计算机组成原理存储器优秀课件.ppt
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1、计算机组成原理存储器计算机组成原理存储器第1页,本讲稿共59页存储子系统存储子系统主要知识点:主要知识点:掌握存储器的分类、存储系统的层次结构掌握存储器的分类、存储系统的层次结构掌握存储单元、存储容量、地址线、数据线的关系掌握存储单元、存储容量、地址线、数据线的关系 3.掌握用半导体存储芯片组成主存储器的方法掌握用半导体存储芯片组成主存储器的方法了解辅助存储器的工作原理了解辅助存储器的工作原理 5.掌握掌握ache和虚拟存储器的工作原理和虚拟存储器的工作原理重重点点:半半导导体体存存储储器器,存存储储系系统统的的层层次次结结构构、各各类类存存储储器器的的特特点点、主主存存储储器的组织方法(与器
2、的组织方法(与CPU的连接方法),的连接方法),cache,虚拟存储器,虚拟存储器难点:难点:主存储器的组织方法,主存储器的组织方法,ache、虚拟存储器的工作原理、虚拟存储器的工作原理第2页,本讲稿共59页存储系统层次结构存储系统层次结构三级存储体系三级存储体系存储系统:容量大、速度快、成本低存储系统:容量大、速度快、成本低 CPU CPU Cache Cache 主存主存 外存外存 对对某某类类存存储储器器而而言言,这这些些要要求求往往往往是是相相互互矛矛盾盾的的,如如容容量量大大,速速度度不不能能很很快快;速速度度快快,成成本本不不可可能能低低;因因此此,在在一一个个存存储储系系统统常常
3、采采用用几几种种不不同同的的存存储储器器,构构成成多多级级存存储储体体系系,满满足足系系统统的的要要求。求。第3页,本讲稿共59页主存储器(内存)主存储器(内存)辅助存储器(外存)辅助存储器(外存)高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache存储系统层次结构存储系统层次结构主要存放主要存放CPUCPU当前使用的程序和数据。当前使用的程序和数据。速度快速度快容量有限容量有限存放大量的后备程序和数据。存放大量的后备程序和数据。速度较慢速度较慢容量大容量大存放存放CPUCPU在当前一小段时间内在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。多次使用的程序和数据。速度很快速度很快容量小容量小第4页,本讲稿共59页物
4、理存储器和虚拟存储器物理存储器和虚拟存储器主存主存-外存层次:增大容量外存层次:增大容量CPU 主存主存 外存:为虚拟存储器提外存:为虚拟存储器提供条件供条件虚拟存储器:将主存空间与部分外存空间组虚拟存储器:将主存空间与部分外存空间组成逻辑地址空间成逻辑地址空间用户使用逻辑地址空间编程,操作系统进行用户使用逻辑地址空间编程,操作系统进行有关程序调度、存储空间分配、地址转换等有关程序调度、存储空间分配、地址转换等工作工作存储系统层次结构存储系统层次结构第5页,本讲稿共59页存储器分类存储器分类按存储机制分类按存储机制分类半导体存储器半导体存储器静态存储器:利用双稳态触发器存储信息静态存储器:利用
5、双稳态触发器存储信息动态存储器:依靠电容存储电荷存储信息动态存储器:依靠电容存储电荷存储信息磁表面存储器:利用磁层上不同方向的磁化磁表面存储器:利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大,非破坏性读出,长区域表示信息,容量大,非破坏性读出,长期保存信息,速度慢。期保存信息,速度慢。光盘存储器光盘存储器利用光斑的有无表示信息利用光斑的有无表示信息第6页,本讲稿共59页存储器分类存储器分类按存取方式分类按存取方式分类随机存取存储器随机存取存储器随机存取:可按地址访问存储器中的任一随机存取:可按地址访问存储器中的任一单元,访问时间与地址单元无关单元,访问时间与地址单元无关RAM:RAM:MROMM
