03存储器和存储体系
计算机组成原理(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
【计算机组成原理】存储系统
【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。
简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。
（2）辅助存储器。
简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。
其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。
（3）⾼速缓冲存储器。
简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。
Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。
⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。
2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。
3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。
存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。
其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。
RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。
（2）只读存储器（ROM）。
存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。
信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。
因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。
由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。
⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。
存储体系的概念
材料工艺 ECL
ECL SRAM
分配管理 编译器分配 硬件调度 硬件调度
带宽 400-8000 400-1200 200-800
（待续）
各级存储器的主要性能特性（续）
存储器层次 主存储器 磁盘存储器 脱机存储器
存储周期 60-300ns 10 - 30ms 2 - 20 min
存储容量 32M-1GB 1G-1TB 5G-10TB
映像机构：映像方式的实现。如何识别和查找 高层存储器的信息块。
替换策略：访问失效后，如何淘汰信息块，而 换新块。
写策略：写操作时采用何种策略以保持相邻两 级存储器中数据的一致性，发生写操作失效时 是否将被写的块从低层存储器取入高层存储器。
访问效率
设：r TA2 / TA1
则：e TA1
TA1
1
TA HTA1 (1 H )TA2 H (1 H )r
访问效率说明
R-1 越好
R取决于个层次的各级器件 和设备特性，命中率，容量 及替换算法有关。
访问效率 1.0 0.8
E-1 H在r较大时，H要高。0.6
i
H与地址预知算法及M1的容量有关 H----1 好
存储层次的等效访问时间
TA HTA1 (1 H )TA2 设：TB为块交换时间。 TA2 TB TA1 , 则：TA TA1 (1 H )TB
1.TA TA1 2.TA2 TA1 ,TA2 TB
从应用程序员看，它是一个存储器。
这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器 存储容量与容量最大的那个存储器相等 单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。
解决速度
CPU中设置通用寄存器 采用存储器的多体交叉并行存取 采用存储层次 Cache
简述计算机的存储体系
简述计算机的存储体系
计算机的存储体系一般分为主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器是指计算机用于暂时存储数据和指令的存储空间，一般采用半导体随机存取存储器（RAM）作为主存储器。
它的特点是容量较小，但读写速度快。
辅助存储器是指计算机用于永久存储数据和指令的存储空间，如硬盘、光盘、闪存等。
它的特点是容量大，但读写速度相对较慢。
在辅助存储器中，硬盘是最常见的存储设备，它采用磁性储存技术，可以存储大量的数据，读写速度相对较快，但相对于主存储器还是较慢。
光盘主要分为CD-ROM、DVD-ROM和蓝光光盘等，它们的存储容量逐步提高，但读写速度相对较慢，主要用于存储影音等大容量数据。
闪存则是一种非易失性存储器，具有读取速度快、耐用性强等特点，主要用于存储移动设备的数据。
除了主存储器和辅助存储器，还有一些高速缓存存储器，它们通常位于CPU内部，用于暂时存储CPU经常使用的数据和指令，以加快CPU的运算速度。
- 1 -。
微型计算机原理与组成-第5章 储存系统
· 读取CMOS-SRAM中的设备配置，确 定硬件运行环境。
· 系统引导、启动。
· 基本的输入输出控制程序。 · 存储一些重要的数据参数。 · 部分机器还含有硬化的部分操作系统。
ROM-BIOS一般为几十KB的容量，并 有逐渐加大的趋势，常为掩膜式ROM。 目前高档PC机已采用快速擦写存储器， 使ROM BIOS 的功能由软盘软件支撑升级。
