计算机组成原理与系统结构 第3章 存储系统

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1、第三章存储系统3.1存储系统概述3.2主存储器3.3高速缓冲存储器（cache）3.4辅助存储器3.5虚拟存储器3.6相联存储器3.7存储保护3.1存储系统概述目前我们使用的微型计算机都是以存储器为中心，这与传统的冯·诺依曼计算机以运算器为中心不同。但是现在的计算机系统还是采用冯·诺依曼的存储程序的工作方式。3.1.1存储器分类存储器的作用是用来存储程序和数据。从存储器的作用、存储介质、存取方式、读写方式、保存信息时间的长短、访问类型六个方面来对存储器进行分类。⒈按存储器在计算机系统中的作用分类（1）高速缓冲

2、存储器（cache）：用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU高速地使用它们。（2）主存储器（简称主存或内存）：用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读写访问。（3）辅助存储器（简称辅存或外存）：用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，CPU不能直接访问它们。当需要这些信息时，要先把信息调入主存储器后CPU才能访问的到。⒉按存储器所使用的存储介质分类（1）半导体存储器：如双稳态触发器、MOS半导体存储器等。（2）磁存储器：如磁芯存储器、磁带和磁盘等。（3

3、）光存储器：如光盘存储器等。能用来作为存储器的器件和介质，其基本存储单元应有两个稳定的物理状态分别来存储二进制信息1和0。⒊按存取方式分类（1）随机读写存储器（RandomAccessMemory，RAM）：通过指令可以随机地、个别地对各个存储单元进行访问，一般访问所需要的时间基本固定，而与存储单元地关。（2）顺序存储器（SerialAccessMemory，SAM）：只能按照一定的顺序来读写存储器，比如磁带。（3）直接存取存储器（DirectAccessMemory，DAM）：既不象随机读写存储器那样随机地

4、根据地址来进行读写，也不象磁带那样严格按照一定的顺序进行读写，而是介于两者之间。存储器的任何部位没有实际的连线的寻址机构，需要存取信息时，先直接指向存储器的一个子区域，再对这一小区域顺序检索。即首先用随机方式找到目标地址附近的范围，然后在此范围内用顺序读写的方式找到所要读写⒋按读写方式分类（1）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）：只能把存储器里的信息读出来，不能把信息写入存储器中。（2）读写存储器：既可以把存储器里的信息读出来，又可以把信息写入存储器中。⒌按信息的保存时间分类（1）易失性存储器

5、：断电后，存储器中的信息立即消失，如半导体随机读写存储器等。（2）永久性存储器：断电后，存储器中的信息仍然可以存储，如磁带、磁盘和光盘等。⒍按访问类型分类（1）按地址访问：根据存储器的地址来访问该地址里的信息。（2）按内容访问：即相联存储器，访问时根据所要访问信息的全部或部分来跟存储器中的全部信息进行比较，相等则对该地址中的信息进行读或者写的操作。3.1.2存储系统及设计目标存储系统的功能是组织好容量、速度、价格等不同的存储器，使该存储系统的速度接近速度最大的、存储容量等于容量最大的存储器、价位比接近与最便宜

6、的那个存储器，以解决存储器的速度、容量和价位比之间的矛盾，这就是存储系统的设计目标。现代计算机采用典型的多层存储结构，即cache──主存──辅存，如图3.1所示。其中，cache的容量最小，但速度最快；辅存的容量最大，但速度最慢，主存的容量、速度则处于两者之间。多层存储结构的层次之间应满足的以下两个原则：（1）一致性原则：处于不同层次存储器的同一个信息应该保持相同的值。（2）包含性原则：处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立。3.2主存储器3.2.1主存储器概述主存储器用于存放计算机运行期

7、间所需要的程序和数据，CPU可直接地对主存储器进行读写访问，输入/输出设备也直接和主存储器交换数据。所以主储存器的容量和读写速度会影响计算机系统的整体性能。3.2主存储器主存储器处于全机中心地位，原因有三点：（1）主存储器存放当前计算机正在执行的程序和数据，CPU直接从主存储器取指令或存取数据。（2）利用DMA（直接存储器存取）技术和输入输出通道技术，在主存储器与输入输出系统之间直接传送数据。（3）共享存储器的多处理机结构中利用主存储器存放共享数据，并实现处理机之间的通信。⒈主存储器的性能指标主存储器的主要性

8、能指标为存储容量和存取速度。存储容量:是指一个存储器所能容纳的二进制信息总量。Moore定律:每个存储芯片中集成的晶体管数量每18个月翻一番。容量单位：位（bit）和字节（Byte），现在多数机器把一个字节定为8位。容量表示方法:直接给出总容量或用存储字的个数乘以字长（一个存储字所包括的二进制位数称为字长）来表示容量。比如某存储器的容量为64M×16位，表示它有64M个存储字，存储字的字长为16位，