存储器系统(6116)

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1、第4章存储器系统引入：电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能。本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯片的结构、工作原理3）存储器的扩展方法4）高速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1存储器概述4.1.1存储器的分类在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和

2、数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。一、按其用途分（1）内存储器内存储器又叫内存，是主存储器。用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。CPU可以对他直接访问，存取速度较快。（2）外存储器外存储器又叫外存，是辅助存储器。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也可以保存。存取速度较慢，要用专用的设备来管理。计算机工作时，一般由内存ROM27中的引导程序启动程序，再

3、从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。二、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存储单元。现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再由若干芯片组成大容量的存储器。半导体存储器又分为双极型半导体存储器和MOS型半导体存储器。（2）磁表面存储器再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。工作时，磁层随机体高速运动，用磁头再磁层上进行读写操作。如磁盘存储器和磁带存储器。其特点是

4、：存储容量大，价格低，但结构为机电组合，工艺复杂、存取速度慢，主要用做辅助存储器。（3）光存储器。如CD，VCD，MO，MD，DVD。三、按存取方式分（1）随机存取存储器随机存取存储器简称RAM，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。（2）只读存储器只读存储器通常简写为ROM。ROM存放的数据一般不能用简单的方法对其内容进行改写，正常使用时主要对其进行读取操作，ROM还具有掉电后其内部信息不丢失的特点(通常叫非易失性)，一般用于存放一些固定的数据或程序，其一般在器件生产出厂前由生产厂家将内容直接写入

5、在器件中。（3）顺序存取存储器访问存储器所用的时间由被访问数据所处的物理位置来决定。例如，在磁带存储器中，访问记录在磁带末尾的数据要比访问记录在磁带头部的数据花费更多的时间。（4）直接存取存储器27直接存取存储器如磁盘存储器和光盘存储器等，访问每个存储单元的时间可能不相同，但也不象磁带存储器那样，完全由被访问数据所处的物理位置来决定。磁盘、光盘等可以在两个方向上同时寻址，实际的访问时间与发出读写命令时磁头所处的位置等因素有关。四、按信息可保存性分（1）易失性存储器断电后，存储的信息将消失的存储器。RAM是易失性存储器。（2）非易失性存储器断电后，存储的信息仍然保存再存储器中，称为非易失

6、性存储器，ROM，FLASH和磁性材料存储器为非易失性存储器。4.1.2存储体系与层次结构一、访存的局部性原理计算机对存储器的要求是高速度、大容量、低价格。从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中。这就是通常说的局部性原理。访存的局部性规律包括两个方面：（1）时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很快被再次访问。（2）空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的项也可能很快被访问。二、存储器的层次结构中央处理器主存（内存）辅存（外存）高速缓存（Cache）图4-1三

7、层存储体系结构人们为了解决存储器容量和速度的矛盾，应用了访问局部性原理，把存储体系设计成为层次化的结构以满足使用要求。存储体系结构包括不同层次上的存储器，通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系结构。现在大多数人都将高性能计算机的存储体系结构描述成如图4-1所示的三层存储器层次结构。三级存储结构是高速缓存(Cache)、主存储器(MM)和辅助存储器(外存)。也有人将存储器层次分为四层，是将CPU内部的寄存器也看作是存储器的一个层