微機原理存儲器和高速緩存技術

微機原理存儲器和高速緩存技術第一頁，共69頁。4.1存儲器和存儲器件4.1.1存儲器的分類存儲器是計算機的記憶部件，用來存儲計算機的指令、數(shù)據(jù)和各種信息。

第二頁，共69頁。按存儲器和CPU的連接方式不同，它可分為內存儲器外存儲器。按存儲信息的器件和媒體來分，它可分為半導體存儲器磁表面存儲器光盤存儲器等。第三頁，共69頁。主存（內部存儲器、內存）輔存（外部存儲器、外存）優(yōu)點CPU能直接存取容量不受限制(較重要)存取速度很快信息可以長期保存易于修改缺點內存空間大小受地址總線位數(shù)限制1、所有外存的速度都比內存慢2、CPU使用時，必須通過專門的機制把數(shù)據(jù)傳送到內存用途存放系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)參數(shù)以及當前運行的應用軟件和數(shù)據(jù)相對來說不經常使用的程序和數(shù)據(jù)第四頁，共69頁。半導體存儲器按使用的功能可分為兩大類：隨機存取存儲器RAM（randomaccessmemory）只讀存儲器ROM（readonlymemory）RAM按工藝又可分為雙極型RAM和MOSRAM兩類，而MOSRAM又可分為靜態(tài)（static）RAM

動態(tài)（dynamic）RAM。只讀存儲器ROM按工藝也可分為雙極型和MOS型，但一般根據(jù)信息寫入的方式分類 第五頁，共69頁。ROMRAM特點非易失性存儲器易失性存儲器只能讀出，不能寫入。隨時讀出，又可隨時寫入用途在存放系統(tǒng)啟動程序、監(jiān)控程序和基本輸入輸出程序；微機中,ROM主要用來存儲BIOS程序。存放當前正在運行的程序和相應數(shù)據(jù)。另外，RAM還應用于顯示卡、聲卡及CMOS等設備中，用于充當設備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。FlashROM是一種新型的非易失性存儲器，存儲的內容或數(shù)據(jù)既不像RAM那樣需要電源支持才能保存，但又像RAM一樣具有可寫性。單片容量大，易于修改，目前廣泛用于主板的ROMBIOS及其他ROM中。第六頁，共69頁。

計算機工作時，一般先由ROM中的引導程序啟動系統(tǒng)，再從外存中讀取系統(tǒng)程序和應用程序送到內存的RAM中。在程序運行的過程中，中間結果一般放在內存RAM中，程序結束時，將最后結果送入外存。保存在外存的程序和數(shù)據(jù)隨時可以被調入內存再次作運行或被修改。4.1.1存儲器的分類第七頁，共69頁。（2）只讀性只讀存儲器ROM：存儲器寫入數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)只能被讀出，不能不能用通常的方法重寫或改寫可讀可寫存儲器：數(shù)據(jù)可以被讀出，也可以在被修改。隨機存取存儲器：是指對所有的存儲單元都可用同樣的時間進行訪問。與隨機存取相對應的是按序存取，是指存取數(shù)據(jù)必須按順序進行。第八頁，共69頁。4.1.3選擇存儲器件的考慮因素（3）存儲容量每個芯片中的存儲單元的總數(shù)即存儲容量早期的存儲芯片容量用b（位）表示，稱為位容量。現(xiàn)在存儲容量用字節(jié)表示。（4）速度存儲器的速度用存儲器訪問時間來衡量。訪問時間：指存儲器收到穩(wěn)定的地址信號到完成操作的時間。訪問時間主要取決于制造器件的工藝有關。半導體存儲器主要用兩大類工藝：TTL技術和MOS（分CMOS和HMOS）技術TTL技術：速度快，但功耗大、價格貴MOS技術：功耗非常低，但速度較慢第九頁，共69頁。（5）功耗

