计算机组成原理 第五章ppt课件

存储字64位（8个字节）
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5.2 主存储器的组织
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⑶折中方法
双字地址的最末三个二进制位必须为000，单字 地址的最末两位必须为00，半字地址的最末一位必 须为0。特点：数据都在一个存取周期内完成，存 储器资源仍然有浪费，但比第2种方法少得多。
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本章学习内容
计算机组成原理
5.1 存储系统的组成 5.2 主存储器的组织 5.3 半导体随机存储器和只读存储器 5.4 主存储器的连接与控制 5.5 提高主存读写速度的技术 5.6 多体交叉存储技术 5.7 高速缓冲存储器 5.8 虚拟存储器
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本章学习要求
计算机组成原理
计算机组成原理
第5章 存储系统和结构
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计算机组成原理
存储系统是由几个容量、速度和价格各 不相同的存储器构成的系统，设计一个容量 大、速度快、成本低的存系统是计算机发 展的一个重要课题。
本章重点讨论主存储器的工作原理、组 成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储 器的一般原则和方法，此外还介绍了高速缓 冲存储器和虚拟存储器的基本原理。
这批数据一共有10个，它们依次为字节、 半字、双字、单字、字节、单字、双字、半字、 单字、字节。
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5.2 主存储器的组织
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解：根据题干可以知道4种长度的数据分别为：字节数 据8位，半字数据16位，单字数据32位，双字数据64 位。因为要保证任何长度的数据都在单个存取周期内 完成读写，所以该机的存储字长应为64位。要特别注 意的是，在本例中数据字长（32位）和存储字长（64 位）是不同的。
只能按某种顺序存取，存取时间与信息存放的物理位 置有关。
⑷直接存取存储器DAM
当要存取所需的信息时，先指向整个存储器中的某个 小区域（如磁盘上的磁道），然后在小区域内顺序检 索直至找到目的地后再进行访问。
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5.1 存储系统的组成
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3.按存储介质分类
⑴磁芯存储器
利用两种不同的剩磁状态表示“1”或“0”。它的读出 是破坏性读出。
⑶主存带宽（每秒从主存进出信息的最大数量）
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5.2.3 主存储器的主要技术指标 计算机组成原理
3.可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储器无故
障的概率。
4.功耗 功耗反映了存储器件耗电的多少，同时也
反映了其发热的程度。
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5.2 主存储器的组织
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5.2.4 数据在主存中的存放
以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接
访问它。
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5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
2.按存取方式分类
⑴随机存取存储器RAM
CPU可以对RAM单元的内容随机地访问。CPU对任何 一个存储单元的存取时间是相同的。
⑵只读存储器ROM
ROM存储器的内容只能随机读出而不能写入。
⑶顺序存取存储器SAM
辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的 程序和数据，当需要时，再调到主存中去。
主－辅存层次通过附加的硬件及存储管理软件来 控制。
主－辅存层次的存取速度接近于主存的存取速度， 容量是辅存的容量，从而解决了大容量和低成本 间的矛盾。
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5.1 存储系统的组成
辅助软硬件
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CPU
主存
辅存
三级存储系统的总的效果是：存取速度接 近于Cache水平，存储容量非常之大，整个 价格也比较合理。
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5.2 主存储器的组织
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5.2.1主存储器的基本结构 主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、
I/O和读写电路组成。
地址线
动地 址 译 码 驱
存储体
I/O 和 读 数据线 写 电 路
在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中 有三种不同存放方法。假设，存储字为64位（8 个字节），机器字长为32，读/写的数据有四种 不同长度，它们分别是字节（8位）、半字（16 位）、单字（32位）和双字（64位）。
字节 半字 单字 双字
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5.2 主存储器的组织
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现有一批数据，它们依次为：字节、半字、双 字、单字、半字、单字、字节、单字。在存储器 中存放的方法有三种形式。
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5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器 构成的三级存储系统可以分为两个层次。
1.Cache－主存层次
在CPU和主存之间设置了一级容量不大， 但速度很高的高速缓冲存储器（Cache），简 称高速缓存或快存。
CPU在某一小段时间内所要访问的程序和 数据被事先从主存中调入Cache中，当CPU需 要这些程序和数据时，就直接去Cache中读取。
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5.3 半导体随机存储器和只读存储器 计算机组成原理
MOS型存储器根据记忆单元的结构又可分 为静态RAM和动态RAM两种。 静态RAM，即SRAM（Static RAM），其存储 电路以双稳态触发器为基础； 动态RAM，即DRAM（Dynamic RAM），其 存储电路以电容为基础。
题目要求采用一种既节省存储空间，又能保证任 何长度的数据都在单个存取周期内完成读写的方法来 存入一批数据，所以只能选用边界对齐的存放方法， 双字数据从字节地址为8的整倍数的地方开始存放， 单字数据从字节地址为4的整倍数的地方开始存放， 半字地址从字节地址为2的整倍数的地方开始存放。 主存中数据的存放示意图如下 ：
16 17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30 31
32 33 34 35 36 37 38 39
存储字64位（8个字节）
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
例:某机字长32位,主存储器按字节编址,现 有4种不同长度的数据(字节、半字、单字、双 字)，请采用一种既节省存储空间，又能保证 任何长度的数据都在单个存取周期内完成读写 的方法，将一批数据顺序地存入主存，画出主 存中数据的存放示意图。
存储体，程序和数据都存放在存储体中，它是存
储器的核心。
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5.2 主存储器的组织