6、ROM:可读可写可读可写ROM:ROM:只读不写只读不写PROMPROM:用户不能编程用户不能编程用户可一次编程用户可一次编程EPROMEPROM:用户可多次编程用户可多次编程EEPROMEEPROM:用户可多次编程用户可多次编程SRAM:SRAM:DRAM:DRAM:第7页,本讲稿共59页存储器分类存储器分类顺序存取存储器(顺序存取存储器(SAM)访问时按读访问时按读/写部件顺序查找目标地址,写部件顺序查找目标地址,访问时间与数据位置有关访问时间与数据位置有关等待操作等待操作平均等待时间平均等待时间读读/写操作写操作两步操作两步操作速度指标速度指标(msms)数据传输率数据传输率(字节(字节
7、/秒)秒)存取周期或读存取周期或读/写周期写周期(nsns)速度指标:速度指标:时钟周期的若干倍时钟周期的若干倍作主存、高速缓存。作主存、高速缓存。第8页,本讲稿共59页存储器分类存储器分类直接存取存储器(直接存取存储器(DM)访问时读访问时读/写部件先直接指向一个小区域,写部件先直接指向一个小区域,再在该区域内顺序查找。访问时间与数据再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关位置有关三步操作三步操作定位(寻道)操作定位(寻道)操作等待(旋转)操作等待(旋转)操作读读/写操作写操作速度指标速度指标平均定位(平均寻道)时间平均定位(平均寻道)时间平均等待(平均旋转)时间平均等待(平均旋转)时间
8、数据传输率数据传输率(位(位/秒)秒)第9页,本讲稿共59页存储器分类存储器分类相联存储器:是一种特殊存储器,是基相联存储器:是一种特殊存储器,是基于数据内容进行访问的存储设备。于数据内容进行访问的存储设备。写入数据时写入数据时CAM能自动选择一个未用空单能自动选择一个未用空单元进行存储。元进行存储。读取数据时读取数据时CAM用所给数据同时对所有存用所给数据同时对所有存储单元中的数据进行比较标记符合条件的数储单元中的数据进行比较标记符合条件的数据。据。比较是同时进行的,所以读取速度比基于地比较是同时进行的,所以读取速度比基于地址进行读写的速度快。址进行读写的速度快。第10页,本讲稿共59页主存
9、储器分类主存储器分类 半半导导体体存存储储器器 只读只读 存储器存储器 ROMROM 随机读写随机读写存储器存储器RAMRAM 掩膜掩膜 ROMROM 可编程可编程ROM ROM(PROMPROM)可擦除可擦除ROM ROM(EPPROMEPPROM)电擦除电擦除ROM ROM(E E2 2PROMPROM)静态静态RAM RAM(SRAMSRAM)动态动态RAM RAM(DRAMDRAM)随机存取存随机存取存储储器器RAM:可可读读可写、断可写、断电丢电丢失失只只读读存存储储器器ROM:正常情况下只正常情况下只读读、断、断电电不不丢丢失失第11页,本讲稿共59页随机存取存储器随机存取存储器
10、RAM(radom access memry,随机存取存,随机存取存储储器)要求元件有器)要求元件有如下如下记忆记忆特性:特性:有两种稳定状态;有两种稳定状态;在外部信号的激励下,两种稳定状态能进行无限次相互转换;在外部信号的激励下,两种稳定状态能进行无限次相互转换;在外部信号激励下,能读出两种稳定状态;在外部信号激励下,能读出两种稳定状态;可靠地存储。可靠地存储。半半导导体体RAM元件可以分元件可以分为为两大两大类类:SRAM:是利用开关特性是利用开关特性进进行行记忆记忆,只要,只要电电源有源有电电,它,它总总能保持两个能保持两个稳稳定状定状态态中中的一个状的一个状态态。DRAM:除要:除要
11、电电源有源有电电外,外,还还必必须动态须动态地每隔一定的地每隔一定的时间间时间间隔隔对对它它进进行行一次刷新,否一次刷新,否则则信息就会信息就会丢丢失。失。第12页,本讲稿共59页只读存储器只读存储器 掩模型只读存储器掩模型只读存储器掩模型只读存储器掩模型只读存储器MROMMROM可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM可重编程只读存储器可重编程只读存储器可重编程只读存储器可重编程只读存储器EPROMEPROM电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器EEPROMEEPROM闪速存储器闪速存储器闪速存储器闪速
