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第三章第三章 存储系统存储系统l 存储器概述存储器概述 l 随机读写存储器随机读写存储器l 只读存储器和闪速存储器只读存储器和闪速存储器l 高速存储器高速存储器l cachecache存储器存储器 l 虚拟存储器虚拟存储器l 存储保护存储保护 3.1 存储器概述存储器概述3.1.1 存储器的分类存储器的分类 存储元存储元存储元存储元存储单元存储单元存储单元存储单元存储器存储器存储器存储器 根据存储材料的性能及使用方法不同，存储根据存储材料的性能及使用方法不同，存储根据存储材料的性能及使用方法不同，存储根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法器有各种不同的分类方法器有各种不同的分类方法器有各种不同的分类方法:按存储介质分为：按存储介质分为：按存储介质分为：按存储介质分为：l l半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器l l磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器l l光存储器光存储器光存储器光存储器按存储方式分为：按存储方式分为：按存储方式分为：按存储方式分为：l l随机存储器随机存储器随机存储器随机存储器l l顺序存储器顺序存储器顺序存储器顺序存储器按存储器的读写功能分为：按存储器的读写功能分为：按存储器的读写功能分为：按存储器的读写功能分为：l l只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)l l随机读写存储器随机读写存储器随机读写存储器随机读写存储器(RAM)(RAM)按信息的可保存性分为：按信息的可保存性分为：按信息的可保存性分为：按信息的可保存性分为：l l非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器l l永久记忆性存储器永久记忆性存储器永久记忆性存储器永久记忆性存储器按在计算机系统中的作用分为按在计算机系统中的作用分为按在计算机系统中的作用分为按在计算机系统中的作用分为：l l主存储器主存储器主存储器主存储器l l辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器l l高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器l l控制存储器控制存储器控制存储器控制存储器3.1.2 存储器的分级结构存储器的分级结构多多多多级级级级存存存存储储储储器器器器体体体体系系系系结结结结构构构构内存储器内存储器内存储器内存储器外存储器外存储器外存储器外存储器高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（cachecache）主存储器主存储器主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器磁盘存储器磁盘存储器磁带存储器磁带存储器磁带存储器磁带存储器光盘存储器光盘存储器光盘存储器光盘存储器CPUCPU能直能直能直能直接访问接访问接访问接访问CPUCPU不能直不能直不能直不能直接访问接访问接访问接访问3.1.3 主存储器的技术指标主存储器的技术指标指标指标指标指标含义含义含义含义表表表表 现现现现单位单位单位单位存储容量存储容量存储容量存储容量在一个存储器中可以容在一个存储器中可以容在一个存储器中可以容在一个存储器中可以容纳的存储单元总数纳的存储单元总数纳的存储单元总数纳的存储单元总数存储空间的存储空间的存储空间的存储空间的大小大小大小大小字数，字数，字数，字数，字节数字节数字节数字节数存取时间存取时间存取时间存取时间启动到完成一次存储器启动到完成一次存储器启动到完成一次存储器启动到完成一次存储器操作所经历的时间操作所经历的时间操作所经历的时间操作所经历的时间主存的速度主存的速度主存的速度主存的速度存储周期存储周期存储周期存储周期连续启动两次操作所需连续启动两次操作所需连续启动两次操作所需连续启动两次操作所需间隔的最小时间间隔的最小时间间隔的最小时间间隔的最小时间主存的速度主存的速度主存的速度主存的速度存储器带宽存储器带宽存储器带宽存储器带宽单位时间里存储器所存单位时间里存储器所存单位时间里存储器所存单位时间里存储器所存取的信息量取的信息量取的信息量取的信息量数据传输速数据传输速数据传输速数据传输速率技术指标率技术指标率技术指标率技术指标位位位位/秒，秒，秒，秒，字节字节字节字节/秒秒秒秒3.2 