第三章存储系统 容提要 存储系统的分级结构与主存储器的技术指标; 存储元的存储机理和存储器芯片的结构、工作原理 主存的组成原理及并行存储器的工作原理 高速缓冲存储器( Cache)的基本原理; 虚拟存储器的基本概念和虚存、实存地址的变换等。 3.1存储器概述 3.1.1存储器的分类 存储器:计算机硬件系统中用于存放程序和数据等二进制代码的部件。 存储原理:利用存储介质两个稳定状态表示二进制数的“1”和“0”。 存储位(存储元):存储一个二进制代码位的电路 存储单元:由若干个存储元组成的一个编址单元 1.按存储介质分类 (1)由半导体器件组成的半导体存储器 (2)由磁性材料做成的磁表面存储器,如磁盘存储器和磁带存储 (3)由光介质构成的光介质存储器,一般做成光盘 2.按存取方式分类 1)随机存取存储器RM( Random Access Memory) 存储单元都能按地址访问而且存取时间与存储单元物理位置无关的存储器,称为RAM 如:半导体存储器等。 主要用途:主存、 Cache、外设缓存。 2)顺序存储器SAM( Sequential Access Memory) 信息按顺序写入或读出的存储器,称为SAM。以记录块为单位进行编址。 特点:存储容量大,位价格低廉,存取速度慢 主要用途:辅助存储器 如:磁带存储器 3)直接存取存储器DAM 首先按存取信息的区域随机访问,然后在指定区域用顺序方式存取的存储器 特点:容量较大,速度和位价格介于SAM和RAM之间 主要用途:辅助存储器 如:磁盘存储器
第三章 存储系统 内容提要： 存储系统的分级结构与主存储器的技术指标； 存储元的存储机理和存储器芯片的结构、工作原理； 主存的组成原理及并行存储器的工作原理； 高速缓冲存储器(Cache)的基本原理； 虚拟存储器的基本概念和虚存、实存地址的变换等。 3.1 存储器概述 3.1.1 存储器的分类 存储器：计算机硬件系统中用于存放程序和数据等二进制代码的部件。 存储原理：利用存储介质两个稳定状态表示二进制数的“1”和“0”。 存储位（存储元）：存储一个二进制代码位的电路； 存储单元：由若干个存储元组成的一个编址单元； 1. 按存储介质分类 （1）由半导体器件组成的半导体存储器； （2）由磁性材料做成的磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器； （3）由光介质构成的光介质存储器，一般做成光盘。 2. 按存取方式分类 1) 随机存取存储器 RAM (Random Access Memory) 存储单元都能按地址访问而且存取时间与存储单元物理位置无关的存储器，称为 RAM。 如：半导体存储器等。 主要用途：主存、Cache、外设缓存。 2) 顺序存储器 SAM (Sequential Access Memory) 信息按顺序写入或读出的存储器，称为 SAM。以记录块为单位进行编址。 特点：存储容量大，位价格低廉，存取速度慢。 主要用途：辅助存储器。 如：磁带存储器 3) 直接存取存储器 DAM 首先按存取信息的区域随机访问，然后在指定区域用顺序方式存取的存储器。 特点：容量较大，速度和位价格介于 SAM 和 RAM 之间 主要用途：辅助存储器。 如：磁盘存储器
3.按在计算机中的功能分类 (1)主存储器(主存) 用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的存储器,CPU能直接访问。 由MOS存储器构成。 (2)高速缓冲存储器(ache) Cache是介于CPU和主存之间的高速小容量存储器,用于存放最活跃的程序块和数据。 由静态MOS存储器构成 特点:速度快,但容量小,位价格较高。 主存和 Cache一起构成计算机的内存储器(内存),是CPU能直接访问的存储器。 (3)辅助存储器(外存储器) 存放当前暂不参与运行的程序和数据,需要时再与主存成批交换信息的存储器 主要是由磁表面存储器和光盘存储器组成。 