原理与接口技术第5章.ppt

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1、第第5章章 存储器系统存储器系统【学习目标学习目标】本章首先以半导体存储器为对象，在讨论存储器及其基本电路、基本知识的基础上，讨论存储芯片及其与CPU之间的连接和扩充问题。然后，介绍内存技术的发展以及外部存储器（如硬盘、光驱）。最后，介绍存储管理技术（如虚拟存储管理和高速缓存cache技术）。【学习要求学习要求】存储器的分类、组成及功能。着重理解行选与列选对1位信息的读出。重点掌握位扩充与地址扩充技术。理解存储器与CPU的连接方法。了解内存条技术的发展。理解存储器系统的分层结构。理解虚拟存储技术及高速缓存cache技术的原理。51 存储器的分类与组成存储器的分类与组成计算机的存储器可分为两大类

2、：一类为内部存储器，其基本存储组件多以半导体存储器芯片组成；另一类为外部存储器，多以磁性材料或光学材料制造。5.1.1 5.1.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体存储器的分类如图5.2所示。按使用的功能可分为两大类：随机存取存储器RAM（random access memory）和只读存储器ROM（read only memory）。半导体存储器的组成半导体存储器的组成半导体存储器的组成框图如图5.3所示。它一般由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。1存储体存储体存储体是存储1或0信息的电路实体，它由多个存储单元组成，每个存储单元赋予一个编号，称为地址单元号。每个存储

3、单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。地址线数与存储单元数的关系列于表5.1中。2地址选择电路地址选择电路地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。地址译码器用来对地址码译码。地址译码方式有两种：单译码方式（或称字结构）；双译码方式（或称重合译码）。3读写电路与控制电路读写电路与控制电路读写电路包括读写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入和输出的通道。外界对存储器的控制信号有读信号、写信号和片选信号等，通过控制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。只有片选信号处于有效状态，存储器才能与外界交换信息。5.2 随机存取存储器随机存取存储器5.2.1 5.2.1 静态

4、随机存取存储器静态随机存取存储器1静态RAM基本存储电路静态RAM的基本存储电路，是由6个MOS管组成的RS触发器。每一个触发器就构成存储体的一位。2静态静态RAM的组成的组成静态RAM的结构一般由存储体、译码电路和控制电路组成。一个RAM芯片的存储容量是有限的，需用若干片才能构成一个实用的存储器。这样，地址不同的存储单元，可能处于不同的芯片中。一般，片选信号由地址码的高位译码（通过译码器输出端）产生。3静态静态RAM的读写过程的读写过程1）读出过程（1）地址码 RAM芯片的地址输入端 X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，将出现在I/O电路的输入端。

5、I/O电路对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器一般具有三态控制功能，没有开门控制信号，所存数据还不能送到数据总线DB上。（2）在送上地址码的同时，还要送上读写控制信号和片选信号。2）写入过程（1）同上述读出过程（1），先选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。（2）将要写入的数据放在DB上。（3）加上片选信号及写入信号。这两个有效控制信号打开三态门使DB上的数据进入输入电路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。4静态静态RAM芯片举例芯片举例常用的Intel 6116是CMOS静态RAM芯片，属双列直插式、24引脚封装。它的存储容量为2K8位，其引脚及内部结构框图如

6、图5.7所示。5.2.2 动态随机存取存储器动态随机存取存储器动态RAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的，其基本单元电路一般由四管、三管和单管组成，以三管和单管较为常用。1 1动态基本存储电路动态基本存储电路1）三管动态基本存储电路2）单管动态基本存储电路2.动态动态RAM芯片举例芯片举例Intel 2116单管动态单管动态RAM芯片的引脚名称芯片的引脚名称Intel 2116单管动态单管动态RAM芯片的内部结构框图芯片的内部结构框图5.3 只读存储器只读存储器只读存储器存储信息的原理和组成只读存储器存储信息的原理和组成ROM的存储元件及161位的ROM机构图如图所示。5.3.