随机读写存储器随机读写存储器常用的常用的常用的常用的RAMRAM按半导体材料分为：按半导体材料分为：按半导体材料分为：按半导体材料分为：l l双极型（双极型（双极型（双极型（TTLTTL）半导体存储器）半导体存储器）半导体存储器）半导体存储器l l金属氧化物（金属氧化物（金属氧化物（金属氧化物（MOSMOS）半导体存储器）半导体存储器）半导体存储器）半导体存储器根据存储信息机构的原理分为：根据存储信息机构的原理分为：根据存储信息机构的原理分为：根据存储信息机构的原理分为：l l静态静态静态静态MOSMOS存储器（存储器（存储器（存储器（SRAMSRAM）l l动态动态动态动态MOSMOS存储器（存储器（存储器（存储器（DRAMDRAM）3.2.1 SRAM存储器存储器1.基本存储元基本存储元 基本存储元是组成存储器的基础和核基本存储元是组成存储器的基础和核心，它用来存储一位二进制信息心，它用来存储一位二进制信息0或或1。字节存储单元：存放一个字节的单元，字节存储单元：存放一个字节的单元，相应的地址称为字节地址。相应的地址称为字节地址。SRAMSRAM芯片大多采用芯片大多采用双译码方式，以便双译码方式，以便组织更大的存储容组织更大的存储容量。量。2.SRAM存储器的组成存储器的组成 存储体存储体存储体存储体地址译码器地址译码器地址译码器地址译码器读写电路读写电路读写电路读写电路控制电路控制电路控制电路控制电路地址译码有两种方式地址译码有两种方式:单译码单译码一个地址译码器一个地址译码器双译码双译码X向和向和Y向两个译码器向两个译码器例如：例如：40961存储单元存储单元单译码：单译码：地址线地址线地址线地址线1212根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）40964096根根根根双译码：双译码：地址线地址线地址线地址线1212根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）根，选择线（译码线）128128根根根根3.SRAM存储器芯片实例存储器芯片实例 写过程写过程读过程读过程5.存储器的读、写周期存储器的读、写周期 地址地址读出时间读出时间读周期时间读周期时间CSCSDBDB读出时间读出时间是从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所是从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所读出的数据信息所经历的时间。读出的数据信息所经历的时间。读周期时间读周期时间是存储片进行两次连续读操作时所必须间隔的时是存储片进行两次连续读操作时所必须间隔的时间，它总是大于或等于读出时间。间，它总是大于或等于读出时间。地址地址写数时间写数时间写周期时间写周期时间WEWED DininCSCSD Doutout写周期写周期要实现写操作，要求片选要实现写操作，要求片选CSCS非和写命非和写命令令WEWE非信号都为低，并且非信号都为低，并且CSCS非信号与非信号与WEWE非信号相非信号相“与与”的宽度至少应为的宽度至少应为“写数时间写数时间”。v例1 图3.5(a)是SRA的写入时序图。其中R/W是读/写命令控制线，当R/W线为低电平时，存储器按给定地址把数据线上的数据写入存储器。请指出图3.5(a)写入时序中的错误，并画出正确的写入时序图。3.3 DRAM存储器存储器SRAMSRAM存储器的存储位元是一个触发器，它具有存储器的存储位元是一个触发器，它具有两个稳定的状态。而两个稳定的状态。而DRAMDRAM存储器的存储位元是存储器的存储位元是由一个由一个MOSMOS晶体管和电容器组成的记忆电路。晶体管和电容器组成的记忆电路。写操作写操作1读操作读操作6464条选条选择线的择线的译码器译码器3232128128存储元存储元128128输出放大器输出放大器3232128128存储元存储元128128输出放大器输出放大器的译码器和的译码器和I/OI/O门门6464条选条选择线的择线的译码器译码器3232128128存储元存储元128128输出放大器输出放大器3232128128存储元存储元7 7位地址位地址锁存器锁存器（行）（行）7 7位地址位地址锁存器锁存器（列）（列）时时 钟钟发生器发生器（2 2）时时 钟钟发生器发生器（1 1）A A0 0 A A6 6输出锁输出锁存器和存器和缓冲器缓冲器输入数据锁存器输入数据锁存器写命令锁存器写命令锁存器D DOUTOUTD DININWEWERASRASCASCAS16K16K16K16K1 1 1 1位位位位DRAMDRAMDRAMDRAM芯片芯片芯片芯片2116211621162116I/OI/OI/OI/O3.DRAM3.DRAM存储芯片实例存储芯片实例存储芯片实例存储芯片实例 