第04章_主存储器与存储系统
第四章-存储器04-高速缓冲存储器
Cache 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111
调入
4.1、地址映象——直接映像
例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为： 10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010， 求每次访问时Cache的内容。
硬件完成功能： 访存地址 转成 Cache地址 辅助存储器
Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。
4.1、地址映象
映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。
常见的映象方式主要有三种： 1）直接映象 2）全相联映象 3）组相联映象
CPU Cache 字 数据总线 字
2位 主存区号标记 00 主存块号 比较 3位 区内块号 100 Cache块号 未命中 访问内存 000 001 010 011 100 101 110 111 块内地址 块内地址
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111
调入
块表 000 001 010 011 100 101 110 111
4、高速缓冲存储器（Cache）
考研试题精选：
假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200 次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。
求：Cache—主存系统的平均存取时间和效率。 解： 系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111 调入
块表 000 10 001 010 11 011 100 101 110 10 111
计算机组成原理 第 4 章 存储器系统
• 存储单元的编址
• 编址单位：存储器中可寻址的最小单位。 • ① 按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。 • ② 按字编址：相邻的两个单元是两个字。
• 例如一个32位字长的按字节寻址计算机，一个 存储器字中包含四个可单独寻址的字节单元。 当需要访问一个字，即同时访问4个字节时，可 以按地址的整数边界进行存取。即每个字的编 址中最低2位的二进制数必须是“00” ，这样可 以由地址的低两位来区分不同的字节。
• 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据。 主存与CPU之间通过总线进行连接。
地址总线 MAR CPU MDR (k 位) 数据总线 (n 位) R/W MFC
2013-11-4 27
主 存 2k×n 位
主存的操作过程
• MAR：地址寄存器 MDR：数据寄存器
读操作（取操作） 地址 （MAR） AB
2013-11-4
5
(3) 高速缓冲存储器（Cache）
• Cache是一种介于主存与CPU之间用于解 决CPU与主存间速度匹配问题的高速小 容量的存储器。 • Cache用于存放CPU立即要运行或刚使用 过的程序和数据。
2013-11-4
6
2．按存取方式分类
• (1) 随机存取存储器(RAM) • RAM存储器中任何单元的内容均可按其地址随机地 读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。 • RAM主要用于组成主存。
主存储器的组成和基本操作
地 址 译 码 驱 动 电 路 存 储 阵 列 读 写 电 路 数 据 寄 存 器 数 据 总 线
时序控制电路 R/W
2013-11-4
MFC
图 4-1
主存储器的基本组成 18
《计算机组成原理》(周建敏)414-9课件 第四章
是主存储器的后援存储器，用于存放当前暂时不用的程序和数据，不能与CPU直接交 换信息。辅助存储器速度慢、容量大、位价格低。
缓冲存储器 (3)
用于两个不同工作速度的部件之间，在交换信息过程中起缓冲作用。
存储器概述
存储器的分类可用图表示。
存储器
主存储器
随机存储器（RAM）
4.6 虚拟存储器
4.3 主存储器与CPU的连接 4.7 常见问题和易混淆知识点
4.4 并行存储器
存储器概述 4.1
存储器概述
4.1.1 存储器的分类
1.按存取方式分类
(1) 随机存储器（Random Access Memory，RAM）
特点是，存储器中任何一个存储单元都能由CPU或I/O 设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无 关。这类存储器在一个存或取的周期内只能进行一次 访问，信息读取时间对任何地址都是相同的。且每一 个字（字节）都有唯一、直接和独立的寻址方法。随 机存储器常用作主存或高速缓存。
其中，x方向有A3A4A5A6A7A8，共6根，产生64条行选择线；y方向有A0A1A2A9，共4