7、2 只读存储器的分类只读存储器的分类1 1不可编程掩模式不可编程掩模式MOSMOS只读存储器只读存储器2 2可编程只读存储器可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）3 3可擦除、可再编程的只读存储器可擦除、可再编程的只读存储器EPROM（erasable PROM）5.3.3 常用常用ROM芯片举例芯片举例1 1Intel 2716Intel 2716芯片芯片1）Intel 2716的引脚与内部结构2716的工作方式的工作方式2716的工作方式如表所示：2Intel 2732芯片芯片2732 EPROM芯片的容量为4K8位，采用HNMOS-E（高速NMOS硅栅）工艺制造和双

8、列直插式封装。3.E3.E2 2PROMPROM芯片芯片常用的E2PROM芯片有2816/2816A、2817/2817A/2864A等。其中，以2864A的8K8b的容量为最大，它与6264兼容。主要特点：能像SRAM芯片一样读写操作，在写之前自动擦除原内容。但它并不能像RAM芯片那样随机读写，而只能有条件地写入。在E2PROM的应用中，若需读某一个单元的内容，只要执行一条存储器读指令，即可读出；若需对其内容重新编程，可在线直接用字节写入或页写入方式写入。4.Flash ROM4.Flash ROM芯片芯片常用的Flash ROM芯片类型和型号很多。在PentiumCPU以上的主板中普通采用

9、了Flash ROM芯片来作为BIOS程序的载体。Flash ROM也称为闪速存储器，在本质上属于EEPROM。平常情况下Flash ROM与EPROM一样是禁止写入的，在需要时，加入一个较高的电压就可以写入或擦除。为预防误操作删除Flash ROM中的内容导致系统瘫痪，一般都在Flash ROM中固化了一小块启动程序(BOOT BLOCK)用于紧急情况下接管系统的启动。5.4 存储器的扩充及其与存储器的扩充及其与CPU的连接的连接存储器的扩充存储器的扩充1 1位数的扩充位数的扩充2地址的扩充地址的扩充当扩充存储容量时，采用地址串联的方法。用用4片片16K8位芯片组成位芯片组成64K8位存储器

10、位存储器用4片16K8位的存储器芯片（或是经过位扩充的芯片组）组成64K8位存储器连接线路示意图。5.4.2 存储器与存储器与CPU的连接的连接1 1只读存储器与只读存储器与8086CPU8086CPU的连接的连接两片2732 EPROM与8086系统总线的连接示意图。2静态静态RAM与与8086 CPU的连接的连接只有两片6116组成2K字RAM的子系统3EPROM、静态、静态RAM与与8086 CPU连接的实例连接的实例8086 CPU组成的单处理器系统的典型结构。地址分配表地址分配表432位存储器接口位存储器接口1）32位存储体2）32位存储器接口位存储器接口564位存储器接口位存储器接

11、口 5.5 内存条技术的发展内存条技术的发展1 1SIMMSIMM内存内存最初出现在80286主板上的“内存条”，采用的是SIMM（Single In-lineMemory Modules，单边接触内存模组）接口，容量为30线、256KB，一般见到的30线 SIMM都是4条一起使用。在19881990年，PC 技术进入32 位的386和486时代，推出了72线 SIMM内存，它支持32 位快速页模式内存。72线 SIMM内存单条容量一般为512KB 2MB，要求两条同时使用。图5.24 30线 SIMM 内存 图5.25 72线 SIMM 内存5.5 内存条技术的发展内存条技术的发展2 2ED

12、O DRAMEDO DRAM内存内存外扩充数据模式动态存储器（Extended Data Out DRAM，EDO DRAM）是19911995年之间盛行的内存条，其速度比普通的DRAM快1530%。工作电压为一般为5V，带宽32位，主要应用在486及早期的Pentium计算机中，需成对使用。3 3SDRAMSDRAM内存内存自Intel Celeron系列以及AMD K6处理器以及相关的主板芯片组推出后，EDO DRAM内存又被SDRAM内存所取代。第一代SDRAM内存为PC66规范，之后有PC100、PC133、PC150（如图所示）等规范。由于SDRAM的带宽为64位，正好对应CPU的6

13、4位数据总线宽度，因此它只需要一条内存便可工作。5.5 内存条技术的发展内存条技术的发展4 4Rambus DRAMRambus DRAM内存内存 与SDRAM不同的是，Rambus DRAM内存采用了新一代高速简单内存架构，基于RISC（精简指令集计算机）理论，可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高。Intel在推出高频Pentium以及Pentium 4 CPU的同时，推出了Rambus DRAM内存，它曾一度被认为是Pentium 4 的绝配。5 5DDRDDR内存内存双倍速率SDRAM（Dual Data Rate SDRAM，DDR SDRAM）简称DDR，它实际上是SDRA