5.4.5 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器中的基本信息传送单 位为定长的页。
5.4.6 段页式虚拟存储器简介
段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有 其优缺点，段页式管理综合了两者的优点， 将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段， 以保证每个模块的独立性及便于用户公用； 每段又分成若干个页。 页面大小与实存页相同，虚存和实存之 间的信息调度以页为基本传送单位。
2．CMOS-RAM 用于记录设备配置参数，如内存容量， 显示器类型，软硬磁盘类型及时钟信息等。 CMOS-RAM采用CMOS工艺制成，功耗很 少。
3．ROM-BIOS
ROM-BIOS用于存放基本的输入输出 系统程序，是操作系统驻留在内存中的最 基本部分，其主要用于以下几个方面。
· 开机后的自检。检测对象涉及计算机 系统的各主要功能部件包括CPU、ROM、 RAM、系统接口电路和键盘、软、硬磁 盘等外设。
5.1.1存储器的分类
1. 按存储介质分 按存储介质可以将存储器分为三种：半 导体存储器、磁表面存储器和光存储器。
2. 按存取方式分
按照存储器的存取可方式分为随机存取 （读写）存储器、只读存储器、顺序存取存 储器和直接存取存储器等。
存储器及其接口
0
1
1
1
1
0
F0000～F7FFFH
0
1
1
1
1
1
F8000～FFFFFH
ROM子系统中译码器管理的存储器地址
存储器地址区域
3.RAM子系统
系统板上RAM子系统为256KB，每64KB为一组，采用9片4164 DRAM芯片，8片构成64KB，另一片用于奇偶校验
CPU
数据总线
地址总线
寻址范围
T2为一列基本存储单元电路上共有的控制管。
CD
T1
字选择线
刷 新 放大器
位选择线
T2
单管动态RAM存储电路
数据线（D）
DRAM的基本存储电路
NC
D
IN
WE
RAS
A
0
A2
A1
GND
—
—
—
—
—
—
—
—
V
CC
CAS
D
OUT
A6
A3
A4
A5
A7
—
—
—
—
—
—
4.电可擦可编程的ROM
5.闪速存储器（Flash Memory）
01
闪存也称快擦写存储器，有人也简称之Flash。 Flash Memory属于EERPOM类型 ,有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，而且可以选择删除芯片的一部分内容，但还不能进行字节级别的删除操作。
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02
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8位
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1MB
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8位
20位
1MB
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计算机的存储系统
第6章计算机的存储系统现代计算机采用程序控制方式工作，因此，用来存放程序的存储系统是计算机的重要组成部分。
存储器包括内存储器和外存储器。
内存储器包括主存储器和高速缓冲存储器，外存储器即辅助存储器。
主存储器简称主存，它位于主机内部。
本章介绍计算机的存储系统，包括主存储器的基本组成、层次结构和工作原理，高速缓冲存储器的工作原理，以及各类外存储器。
6.1 存储器与存储系统概述6.1.1 存储器的作用现代计算机都是以存储器为中心的计算机，存储器处于全机的中心地位。
存储器的作用可归纳为：⑴存放程序和数据。
计算机执行的程序、程序运行所需要的数据都是存放在存储器中的。
⑵现代计算机可以配置的输入输出设备越来越多，数据传送速度不断加快，并且多数采用直接存储器存取（DMA）方式和输入输出通道技术，与存储器直接交换数据而不通过CPU。
⑶共享存储器的多处理器计算机的出现，使得可利用存储器来存放共享数据，并实现各处理器之间的通信，更加强了存储器作为整个计算机系统中心的作用。
6.1.2 存储器分类⒈按存取方式分类⑴随机存取存储器RAM(Random Access Memory）特点：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。
用途：常用作主存或高速缓存。
⑵只读存储器ROM(Read-Only Memory）特点：存储器的内容只能读出而不能写入。
用途：常用来存放固定不变的系统程序。
作为固定存储，故又叫“固存”。
随着用户要求的提高，只读存储器产品从ROM→可编程只读存储器PROM→光可擦除可编程只读存储器EPROM→电可擦除可编程的只读存储器EEPROM，为用户方便地存入和改写内容提供了物质条件。
⑶顺序存取存储器SRAM特点：存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关。
计算机存储器技术简介
计算机存储器技术简介
计算机存储器是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备，其概念很广，有很多层次。
在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器。
计算机中的存储器按用途可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。
