變換示意圖。（2）寫出Cache地址格式。（3）頁(yè)表的容量是多大。2/3/202387（1）主存地址格式為：（2）Cache地址格式為：（3）頁(yè)表的容量為32字×6位。頁(yè)面標(biāo)記頁(yè)面地址頁(yè)內(nèi)地址191413980頁(yè)面地址頁(yè)內(nèi)地址139802/3/202388第0頁(yè)第1頁(yè)第31頁(yè)第32頁(yè)第33頁(yè)第63頁(yè)第64頁(yè)第65頁(yè)第95頁(yè)第2016頁(yè)第2017頁(yè)第2047頁(yè)第0頁(yè)第1頁(yè)第2頁(yè)第Y頁(yè)第30頁(yè)第31頁(yè)主存區(qū)號(hào)區(qū)內(nèi)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址（標(biāo)記）（4）直接方式地址映像及變換示意圖2/3/202389例3：設(shè)在直接映像的Cache中，主存地址的區(qū)號(hào)5位，頁(yè)號(hào)3位，CPU訪存過程中，依次訪問主存單元高8位地址為：00010110，00011010，00010110，00011010，00010000，00000011，00010000，00010010。要求寫出每次訪問后Cache中的內(nèi)容。2/3/202390訪問順序12345678頁(yè)地址222622261641618

頁(yè)分配情況操作狀態(tài)調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)命中命中調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)命中替換

直接映象在地址序列下的頁(yè)分配情況------22---26---22---26---22---26---22-16-26---22-16-26-4-22-16-26-4-22-16-18-4-22-2/3/202391二、全相聯(lián)映象所謂全相聯(lián)映像是指將內(nèi)存和Cache按照固定的相同的大小進(jìn)行分頁(yè)。內(nèi)存的頁(yè)和Cache的頁(yè)可以任意對(duì)應(yīng)，即內(nèi)存的任何一頁(yè)都可以映像到Cache的任何一頁(yè)，在Cache的存儲(chǔ)空間被占滿的情況下，也允許確實(shí)已被占滿的Cache存儲(chǔ)器中替換出任何一個(gè)舊頁(yè)。優(yōu)點(diǎn)：映像過程靈活，塊沖突率低，只有在Cache中的