第5章 存储器系统.ppt

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1、第第5 5章章 存储器系统存储器系统通过本章习，重点掌握和理解以下内容：通过本章习，重点掌握和理解以下内容：l半导体存储器的分类和性能、存储器系半导体存储器的分类和性能、存储器系统的体系结构统的体系结构l随机存取存储器和只读存储器的特性、随机存取存储器和只读存储器的特性、功能和原理功能和原理l存储器与微处理器的连接方法存储器与微处理器的连接方法l虚拟存储器、高速缓冲存储器和辅助存虚拟存储器、高速缓冲存储器和辅助存储器储器第第5章章5.1 5.1 概述概述5.1.1存储器的作用存储器的作用（1）存储程序和数据。）存储程序和数据。（2）I/O设备可通过设备可通过DAM方式与存储器直接交换方式与存储

2、器直接交换数据。数据。（3）存放共享数据。）存放共享数据。第第5章章5.1.2存储器的分类存储器的分类1.按存取方式分类按存取方式分类（1）随机存取存储器）随机存取存储器RAM（2）只读存储器）只读存储器ROM（3）顺序存取存储器）顺序存取存储器SAM（4）直接存取存储器）直接存取存储器DAM（5）相联存储器）相联存储器2.按存储介质分类按存储介质分类（1）半导体存储器）半导体存储器（2）磁表面存储器）磁表面存储器（3）光盘存储器）光盘存储器第第5章章3.按存储器在系统中的作用分类按存储器在系统中的作用分类（1）高速缓冲存储器）高速缓冲存储器Cache（2）主存储器）主存储器（3）辅助存储器）

3、辅助存储器4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类（1）易失性存储器）易失性存储器（2）非易失性存储器）非易失性存储器第第5章章5.1.3存储体系的组成存储体系的组成存储器的主要特性有速度、容量和价格三个存储器的主要特性有速度、容量和价格三个衡量指标。衡量指标。一般来说，速度越高价格就越高，容量越大一般来说，速度越高价格就越高，容量越大价格就越低，而且容量越大速度必越低。这三者价格就越低，而且容量越大速度必越低。这三者之间存在矛盾，要合理地加以解决。之间存在矛盾，要合理地加以解决。存储器的层次结构主要体现在缓存存储器的层次结构主要体现在缓存主存、主存、主存主存辅存这两个存储层次上，如图辅存

4、这两个存储层次上，如图5.2所示。所示。第第5章章第第5章章5.2半导体存储器半导体存储器5.2.1半导体存储器的性能指标及分类半导体存储器的性能指标及分类1.存储容量存储容量存储器容量基本单位采用字节存储器容量基本单位采用字节B表示。表示。各存储单位间换算关系为：各存储单位间换算关系为：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB2.存取速度存取速度用存取时间和存取周期来衡量。用存取时间和存取周期来衡量。（1）存取时间：从启动一次存储器操作到完成该操）存取时间：从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。作所经历的时

5、间。（2）存取周期：存储器连续两次读）存取周期：存储器连续两次读/写操作之间所需写操作之间所需的最短间隔时间。的最短间隔时间。第第5章章3.存储器带宽存储器带宽单位时间内存储器可读写的字节数（或二进制位数）单位时间内存储器可读写的字节数（或二进制位数）称为存储器带宽。称为存储器带宽。4.可靠性可靠性规定时间内存储器无故障读规定时间内存储器无故障读/写的概率。写的概率。5功耗功耗反映出计算机存储器件耗电的多少，同时也反映了其反映出计算机存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。发热的程度。6.价格价格速度较快的存储器，其价格较高，容量不可能太大。速度较快的存储器，其价格较高，容量不可能太大。

6、一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格较低。格较低。第第5章章2.半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体存储器按存取方式可分为半导体存储器按存取方式可分为RAM和和ROM。根据器件原理、存储原理、编程方式、存储结构和根据器件原理、存储原理、编程方式、存储结构和生产工艺的不同生产工艺的不同RAM和和ROM又可分成不同的形式，又可分成不同的形式，如图所示如图所示。第第5章章5.2.2半导体存储器的基本结构半导体存储器的基本结构半导体存储器一般由地址译码器、存储矩阵、控制半导体存储器一般由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和输入输出控制电路等部分组

7、成，如图所示。逻辑和输入输出控制电路等部分组成，如图所示。第第5章章5.2.3只读存储器（只读存储器（ROM）ROM中的信息只能读出不能写入，一般存放如中的信息只能读出不能写入，一般存放如监控程序、监控程序、BIOS程序等固定程序。程序等固定程序。一般情况下，一般情况下，ROM由存储矩阵、地址译码器和由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三部分组成，如图所示。输出缓冲器三部分组成，如图所示。第第5章章ROM工作时只能读出不能写入。一般只存放固工作时只能读出不能写入。一般只存放固定程序，如监控程序、定程序，如监控程序、BIOS程序等。程序等。ROM特点是非易失性，所存储信息一经写入可特点是非易失性，