特点是容量大,可存放大量的程序和数据,但速度慢 (4)控制存储器(CM) 在微程序控制的计算机中,用于存放执行指令的微程序的存储器。 CM一般由ROM构成,属于控制器的一部分 4.其它分类 (1)按读写功能分类 a.只读存储器(ROM):工作时只能读出不能写入的存储器 b.读写存储器(RAM):既能读出又能写入的存储器 (2)按信息的可保存性分类 a.永久性存储器 指断电后仍能保存信息的存储器,如磁表面存储器 b.非永久性存储器: 指断电后信息即消失的存储器,如半导体读写存储器 3.1.2存储器的设计目标以及分级结构 ①存储系统的设计目标 在一定的成本下,获得尽可能大的存储容量,尽可能高的存取速度以及可靠性等 多通用寄存器是现代计算机系统结构的特点之 多个通用寄存器寄存操作数及运算的中间结果,可有效提高机器的工作速度。 ③计算机系统通常采用三级或三级以上的存储器结构(如图3.1所示)
3. 按在计算机中的功能分类 （1）主存储器（主存） 用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的存储器，CPU 能直接访问。 由 MOS 存储器构成。 （2）高速缓冲存储器（Cache） Cache 是介于 CPU 和主存之间的高速小容量存储器，用于存放最活跃的程序块和数据。 由静态 MOS 存储器构成。 特点：速度快，但容量小，位价格较高。 主存和 Cache 一起构成计算机的内存储器（内存），是 CPU 能直接访问的存储器。 （3）辅助存储器（外存储器） 存放当前暂不参与运行的程序和数据，需要时再与主存成批交换信息的存储器。 主要是由磁表面存储器和光盘存储器组成。 特点是容量大，可存放大量的程序和数据，但速度慢。 (4) 控制存储器（CM） 在微程序控制的计算机中，用于存放执行指令的微程序的存储器。 CM 一般由 ROM 构成，属于控制器的一部分 4. 其它分类 (1) 按读写功能分类: a. 只读存储器（ROM）：工作时只能读出不能写入的存储器。 b. 读写存储器（RAM）：既能读出又能写入的存储器。 （2）按信息的可保存性分类 a. 永久性存储器： 指断电后仍能保存信息的存储器，如磁表面存储器 b. 非永久性存储器： 指断电后信息即消失的存储器，如半导体读写存储器 3.1.2 存储器的设计目标以及分级结构 ① 存储系统的设计目标 在一定的成本下，获得尽可能大的存储容量，尽可能高的存取速度以及可靠性等。 ② 多通用寄存器是现代计算机系统结构的特点之一。 多个通用寄存器寄存操作数及运算的中间结果，可有效提高机器的工作速度。 ③ 计算机系统通常采用三级或三级以上的存储器结构（如图 3.1 所示）：
CPU寄存暴 ache 主存 匚ahe 碩盘 碩带 光盘 图3.1存储系统的分级结构 1.高速缓冲存储器( Cache) 利用CPU运行程序的局部性原理,用 Cache存放最活跃的程序和数据;若能使CPU访 问存储器时在 Cache访问到的概率高,则从CPU的角度看存储系统,看到的存储器是 Cache 的速度 2.主存储器(MS) 即是主要存储器(主存),存放计算机运行期间的大量程序和数据:既能为CPU直接访 问,又能把最活跃的程序和数据存放到 Cache中,供CPU快速使用。 3.外存储器 存放当前暂不参与运行的程序和数据,当CPU需要时,再与主存成批交换信息 由磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器构成 小结:通过计算机的多级存储管理,发挥各级存储器的效职能。 Cache主要强调高速存取速度,以便使存储系统的速度与CPU相匹配 外存主要强调大的存储容量,以满足对计算机大容量存储的要求; 主存要求有适当的容量和存取速度,以使其能容纳系统的核心软件和较多或较大的用户 程序。 313主存的性能指标 主存储器的性能指标主要包括存储容量、存储速度、可靠性和价格等,它是评估主存优 劣的主要依据。 1.存储容量:主存存储单元的总数 例:8位微机20位地址码(按字节编址) 最大容量:22B=1048576B=MB 16位微机32位地址码(按字节编址) 最大容量:22B=4294967296B=4GB