14、M的升级版本，采用在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。采用184-Pin DIMM的DDR400内存条如图所示。5.5 内存条技术的发展内存条技术的发展6 6DDR2DDR2内存内存DDRII SDRAM同样采用在时钟上升/下降沿同时进行数据传输的方式，但DDRII内存拥有两倍于DDR内存预读能力，DDRII内存的引脚数为240针。LGA775接口的915/925以及945等支持DDR2内存。7 7DDR3DDR3内存内存DDR3在DDR2基础上采用的新型设计，包括：（1）8bit预取设计（DDR2为4bit预取）。（2）采用点对点的拓朴架

15、构，以减轻地址/命令与控制总线的负担。（3）采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V。面向64位构架的DDR3显然在频率和速度上拥有更多的优势，在功耗方面DDR3也要出色得多。5.6外部存储器外部存储器硬盘是计算机最重要的外部存储设备，包括操作系统在内的各种软件、程序、数据都需要保存在硬盘上，其性能直接影响计算机的整体性能。光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术，它具有容量大、工作稳定可靠以及耐用性强等优良性能，特别适合于多媒体应用技术发展的需要。硬盘硬盘硬盘的核心部件被密封在净化腔体内，控制电路及外围电路布置在硬盘背面的一块电路板上，主要是控制硬盘读写数据及

16、硬盘与计算机之间的数据传输。电路板上的芯片有主控芯片、缓存芯片等。常见的硬盘接口有两种，分别是IDE接口和SATA接口。1.硬盘的组成硬盘的组成硬盘内部的主要组成部件有记录数据的磁头、刚性磁片、马达及定位系统、电子线路、接口等。1）硬盘的磁头硬盘磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头”、“MIG（Metal In GAP）磁头”和“薄膜磁头”、MR磁头（Magneto Resistive Heads，即磁阻磁头）等几个阶段。此外，技术更为创新的是采用多层结构，用磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant MagnetoResistive Heads）已经在2000年问世。2）硬盘的磁盘硬盘内部

17、是由金属磁盘组成的，分为单碟、双碟与多碟。3）硬盘的马达硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的数据所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，等待存取记录的时间也就越短。2.硬盘的分类硬盘的分类按接口类型，可将硬盘分为IDE硬盘、SATA硬盘和SCSI硬盘。1）IDE硬盘IDE硬盘曾广泛使用。通过专用的数据线（40芯IDE排线）与主板的IDE接口相连。图5.30 IDE接口硬盘、数据线与主板上的IDE接口式样2.硬盘的分类硬盘的分类2）SATA硬盘SATA（Serial ATA）接口的硬盘又叫串口硬盘，是主流的硬盘接口。在传输方式上，SATA比PATA先进，提高了数据传输的可靠性，还具有结构

18、简单、支持热插拔的优点。3）SCSI硬盘SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）接口是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI硬盘通过SCSI扩展卡与计算机连接。图5.31 SATA硬盘接口、数据线与主板上的SATA接口式样3.硬盘的几个主要参数硬盘的几个主要参数1）单碟容量单碟容量是硬盘重要的参数之一，单碟容量越大技术越先进。硬盘容量等于单碟容量之和，主流的硬盘容量为320GB、500GB等。2）硬盘的转速硬盘内主轴的转动速度快慢是决定硬盘内部传输率的关键因素之一。较高的转速可以缩短硬盘的平均寻道时间。台式机硬盘有5400RPM

19、（转/分钟）和7200RPM（转/分钟）两种转速。3）硬盘的传输速率IDE接口硬盘的传输速率分别为66MB/s、100MB/s、133MB/s；SATA 1.0的传输速率为150MB/s，SATA 2.0的传输速率为300MB/s。4）缓存容量硬盘缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，较大的缓存可提高硬盘整体性能。主流硬盘的缓存容量为8MB、16MB等，一些高端产品的缓存容量甚至达到了64MB。5）平均寻道时间平均寻道时间由转速、单碟容量等多个因素决定，一般来说，硬盘的转速越高，单碟容量越大，其平均寻道时间就越短。光盘驱动器光盘驱动器1 1光盘驱动器的分类光盘驱动器的分类按照读