8、所存储信息一经写入可长久保存，不受电源断电影响。长久保存，不受电源断电影响。按存储单元结构和生产工艺不同，按存储单元结构和生产工艺不同，ROM可分为：可分为：l掩膜掩膜ROMl可编程可编程PROMl光可擦除光可擦除EPROMl电可擦除电可擦除EEPROMl闪速存储器闪速存储器第第5章章1.掩膜掩膜ROM掩膜掩膜ROM中信息由厂家中信息由厂家在制造过程中写入。在制造过程中写入。图图5.7为简单为简单44位位MOS管掩膜管掩膜ROM，采，采用字译码方式，两位地用字译码方式，两位地址输入，经译码后输出址输入，经译码后输出4条选择线，每一条选条选择线，每一条选中一个字。中一个字。第第5章章2.可编程可

9、编程PROM编程只读存储器编程只读存储器PROM由用户在使用前一次性写入信息，由用户在使用前一次性写入信息，写入后只能读出，不能修改。写入后只能读出，不能修改。3.光可擦除光可擦除EPROM 利用编程器写入后信息可长久保持。当其内容需要变更利用编程器写入后信息可长久保持。当其内容需要变更时，可利用擦除器将存储信息擦除，再利用时，可利用擦除器将存储信息擦除，再利用EPROM编程编程器编程。器编程。4.电可擦除电可擦除EEPROM用加电方式来实现芯片擦除和重新写入，在断电情况下芯片用加电方式来实现芯片擦除和重新写入，在断电情况下芯片所保存的数据信息也不会丢失。所保存的数据信息也不会丢失。5.闪速存

10、储器闪速存储器 具有具有RAM的易读易写、体积小、集成度高、速度快等优的易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点，又有点，又有ROM断电后信息不丢失等优点。断电后信息不丢失等优点。第第5章章5.2.4 随机存取存储器随机存取存储器RAM可随机对每个存储单可随机对每个存储单元读写，断电后信息元读写，断电后信息会丢失。会丢失。1.静态静态RAM（SRAM）基本存储电路如右图所示。基本存储电路如右图所示。第第5章章图 5-10 SRAM基本存储电路 2.动态动态RAM（DRAM）单管电路由于集成度单管电路由于集成度高，功耗小，越来越多高，功耗小，越来越多地应用在地应用在DRAM中，中，其基本存储电路

11、如图其基本存储电路如图5.12所示。所示。由一只由一只MOS管和一个管和一个与源极相连电容与源极相连电容C组成。组成。电容上有电荷时表示电容上有电荷时表示“1”，无电荷时表示，无电荷时表示“0”。第第5章章5.3存储器与存储器与CPU的接口的接口5.3.1存储器容量扩展存储器容量扩展根据存储器要求容量和选定存储芯片容量，可计算根据存储器要求容量和选定存储芯片容量，可计算出总的芯片数。出总的芯片数。即：存储器总片数即：存储器总片数=总容量总容量/芯片容量芯片容量如存储器总容量为如存储器总容量为8KB（8K8位），若选用位），若选用2114（1K4位），需要的芯片数为：位），需要的芯片数为：（8K

12、8位）位）/（1K4位）位）=16片片第第5章章1.位扩展：在位数方向扩展，增加存储字长，芯片位扩展：在位数方向扩展，增加存储字长，芯片字数和存储器字数一致。如用字数和存储器字数一致。如用2片片2114（1K4）芯片可组成芯片可组成1K8的存储器。的存储器。2.字扩展：增加存储器字的数量，位数不变。如用字扩展：增加存储器字的数量，位数不变。如用2片片1K8位的存储芯片可组成一个位的存储芯片可组成一个2K8位的存储位的存储器，即存储字增加了一倍。器，即存储字增加了一倍。3.字位同时扩展：既增加存储字的数量，又增加存字位同时扩展：既增加存储字的数量，又增加存储字长。储字长。第第5章章5.3.2存储

13、器的地址分配及译码存储器的地址分配及译码CPU发出的地址信号有两种作用：发出的地址信号有两种作用：l一是选择存储器芯片，使相关芯片的片选端为一是选择存储器芯片，使相关芯片的片选端为有效（称为片选）；有效（称为片选）；l二是在选中的芯片内部再选择某一存储单元二是在选中的芯片内部再选择某一存储单元（称为字选）。（称为字选）。片选和字选信号均由片选和字选信号均由CPU发出的地址信号经发出的地址信号经译码电路产生。译码电路产生。第第5章章地址译码器实现片选方法有以下三种：地址译码器实现片选方法有以下三种：1）线选法：用存储器芯片片内寻址线以外的系）线选法：用存储器芯片片内寻址线以外的系统高位地址线作为