内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。
计算机存储器的基本单位是Byte，其中1KiB=1,024B，1MiB=1,024KiB，1GiB=1,024MiB。
这是根据电气电子工程师协会（IEEE 1541）和欧洲联盟(HD 60027-2:2003-03)的标准定义的二进制乘数词头缩写。
计算机存储器的技术也在不断发展。
例如，半导体技术被广泛用于制造存储器设备，包括DRAM、SRAM、Flash Memory等。
此外，新的存储器技术如相变存储器（PCM）、阻变存储器（RRAM）和铁电存储器（FeRAM）等也在不断发展。
以上内容仅供参考，如需了解更多信息，建议咨询专业人士。
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读出
VCC 高电平
VCC
地 导通
高电平 导通
非破坏性读出
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写入操作: W高, D写入数据
W高电平， T2导通
字线W
位线D与A点连接
写0：D输入低电平，A点电
Vcc
D A T2 T0 T1 T4 T5 B D
位下降， T0导通，存储位 元变为0 写1：D输入高电平，A点电 位上升，T0截止，存储位 元变为1 T1相反
①在以字节为编址单位的机器中，常用字节表示存储容量。 例如：4MB表示主存可容纳4兆个字节信息。
②对于存储器芯片，用存储单元数×每个单元的位数表示。
例如：512k×16位，表示主存有512k个单元，每个单元为 16位。
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存储容量的主要计量单位：
1K ＝210＝1024 1M＝220＝ 210K＝1048576
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每一个存储单位都由一个触发器构成，可以存储 一个二进制位，每个触发器由6个MOS管构成。
存储原理：用晶体管导通与 截止来表示0和1。 存储0：T0导通、T1截止 存储1：T0截止、T1导通 工作原理： 写入操作 保持状态 读出操作
T3
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读出操作: W高, D读出数据
W高电平， T2导通
字线W
位线D与A点连接
读0：A为低电平，D输出低
Vcc
D A T2 T0 T1 T4 T5 B D
电平 读1：A为高电平，D输出高 电平 T1相反
T3
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读取
读取过程中， Cs的电平最终 会变为中间电 平，即原来存 储的数据丢失， 需要将读出的 数据重新写入， 称为再生
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高电平 导通 电压上升 高电平
中间电平
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写入
高电平
高电平
导通 高电平
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保持
由于电容存在漏电，经 过一段时间后，Cs上的 电荷会全部泄漏，为了 保持数据的正确性，必 须隔一段时间，进行一 次刷新操作(Refresh)
第3章 存储器和存储体系
存储器概述 半导体随机存取存储器 半导体只读存储器 主存储器的组织
并行存储器
高速缓冲存储器
虚拟存储器
存储体系的层次结构
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§3.1 存储器概述
3.1.1、存储器分类
1．按与CPU的连接和功能分类 主存储器（主存、内存）
作为存储元的条件：
① 有两个稳定状态，对应二进制的“0”、“1” 。
② 在外界的激励下，可写入“0”、“1”。 ③ 能够识别器件当前的状态。即可读出所存的“0”、“1”。
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存储单元
由一组存储元件组成，可以同时进行读写。 存储体（存储阵列）
把大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存 储体。存储体一般排列成阵列形式，所以又称存储阵列。
3.2.1 静态随机存取存储位元
分类及特点
双极型半导体存储器TTL 、发射极耦合电路存储器
ECL 其特点：速度高、驱动能力强，但集成度低、功耗 大、价格高， 一般用于小容量的高速存储器。 MOS场效应晶体管存储器（分动态、静态两种） 其特点：集成度高、功耗小、工艺简单、成本低， 但速度相对较低 一般用于大容量存储器
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⑴ 集中式刷新 在允许的最大刷新间隔(2ms)内，按照存储器芯片 容量的大小集中安排刷新时间。 假设存储周期为200ns，在2ms的时间内完成10000 次存储操作，即10000个存储周期。 例如对4k×1位芯片，存储矩阵为64×64，每个存 储单元电路都刷新一次需64个周期，因此在2ms 内，留出64个周期专用于刷新。
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3．按存储介质分类 磁存储器 由磁性材料制成的存储器。利用磁性材料的两个不 同剩磁状态表示二进制的“0”和“1”。早期有磁芯存 储器。现多为磁表面存储器，如磁盘、磁带等。 半导体存储器 用半导体器件组成的存储器。根据工艺不同，可分 为双极型和MOS型。 光存储器 利用光学原理制成的存储器。通过激光束照在基体 表面引起物理或化学的变化，记忆二进制信息。如光盘。
