计算机组成原理 王诚 郭超峰 计算机组成第7章

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1、计算机组成原理教学课件王诚教授清华大学计算机系2009年10月第7章多级结构的存储器系统7.1存储器系统概述7.2主存部件的组成与设计7.3外存储器设备与磁盘阵列技术7.4高速缓冲存储器7.5虚拟存储器概述1、存储器概述存储器的作用计算机中用来存放程序和数据的部件，是冯.诺依曼结构计算机的重要组成部分。在现代计算机中，存储器处于全机的中心地位。主存储器存放当前正在执行的程序和数据，CPU从中读取指令和存取数据；随着IO设备的增加，数据传输速度加快，DMA技术和IO通道技术广泛使用，直接在存储器和IO设备间传送数据；共享存储器的多处

2、理机的出现，需要利用存储器存放共享的数据，实现处理机间通信。对存储器系统的要求存储器系统的设计目标尽可能快的存取速度：应能基本满足CPU对数据的要求尽可能大的存储空间：可以满足程序对存储空间的要求尽可能低的单位成本：（价格/位）应在用户能够承受范围内CPU与DRAM性能比较计算机硬件系统的组成输入设备输出设备入出接口和总线虚拟存储主存储器高速缓存控制器运算器以存储器为中心的计算机结构框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算多级结构存储器系统实现存储器系统的多个目标采用多级结构的存储器系统基本思想选用生产与运行成本不同

3、的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满足使用要求。多级结构存储器系统典型多级存储器系统的层次使用容量较小但速度最快的SRAM芯片组成高速缓存存储器CACHE；使用容量较大速度适中的DRAM芯片组成主存储器MAINMEMORY；使用容量特大但速度较慢的磁盘设备构成虚拟存储器VIRTUALMEMORY。三级存储系统现代计算机中的存储层次利用程序运行的局部性原理以最低廉的价格提供尽可能大的

4、存储空间以最快速的技术实现高速存储访问程序运行的局部性原理什么是程序运行的局部性原理？是指CPU对存储器中程序和数据的访问，在一小段时间内，总是集中在一小块存储空间。程序运行的局部性原理表现方面时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问，例如：程序循环空间方面：在空间上这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区，例如：数组存放指令执行顺序方面：在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1)多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一信息在几个级别的存

5、储器中应保持相同的值。包含性原则处在内层存储器中的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。2、主存储器与CPU的连接计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU等其他部件连通。地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据吞吐能力控制总线CB指出总线周期的类型和本次读写操作完成的时刻READYWRITEREADMainMemoryABk位（给出地址）DBn位（传送数据

6、）例如：k=32位n=32位CPUARDR主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1读过程：给出地址给出片选与读命令保存读出内容写过程：给出地址给出片选与数据给出写命令主存储体主存储器主要技术指标存取时间通常用读写一个存储单元所需时间度量，即读写速度存储周期连续两次读写存储单元所需的时间间隔一般大于读写一次存储单元的存取时间存储容量通常用构成存储器的字节（8位）或者字数（2、4、8个字节）表述多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者按字读写存储器（按字节编址）构成的主存储器的半导体芯片芯片容量译码驱动存储矩

7、阵读写电路1K×4位16K×1位8K×8位片选线地址线……读/写控制线数据线……地址线（单向）数据线（双向）104141138半导体存储芯片的基本结构0,015,015,70,7读/写控制电路地址译码器字线015…………16×8矩阵…………07D07D位线读/写选通A3A2A1A0……00000,00,7…0……07……D07D读/写选通译码驱动方式（线选法）A3A2A1A0A40,310,031,031,31Y地址译码器X地址译码器32×32矩阵……A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读/写……00000000000

8、,031,00,31……I/OD0,0读译码驱动方式（重合法）动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）的单个MOS管来存储一个二进制位（bit）信息的。信息被存储在MOS管T的源极的寄生电容CS中，例如，用CS中存储有电荷表示1