14、存储器芯片片选控制信号。统高位地址线作为存储器芯片片选控制信号。2）全译码法：存储器芯片片内寻址以外系统的）全译码法：存储器芯片片内寻址以外系统的全部高位地址线都参与地址译码。全部高位地址线都参与地址译码。3）部分译码法：用存储器芯片片内寻址以外的）部分译码法：用存储器芯片片内寻址以外的系统高位地址的一部分地址线，经译码电路产系统高位地址的一部分地址线，经译码电路产生片选信号，剩余高位线可空闲或用作其它存生片选信号，剩余高位线可空闲或用作其它存储芯片的片选控制。储芯片的片选控制。第第5章章5.3.3CPU与存储器的连接与存储器的连接 主要考虑内容有以下主要考虑内容有以下3个方面。个方面。（1）

15、数据线的连接：主存储器的数据线要同）数据线的连接：主存储器的数据线要同CPU的数据总线相连。的数据总线相连。（2）地址线的连接：主存储器的地址线要同）地址线的连接：主存储器的地址线要同CPU的地址总线相连。的地址总线相连。（3）控制线的连接：主存储器与）控制线的连接：主存储器与CPU同名的控制同名的控制命令线一般都互连，否则应进行逻辑转换或组合命令线一般都互连，否则应进行逻辑转换或组合处理后再连接。处理后再连接。第第5章章5.4 5.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器5.4.1概述概述减少减少CPU与内存间速度差异有以下与内存间速度差异有以下4种办法。种办法。（1）在基本总线周期中插入等待状态。

16、）在基本总线周期中插入等待状态。（2）采用存取时间较快的）采用存取时间较快的SRAM作存储器。作存储器。（3）在慢速的）在慢速的DRAM和快速和快速CPU之间插入一个之间插入一个速度较快、容量较小高速缓冲存储器速度较快、容量较小高速缓冲存储器Cache。（4）采用新型存储器。）采用新型存储器。第第5章章5.4.2高速缓冲存储器的组织高速缓冲存储器的组织 Cache的基本结构：的基本结构：Cache的逻辑结构如图的逻辑结构如图5.20所示，主所示，主要模块有要模块有Cache存储体、地址映象变换存储体、地址映象变换机构和机构和Cache替换机构等。替换机构等。第第5章章图图5.20Cache的逻

17、辑结构的逻辑结构5.4.3地址映像与变换方法地址映像与变换方法Cache与主存数据交换以块为单位，为了把主与主存数据交换以块为单位，为了把主存块放到存块放到Cache中，必须用地址映像将主存地址中，必须用地址映像将主存地址定位到定位到Cache中。中。CPU访问存储器时给出一个字访问存储器时给出一个字的主存地址会自动变换成的主存地址会自动变换成Cache地址。地址。1全相联映像方式及地址变换全相联映像方式及地址变换2直接映像方式及地址变换直接映像方式及地址变换3组相联映像方式组相联映像方式第第5章章5.5虚拟存储器虚拟存储器1.虚拟存储器的原理虚拟存储器的原理2.页式虚拟存储器页式虚拟存储器3

18、.段式虚拟存储器段式虚拟存储器4.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器第第5章章5.6辅助存储器辅助存储器l辅助存储器是指主机以外的存储装置，又称外部存辅助存储器是指主机以外的存储装置，又称外部存储器（简称外存）。储器（简称外存）。l常见的辅助存储器有磁盘、磁带及光盘存储器等。常见的辅助存储器有磁盘、磁带及光盘存储器等。l辅存作为主存的后援设备，与主存一起组成了存储辅存作为主存的后援设备，与主存一起组成了存储器系统的主存一辅存层次。器系统的主存一辅存层次。l与主存相比，辅存的特点是容量大、速度慢、价格与主存相比，辅存的特点是容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等，属于低、可脱机保存信息等，属于“

19、非易失性非易失性”存储器。存储器。第第5章章本章小结本章小结l半导体存储器按存取方式分为半导体存储器按存取方式分为RAM和和ROM。lCPU和存储器的连接包括存储器地址分配和译码、和存储器的连接包括存储器地址分配和译码、存储器容量扩充与寻址、典型存储器容量扩充与寻址、典型CPU与存储器芯片的与存储器芯片的连接技术等。连接技术等。l存储器系统按层次结构组合使用，存储器系统按层次结构组合使用，“Cache-主存主存”层次用于弥补主存与层次用于弥补主存与CPU的速度差距，的速度差距，“主存主存-辅辅存存”层次用来弥补主存和辅存之间的容量差距。层次用来弥补主存和辅存之间的容量差距。l要理解闪速存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器要理解闪速存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器等新型存储器技术。等新型存储器技术。第第5章章 本章内容到此结束本章内容到此结束 谢谢 谢谢 !第第5章章