根，产生16条列选择线。
② 数据线，本例中有4条，即I/O1～I/O4，它指定了存储器的字长是4位，因此，存储元
的总数是1 024×4=4 096 。
③ 控制线，本例中 CS 为片选线，低电平有效；WE 为读/写控制线，低电平写入，高电平
存取存储器的存取时间长，速度慢。这种存储器的存储容量
可以做得较大，位价格较低。
存储器概述
第8页
(4) 直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM）
特点是，存储器的任何部位（一个字或字节、记录块等）没有实际的寻址机构，当要存取 所需要的信息时，必须执行两个逻辑操作。 ➢首先，直接指向整个存储器的一个小区域（如磁盘上的磁道）； ➢然后对这一小区域像磁带那样按顺序检索、记数或等待，直至找到
计算机原理 第四章 存储系统 课堂笔记及练习题
计算机原理第四章存储系统课堂笔记及练习题主题：第四章存储系统学习时间：2016年10月24日--10月30日内容：一、学习要求这周我们将学习第四章存储系统的相关内容。
通过本章的学习要求了解主存储器的主要技术指标、理解存储器的层次结构及分类，加深对半导体随机读写器相关知识的理解。
二、主要内容（一）存储系统概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是计算机系统的重要组成部分之一。
存储器有主存储器和辅助存储器之分，主存储器（简称主存）处于全机中心地位，直接与CPU交换信息；辅助存储器（简称辅存）或称为外存储器（简称外存）通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据，在程序执行过程中，每条指令所需的数据及取下一条指令的操作都不能直接访问辅助存储器，需要通过主存储器与CPU交换信息。
（二）主存储器的主要技术指标主存储器的主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。
计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，一个存储字所包括的二进制位数称为字长。
主存储器的另一个重要的性能指标是存储器的速度，一般用存储器存取时间和存储周期来表示。
存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。
通常，存储周期略大于存取时间。
（三）存储器的层次结构对存储器的要求是“大容量、高速度、低成本”，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。
一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。
主存-辅存层次，满足了存储器的大容量和低成本需求。
cache-主存层次，解决了速度与成本之间的矛盾。
现代大多数计算机同时采用主存-辅存和cache-主存这两种存储层次，构成cache-主存-辅存三级存储层次，如下图所示。
CPU能直接访问的存储器称为内存储器，包括cache和主存储器。
计算机操作系统第四章-存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、低速、价廉、不需要电源维持、CPU 不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。
(注意cpu和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存单元(字节)的地址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。
1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。
物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。
微机(微型计算机技术及应用)选择题及答案(最终版)
第1章微型计算机概述1.微型计算机的硬件系统包括____A____.A．控制器、运算器、存储器和输入输出设备 B控制器、主机、键盘和显示器C．主机、电源、CPU和输入输出 D CPU、键盘、显示器和打印机2.CPU是由___B__组成的。
A．内存储器和控制器B．控制器和运算器C．内存储器和运算器D．内存储器、控制器和运算器3.中央处理器英文缩写是___B___.A．MP B．CPU C．CU D．ALU4.微型计算机各部件之间是用__A___连接起来的。
A．系统总线B．AB C．CB D．DB5.通常计算机系统中的外围设备是指__A___A．外存储器、输入设备、输出设备B．外存储器、输入设备C．外存储器、输出设备D．输入设备、输出设备6.若把组成计算机中的运算器和控制器集成在一块芯片上成为___C__A．微型计算机B．单片机C．微处理器D．单板机7.8086是_C_A．单片机B．单板机C．微处理器D．微机系统8.将微处理器、内存储器及I/O接口连接起来的总线是__C_____。
A.片总线B.外总线C.系统总线D.局部总线9.微型计算机是以__B___为核心部件。