20、取方式和读取光盘类型的不同，可将光盘驱动器分为CD-ROM、DVD-ROM和刻录机三种。1 1）CD-ROMCD-ROM只读光盘驱动器CD-ROM，可读取CD和VCD两种格式的光盘，已逐渐停止生产。2 2DVD-ROMDVD-ROMDVD-ROM既可读CD光盘，也可读DVD光盘，已成为主流的只读光盘驱动器。3 3刻录机刻录机刻录机可以分为CD刻录机、DVD刻录机以及COMBO。（1）CD刻录机，可读取和写入CD光盘。可写入数据的光盘有CD-R和CD-RW。（2）DVD刻录机，不仅可读取DVD光盘，还可将数据刻录到DVD或CD光盘中，是主流产品。（3）COMBO刻录机，它与DVD刻录机的最大不同

21、在于：COMBO只能刻录CD光盘，而无法刻录DVD光盘。2光驱的倍速光驱的倍速1）刻录数度（1）CD刻录速度CD刻录速度是指该光储产品所支持的最大的CD-R刻录倍速。主流内置式CD-RW产品能达到52倍速的刻录速度；外置式的CD-RW刻录机有48倍速和52倍速等。（2）DVD刻录速度DVD刻录速度和刻录品质是购买DVD刻录机的首要因素，购买时，尽可能选择高倍速且刻录品质较好的DVD刻录机。2）读取速度（1）CD读取速度，是指光存储产品在读取CD-ROM光盘时，所能达到最大光驱倍速。（2）DVD读取速度，是指光存储产品在读取DVD-ROM光盘时，所能达到最大光驱倍速。DVD-ROM驱动器的DVD

22、读取速度是16倍速以上。3）复写速度，CD/DVD复写速度是指刻录机在刻录可复写的CD-RW或DVD-RW光盘时，对其进行数据擦除并刻录新数据的最大刻录速度。3.DVD光盘的类型光盘的类型1）DVD-R与DVD+RDVD-R与DVD+R是市面上较多的两种DVD刻录盘。“R”是Recordable（可记录）的意思。DVD-R是“先锋”主导研发的一种一次性DVD刻录规格（1997年面世）。第一张DVD+R诞生于2002年，容量也是4.7GB。从物理结构上DVD+R更优秀一些。2）DVD+RW“RW”是Re-Writable（可覆写）的缩写，它可实现光盘的重复写入/删除数据。3.DVD光盘的类型光盘

23、的类型3）DVD+R DL与DVD-R DLDVD+R DL(Dual Layer）有两个数据层，容量是8.5GB。常见DVD的格式有4种：DVD-5（单面单层）、DVD-9（单面双层）、DVD-10（双面单层）以及DVD-18（双面双层）。4）DVD-RAM与DVD+RW类似，也是一种可覆写光盘。DVD-RAM从诞生以来一直应用于光盘录像机等数码产品上，2005年才开始投入PC市场。5.7存储器系统的分层结构存储器系统的分层结构存储器的分级结构是指微机的存储器系统由寄存器、cache、主存储器、磁盘与光盘等多个层次组成。微机中都采用了分层结构的存储系统，在CPU内部除了寄存器组以外，还集成了

24、高速缓存（cache），并配以较大容量的主存储器以及大容量的硬盘存储器和光盘存储器。5.8 存储管理概述存储管理概述存储管理的基本目标是实现CPU对存储器系统的数据快速访问、信息安全处理和降低存储成本的需求。在改进存储管理时，主要引入了虚拟存储技术与高速缓存cache技术。虚拟存储管理虚拟存储管理虚拟存储技术的基本概念是：从CPU结构内部设置存储器管理单元MMU（Memory Management Unit），以实现将外部存储器中由虚拟地址指定的程序映射（或转存）到内存中由物理地址指定的同一程序。80386作为第一个全32位CPU，它首次在段式管理基础上增加了页式管理，利用片内的存储管理单元M