CMOS：功耗非常低，但容量小，速度慢，功耗與速度成正比

HMOS：速度、功耗、器件容量方面得到了很好的折中第十頁，共69頁。4.1.4隨機存取存儲器RAM按結構和工作原理分類：靜態(tài)RAM即SRAM（StaticRAM）動態(tài)RAM即DRAM（dynamicRAM）第十一頁，共69頁。4.1.4隨機存取存儲器RAM1.SRAMSRAM保存信息的機制是基于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理?；倦娐罚篢1和T2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器T3和T4負載電阻T5和T6控制作用第十二頁，共69頁。特點：優(yōu)點：（1)SRAM器件容量相對較小。（2）SRAM功耗較大。缺點：（3)速度快，不需要刷新，外部電路簡單。典型的靜態(tài)RAM芯片

6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、62256（32KB×8

位）、628128（128KB×8位）等。第十三頁，共69頁。2.DRAM(1)DRAM器件

DRAM是利用電容存儲電荷的原理保存信息。優(yōu)點：

DRAM器件的芯片容量很高，而且

功耗低。缺點：電容會逐漸放電，對DRAM必須

不斷的刷新。

刷新過程實際上就是對存儲器進行一次讀取、放大和再寫入，由于不需要信息傳輸，所以這個過程時間很快。用于DRAM刷新的器件是DRAM控制器。如Intel8203/8207/8209等。第十四頁，共69頁。2.DRAM(2)DRAM的刷新和DRAM控制器最常用刷新方法：“只有行地址有效”的方法。刷新時，存儲體的列地址無效，一次選中存儲體中的一行進行刷新。只要在刷新時限2ms中對DRAM系統(tǒng)進行逐行選中，就可實現(xiàn)全面刷新。為了實現(xiàn)刷新，DRAM控制器具有如下功能：①時序功能

DRAM控制器按固定的時序提供行地址選通信號/RAS②地址處理功能

DRAM控制器提供行地址，由多路開關在行地址和總線地址間進行地址切換③仲裁功能

DRAM控制器內部有“讀寫和刷新的仲裁和切換”電路第十五頁，共69頁。DRAM控制器的原理圖注：/CAS0～/CASn和/WE是傳遞的總線信號第十六頁，共69頁。4.1.5只讀存儲器ROMROM器件有兩個顯著的優(yōu)點：具有非易失性，所以可靠性高結構簡單，所以位密度比可讀寫存儲器高但：ROM器件的功能：只能讀出，不許寫入第十七頁，共69頁。4.1.5只讀存儲器ROMROM中存入數(shù)據(jù)的過程，稱為對ROM進行編程。根據(jù)編程方法的不同，ROM分為三類共五種：掩膜型ROM(maskprogrammedROM);一次編程編程只讀存儲器PROM(programmableROM);多次編程只讀存儲器：可擦除可編程只讀存儲器EPROM(erasableprogrammableROM);可用電擦除的可編程只讀存儲器E2PROM(electricallyerasableprogrammableROM);閃爍存儲器（flashmemory）第十八頁，共69頁。4.2存儲器的連接包括兩個方面內容：通過芯片擴展，形成微機系統(tǒng)所需的存儲器2.存儲器與CPU連接方法第十九頁，共69頁。4.2.4存儲器芯片的擴充技術（1）存儲器容量的擴充體現(xiàn)在兩方面：存儲單元的位數(shù)的擴充（位擴充/數(shù)據(jù)寬度擴充）存儲單元的個數(shù)的擴充（字擴充/地址的擴充）（2）數(shù)據(jù)寬度擴充和字節(jié)數(shù)擴充的方法

第二十頁，共69頁。擴充存儲器的數(shù)據(jù)寬度存儲器芯片：

32K*8b（27C256EPROM）存儲器

32K*32b地址線并聯(lián)控制線并聯(lián)數(shù)據(jù)線串聯(lián)第二十一頁，共69頁。擴充存儲器的字節(jié)容量存儲器芯片：

32K*8b（27C256EPROM）存儲器

64K*8b控制線并聯(lián)數(shù)據(jù)線并聯(lián)地址線低位地址并聯(lián)高位地址片選第二十二頁，共69頁。4.2存儲器的連接1.存儲器和CPU的連接考慮①