A．寄存器 B．微处理器 C．逻辑部件 D．控制部件10.微型计算机系统以__C__为主体。
A．系统软件 B．外部设备 C．微型计算机 D．操作系统11.目前微型机系统上广泛使用的机械式鼠标是一种___A___A．输入设备 B．输出设备C．输入输出设备 D．显示设备组成之一12.计算机系统总线中，用于传送读、写信号的是__C__。
A.地址总线B、数据总线C、控制总线D、以上都不对13.不属于微机应用特点的是__D__。
A。
轻便、功耗低 B.性能可靠 C.结构灵活适宜性好 D.应用面窄第2章 16位和32位微处理器1.当8086CPU的INTR=“1”时，且中断允许位IF=“1”，则CPU完成_C____后，响应该中断请求,进行中断处理。
A．当前时钟周期 B．当前总线周期 C．当前指令周期 D．下一个指令周期2.CPU的ALU主要完成_D_A．地址指针的变换B．中断管理C．产生各种时序D．算术，逻辑运算及移动操作3.8086/8088微机处理器的内部(C )，只负责指令的译码和执行。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
存储器、存储系统以及操作方法与流程
存储器、存储系统以及操作方法与流程存储器是计算机系统中最基本、最重要的部件之一，用于存储程序、数据等信息，是计算机系统中重要的资源之一、存储器的主要功能是数据的存储和读取，在计算机系统中有着非常重要的地位。
存储器不同于处理器，处理器只能处理当前的数据信息，在不同的应用场景中不断运行，而存储器可以存储更多、更长时间的数据信息并保证数据的安全、可靠性和稳定性。
存储器主要分类存储器主要分为两大类：内存和外存。
内存包括随机存取内存（RAM）和只读存储器（ROM），其中RAM又包括动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM）两种；外存又称为辅助存储器，包括硬盘、软盘、光盘、闪存以及U盘等。
存储系统的架构存储系统包括计算机系统的内存与外存两个部分，主要分为主存储器、高速缓存、辅助存储器等三个层次。
其中主存储器一般是指DRAM和SRAM，常常直接集成在CPU中，是CPU和外部设备（如硬盘、光盘等）间信息交换的媒介；高速缓存是位于主存之外，但比主存存储更快、相应时间更短的存储器，用于加快主存储器与CPU之间的数据传输，同时也减轻了对内存访问的压力；辅助存储器则包括各种外存。
操作方法与流程存储器的操作包括存储和检索两个阶段，下面将分别解释存储器的操作方法与流程。
1. 存储操作流程存储操作是将数据写入存储器的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
（3）DRAM芯片从内存数组中选取对应的行，然后读取该行中所有的列，并将这些数据通过输出信号传给内存控制器。
（4）内存控制器接收到DRAM芯片输出的数据后，将其写入内存，同时向CPU发送写入成功的信号。
2. 检索操作流程检索操作是从存储器中读取数据的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
计算机组成原理习题库完整
计算机组成原理习题库第一章计算机系统概论1.选择题1、电子计算机问世至今，新型机器不断推出新，不管怎么更新，依然具有“存储程序”的特点，最早提出这种概念的是B。
A.巴贝奇（Charles Babage）B.·诺依曼（von Neumann）C.帕斯卡（Blaise Pascal）D.贝尔（Bell）2、下了描述中B是正确的。
A.控制器能理解、解释并执行所有的指令及存储结果B.一台计算机包括输入、输出、控制、存储及算术逻辑运算五个部分C.所有的数据计算都在CPU的控制器完成D.以上答案都正确3、电子计算机的运算/逻辑单元、控制、单元及主要存储器合称为C。
A.CPUB.ALUC.主机D.UP4、计算机系统中的存储系统是指D。
A.RAM存储器B.ROM存储器C.主存D.主存和辅存5、·诺依曼机工作方式的基本特点是B。
A.多指令流单数据流B.按地址访问并顺序执行指令C.堆栈操作D.存储前容选择地址6、由0、1代码组成的语言，称为C。
A.汇编语言B.人工语言C.机器语言D.高级语言7、下列语句中C是正确的。
A.1KB=1 024×1 024 BB. 1KB=1 024 BC.1MB=1 024×1 024 BD. 1MB=1 024 B8、一片1MB的磁盘能存储D的数据。
A.106字节B. 10-6字节C. 109字节D. 220字节二、填空题1、计算机硬件包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
其中运算器、控制器和存储器组成主机，运算器和控制器可统称为CPU。
简答：1.简述．诺依曼计算机的特点2.按照．诺依曼原理，现代计算机应具备哪些功能？答：按照．诺依曼原理，现代计算机应具备以下5个功能：⑴输入输出功能：能把原始数据和解题步骤及中间结果接收下来（输入），把计算结果与计算过程中出现的情况告诉（输出）给用户。
⑵记忆功能：应能“记住”原始数据、解题步骤及中间结果。
计算机原理存储器
计算机原理存储器