12、存储器flashflash 1.掩模型只读存储器掩模型只读存储器MROM 以以有无元器件表示有无元器件表示0和和1,MROM芯片出厂时,已经写入芯片出厂时,已经写入信息,不能改写信息,不能改写 用于需要量大且不需要改写的场合用于需要量大且不需要改写的场合第13页,本讲稿共59页只读存储器只读存储器 2.可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROMPROM芯芯芯芯片片片片出出出出厂厂厂厂时时时时,内内内内容容容容为为为为全全全全1 1,用用用用户户户户可可可可用用用用专专专专用用用用PROMPROM写写写写入入入入器器器器将将将将信信信信息息息息写写写写入入入入,一一一一旦旦旦旦写写写写入入
13、入入不不不不能能能能改改改改写写写写(即即即即只只只只能能能能写写写写入入入入一一一一次次次次),所所所所以以以以又又又又称称称称一一一一次次次次型可编程只读存储器型可编程只读存储器型可编程只读存储器型可编程只读存储器。W0W1b0b1b2熔熔丝丝型型PROM第14页,本讲稿共59页只读存储器只读存储器3.EPROM:可擦除可:可擦除可编编程程ROM UVEPROM(ultraviolet erasable programmable ROM)u紫紫外外线线擦擦除除(有有一一石石英英窗窗口口,改改写写时时要要将将其其置置于于一一定定波波长长的的紫紫外外线线灯下,照射一定灯下,照射一定时间时间全部
14、擦除,全部擦除,时间长时间长大大约约1025分分钟钟)uEPROM存在两个存在两个问题问题:A.用紫外用紫外线线灯的擦除灯的擦除时间长时间长.B.只能整片擦除只能整片擦除,不能改写个不能改写个别单别单元或个元或个别别位位第15页,本讲稿共59页只读存储器只读存储器4.4.电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器EEPROMEEPROM(electronically EPROM)electronically EPROM)u可在联机情况下,通过专用写入器加高压擦除可在联机情况下,通过专用写入器加高压擦除u可多次,支持数据块擦除可多次,支持数据块擦除5.闪速存储器闪速
15、存储器(Flash E2PROM)又称快擦存储器又称快擦存储器u是在是在EEPROM基础上发展起来的新型电可擦可编程的非易基础上发展起来的新型电可擦可编程的非易失性存储器失性存储器u 特点:高密度特点:高密度/非易失性非易失性/读读/在线改写在线改写;u 兼有兼有RAM和和 ROM的特点的特点,可代替软盘和硬盘。可代替软盘和硬盘。u擦写次数可达擦写次数可达10万次以上。读取时间小于万次以上。读取时间小于10ns。第16页,本讲稿共59页存储器性能指标存储器性能指标存取时间存取时间存取时间存取时间T TA A(Memory Access TimeMemory Access Time):是存储器收
16、是存储器收到读或写的地址到从存储器读出到读或写的地址到从存储器读出(写入)信息所需的(写入)信息所需的时间时间存取周期存取周期T TM M(Memory Circle TimeMemory Circle Time):):指连续启动指连续启动二次独立的存储器操作(例连续二次独立的存储器操作(例连续2次读)所需间隔次读)所需间隔的最小时间的最小时间.一般一般TM TA第17页,本讲稿共59页存储器性能指标存储器性能指标存取宽度(存取宽度(W):也称存取总线宽度也称存取总线宽度,一次一次访问可存取的数据位数或字节数访问可存取的数据位数或字节数.存储器带宽存储器带宽:也叫数据传输率也叫数据传输率,每秒