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一个存储单元可能存放一个字，也可能存 放一个字节，这是由计算机的结构确定的。
对于字节编址的计算机，最小寻址单位是一个 字节，相邻的存储单元地址指向相邻的字节
对于字编址的计算机，最小寻址单位是一个字， 相邻的存储单元地址指向相邻的存储字。
I/O和读写电路完成被选中存储单元中各位的 读出和写入操作。
读/写操作是在控制
精选ppt 器的控制下进行的。
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
5.2.2 主存储器的存储单元
位是存储器存储信息的最小单位。
当一个由若干位组成的二进制数作为一个整 体存入或取出时，这个数称为存储字。
存放存储字或存储字节的主存空间称为存储 单元或主存单元，大量存储单元的集合构成一个
⑵半导体存储器
采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型存储器和 MOS型存储器两大类。
⑶磁表面存储器
在金属或塑料基体上涂一层磁性材料，用磁层存储信息， 常见的有磁盘、磁带等。
⑷光存储器
采用激光技术控制访问的存储器。
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5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
4.按信息的可保存性分类
断电后，存储信息即消失的存储器，称易失 性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称 非易失性存储器。
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
字节
半字
单字
双字
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5.3 半导体随机存储器和只读存储器计算机组成原理
5.3.1 RAM记忆单元电路 我们把存放一个二进制位的物理器件称为
记忆单元，它是存储器的最基本构件，可以由 各种材料制成，但必须满足以下要求： ⑴ 有两种稳定状态。 ⑵ 在外部信息的激励下，两种稳定状态可被无 限次写入。 ⑶ 在外部信号的激励下，能读出两种稳定状态。
⑴不浪费存储器资源的存放方法
数据一个紧接着一个存放。优点：不浪费宝 贵的主存资源；缺点：访问的数据要跨越两个存 储单元时，存储器的工作速度降低了一倍，且读 写控制比较复杂。
存储字64位精（选pp8t 个字节）
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
⑵从存储字的起始位置开始存放的方法。
无论要存放的是字节、半字、单字或双字，都必 须从存储字的起始位置开始存放。优点：数据基 本都可以在一个存储周期内完成，读写数据的控 制比较简单。缺点：浪费了宝贵的存储器资源。
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5.2.3 主存储器的主要技术指标
2.存取速度
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⑴存取时间Ta 存取时间指从启动一次存储器操作到完成该操作
所经历的时间。
⑵存取周期Tm 又可称作读写周期、访内周期，指存储器进行一
次完整的读写操作到下一次访问存储器操作之间所 需要的最短时间。
一般情况下，TmTa 。因为在读写操作之后，要有 一段恢复内部状态的复原时间。
了解：存储器的分类方法和存储系统的层次 理解：主存储器的基本结构、存储单元和主存储器
的主要技术指标 掌握：数据在主存中的存放方法 了解：半导体随机存储器（静态RAM和动态RAM）
的基本存储原理 理解：动态RAM的刷新 了解： RAM芯片的基本结构 理解：各种不同类型的ROM 掌握：主存储器容量的各种扩展方法 理解：主存储器和CPU的软连接 了解：Cache存储系统和虚拟存储器的概念
读/写控制线
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
存储体是存储单元的集合体，存放程序和数据。
地址译码驱动电路包含译码器和驱动器两部分。
译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的 译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一单元；
驱动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路对被 选中单元进行读、写操作。
字
地 字节地址 址
01
0
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2
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5.2 主存储器的组织
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5.2.3 主存储器的主要技术指标
1.存储容量
存储容量是指主存所能容纳的二进制信息总 量。对于字节编址的计算机，以字节数来表示 容量；对于字编址的计算机，以字数与其字长 的乘积来表示容量。
如某计算机的容量为64K×16，表示它有 64K个字，每个字的字长为16位，若用字节数 表示，则可记为128K字节（128KB）。
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5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
5.1.1 存储器分类 1.按存储器在计算机系统中的作用分类
⑴高速缓冲存储器
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。
⑵主存储器 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。
⑶辅助存储器
用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，
存储单元是CPU对主存可访问操作的最小 存储单位。
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5.2 主存储器的组织
地址安排方案：
不 长是都所等有于计存计储算机字算字长机组成原理
大端方案：IBM 370机是字长为32位的计算机， 主存按字节编址，则每一个存储字包含4个单独 编址的存储字节，字地址即是该字高位字节的地 址，其字地址总是等于4的整数倍，正好用地址 码的最末两位来区分同一个字的四个字节。
如果某个存储单元所存储的信息被读出时， 原存信息将被破坏，则称破坏性读出。具有破 坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后， 必须紧接一个重写的操作，以便恢复被破坏的 信息。
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5.1 存储系统的组成
5.1.2 存储系统层次结构
计算机组成原理
为了解决容量、速度和价格之间的矛盾， 出现了多层次的存储系统，把各种不同存储容 量，不同存取速度的存储器，按一定的体系结 构组织起来，使所存放的程序和数据按层次分 布在各存储器中，形成一个统一整体的存储系 统。
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5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
Cache－主存层次的存取速度接近于Cache 的存取速度，但容量是主存的。因此，解决了高 速度和低成本之间的矛盾。这个层次完全由硬件 实现。
辅助硬件 （存储器控制电路）
CPU
Cache
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主存
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5.1 存储系统的组成
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2.主－辅存层次
字
地
字节地址
址
00
1
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5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
小端方案：PDP-11机是字长为16位的计算机， 主存也按字节编址，则每一个存储字包含2个单 独编址的存储字节，它的字地址总是2的整数倍， 但却是用低位字节地址作为字地址，并用地址 码的最末1位来区分同一个字的两个字节。