计算机原理中，存储器是指计算机用来存储数据和程序的部件。
存储器一般分为内存和外存两种类型。
内存是计算机中用于存储当前运行程序和数据的存储器。
它分为主存和辅存两部分。
主存是计算机中最主要的存储器，由半导体存储芯片构成，通常包括随机访问存储器（RAM）和只
读存储器（ROM）。
RAM具有读写功能，用于临时存储运行
程序和数据，数据可以快速读取和写入。
而ROM是只读存储器，其中的数据是固化的，无法进行修改。
主存的容量通常较小，但速度快。
外存主要是指硬盘、光盘等可以作为辅助存储器使用的设备。
相比主存，外存容量大，但速度较慢。
外存被用于长期存储程序和数据，能够持久保存。
计算机在运行过程中，通常需要将外存中的数据加载到主存中进行操作。
存储器在计算机中起到了至关重要的作用，它直接影响到计算机的性能和数据的处理速度。
不同类型的存储器在容量、速度和价格等方面有所差异，计算机系统需要根据不同的需求来选择合适的存储器组合。
计算机组成原理4第四章存储器PPT课件精选全文
4.2
11
4.2
请问： 主机存储容量为4GB，按字节寻址，其地址线 位数应为多少位？数据线位数多少位？ 按字寻址（16位为一个字）,则地址线和数据线 各是多少根呢？
12
数据在主存中的存放
设存储字长为64位（8个字节），即一个存 取周期最多能够从主存读或写64位数据。
读写的数据有4种不同长度:
字节 半字 单字 双字
34
3. 动态 RAM 和静态 RAM 的比较
主存
DRAM
SRAM
存储原理
电容
触发器
集成度
高
低
芯片引脚
少
多
功耗
小
大
价格
低
高
速度
慢
快
刷新
有
无
4.2
缓存
35
内容回顾: 半导体存储芯片的基本结构 4.2
…… ……
地
译
存
读
数
址
码
储
写
据
线
驱
矩
电
线
动
阵
路
片选线
读/写控制线
地址线（单向） 数据线（双向） 芯片容量
D0
…… D 7
22
(2) 重合法（1K*1位重合法存储器芯片）
0 A4
0,00
…
0,31
0 A3
X 地
X0
32×32
… …
0址
矩阵
A2
译
0码
31,0
…
31,31
A1
器 X 31
0 A0
Y0 Y 地址译码器 Y31 A 9 0A 8 0A 7 0A 6 0A 5 0
存储系统
硬磁盘的种类主要包括SCSI、IDE以及现在流行的SATA等。任何一种硬磁盘的生产都有一定的标准，随着相 应标准的升级，硬磁盘生产技术也在升级，比如SCSI标准已经经历了SCSI-1、SCSI-2及SCSI-3，而目前我们经 常在网站服务器看到的Ultra l-160就是基于SCSI-3标准的。IDE遵循的是ATA标准，而目前流行的SATA，是ATA 标准的升级版本。IDE是并口设备，而SATA是串口， SATA的发展是为了替换IDE。
访问原理
堆栈
局部性原理
堆栈是C语言程序运行时的一个记录调用路径和参数的空间：包括函数调用框架、传递参数、保存返回地址及 提供局部变量空间。
堆栈相关基础知识 1.堆栈相关寄存器 1）esp：堆栈栈顶指针； 2）ebp：基址指针（ebp在C语言中用作记录当前函数调用基址）； 3）cs:eip指向下一条指令的地址，分两种情况； （1）顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令； （2）跳转/分支：执行这样的指令的时候，cs:eip的值会根据程序需要被修改； 4)call：将当前cs:eip的值压入栈顶，cs:eip指向被调用函数的入口地址； 5) ret：从栈顶弹出原来保存在这里的cs:eip的值，放入cs:eip中；
分布式存储系统需要解决的关键技术问题包括诸如可扩展性、数据冗余、数据一致性、全局命名空间缓存等， 从架构上来讲，大体上可以将分布式存储分为C/S（Client Server）架构和P2P（Peer-to-Peer）架构两种。当 然，也有一些分布式存储中会同时存在这两种架构方式。
分布式存储面临的另外一个共同问题，就是如何组织和管理成员结点，以及如何建立数据与结点之间的映射 关系。成员结点的动态增加或者离开，在分布式系统中基本上可以算是一种常态。
计算机组成原理复习
WE
A1
A0
•••
A9
1
CS1
第4章 存储器
*
字扩展（增加存储字的数量）
存储器与 CPU 的连接
MDR
MAR
CPU
主 存
读
数据总线
地址总线
写
第4章 存储器
*
主存和 CPU 的联系
存储器与 CPU 的连接
地址线的连接 数据线的连接 读/写线的连接 片选线的连接 合理选用芯片 其他 时序、负载
总线控制
主要包括两部件：判优控制
01
主设备(模块)：对总线有 控制权
02
从设备(模块)：响应从主设备发来的总线命令
03
总线判优控制 分布式 集中式 计数器定时查询 独立请求方式 链式查询 第3章 系统总线
*
总线控制
通信控制
目的解决通信双方协调配合问题 总线通信的四种方式
同步、异步结合
通信双方由 统一时标 控制数据传送 采用 应答方式 ，没有公共时钟标准
周期挪用
*
真值与机器数
第6章 计算机的运算方法
*
真值 X=-0.11111 机器数 原码 X=1.11111 补码 X=1.00001 反码 X=1.00000 移码 X=0.00001 转换