读读周周期期数据输出有效数据输出有效RASRASCASCAS地址地址WEWED DOUTOUT读周期时间（读周期时间（t tCYCCYC）RASRAS脉冲宽度（脉冲宽度（t tRASRAS）CASCAS脉冲宽度（脉冲宽度（t tCASCAS）读命令建立时间（读命令建立时间（t tRCSRCS）读命令保持时间（读命令保持时间（t tRCHRCH）数据输出保持时间（数据输出保持时间（t tDOHDOH）t tRACRACt tCACCACt tAHAHt tASCASCt tAHAHt tASRASRt tRCLRCL写写周周期期RASRASCASCAS地址地址WEWED DININ写周期时间（写周期时间（t tCYCCYC）RASRAS脉冲宽度（脉冲宽度（t tRASRAS）CASCAS脉冲宽度（脉冲宽度（t tCASCAS）t tDHDHt tWPWPt tRWLRWLt tRCLRCLt tCWLCWLt tWCHWCHt tDSDS刷新周期刷新周期只用只用只用只用RASRAS的刷新周期的刷新周期的刷新周期的刷新周期RASRASRASRASCASCASCASCAS地址地址地址地址t t t tRCPRCPRCPRCPt t t tCHCHCHCHt t t tAHAHAHAHt t t tASRASRASRASR4.DRAM的刷新的刷新 动态动态动态动态MOSMOS存储器采用存储器采用存储器采用存储器采用“读出读出读出读出”方式进行刷新。方式进行刷新。方式进行刷新。方式进行刷新。从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷刷刷刷新周期新周期新周期新周期。常用的刷新方式有三种：常用的刷新方式有三种：常用的刷新方式有三种：常用的刷新方式有三种：l l 集中式集中式集中式集中式l l 分散式分散式分散式分散式l l 异步式异步式异步式异步式集中式刷新集中式刷新周期周期序号序号地址地址序号序号0 13871 38723999 0X YW 0 1127刷新间隔（刷新间隔（2ms）读读/写或维持写或维持刷新刷新t tC C38723872周期（周期（1936s1936s）128128周期（周期（64s64s）40004000周期（周期（2000s2000s）假定假定tC0.5s，则读，则读/写周期为写周期为0.5s，刷，刷新周期为新周期为2ms，出现了，出现了64s的的“死时间死时间”。分散式刷新分散式刷新系统系统周期周期序号序号（0 0）X 0S 126 T 127刷新间隔刷新间隔128个系统周期（个系统周期（128s）t tC C 假定假定tM0.5s，则，则tC1s，存储器系统周期，存储器系统周期为为1s，刷新周期为，刷新周期为128s，没有，没有“死时间死时间”。Y 1X 2W/R REFW/R REF W/R REFW/R REF W/R REFW/R REFW/R REFW/R REFW/R REFW/R REF（1 1）（2 2）（126126）（127127）t tM Mt tR R异步式刷新异步式刷新15.5s 假定假定假定假定t tC C0.5s0.5s，则读，则读，则读，则读/写周期为写周期为写周期为写周期为0.5s0.5s，刷新周期为刷新周期为刷新周期为刷新周期为2ms2ms，没有，没有，没有，没有“死时间死时间死时间死时间”。W/R W/R W/RW/R W/RW/RW/R W/R W/RW/R W/RW/Rt tC C0.50.5ssREFREFREFREF0.50.5ss0.50.5sst tC C15.5sW/R W/R W/RW/R W/RW/RREFREF0.50.5sst tC C15.5s刷新间隔（刷新间隔（2ms）标准的刷新操作标准的刷新操作只用只用只用只用RASRAS的刷新操作的刷新操作的刷新操作的刷新操作RASRASRASRASCASCASCASCAS地址地址地址地址t t t tRCPRCPRCPRCPt t t tCHCHCHCHt t t tAHAHAHAHt t t tASRASRASRASRCASCAS在在在在RASRAS之前的刷新操作之前的刷新操作之前的刷新操作之前的刷新操作RASRASRASRASCASCASCASCAS【附例附例附例附例】用用用用16K 116K 1位的位的位的位的DRAMDRAM芯片构成芯片构成芯片构成芯片构成64K 64K 8 8位的存储器。要求：位的存储器。要求：位的存储器。要求：位的存储器。要求：画出该芯片组成的存画出该芯片组成的存画出该芯片组成的存画出该芯片组成的存储器逻辑框图。储器逻辑框图。储器逻辑框图。储器逻辑框图。设存储器读设存储器读设存储器读设存储器读 /写周期均为写周期均为写周期均为写周期均为0.5s0.5s，CPUCPU在在在在1s1s内至少要访存一次。试问采内至少要访存一次。试问采内至少要访存一次。