图 3.1 存储系统的分级结构 1. 高速缓冲存储器（Cache） 利用 CPU 运行程序的局部性原理，用 Cache 存放最活跃的程序和数据；若能使 CPU 访 问存储器时在 Cache 访问到的概率高，则从 CPU 的角度看存储系统，看到的存储器是 Cache 的速度。 2. 主存储器（M.S） 即是主要存储器（主存），存放计算机运行期间的大量程序和数据；既能为 CPU 直接访 问，又能把最活跃的程序和数据存放到 Cache 中，供 CPU 快速使用。 3. 外存储器 存放当前暂不参与运行的程序和数据，当 CPU 需要时，再与主存成批交换信息。 由磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器构成。 小结：通过计算机的多级存储管理，发挥各级存储器的效职能。 Cache 主要强调高速存取速度，以便使存储系统的速度与 CPU 相匹配； 外存主要强调大的存储容量，以满足对计算机大容量存储的要求； 主存要求有适当的容量和存取速度，以使其能容纳系统的核心软件和较多或较大的用户 程序。 3.1.3 主存的性能指标 主存储器的性能指标主要包括存储容量、存储速度、可靠性和价格等，它是评估主存优 劣的主要依据。 1. 存储容量: 主存存储单元的总数 例：8 位微机 20 位地址码（按字节编址） 最大容量：220B=1048576B= 1MB 16 位微机 32 位地址码（按字节编址） 最大容量：232B=4294967296B= 4GB
容量单位:1KB=219B IMB=2KB=220B 1GB=20MB=230B: ITB=2 GB=240B 主存容量越大,存储信息越多,解题功能越强 2.存储周期:主存连续两次读/写操作之间所需的最短间隔时间(T)。 存储周期的单位:ns(纳秒)1ns=103s 存取时间TA:主存从接收到“读出”或“写入”的命令起到完成读数或写数操作所需 的时间,称为存取时间(TA)。 TA与TMC的区别 TA强调的是从开始读或写到把信息读出来或写入存储介质所需的时间, TMc则除了完成读出或写入信息的时间外,还包括存储器内部的恢复时间。 通常 存储器带宽: 主存带宽:指主存每秒钟可读/写的数据量,记为Bm,常称为主存的数据传输率。 单位:字节每秒(B/s)或位每秒(b/s) 带宽与TMc有关,还与主存的编址单位、结构等因素有关。 例:两台计算机A和B,TM都为10ns,编址单位分别为32位和8位 则A的带宽=32/(10×103)/8=4×1038(B/s) B的带宽=8(10×109)/8=1038(Bs) 3.存储器的可靠性 可靠性的衡量标准:平均无故障时间MTBF( Mean Time Between Failures)e MTBF越长,可靠性越高 4性能/价格比 性能一容量、存储速度、可靠性等 价格一整个主存的价格,常用位价格表示 c=C/S(元/位) 中:S为主存容量(位),C为整个主存价格
容量单位：1KB=210B； 1MB=210KB=220B； 1GB= 210MB= 230B； 1TB= 210GB= 240B。 主存容量越大，存储信息越多，解题功能越强。 2. 存储周期：主存连续两次读/写操作之间所需的最短间隔时间(TMC)。 存储周期的单位：ns(纳秒) 1ns=10-9 s 存取时间TA ：主存从接收到“读出”或“写入”的命令起到完成读数或写数操作所需 的时间，称为存取时间(TA) 。 TA 与TMC 的区别： TA强调的是从开始读或写到把信息读出来或写入存储介质所需的时间， TMC则除了完成读出或写入信息的时间外，还包括存储器内部的恢复时间。 通常 TMC > TA 存储器带宽： 主存带宽：指主存每秒钟可读/写的数据量，记为 Bm，常称为主存的数据传输率。 单位：字节每秒（B/s）或位每秒（b/s） 带宽与TMC 有关，还与主存的编址单位、结构等因素有关。 