第4章 存储器
字块2m－1
字块2c-r+1
字块2c-r + 1
字块2c-r
字块2c-r －
字块1
字块0
…
…
…
字块 3
标记
字块 1
标记
字块 2c－1
标记
字块 2
标记
字块 0
标记
字块 2c－2
计算机组成原理第4章 主存储器
4.5 读/写存储器
VDD Xi
静态存储器(SRAM)
其中T1~T4组成两个反相器，构成双稳 态触发器，可存储一位二值信息。T5、 T6两只门控管相当于模拟开关，它们 的栅极接到字线上。由字选择线（行地 址译码器输出Xi ）控制该单元是否被 选中。还有两条位线连接到T5、T6 上 用来传送读写信号，T7、T8的开关状 态控制位线与输入/输出缓冲器间是否 接通,它们的开关状态受列译码器输出 Yj控制。
T3
T4
·
A
T1 T2
B
·
Bj
T8
T6
Bj
T7
D A3
Yj A1
D A2
R/W
I/O
计算机组成与结构
延安大学计算机学院
4.5 读/写存储器
计算机组成与结构
延安大学计算机学院
4.5 读/写存储器
静态存储器(SRAM)
计算机组成与结构
延安大学计算机学院
4.5 读/写存储器
动态存储器（DRAM）
计算机组成与结构
延安大学计算机学院
4.1 主存储器处于全机中心地位
在现代计算机中，主存储器处于全机中心地位，其原 因是：
当前计算机正在执行的程序和数据均存放在存储器中。 DMA(直接存储器存取)技术和输入/输出通道技术，在
存储器与输入/输出系统之间直接传送数据。
共享存储器的多处理机，利用存储器存放共享数据，
EEPROM：可用电擦除的可编程序只读存储器。
Flash Memory: 快擦型存储器(可以整块擦除，也可局部擦除)。
上述各种存储器中，RAM为“易失性存储器”，其余的 称为“非易失性存储器”(断电以后信息不会丢失)。
主存储器
§4.1 主存储器分类
一、作为存储介质的基本要求 1、其基本存储单元要具有两个明显稳定的物理 状态用来存储二进制信息； 2、便于和电信号转换； 3、便于读写； 4、速度高； 5、容量大； 6、可靠性高； 7、价格适中。
计算机组成原理第四章 吴艺娟 2
二、主存储器的类型 1、随机存储器RAM 如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取， 且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称 为随机存储器。主存储器主要由RAM组成。 2、只读存储器ROM 只读存储器的内容只能读出不能写入，它通常用来 存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。 由于它和随机存储器分享主存储器的同一个地址空间， 所以仍属于主存储器的一部分。 3、可编程只读存储器PROM 一次性写入的存储器。 4、可擦除可编程只读存储器EPROM 用紫外线擦除其内容，擦除后可再次写入。
计算机组成原理第四章 吴艺娟
29
计算机组成原理第四章 吴艺娟
30
计算机组成原理第四章 吴艺娟
31
4.9.2 重叠与交叉存取控制 一、对多个并行存储模块的两种访问方法 1、同时访问 所有模块同时启动一次存储周期，相对各自的数据寄 存器并行地读写信息。 适于多数据流或多指令流的并行处理。 2、交叉访问 适于以流水线工作方式工作的计算机系统。 二、存取控制 主存控制基本结构： 排队线路 “忙”标志触发器Cm 节拍发生器 控制线路 32 计算机组成原理第四章 吴艺娟
计算机组成原理第四章 吴艺娟 11
（高电平有效） 高电平有效）
(T1~T6)六管静态存储元 六管静态存储元
计算机组成原理第四章 吴艺娟 12
静态MOS存储元读过程 静态MOS存储元读过程
第4章存储系统
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第四章存储系统• 4.1 计算机内存的分类• 4.2 计算机外存的分类• 4.3 主存储器的扩充• 4.4 主存储器的组织• 4.5 主存储器的性能教学重点和难点•计算机内存的分类•主存储器的扩充•主存储器的组织•概述–存储器是计算机系统的重要组成部分，有主存储器和辅助存储器之分。
–主存储器，又可称作内存储器。
–辅助存储器，又可称作外存储器。
–中央处理器与主存储器之间关系非常密切第四章存储系统4.1计算机内存的分类第四章存储系统 4.1计算机内存的分类•根据不同特点进行分类–按材料划分•半导体存储器。
•磁芯存储器。
–按功能划分•RAM（Random Access Memory）——随机读取存储器。
•ROM（Read Only Memory）——只读存储器。
–按存储器中信息的可保存性划分•永久性存储器。
•非永久性存储器。
第四章存储系统 4.1计算机内存的分类•半导体读写存储器–按存储元的结构划分•静态随机读取存储器SRAM（Static RAM）。
–优点：不需要刷新，简化了外部电路。
–缺点：包含管子数目多，功耗较大。
•动态随机读取存储器DRAM（Dynamic RAM）。
–优点：集成度高，功耗低，适于构成大容量的存储器。
–缺点：需增加刷新电路。
