计算机组成原理电子教案第4章存储器系统

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1、第四章存储器系统计算机组成原理电子教案陆遥4.1概述4.1.1存储器分类4.1.2存储器系统的层次结构4.2主存储器4.2.1静态随机读写存储器（SRAM）4.2.2动态随机读写存储器（DRAM）4.2.3只读存储器（ROM）4.2.4存储器与CPU的连接4.2.5可并行访问的存储器4.3高速缓冲存储4.3.1cache的工作原理4.3.2地址映射与地址转换4.3.3cache的块替换策略4.3.4cache的写策略4.3.5多cache结构4.4虚拟存储器4.4.1虚拟存储器概述4.4.2页式虚拟存储器4.4.3段式虚拟

2、存储器4.4.4段页式虚拟存储器4.4.5快表（TLB）技术4.1概述4.1.1存储器分类可从不同的角度，对存储器进行分类。⑴按存储介质分类。存储介质是指能明显体现两种不同状态的材料或元器件；这两种不同的状态用于表示二进制代码0和1。目前，最常用的存储介质有半导体器件、磁性材料和光盘，对应的存储器分别为半导体存储器、磁表面存储器（包括磁盘和磁带）和光盘存储器。⑵按存取方式分类。有随机存储器、顺序存储器、半顺序存储器等。⑶按数据的可读写性分类。有读写存储器、随机读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。⑷按保存数据是否需

3、要电源支持分类。有易失性存储器和非易失性存储器。⑸按在计算机系统中的作用分类。可以分为主存储器（内部存储器）、辅助存储器（外部存储器）、高速缓冲存储器（cache）、控制存储器等。无论什么存储器，所存储的都是二进制信息。4.1.2存储器系统的层次结构计算机系统对存储器的要求主要体现在三个方面：存取速度快，存储容量大，位价格低。但是，很难找到一种存储器，能够同时满足这三个方面的要求。计算机中采用多种速度、容量、位价格各不相同的存储器，将它们合理地组织起来，充分发挥各自的优势，形成优势互补，从而使计算机得到一个综合指标满足要求

4、的存储器系统。存储器系统的层次结构层次越往上，存储器的容量越小、速度越快、位价格越高，同时，与CPU的关系也越密切。越是CPU经常要用到的程序指令或数据，其存放的层次就越高，访问的速度就越快。这样做，可以使整个存储器系统的平均速度尽可能接近最快的一级存储器。4.2主存储器主存的主体由半导体随机读写存储器（RAM）构成，一般还包含少量半导体只读存储器（ROM）。RAM又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。主存作为计算机的主要存储器，不仅要有较大的容量，也要有较高的速度，才能满足计算机系统的性能要求。主存的

5、主要技术指标有：⑴存储容量。存储容量的计算单位主要采用字节（用“B”表示）或位（用“b”表示），用K（210）、M（220）、G（230）、T（240）来表示容量的大小。⑵存取时间。存取时间也称为存储器访问时间（memoryaccesstime），是指从启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。存取时间分为读操作时间和写操作时间两种情况。存取时间反映了存储器件的工作速度。⑶存储周期（memorycycletime）。存储周期是指连续启动两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间。存储周期略大于存取时间。⑷存储器带宽。存储器带宽

6、是指单位时间内，存储器存取的信息量，以字节/秒或位/秒为单位。带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。存储器带宽不仅与存储器件本身的速度有关，也与存储器的组织方式、存储系统的构造等有关。大多数计算机是按字或字节（长度为8位）来读写主存的；一个字的长度是字节长度的整数倍，具体字长与机器的硬件系统设计有关。目前，大部分计算机都以字节作为主存的最小读写单位，称之为一个存储单元。存储单元的编号被称为地址，无论对主存作读操作还是写操作，都要指定存储单元的地址。用于按地址确定存储单元位置的器件，称为地址译码器；它以存储单元的地址作为输入，

7、输出即为存储单元的选择信号。4.2.1静态随机读写存储器（SRAM）1．SRAM基本单元电路存储器存储信息的最小单位是“位”，用于存储1位二进制信息的电路称为存储器的基本单元电路。下图所示，为典型的SRAM基本单元电路。2．存储阵列一个SRAM芯片内集成了大量基本单元电路，它们被组织成阵列结构，称为存储阵列。采用X和Y两个地址译码器来交叉选择基本单元的方式，称为双译码方式。相对单译码方式而言，双译码方式的优点是，地址译码器及其输出驱动电路比较简单。3．SRAM芯片的外部引脚和内部结构主存是由多个存储芯片按一定的要求组成的，

8、主存的容量就是各个存储芯片容量的总和。存储芯片及主存的容量均可用以下方式说明：存储芯片或主存容量＝字数×字长例如，某存储芯片的容量为16K×4，则表示该芯片中集成了16K（214）个字，每个字的长度为4位。一个SRAM存储芯片上，需要安排四类信号引脚，分别是地址引脚、数据引脚、控制引脚和电源引脚。地址引