25、MU实现对存储器系统的两级管理：分段管理和分页管理。80386 的的3种工作模式及其存储管理种工作模式及其存储管理1.1.实模式实模式当80386系统机复位或上电复位时,就进入实模式工作,其物理地址的形成与8086相同,可寻址的实地址空间只有1MB,所有的段其最大容量为64KB。而且,中断向量表仍设置在00000H003FFH共计1K字节的存储区内；系统初始化区在FFFFFFF0HFFFFFFFFH存储区内。设置实模式一方面为了保持80386和8086兼容,另一方面可以从实模式转变到保护模式。2.2.保护模式保护模式保护模式是指CPU具有对多任务环境下的存储器实现一个任务之内或多个任务之间的双

26、重保护功能的工作方式。80386保护模式的存储器管理系统包含地址转换与保护两个关键功能以及分段与分页等重要机制，它们是实现80386段、页式结构寻址的基础。在保护模式下，80386可提供4GB字节的实地址空间。2.保护模式保护模式1)地址流水线及其转换地址流水线是指CPU在形成物理地址的过程中，能够通过片内存储器管理单元（MMU）实现多路重叠的地址转换操作。逻辑地址（或虚拟地址）是指程序员可以看到和使用的编程地址。在80386中，逻辑地址由16位选择字（也称为选择器、选择符或选择子等）和32位偏移地址指出。选择字用于选择一个对应的8字节的描述符，描述符中包含有段基地址、偏移地址和保护信息。在指

27、令中，偏移地址可能是由基址、变址、位移量等多个因素构成，通常，将最后计算出的一个真正的偏移地址（简称为偏移量）称为有效地址，程序员在编程时只需要关注有效地址。80386的每个任务最多可拥有16384个段，而每段可长达4GB，所以，一个任务的逻辑地址空间可达64TB。地址流水线及其转换地址流水线及其转换分段部件的功能是将包含选择字和偏移地址的逻辑地址转换为32位线性地址，这种转换是通过段描述符表来实现的。段描述符表中的每一项即为段描述符，段描述符为64位，包含对应逻辑空间的线性基地址、界限、特权级、存取权（只读或读写）等地址空间的信息。线性地址空间的寻址范围也是由32位决定的。当80386运行程

28、序时，由于指令中的偏移地址可能由立即数和另外1、2个寄存器给出的值构成，所以，分段部件将首先把各地址分量送到一个加法器中去运算，以形成一个有效地址，然后，再经过另一个加法器将其与段基地址相加，于是便得到线性地址；同时，还要通过一个32位的减法器对段的界限值进行比较，检查是否越界。分页部件的功能是将线性地址转换为物理地址，如果分页部件处于禁止状态，即在段内不分页，则线性地址就是物理地址。物理地址是内存芯片可以实际寻址的地址，它的具体地址单元号和芯片引脚上的地址信号相对应，指出存储单元在存储体中的具体位置。当分段部件获得线性地址后就把它送到分页部件，由分页部件将线性地址转换为物理地址，并且负责向总

29、线接口部件请求总线服务。80386地址转换的示意图地址转换的示意图 2)保护保护80386CPU支持两种类型的保护：一类是不同任务之间的保护，即通过给每一任务分配不同的虚拟地址空间,使每一任务有各自不同的虚拟物理地址转换映射,因而可实现任务之间的完全隔离；另一类是同一任务内的保护，即在一个任务之内定义4种（03）执行特权的级别，0级最高，在最里层，依次为1、2、3级，3级在最外层。特权级1的代码可访问特权级2、3的代码，而不能访问特权级0的代码。3)分段管理分段管理分段管理可以把虚拟存储器组织成其容量大小可变的存储区间的集合，这些区间称之为段。为了实现分段管理，80386把有关段的信息即段基地

30、址、长度和属性全部都存放在一个称为段描述符（简称描述符）的8个字节长的数据结构中，并把系统中所有的描述符编成一张表，以便硬件查找和识别。80386共设置了3种描述符表，即全局描述符表GDT、局部描述符表LDT和中断描述符表IDT。GDT和LDT定义了系统中使用的所有的段。IDT是为中断描述符专门设计的，包含了指向256个中断处理程序入口地址的中断描述符。这些描述符表都放在存储器中，它们的位置分别由3个寄存器来定义：全局描述符表寄存器GDTR、局部描述符表寄存器LDTR和中断描述符表寄存器IDTR。GDT和IDT是面向系统中所有任务的，即全局性的，这两者各自只有一个描述符表，均为6字节寄存器。L

