纪禄平-计算机组成原理(第四版)-4-1存储子系统-概述PPT课件
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纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-4-6存储子系统-三级存储体系
主存和外存统一分页后进行管理。 ※页表 记录虚地址页号与实地址页号的对应关系，即虚页面 调入主存时被安排在主存中的位置（实页号） 页表中的每一行，称为页表项；
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
10/24
0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
11/24
[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
5/24
（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
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0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
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[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
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（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中
《存储子系统》课件
云存储服务
云存储服务是一种基于云计算的存储服务，可以 01 提供灵活、可扩展和高可用的数据存储和管理。
云存储服务通常采用分布式存储架构，将数据分 02 散存储在多个节点上，以提高数据的可靠性和可
用性。
云存储服务还提供了丰富的API和SDK，方便开发 03 人员进行数据存储和管理，同时也提供了完善的
机遇
随着数据安全和隐私保护需求的增长，将促进存储子系统相关技术的创新和发展，为存储 子系统带来更多的发展机遇和市场空间。同时，也将推动相关法规和标准的制定和完善， 为数据安全和隐私保护提供更加有力的法律保障。
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《存储子系统》PPT 课件
目录
• 存储子系统概述 • 存储子系统的构成 • 存储子系统的技术原理 • 存储子系统的应用场景 • 存储子系统的性能评估与优化 • 未来存储子系统的发展趋势
01
存储子系统概述
定义与功能
01
定义
存储子系统是计算机系统中用于存储数据的硬件 和软件的集合。
02
功能
存储子系统负责数据的存储、读取、备份和恢复 ，为计算机系统提供可靠、高效的数据存储支持
负责管理存储空间的分配和卷的创建。
数据迁移软件
用于将数据从旧存储介质迁移到新介质。
存储介质
01 机械硬盘
具有较高的容量和较低的 价格，但性能相对较低。
03 固态硬盘
具有较高的性能和较快的
读写速度，但价格较高。
02 磁带
具有极高的容量和较低的
价格，但访问速度较慢。
04 光盘
适用于长期归档和离线存
储，具有较好的耐久性。
数据备份与恢复原理
1 2
数据备份方式
计算机组成原理(第四版)PPT课件
-
4
2.5 术语：存储元、存储单元、存储体、存储 单元地址，有何联系和区别？
存储元：存储一位二进制信息的基本单元电路。
存储单元：由若干存储元组成。一台机器的所有存储 单元长度相同，一般由8的整数倍个存储元构成。
存储体：是存储单元的集合，它由许多存储单元组成， 用来存储大量的数据和程序。
存储器单元地址：计算机在存取数据时，以存储单元 为单位进行存取。为区别不同单元，给每个存储单 元赋予地址，每个存储单元都有一条唯一的字线与 存储单元地址编码对应。
总称为
。
解：记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、 记录块、道密度、位密度、存储密度。
-
25
2.19 某磁盘组有4个盘片，5个记录面。每个记录面的内磁 道直径为22cm，外磁道直径为33cm，最大位密度为1600 位/cm，道密度为80道／cm，转速为3600r/min。求： (1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)? (2)最大数据传输率是每秒多少字节? (3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。
-
21
2.17 欲将10011101写入磁表面存储器中：
(1) 分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流 波形。
(2)改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。 即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不 改变方向。画出它的电流波。
(3)改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于：FM在 信息元交界处写电流总要改变一次方向；而MFM仅 当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次；其
解：该机的地址码为18b，字长8b，故该机的主存容 量为218X8b＝28 X 210 X 8 b＝ 256KB，
(1)若每个模板块为32K X 8b，
《计算机组成原理》 第四版 科学出版社版 第一章 课件
§3 计算机的硬件
1.3.1
1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5
硬件组成要素
运算器 存储器 控制器 适配器与输入输出设备
27
第一章 计算机系统概论
1.3.1
硬件组成要素
通过一个例子我们来了解数字计算 机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的 纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这 样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上， 请看过程，如表1.3所示。
第一章 计算机系统概论
第1章
home
计算机系统概论
1
第一章 计算机系统概论
第一章 计算机系统概论
§1 计算机的分类
§2 计算机的发展简史
§3 计算机的硬件
§4 计算机的软件
§5 计算机系统的层次结构
2
第一章 计算机系统概论
§1 计算机的分类
1.1.1
电子计算机的分类
1.1.2
1.1.3
数字计算机的分类
50
第一章 计算机系统概论
现代电子计算机组成
总之，现代电子计算机是由：
运算器、控制器、存储器、 适配器和输入/输出设备组成的。 并用系统总线连起来