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存储原理：双稳态触发器
T0、T1组成触发器
字线W
T2、T3门控管
T4、T5负载管 存储0：T0导通、A点电位
Vcc
D A T2 T0 T1 T4 T5 B D
接地，为低电平 存储1：T0截止、A点电位 接Vcc，为高电平 T1相反
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2．按存取方式分类
随机存取存储器(RAM, Random Access Memory) 存储器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臵无关。RAM主要 用于组成主存。 只读存储器(ROM, Read Only Memory) 存储器的内容只能随机地读出而不能随便写入和修 改。ROM可作为主存的一部分，用于存放不变的程序 和数据。ROM还可用作其它固定存储器，如存放微程 序的控制存储器、存放字符点阵图案的字符发生器等。
W：存储器总线的宽度。对于单体存储器，W就是数据 总线的根数。 带宽的单位：KB/s，MB/s 提高存储器速度的途径 ① 提高总线宽度 W，如采用多体交叉存储方式。 ② 减少TM，如引入Cache。
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§3.2 半导体随机存取存储器
一、半导体存储器的分类
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4. 按信息的可保存性分类
易失性存储器 电源掉电后，信息自动丢失。
非易失性存储器
电源掉电后，信息仍能继续保存。
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二、主存的组成与操作
1. 几个概念 存储元件（存储元、存储位）
能够存储一位二进制信息的物理器件。存储元是存储器 中最小的存储单位。
读出时间：从存储器接到有效地址开始到产生有效输出所 需的时间。
写入时间：从存储器接到有效地址开始到数据写入被选中 单元为止所需的时间。 ⑵ 存取周期TM（存储周期、读写周期 ） 存储器相邻两次存取操作所需的最小时间间隔。
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⑶ 带宽Bm （存储器数据传输率、频宽 ） 存储器单位时间内所存取的二进制信息的位数。 W Bm = TM
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2. 主存的基本组成
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2n－1 AB
MAR
n
译 码 器
存储阵列
0 RD WR
读放电路 写驱动电路
MDR
DB
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3.1.2、存储器的主要性能指标
存储器所能存储的二进制信息总量。 1．存储容量： 存储容量的表示：
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刷新方式
集中刷新方式
读写操作9936个周期
0 1 2
刷新操作64个周期
9935 9936
……
……
9999
刷新间隔（2ms）
优点：控制简单，速度快 缺点：有“死区”
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刷新方式
分散刷新方式
周期0 周期1
RAM 双极型 —— TTL型、ELL型、I2L型 SRAM（静态随机存取存储器） MOS型 DRAM（动态随机存取存储器） 固定掩膜ROM 可编程ROM（PROM）
ROM
可擦除可编程ROM（EPROM）
电可擦除可编程ROM（EEPROM）
闪烁存储器（闪存，Flash Memory）
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保持不变
T3
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保持
地
地 断开
高电平 断开
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3.2.2 动态随机存取存储位元
存储原理：
利用电容Cs存储电荷
存储信息 电容Cs充有电荷表示 1， 电容Cs没有电荷表示 0。
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顺序存取存储器(SAM, Sequential Access Memory)
存储器所存信息的排列、寻址和读写操作均是按顺序 进行的，没有唯一对应的地址，并且存取时间与信息在存 储器中的物理位臵有关。如磁带存储器。 直接存取存储器(DAM, Direct Access Memory) 介于 RAM 和 SAM 之间的存储器。也称半顺序存储器。 典型的 DAM 如磁盘，当进行信息存取时，先进行寻道， 属于随机方式，然后在磁道中寻找扇区，属于顺序 方式。
存储单元的地址
存储体中每个存储单元被赋予的一个唯一的编号，该 编号就是存储单元的地址。当访问某存储单元时，必须 首先给出该存储单元的地址。
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存储单元的编址