例：两台计算机A和B，TMC 都为 10ns，编址单位分别为 32 位和 8 位， 则A的带宽＝32/（10×10-9）/8=4×108 （B/s） B的带宽＝8/（10×10-9）/8＝108 （B/s） 3.存储器的可靠性 . 可靠性的衡量标准：平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Failures)。 MTBF 越长，可靠性越高。 4.性能/价格比 性能－容量、存储速度、可靠性等 价格－整个主存的价格，常用位价格表示： c＝C/S（元/位） 式中：S 为主存容量（位），C 为整个主存价格
3.2半导体读写存储器 RAM的分类: 双极型半导体存储器 半导体存储器(R4M金属氧化物(MOS)半导体存储器 MOS存储器(静态MO储器(SR4M0 动态MOS存储器(DRAM 半导体存储器(按信息存储方式分){读写存储器 只读存储器 321半导体基本存储单元 基本存储单元:存储器中用于存储一位二进制代码的单元电路。也称为存储元。 1.双极型半导体存储器 双极型半导体存储元是由TTL( Transistor-transistor Logic)电路组成 多射极存储元 构成:两个双射极反向交叉耦合的三极管和电阻(如图32) 字线W与同一个字的所有存储元相连接,每一位的位线受位信息的控制。 存储机理:用双稳态触发器的两个稳定状态表示一位二进制信息 0”态:T0管导通,T管截止,即A点为低电位,B点为高电位; “1”态:T0管截止,T1管导通,即A点为高电位,B点为低电位; 2静态MOS存储元 存储机理 用触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”。译码线 只要供电电源正常,保存的“1”或“0” 就能长久保存,而不需要任何“刷新”操作, 这就是静态RAM的含义 (1)组成 T1、T管:触发器存储元工作管 T3、T管:负载管,起负载电阻作用 D D T1、T2、T、T4组成一个能保存二进制数 的触发器。 Ts、T6、T7、T8管:控制管或开门管。 按Y地址译码线 (2)工作原理 郾3.3六管静态存储
3. 2 半导体读写存储器 RAM 的分类： ⎩ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 只读存储器 读写存储器 半导体存储器（按信息存储方式分） 动态 存储器（ ） 静态 存储器（ ） 存储器 金属氧化物（ ）半导体存储器 双极型半导体存储器 半导体存储器（ ） MOS DRAM MOS SRAM MOS MOS RAM 3.2.1 半导体基本存储单元 基本存储单元：存储器中用于存储一位二进制代码的单元电路。也称为存储元。 1. 双极型半导体存储器 双极型半导体存储元是由 TTL（Transistor-transistor Logic）电路组成。 多射极存储元 构成：两个双射极反向交叉耦合的三极管和电阻（如图 3.2）。 字线 W 与同一个字的所有存储元相连接，每一位的位线受位信息的控制。 存储机理：用双稳态触发器的两个稳定状态表示一位二进制信息。 “0”态：T0管导通，T1管截止，即A点为低电位，B点为高电位； “1”态：T0管截止，T1管导通，即A点为高电位，B点为低电位； 2.静态 MOS 存储元 T1 Vcc B T6 T4 T2 T3 T5 A T7 T8 D D X 地址 译码线 ( /OI ) 按 Y 地址译码线 ( ) /OI 图 3.3 六管静态存储元 存储机理： 用触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”。 只要供电电源正常，保存的“1”或“0” 就能长久保存，而不需要任何“刷新”操作， 这就是静态 RAM 的含义 （1）组成 T1、T2管：触发器存储元工作管。 T3、T4管：负载管，起负载电阻作用 T1、T2、T3、T4组成一个能保存二进制数 的触发器。 T5、T6、T7、T8 管：控制管或开门管。 （2）工作原理