高速CPU和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。

②

CPU總線的負載能力問題。

③

片選信號和行地址、列地址的產生機制。存儲器由多個或多組芯片構成，在讀寫操作時，對存儲單元的尋址分兩步實現(xiàn)，首先通過片選信號/CS選擇芯片或芯片組，然后對芯片內部或組內某個存儲單元地址作選擇。片選芯片由高位地址構成。第二十三頁，共69頁。講解時，以存儲器芯片32K*8b（27C256EPROM）為例，形成存儲器64K*32b，先位擴展32K*32b，形成存儲模塊；再字擴展，形成存儲器。位擴展，是位數(shù)增多，而字數(shù)不變，所以地址線同時接到多個芯片。字擴展，是位數(shù)不變，存儲單元增多，所以地址線要變化第二十四頁，共69頁。④對芯片內部的尋址方法芯片內部的尋址方法由存儲芯片廠家確定。就是用行列矩陣結構對存儲單元進行選擇，在CPU連接時，通過低位地址線和芯片連接，為芯片提供行地址和列地址。第二十五頁，共69頁。

線選法

不通過譯碼器，將高位地址中的1位或幾位作為片選信號?結構簡單,不需要譯碼電路?整個存儲器的地址不連續(xù)?同一個單元對應不同的地址，形成地址重疊只適用于容量較小的存儲器4.2.2存儲器芯片片選信號的構成方法：第二十六頁，共69頁。全譯碼法

所有高位地址通過譯碼器構成片選信號?能有效利用地址空間，適用于組合容量較大的存儲器

?存儲單元地址唯一，不會有地址重疊問題?需要使用譯碼器芯片：74LS139、74LS138、74LS154

第二十七頁，共69頁。部分譯碼法高位地址中的若干位通過譯碼器構成片選信號?存在地址重疊問題?使用不同的高位地址產生片選信號，會產生不同的地址空間?簡化譯碼電路?組織得當，能夠保證地址連續(xù)第二十八頁，共69頁。組合譯碼法部分譯碼法和線選法結合產生片選信號。將高位地址線分為兩組，一部分片選信號用較高的一組地址通過線選法產生一部分片選信號用另外一組地址通過部分譯碼法產生?存在地址重疊問題?存在地址不連續(xù)問題第二十九頁，共69頁。工作原理優(yōu)點缺點適用場合線選法直接將高位地址線作為片選信號，每條地址線選一個芯片結構簡單,不需要譯碼電路地址不連續(xù)地址重疊容量較小，適用存儲芯片較少的存儲器中全譯碼法所有高位地址通過譯碼器構成片選信號1提供對全部存儲空間的尋址能力2存儲單元地址唯一3選擇得當?shù)脑?，地址連續(xù)需要使用譯碼器芯片容量較大的存儲器部分譯碼法只將高位地址中的若干位通過譯碼器構成片選信號1組織得當，能夠保證地址連續(xù)2簡化譯碼電路1地址重疊2使用不同的高位地址產生片選信號，會產生不同的地址空間存儲空間較大但又不是足夠大的存儲器組合譯碼法部分譯碼法和線選法結合產生片選信號地址不連續(xù)地址重疊4.2.2存儲器芯片片選信號的構成方法：第三十頁，共69頁。