第四章存储系统 4.1计算机内存的分类•半导体只读存储器–掩模式只读存储器ROM•优点：结构简单，可靠性高。
•缺点：灵活性差，不允许使用者做任何修改。
–可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）•特点：只能一次写入。
–可擦除可编程只读存储器EPROM（Erasable PROM）•优点：可多次写入（但每次写入前需用紫外线擦除设备擦除）。
•缺点：不能对个别存储元单独擦除和重写，需配套的擦除设备。
《计算机组成原理》名词解释
摩尔定律：对集成电路上可容纳的晶体管数目、性能和价格等发展趋势的预测，其主要内容是：成集电路上可容纳的晶体管数量每18个月翻一番，性能将提高一倍，而其价格将降低一半。
主存: 计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取。
控制器：计算机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调地工作。
时钟周期：时钟周期是时钟频率的倒数，也称为节拍周期或T周期，是处理操作最基本的时间单位。
多核处理器：多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。
字长：运算器一次运算处理的二进制位数。
存储容量: 存储器中可存二进制信息的总量。
CPI：指执行每条指令所需要的平均时钟周期数。
MIPS：用每秒钟执行完成的指令数量作为衡量计算机性能的一个指标，该指标以每秒钟完成的百万指令数作为单位。
CPU时间：计算某个任务时CPU实际消耗的时间，也即CPU真正花费在某程序上的时间。
计算机系统的层次结构：计算机系统的层次结构由多级构成，一般分成5级，由低到高分别是：微程序设计级，机器语言级，操作系统级，汇编语言级，高级语言级。
基准测试程序：把应用程序中使用频度最高的那那些核心程序作为评价计算机性能的标准程序。
软/硬件功能的等价性：从逻辑功能的角度来看，硬件和软件在完成某项功能上是相同的，称为软/硬件功能是等价的，如浮点运算既可以由软件实现，也可以由专门的硬件实现。
固件：是一种软件的固化，其目的是为了加快软件的执行速度。
可靠性：可靠性是指系统或产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。
产品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”、“规定时间”和“规定功能”。
MTTF：平均无故障时间，指系统自使用以来到第一次出故障的时间间隔的期望值。
MTTR：系统的平均修复时间。
MTBF：平均故障间隔时间，指相邻两次故障之间的平均工作时间。
可用性：指系统在任意时刻可使用的概率，可根据MTTF、MTTR和MTBF等指标计算处系统的可用性。
计算机组成原理第四章课后习题及答案_唐朔飞(完整版)
第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。
CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。
由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。
需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。
擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。
或称快擦型存储器。
2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。
答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。
按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。
3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
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2
4.1.1
1. 按存储介质分类
(1) 半导体存储器 (2) 磁表面存储器 (3) 磁芯存储器 (4) 光盘存储器
存储器的分类
TTL 、MOS 磁头、载磁体
易失 非 易 失
硬磁材料、环状元件 激光、磁光材料
3
4.1.1
2. 按存取方式分类
存储器的分类
(1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）
• 随机存储器RAM：SRAM、DRAM、非易失性RAM • 只读存储器ROM
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4.3.2 多体交叉存储器
多体交叉存储器由多个存储体组成，每个存储体都 有自己独立的地址寄存器、数据寄存器和读写控制 电路，称为“存储模块”。 存储模块独立编址地并行工作，可在一个工作周期 (或略长)读出多个主存字，从而提高了数据带宽。
高位交叉存储体 低位交叉存储体