试问采内至少要访存一次。试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍，所需实际刷隔是多少？对全部存储单元刷新一遍，所需实际刷隔是多少？对全部存储单元刷新一遍，所需实际刷隔是多少？对全部存储单元刷新一遍，所需实际刷新时间是多少？新时间是多少？新时间是多少？新时间是多少？64K 8位的存储器逻辑框图位的存储器逻辑框图5.存储器控制电路存储器控制电路 刷新地址刷新地址计数器计数器地址多地址多路开关路开关刷新刷新定时器定时器仲裁仲裁电路电路定时定时发生器发生器CPUCPUDRAMDRAM地址地址 总线总线地址地址RASRASCASCASWEWE读读/写写存储器与存储器与CPU连接连接 地址线地址线的连接、的连接、数据线数据线的连接和的连接和控制线控制线的连的连接。接。对存储器进行扩展的主要方法有：对存储器进行扩展的主要方法有：l l位扩展法位扩展法l l字扩展法字扩展法l l字位同时扩展法字位同时扩展法3.3.4 存储器容量的扩充存储器容量的扩充 位扩展法组成位扩展法组成位扩展法组成位扩展法组成 8K RAM8K RAM位扩展法位扩展法字扩展法字扩展法字扩展法组成字扩展法组成字扩展法组成字扩展法组成 64K RAM64K RAM字位同时扩展法字位同时扩展法字向和位向同时进行扩展字向和位向同时进行扩展字向和位向同时进行扩展字向和位向同时进行扩展LKLK位位位位MNMN位位位位 (L(LMM，KKN)N)，共需要共需要共需要共需要(M/L)(N/K)(M/L)(N/K)个存储器芯片。个存储器芯片。个存储器芯片。个存储器芯片。【例例例例3.13.1】已知某已知某已知某已知某1616位机的主存采用半导体存贮器，位机的主存采用半导体存贮器，位机的主存采用半导体存贮器，位机的主存采用半导体存贮器，地址码为地址码为地址码为地址码为1818位，若使用位，若使用位，若使用位，若使用4K84K8位位位位SRAMSRAM芯片组成该芯片组成该芯片组成该芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式。机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式。机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式。机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式。问：问：问：问：（1 1）若每个模板为）若每个模板为）若每个模板为）若每个模板为32K1632K16位，共需几个模块板位，共需几个模块板位，共需几个模块板位，共需几个模块板?（2 2）每个模块内共有多少片）每个模块内共有多少片）每个模块内共有多少片）每个模块内共有多少片RAMRAM芯片芯片芯片芯片?（3 3）主存共需多少）主存共需多少）主存共需多少）主存共需多少RAMRAM芯片？芯片？芯片？芯片？CPUCPU如何选择模块如何选择模块如何选择模块如何选择模块板？板？板？板？3.3.5 高级的高级的DRAM结构结构1、FPM DRAM快速页模式动态存储器，它是根据程序的快速页模式动态存储器，它是根据程序的局部性原理来实现的。读周期和写周期中，局部性原理来实现的。读周期和写周期中，为了寻找一个确定的存储单元地址，首先为了寻找一个确定的存储单元地址，首先由低电平的行选通信号由低电平的行选通信号RAS确定行地址，确定行地址，然后由低电平的列选信号然后由低电平的列选信号CAS确定列地址。确定列地址。下一次寻找操作，也是由下一次寻找操作，也是由RAS选定行地址，选定行地址，CAS选定列地址，依此类推。选定列地址，依此类推。v2、CDRAMCDRAM称为带高速缓冲存储器称为带高速缓冲存储器（cache）的动态存储器，它是在通常）的动态存储器，它是在通常的的DRAM芯片内又集成了一个小容量芯片内又集成了一个小容量的的SRAM，从而使，从而使DRAM芯片的性能得芯片的性能得到显著改进。如图所示出到显著改进。如图所示出1M4位位CDRAM芯片的结构框图，其中芯片的结构框图，其中SRAM为为5124位。位。v3、SDRAMSDRAM称为同步型动态存储器。计算称为同步型动态存储器。计算机系统中的机系统中的CPU使用的是系统时钟，使用的是系统时钟，SDRAM的操作要求与系统时钟相同步，的操作要求与系统时钟相同步，在系统时钟的控制下从在系统时钟的控制下从CPU获得地址、获得地址、数据和控制信息。换句话说，它与数据和控制信息。换句话说，它与CPU的数据交换同步于外部的系统时的数据交换同步于外部的系统时钟信号，并且以钟信号，并且以CPU/存储器总线的最存储器总线的最高速度运行，而不需要插入等待状态。高速度运行，而不需要插入等待状态。