計算機組織與結(jié)構(gòu)-第三章第一講

第三章存儲系統(tǒng)1第一頁，共二十四頁。

《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——第三章存儲系統(tǒng)第三章存儲系統(tǒng)3.1存儲系統(tǒng)概述3.2隨機讀寫存儲器3.3只讀存儲器和閃速存儲器3.4高速存儲器3.5Cache存儲器3.6虛擬存儲器3.7存儲保護3.8輔助存儲器

2第二頁，共二十四頁。圖3.1存儲器與外部的連接關(guān)系

存儲器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都以存儲器為中心，程序若要運行，必須先把有關(guān)程序和數(shù)據(jù)裝到存儲器中。3.1.1存儲器在計算機中的地位《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述3第三頁，共二十四頁。存儲系統(tǒng)：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來的系統(tǒng)稱為存儲系統(tǒng)。對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個存儲器；這個存儲器的速度接近速度最快的那個主存儲器；存儲容量與容量最大的那個主存儲器相等或接近；單位容量的價格接近最便宜的那個主存儲器。

《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述4第四頁，共二十四頁。3.1.2存儲器的組成存儲體是存放二進制碼的地方，由各種介質(zhì)組成的、具有記憶能力的存儲單元集合?？梢酝瓿纱嫒?、取出、保持記憶的功能。接受地址總線上送來的地址，在整個存取時間內(nèi)，保持地址碼不變，以進行地址選擇?；蚍Q為存儲器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)。它與數(shù)據(jù)總線相連，進行數(shù)據(jù)的寫入或讀出，起到了將存儲信息整形與同步的作用，作為存儲體與總線接口的寄存器。根據(jù)地址碼，產(chǎn)生該地址的選擇信號，用以驅(qū)動所選擇的存儲單元?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述圖3.2存儲器的組成5第五頁，共二十四頁。3.1.2存儲器的組成1.存儲體編址方式為了能夠方便存取，對存儲體的各單元進行編址。

編址技術(shù)是存儲器結(jié)構(gòu)中的重要問題?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述6第六頁，共二十四頁。存儲體編址方式編址單位：

常用的編址單位：字編址、字節(jié)編址、位編址、塊編址等編址單位與字長訪問：

一般：字節(jié)編址，字訪問；部分機器：位編址，字訪問；輔助存儲器：塊編址，位訪問；3.1.2存儲器的組成《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述7第七頁，共二十四頁。存儲體編址方式：⑴按字編址：長度為一個機器字長的存儲單元，編一個地址碼。⑵按字節(jié)編址：即8位二進制代碼為一個存儲單元，編一個地址碼，這是當前機器編址中的主流。⑶按位編址：即對每一位二進制代碼指定一個地址碼。這種編址方式只是在某些特定需要的情況下采用。3.1.2存儲器的組成《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述8第八頁，共二十四頁。圖3.3字節(jié)編址的主存儲器的各種訪問方法圖中給出了主存儲器采用字節(jié)編址情況下，數(shù)據(jù)在主存儲器中的3種不同存放方法，這里，存儲器本身的字長都是64位（8個字節(jié)），即一個存儲周期能夠從存儲器中讀或?qū)懸粋€字長為64位的數(shù)據(jù)，圖中最左邊一列是地址，用16進制表示，由于存儲器的字長是8個字節(jié)，因此地址的最低3個二進制位是000。我們這里暫且把一個存儲字稱為雙字

9第九頁，共二十四頁。在采用字節(jié)編址方式的存儲器中，一個存儲字中的多個字節(jié)如何編碼有兩種方法，這就是大端(BigEndian)與小端(LittleEndian)問題。圖3.410第十頁，共二十四頁。3.1.3存儲器的分類1.按存儲介質(zhì)分類