31、DT是面向某个任务的，在多任务系统中有多个对应的LDT，它们各自所在的存储区分别作为对应某个任务的一个特定系统段，其位置需要用一个16位选择字来指定，LDTR就是容纳该选择字的16位寄存器。分段管理分段管理分段管理可以实现虚拟存储。每个段由3个参数确定：段基地址（Base Address），规定了线性地址空间中段的起始地址。也可以把基地址看成是段内偏移量为0的线性地址。段的界限（Limit），表示在虚拟地址中，段内可使用的最大偏移量。段的属性（Attributes），包括该段是否可读出、写入以及段的特权级等。分段管理分段管理80386利用段式管理实现从逻辑地址到线性地址的转换示意图 4）分页管

32、理）分页管理存储器的分段虽然带来了隔离与保护等优点，但仅有分段还是有一些局限性的。比如，段空间大小是可以任意设定的，若分段过大，则在转载程序和数据时，容易产生较大空间的内存碎片，造成浪费，也不便管理和回收；若分段过小，则在处理较大的程序和数据时，需要多次调入与调出，因为分段存储管理是以段为单位来调入与调出的。又比如，由于程序的局限性原理，系统不可能同时访问段中所有的指令和数据，这样，当它们在以段为单位调入与调出内存时，不可避免地也会造成存取操作在时间和空间上的浪费。由此看来，还需要采取新的存储管理部件和机制来改善分段的局限性。这样，就引入了分页部件和分页机制。3.虚拟虚拟8086方式（方式（V

33、86方式）方式）为了解决80286中不能在保护模式下运行80868088应用程序的问题，从80386开始，在保护模式中引入了虚拟8086工作模式（简称V86模式）。80386的V86模式是一种特殊的工作模式，具有许多新的特点，它使得多个8086实模式的应用软件可以同时运行，例如，PC机上的DOS应用程序就允许在这种模式下。在V86模式下，操作系统可以并行执行8086、80286和80386的程序。80386虚拟模式是让80386模拟1MB空间的寻址环境，但它并不仅限于1MB的存储空间，因为它可以同时支持几个虚拟86环境。在多用户系统中，每一个虚拟86环境都可以有它自己的DOS拷贝和应用程序。在

34、一般的保护模式下，在8386/80486 EFLAGS寄存器中的VM位为0，若使VM1，则进入V86模式。该模式是面向任务的，它允许80386/80486生成多个模拟的8086微处理器。4.80386的的3种工作模式及其相互转换种工作模式及其相互转换80386的 3种工作模式及其相互转换方法如下图所示。分页管理分页管理存储器的分段虽然带来了隔离与保护等优点，但仅有分段还是有局限性的。为改善分段的局限性，引入了分页部件和分页机制。高速缓存高速缓存Cache技术技术缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的临时存储器，它容量较小，而交换速度比内存要快得多。在显示系统、硬盘和光驱，以及

35、网络通讯中，也都需要使用Cache技术。目前，缓存基本上都采用SRAM存储器。1.1.高速缓存的工作原理高速缓存的工作原理1）读取顺序CPU读取数据的顺序是首先从一级缓存中查找，然后再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。2）读取命中率从理论上讲，在一颗拥有2级Cache的CPU中，读取L1 Cache的命中率为80%。在一些拥有L3 Cache的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。2高速缓存分级结构高速缓存分级结构CPU缓存可以分为一级缓存、二级缓存，部分高端CPU还具有三级缓存。1）一级缓存（Level 1 Cache），简称L1 Ca

36、che，位于CPU内核的旁边。一般来说，一级缓存可以分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache）和一级指令缓存（Instruction Cache，I-Cache）。二者分别用来存放数据以及对执行这些数据的指令进行即时解码，而且两者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。2）二级缓存，从P开始，随着CPU制造工艺的发展，二级缓存也可集成在CPU内核中。L2 Cache只存储数据，它不分数据Cache和指令Cache。在CPU核心不变化的情况下，增加L2 Cache的容量能使性能提升。CPU产品中，一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间，二级缓存的