4.2.3SRAM的使用舉例下圖中4個4Kb×8的芯片構成16KB的SRAM子系統(tǒng)，這個子系統(tǒng)分為兩部分：

4Kb×8的存儲模塊總線驅動器和外圍電路

兩點說明：

關于片選信號CE#和數(shù)據(jù)線

關于寫信號WE#

第三十一頁，共69頁。第三十二頁，共69頁。Intel2164DRAM芯片采用16引腳封裝，其容量為64K×1位芯片主要引腳有：地址線：8根（A7～A0）寫(或讀)允許信號：WE數(shù)據(jù)輸入線：1根（DIN） 行地址選通信號：RAS數(shù)據(jù)輸出線：1根（DOUT） 列地址選通信號：CASA7DOUTDINA6A5A4A3A2A1A0Intel2164WERASCASIntel2164邏輯符號64K×1位擴展成64K×8位3.DRAM和DRAM控制器的使用舉例第三十三頁，共69頁。AL0~AL7地址鎖存AH0~AH7多路轉換器地址鎖存再生計數(shù)器多路轉換器列地址行地址OUT0~OUT7DRAM控制器8203是一種為80X86CPU系統(tǒng)支持DRAM而設計的接口芯片。它向2164等DRAM芯片提供全部必需的接口信號，其基本功能如下：第三十四頁，共69頁。同步RDWRPCS鎖存定時刷新器同步裁決器時序發(fā)生器REFRQ/ALEOSCX0/OP2X1/CLKB0B1/OP1RAS0RAS1RAS2RAS3CASWESACKXACKCAS圖6.188203芯片內部結構框第三十五頁，共69頁。3.DRAM和DRAM控制器的使用舉例第三十六頁，共69頁。4.3微型機系統(tǒng)中存儲器的體系結構

4.3.1層次化的存儲器體系結構微機系統(tǒng)中，整個存儲器體系采用層次化結構。包括：存儲器總體結構內存結構

1.層次化總體結構層次化的概念:

把各種速度不同、容量不同、存儲技術也可能不同的存儲設備分為幾層，通過硬件和管理軟件組成一個既有足夠大的空間又能保證滿足CPU存取速度要求而且價格適中的整體。第三十七頁，共69頁。層次化的實現(xiàn)：

將主存儲器往上下兩個方向擴充構成層次化存儲器由Cache、內存和輔存構成，按使用頻度將數(shù)據(jù)分為不同的檔次分放在不同的存儲器中，不同層次的存儲器之間可以互相傳輸。第三十八頁，共69頁。存儲器的層次化

總體結構

第三十九頁，共69頁。在系統(tǒng)運行時：

Cache中存放使用最頻繁的容量不太大的程序和數(shù)據(jù)內存存放經常使用的程序和數(shù)據(jù)輔存保存不太常用并且容量較大的程序和數(shù)據(jù)從上到下：速度逐個下降價格不斷降低容量依次增加

CPU的訪問頻度依次減少層次化的優(yōu)點：

層次化的存儲體具有最好的性價比。第四十頁，共69頁。三者之間：采用虛擬存儲技術實現(xiàn)內存和輔存之間的映射采用高速緩存技術實現(xiàn)Cache和內存之間的映射第四十一頁，共69頁。2.內存的分區(qū)結構在微機系統(tǒng)中，內存都是由DRAM組成，但采用分區(qū)方式進行層次化組織。內存分為：基本內存區(qū)高端內存區(qū)擴充內存區(qū)擴展內存區(qū)第四十二頁，共69頁。（1）基本內存區(qū)主要供DOS操作系統(tǒng)使用，內容見左圖大小為640KB，從00000H～9FFFFH第四十三頁，共69頁。(2)高端內存區(qū)用途：

留給系統(tǒng)ROM和外設的適配卡緩沖區(qū)使用，但適配卡的緩沖區(qū)不在主機板上，而是在主機板總線槽的適配卡上。所以，在主機板上找不到這部分內存區(qū)對應的RAM。大?。?84KB，地址范圍為A0000H～FFFFFH第四十四頁，共69頁。(3)擴充內存區(qū)擴充內存區(qū)最先是在16位微型機系統(tǒng)中為了擴大內存空間而采用的技術，它通過在總線槽上插內存擴充卡來擴大內存空間，最大擴充容量為32MB。擴充內存實際上是16位CPU直接尋址范圍以外的物理存儲器。第四十五頁，共69頁。用高端內存區(qū)64KB映射擴充內存的1個頁組擴充內存管理軟件EMM.EXE管理第四十六頁，共69頁。（4）擴展內存區(qū)的組織擴展內存是32位微型機系統(tǒng)中才有的內存區(qū)，指1MB以上但不是通過內存擴充卡映射來獲得的內存空間。擴展內存在32位CPU的尋址范圍內，其大小隨具體系統(tǒng)的內存配置而定。擴展內存對應地址從100000H開始，對于32位地址線的CPU來說，可以一直到FFFFFFFFH，從而可以使內存容量達4GB。