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1、高位交叉存储体
静态RAM（SRAM）
动态RAM（DRAM）
主存
二极管ROM 只读存储器 （ROM） 双极型ROM MOS型ROM
固定（掩模）ROM 可编程ROM PROM EPROM
E2PROM
Read Only Memory FLASH
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4.2.1 随机存储器RAM
RAM存储单元：是存储器的最基本存储细胞，它可以存放1位 二值数据。通过指令可以随机地对存储单元进行读取或改写
）。
B.依靠定时刷新 D.信息不再变化
6.CPU能直接访问（ ）和（ ），但不能直接访问磁盘和光盘。 A.主存 B.辅存 C.软盘 D.闪存 E.cache 7.某SRAM芯片，存储容量为64K×16位，该芯片的地址线和数据线数目为 ( ) A.64，16 B.16，64 C.64，8 D.16，6 8.某一RAM芯片，其容量为512×8位，除电源和接地端外，该芯片引出线的 最小数目应是( )
M2
11 0000 11 0001
M3
… …
00 1111 01 1111
体号
… …
10 1111
体内地址
31
… …
11 1111
… …
1、高位交叉存储体
特点：高位交叉存储器中，相邻地址的存储单元分布 在相同的存储体中，从而当访问两个相邻或相近的存 储单元时，由于这两个存储单元在同一个存储体中， 因此不能并行工作。一般适用于共享存储器的多机系 统。
A.64K B.32K C.64KB D.32KB ）。 某计算机字长32位，其存储容量为4MB，若按半字编址，它的寻址范围是（ ) 4.计算机的存储器系统是指（ A.RAM存储器 C.主存储器 A.依靠双稳态触发器电路 C.依靠读后再生 B.ROM存储器 D.cache，主存储器和外存储器
5.半导体静态存储器SRAM的存储原理是（
(2) 存储速度
存取时间：指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读
出到数据总线上所经历的时间。
存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通
常，存储周期略大于存取时间，其时间单位为ns。
(3) 存储器的可靠性
用平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)来 衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，单 位为小时。
了提高CPU和主存之间的数据传输率，除了主存采 用更高速的技术来缩短读出时间外，还可以采用并 行技术的存储器。
双端口存储器（采用空间并行技术） 多体交叉存储器（采用时间并行技术）
相联存储器
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1、 双端口存储器
采用并行独立操作，可实现存储数据共享。
存储器具有两组相互独立的数据线、地址线和读写控制线电 路，称为左端口和右端口。在不附加其它控制电路的情况下， 各自端口可对片内任意单元进行互不干扰的读操作和写操作。
第4章 主存储器与存储系统
4.1 存储器基本概念 4.2 半导体存储器的结构和原理 4.3 高速存储器 4.4 Cache存储器 4.5 虚拟存储器
1
4.1 存储器基本概念
存储器的用途：
存放程序和数据。
存储器的要求：
高速度、大容量、低价格。 存储系统： 由几个容量、速度和价格不同的存储器组成 的。
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（1）可擦除可编程ROM（EPROM）
擦除方法：将器件放在紫外线下照射约20分钟，可以将编程 信息全部擦去，相当于存储了全“1”。是整片擦除。
编程：在编程器上进行的，编程器通常与微机联用。
（2）电可擦除可编程ROM（E2PROM或EEPROM）
擦除方法：用电擦除，并且擦除的速度要快的多（一般为毫 秒数量级）。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM 的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写。是以字 为单位进行改写的。 （3）Flash Memory (闪速型存储器) 它既有EPROM集成度高、价格便宜的优点；又有EEPROM电擦除 重写的特性。而且擦除和重写的速度快,功耗低。 目前应用：闪盘、MP3、各种闪卡（SD、CF、MMC)
6
4.1.3 存储器的组成和数据存放
2 M
n
存储体中各个存储单元，以二进制形式进行统一编号，这个编 号称为地址，又称为地址码。地址码与存储单元是一一对应的， 即每个存储单元都有自己唯一的地址。
7
4.1.4 存储系统的层次结构
／ 速度 容量 价格 位
CPU
寄存器 缓存 主存 磁盘 光盘 磁带
快
CPU 主 机