37、容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大，而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的。2高速缓存分级结构高速缓存分级结构3）三级缓存三级缓存是为读取二级缓存后未命中的数据设计的种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上；后来使用L3缓存的是Intel公司为服务器市场所推出的Itanium（Itanium 安腾）处理器、P4

38、EE（Extreme Edition）和至强MP等。高速缓存作为CPU不可分割的一部分，已经融入到性能提升的考虑因素当中，随着生产技术的进一步发展，缓存的级数还将增加，容量也会进一步提高。本章小结本章小结本章重点介绍了半导体存储器。它由存储体、地址选择电路和读写电路与控制电路3部分组成。存储体是存储1或0信息的电路实体，它由许多个存储单元组成，对每个存储单元要赋与一个地址单元号。而每个存储单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。存储器的地址用一组二进制数表示，其地址线的位数n与存储单元的数量N之间的关系为2nN。地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。地址译码方式有两种：单译码方式

39、（或称字结构）和双译码方式（或称重合译码）。读写电路包括读写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入和输出的通道。外界对存储器的控制信号有读信号、写信号和片选信号等，通过控制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。SRAM由6个MOS管组成的RS触发器组成。每一个触发器就构成存储体的一位。SRAM的存储体由存储矩阵构成。在存储矩阵中，只有行、列均被选中的某个单元存储电路（即1位），在其X向选通门与Y向选通门同时被打开时，才能进行读出信息和写入信息的操作。通常，一个RAM芯片的存储容量是有限的，需要用若干片才能构成一个实用的存储器。这样，地址不同的存储单元，可能处于不同的芯片中，因

40、此，在选中地址时，应先选择其所属的芯片。对于每块芯片，都有一个片选控制端，只有当片选端加上有效信号时，才能对该芯片进行读或写操作。一般，片选信号由地址码的高位译码（通过译码器输出端）产生。需要着重理解，无论是存储器读或存储器写，都必须保证能从存储器中读到或写入到存储器中一个稳定的数据。在读/写信号有效期间，数据线和地址线也必须是稳定的。本章小结本章小结DRAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的，其基本单元电路一般由四管、三管和单管组成，以三管和单管较为常用。在微机系统中，大多数采用DRAM芯片。ROM的存储元件可以看作是一个单向导通的开关电路。其组成结构与RAM相似，一般也是由地

41、址译码电路、存储矩阵、读出电路及控制电路等部分组成。ROM有不可编程掩模式ROM、可编程序的只读存储器PROM、可擦除、可再编程的只读存储器EPROM、电改写的可编程只读存储器EEPROM（或称E2PROM）以及闪速E2PROM等多种。为了使存储器与CPU正确地接口，必须了解存储器芯片的扩充技术和存储器芯片的接口特性。内存历来是系统中最大的性能瓶颈之一，随着PC技术的发展，面向64位构架的DDR3内存条在频率和速度上拥有很多的优势。硬盘是计算机最重要的外部存储设备；光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术。微机中都采用了分层结构的存储系统，其目的是使整个存储器系统达到速度、容量与价格

42、三者优势互补和均衡发展。本章小结本章小结存储管理的基本目标是实现CPU对存储器系统的数据快速访问、信息安全处理和降低存储成本的需求。在改进存储管理时，主要引入了虚拟存储技术与高速缓存cache技术。虚拟存储技术的基本概念是：从CPU结构内部设置存储器管理单元MMU，以实现将外部存储器中由虚拟地址指定的程序映射（或转存）到内存中由物理地址指定的同一程序。80386作为第一个全32位CPU，它首次在段式管理基础上增加了页式管理，利用片内的存储管理单元MMU实现对存储器系统的两级管理：分段管理和分页管理。80386的3种工作模式及其存储管理有不同的特点，重点是要理解保护模式的虚拟存储管理。80386保护模式的存储器管理系统包含地址转换与保护两个关键功能以及分段与分页等重要机制，它们是实现80386段、页式结构寻址的基础。在保护模式下，80386可提供4GB字节的实地址空间。高速缓存Cache技术在传输速度有较大差异的设备间可以用来调节速度差距。缓存基本上都是采用SRAM存储器。主流微机系统中，一般都采用了具有3级的缓存结构。高速缓存作为CPU不可分割的一部分，已经融入到性能提升的考虑因素当中，随着生产技术的进一步发展，缓存的级数还将增加，容量也会进一步提高。