所謂存儲介質(zhì)是指記憶二進制代碼所采用的物質(zhì)。(1).半導體器件組成的半導體存儲器

(2).磁性材料做成的磁表面存儲器《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述11第十一頁，共二十四頁。2.按存取方式分類(1).隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)單元的內(nèi)容都能隨機存取且存取時間與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。如半導體存儲器等。用途:主存、Cache、外設(shè)緩存。(2).順序存儲器SAM(SequentialAccessMemory)存取時間與存取單元的物理位置有關(guān)的存儲器。 如：磁帶存儲器。用途：輔存。(3).半順序存儲器RSAM(RandomSequentialAccessMemory)記錄信息的媒體表面被分成若干道，每道均可隨機訪問，道內(nèi)則按順序?qū)ふ业拇鎯ζ?。如：磁盤?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述12第十二頁，共二十四頁。3.按讀寫功能分類(1)只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)只能讀出不能寫入的存儲器。(2)隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)既能讀出又能寫入的存儲器?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述13第十三頁，共二十四頁。4.按信息的可保存性分類(1).非永久性存儲器(易失性):斷電后信息即消失的存儲器(2).永久性存儲器(非易失性):斷電后仍能保存信息的存儲器5.按在計算機系統(tǒng)中的作用分類*主存儲器*輔助存儲器*緩沖存儲器*控制存儲器《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述14第十四頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標容量、速度、價格1、存儲容量：主存存儲單元的總數(shù)

S＝w·n·m

其中：w存儲器字的長度(可用位或字節(jié)表示)，n表示每個存儲器的字數(shù)，m表示可以并行工作的存儲器的個數(shù)?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述15第十五頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標1.

存儲容量:主存存儲單元的總數(shù)例：8位微機16位地址碼（按字節(jié)編址）最大容量：216B=65536B=64KB注：

1KB=210B;1MB=210KB=220B;1GB=210MB=230B;1TB=210GB=240B?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述16第十六頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標1.

存儲容量:主存存儲單元的總數(shù)例：某機器字長(一般也是存儲器的字長，也稱為數(shù)據(jù)寬度)為16位，即等于2B，而存儲器的物理單元個數(shù)為32k個，該存儲器只有一個存儲器工作，所以它的容量可以計算出來：S＝2×32k×l＝64kB?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述17第十七頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標

2、速度

衡量存儲器速度指標的參數(shù)可以有下面幾個。

存儲周期：兩次讀/寫操作之間所需的最短間隔時間稱為存儲周期(TM)。*存儲周期的單位：ns(納秒)存取時間：存儲器從接收到“讀出”或“寫入”的命令起到完成讀數(shù)或?qū)憯?shù)操作所需的時間，稱為存取時間(TA)。通常TM>TA《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述18第十八頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標

2、速度衡量存儲器速度指標的參數(shù)可以有下面幾個。

數(shù)據(jù)傳送速率Bm：也稱為頻寬，通常是用單位時間能傳送的信息位數(shù)(或字節(jié))來衡量。有Bm=(位／s)

如果是m個存儲器并行工作，則有Bm＝(位／s)《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述19第十九頁，共二十四頁。3.1.4存儲器的主要指標3.

存儲器的可靠性衡量標準：平均無故障時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)MTBF越長，可靠性越高。4.

性能/價格比性能－容量、存儲周期、可靠性等價格－整個存儲器的價格《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述20第二十頁，共二十四頁。圖3.5存儲器的層次結(jié)構(gòu)

3.1.5存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)中用于存放最活躍的程序和數(shù)據(jù)的高速小容量存儲器。計算機系統(tǒng)中用于存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)的半導體存儲器。內(nèi)存儲器：主存+cache；是中央處理器能直接訪問的存儲器。存放當前暫不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再與主存成批交換信息的存儲器。由磁表面存儲器和光盤存儲器構(gòu)成。《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述21第二十一頁，共二十四頁。3.1.5存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.存儲器訪問的局部性所謂存貯器訪問的局部性是指在CPU訪問存貯器時，無論是取指令或存取數(shù)據(jù)，所訪問的存貯單元都趨向于聚集在一個較小的連續(xù)單元區(qū)域中。時間上的局部性空間上的局部性《計算機組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述22第二十二頁，共二十四頁。3.1.5存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2.層次結(jié)構(gòu)的命中率命中率是指對某一層次存儲器而言，要訪問的數(shù)據(jù)正好在這一級中的概率。它同傳送信息塊的大小、這一級存儲的容量、存儲管理策略等因素有關(guān)?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述23第二十三頁，共二十四頁。內(nèi)容總結(jié)第三章存儲系統(tǒng)?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——第三章存儲系統(tǒng)?！队嬎銠C組織與結(jié)構(gòu)》——3.1存儲系統(tǒng)概述。⑴按字編址：長度為一個機器字長的存儲單元，編一個地