PentiumPro的地址線位36位，通過擴展內存，內存容量可達64GB.第四十七頁，共69頁。1.16位微機系統(tǒng)的內存組織

8086用20位地址總線尋址1MB存儲空間，由兩個存儲體組成：奇地址存儲體（與高8位數(shù)據(jù)總線相連，也稱高字節(jié)存儲體）偶地址存儲體（與低8位數(shù)據(jù)總線相連，也稱低字節(jié)存儲體）第四十八頁，共69頁。2.32位微機系統(tǒng)的內存組織 32位CPU用32位地址總線尋址4GB存儲空間，地址范圍0~FFFFFFFFFH,分為4個存儲體組成,每個為1GB。第四十九頁，共69頁。第五十頁，共69頁。4.5高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術4.3.1Cache概述

Cache系統(tǒng)包含三個部分：Cache模塊：

CPU和較慢速主存之間的SRAM主存:

即較慢速的DRAMCache控制器:

用來對Cache系統(tǒng)進行控制第五十一頁，共69頁。Cache系統(tǒng)的框圖Cache模塊主存高速的SRAM，但價格貴，容量較?。?lt;512K）較慢速的DRAM，但容量較大，價格適中存放使用最頻繁的容量不太大的程序和數(shù)據(jù),CPU訪問頻度最大存放CPU運行期間常用的程序和數(shù)據(jù)作為面向CPU的即時存儲部件用作背景存儲部件在Cache系統(tǒng)中，Cache保存的是主存的部分副本在Cache系統(tǒng)中，主存保存所有的數(shù)據(jù)第五十二頁，共69頁。Cache系統(tǒng)就是用SRAM和DRAM構成的一個兩級存儲系統(tǒng)，CPU對內存的訪問大部分被高速的SRAM截取。兩者之間通過Cache控制器進行協(xié)調控制。

組織良好的Cache系統(tǒng)，命中率可達95%，從速度上看，很接近全部由SRAM組成的存儲系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)以接近DRAM的價格提供了SRAM的性能，速度上很接近全部由SRAM組成的存儲系統(tǒng)了。第五十三頁，共69頁。區(qū)域性定律

大部分的軟件對存儲器的訪問不是任意的、隨機的，而是有著明顯的區(qū)域性。存在著一個區(qū)域性定律（PrincipleofLocality）時間區(qū)域性存儲體中某一個數(shù)據(jù)被存取后，可能很快又被存取空間區(qū)域性存儲體中某個數(shù)據(jù)被存取了，附近的數(shù)據(jù)也很快被存取

區(qū)域性定律決定了存儲體設計的層次結構。最上層存儲體，即最接近CPU的層次，最小但最快，即Cache。通過把正在執(zhí)行的指令附近的一部分指令或數(shù)據(jù)調入Cache，供CPU在一段時間內使用。CPU大大減少了對容量較大、速度較慢的主存的訪問。第五十四頁，共69頁。4.3.2Cache的組織方式在Cache系統(tǒng)中，CPU和Cache之間數(shù)據(jù)交換單位是字

Cache和主存之間數(shù)據(jù)交換單位是區(qū)塊在32微機系統(tǒng)中，通常區(qū)塊的長度為4個字節(jié)，即一個雙字（1）按照主存和Cache之間的映像關系，Cache有三種組織方式。即：全相聯(lián)方式主存的一個區(qū)塊可能映像到Cache的任何一個位置直接映像方式主存的一個區(qū)塊只能映像到Cache的一個對應的地方組相聯(lián)方式主存的一個區(qū)塊可能映像到Cache的有限的對應的地方第五十五頁，共69頁。Cache的三種組織方式

第五十六頁，共69頁。全相聯(lián)Cache的例子

主存16MB每個區(qū)塊4個字節(jié)，主存區(qū)塊數(shù)：第五十七頁，共69頁。

全相聯(lián)Cache的例子

主存地址：區(qū)塊地址（22位）+塊內字節(jié)地址（2位）CACHE的數(shù)據(jù)區(qū)容量：128個區(qū)塊=512字節(jié)=4096位第五十八頁，共69頁。優(yōu)點：

主存的區(qū)塊映像到CACHE任意一行，非常靈活缺點：（1）在CACHE中尋找數(shù)據(jù)是比較過程較慢（2）如果CACH