17、从存储每秒从存储器读取信息量器读取信息量,常用字节常用字节/秒表示。秒表示。带宽带宽BM:指每秒访问二进制位的数目指每秒访问二进制位的数目。BM=W/TM若若TM=500ns,W=16位位,BM=16/0.5=32Mbps则则要提高要提高BM:使使TM 使使W 增加存储体增加存储体第18页,本讲稿共59页存储器性能指标存储器性能指标容量:容量:容量:容量:指计算机存储信息的能力指计算机存储信息的能力,即最大的二进制信即最大的二进制信息量,以息量,以b或或B表示表示信息的可靠保存性、非易失性、可更换性信息的可靠保存性、非易失性、可更换性有源存储器:例半导体存储器靠电源才能存有源存储器:例半导体存
18、储器靠电源才能存信息信息无源存储器:磁盘、磁带等辅存中的信息关无源存储器:磁盘、磁带等辅存中的信息关电后不丢失电后不丢失非易失性:掉电时,信息不会丢失非易失性:掉电时,信息不会丢失结论:评价存储器的三个基本指标:结论:评价存储器的三个基本指标:C(Capacity)+C(Cost)+A(Access Speed)第19页,本讲稿共59页主存储器的组成主存储器的组成存存储储体体时时序控制序控制电电路路驱动电驱动电路路地址地址译码译码器器地址寄存器地址寄存器MAR数据数据寄存寄存器器MDR读读写写电电路路数据数据总线总线地址地址总线总线第20页,本讲稿共59页半导体存储器结构半导体存储器结构地地址
19、址寄寄存存器器地地址址译译码码存储体存储体控制控制电电路路AB数数据据寄寄存存读读写写电电路路DBOEWECS 存储体存储体存储器芯片的主要部分,用来存储信息存储器芯片的主要部分,用来存储信息 地址译码电路地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑选中存储芯片,控制读写操作选中存储芯片,控制读写操作第21页,本讲稿共59页存储体存储体每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储1 1位
20、(位片结构)或位(位片结构)或位(位片结构)或位(位片结构)或多位(字片结构)二进制数据多位(字片结构)二进制数据多位(字片结构)二进制数据多位(字片结构)二进制数据芯片存储容量与地址、数据线个数有关:芯片存储容量与地址、数据线个数有关:芯片存储容量与地址、数据线个数有关:芯片存储容量与地址、数据线个数有关:芯片的存储容量芯片的存储容量芯片的存储容量芯片的存储容量2 2MMNN 存储单元数存储单元数存储单元数存储单元数 存储单元的位数存储单元的位数存储单元的位数存储单元的位数 M:芯片的地址线根数:芯片的地址线根数 N:芯片的数据线根数:芯片的数据线根数 第22页,本讲稿共59页存储体存储体2
21、3单元地址单元地址00000001.XXXX存储单元存储单元存储元存储元存储容量存储容量存储体存储体地址线:决定了存储器的存储容量地址线:决定了存储器的存储容量数据线:一次访问存储器所得到数据位数数据线:一次访问存储器所得到数据位数第23页,本讲稿共59页地址译码电路地址译码电路使能使能输输入入编码编码输输出出编码编码映射映射n位二位二进进制制码码2n中取中取1码码1 1、译码器、译码器(decoder):将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号第24页,本讲稿共59页地址译码电路地址译码电路25n 位位二二进进制代制代码码 2 2n
22、 n 位位译码输译码输出出二进制二进制译码器译码器 译码输出译码输出100011010001001010000100Y3Y2Y1Y0A0A1译码输入译码输入译码输出高电平有效译码输出高电平有效译码输出译码输出11111111Y3Y2Y1Y0A0A1译码输入译码输入0000111101110100译码输出低电平有效译码输出低电平有效1 1、译码器、译码器(decoder):第25页,本讲稿共59页地址译码电路地址译码电路2-4译码器译码器Y0Y1Y2Y3A1A0EN引脚功能图引脚功能图74LS138A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7SCSBSAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y73-8译码
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