[例]M0－M3共四个模块，则每个模块8个字 顺序方式： M0：0—7 M1：8－15 M2：16－23 M3：24－31 5位地址组织如下： X X X X X 高位选模块，低位选块内地址
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1、高位交叉存储体
地址
00 0000 00 0001
M0
01 0000 01 0001
M1
10 0000 10 0001
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2．动态RAM
利用MOS管栅极对其衬底间分布电容的充放电来存 储二进制信息。电容存在漏电现象。
（1）写入过程：为了避免存储信 息的丢失，必须定时地给电容补 充漏掉的电荷。通常把这种操作 称为“刷新” （2）读出过程：读出“1”后，CS上的电荷因转移到CD无法 维持“1”状态，即所存信息被破坏，这种破坏称为“破坏 性读出”，因此读出“1”后必须进行“再生”操作。
制数据，存储容量比SRAM大。主要用作主存
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1．静态RAM
基本电路为双稳态触发器，每个触发器存放一位 二进制数。 主要特点：
存取速度快，可用于高速缓存Cache等应用
场合；
不需要刷新电路，扩展电路简单，使用方便； 但集成度低，价格较高，功耗也比较大。
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静态RAM芯片6264
采用CMOS工艺，容量为8K×8位的高速、低功耗存储芯片。
主存
存储原理
集成度 芯片引脚 功耗 价格 速度 DRAM SRAM
电容
高 少 缓存
刷新
有
无
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4.2.2只读存储器ROM和闪速存储器
1．ROM的主要类型和特点 数据一旦写入，只能读出，不能随意更 改，掉电后数据不会丢失。ROM类型： 可编程只读存储器PROM 可擦写可编程只读存储器EPROM 电可擦除可编程只读存储器EEPROM 闪存Flash Memory等
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1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问： （1） 该存储器能存储多少个字节的信息？ （2） 如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多 少芯片？
2.用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，
需要多少芯片？
内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，共有 __(1)__字节。若用存储容量为32K×8bit的存储芯片构 成该内存，至少需要__(2)__片。[软件设计师、网络工 程师] （1）A.80K （2）A.2 正确答案：C、B B.96K B.5 C.160K C.8 D.192k D.10
4.2.3 存储器与CPU的连接
计算机系统中，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是
其与数据总线、地址总线和控制总线三种系统总线的连接。
在构成存储系统时，由于存储芯片的容量有限，单个芯片往
往不能满足存储器位数(数据线的位数)或字数(存储单元的个数) 的要求，需要用多个存储芯片进行组合。这种组合称为存储器 的扩展。
的存储器。RAM是易失性存储器，掉电后所存数据全部消失。
在重要的应用场合应配备后备电源或不间断电源。 根据存储信息的机理不同，分为SRAM和DRAM
静态读写存储器(SRAM)：依靠触发器来存储1位二进制数据，
存取速度快,容量小。主要用作cache。
动态读写存储器(DRAM)：依靠电容存储电荷来保留1位二进
字扩展 位扩展
字、位扩展
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片选信号的产生方法
线选法：利用地址总线的剩余高位地址线直接
作为存储器芯片的片选信号，低位地址线和存储 器地址线相连。
部分译码法：只将其中一部分剩余的高位地址
线作为译码器的输入，译码输出产生片选信号。
全译码法：将所有剩余的高位地址线作为译码
器的输入，译码输出产生片选信号。
A、B：①RAM
E： ①E2PROM Virtual Memory
②SDRAM ③DRAM ④SRAM
④CDROM ③EPROM ④ ②Flash Memory
C、D：①EPROM ②PROM ③ROM
4.3 高速存储器
由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹配的，这
种情况便成为限制高速计算机设计的主要问题。为
A 23
B 25
C 50
D 19
9.若内存按字节编址，用存储容量为32K X 8 比特的存储器芯片构成地址编号 A0000H至DFFFFH的内存空间，则至少需要( )片。