51
第一章 计算机系统概论
§4 计算机的软件
1.4.1
1.4.2
软件的组成与分类
软件的发展演变
52
第一章 计算机系统概论
1.4.1
软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是 看不见，是计算机系统中不可少的无形 部件。主要有两大类：
5
第一章 计算机系统概论
数字计算机与模拟计算机的主要区别
数字计算机
数据表示方式 数字0/1
计算机组成原理完整第4章PPT课件
储器中（由变址寄存器和位移量决定）所以是RS型指令。
21
精选课件
2021/6/9
4.3 指令和数据的寻址方式
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式， 有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效 地址的方式 指令寻址
顺序寻址 跳跃寻址
操作数寻址
PC存放下一条指令的地址
23
精选课件
2021/6/9
跳跃寻址
目标地址－＞PC
当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执 行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。
所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序 计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。
跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入 取指令阶段。
11
精选课件
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4.2.2 地址码(AC)
(3)二地址指令 (A1) OP (A2) -> A1
(4)三地址指令 (A1) OP (A2) -> A3
A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器
n=2L 定长指令、变长指令（固定位数和可变位数）
9
精选课件
2021/6/9
4.2.2 地址码(AC)
地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果
三地址格式 操作码
二地址格式 操作码
一地址格式 零地址格式
操作码 操作码
Ａ1
Ａ2
Ａ3
Ａ1
Ａ2
Ａ1
10
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21
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4.3 指令和数据的寻址方式
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式， 有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效 地址的方式 指令寻址
顺序寻址 跳跃寻址
操作数寻址
PC存放下一条指令的地址
23
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跳跃寻址
目标地址－＞PC
当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执 行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。
所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序 计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。
跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入 取指令阶段。
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4.2.2 地址码(AC)
(3)二地址指令 (A1) OP (A2) -> A1
(4)三地址指令 (A1) OP (A2) -> A3
A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器
n=2L 定长指令、变长指令（固定位数和可变位数）
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4.2.2 地址码(AC)
地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果
三地址格式 操作码
二地址格式 操作码
一地址格式 零地址格式
操作码 操作码
Ａ1
Ａ2
Ａ3
Ａ1
Ａ2
Ａ1
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纪禄平-计算机组成原理(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-4-多周期-3-控制系统PPT课件
3.5.4 多周期MIPS处理器
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
24
❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
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❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
纪禄平-计算机组成原理(第4版)PPT 4.6-三级存储体系
※为解决CPU和主存速度不匹配而采用的一项 技术，使访问主存的平均速度接近于访问 Cache的速度。 ※由硬件系统实现，对用户透明。 ※已在CPU内集成，两级以上的Cache系统。
3/24
2. Cache的前提条件
※指令的执行具有局部性特征：
CPU从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围 常局限于主存的某个小区域。 因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据）， 提前预取并存储到一个高速的、小容量的Cache中。
CPU访存 [技术效果]
CPU访问Cache
能使CPU读写指令、数据的速度大大提高。
4/24
3. 主存与Cache的地址映射
[说明] 主存↔Cache之间是以固定大小的数据块为单 位进行整体调度（交换）； 基于下列条件，分析3种主存↔Cache映射： 存储器均按字节编址：1B/每个地址； 数据块大小：512B； Cache容量：8KB →分成16块（213/29） 主存容量大小：1MB →分成2048块（220/29）
A. 0 B. 2 C. 4
D.6
[解题分析]
Cache如何分组、分块？ Cache分8组，每组2块，每块32B 主存如何分组、分块？ 主存分若干组，每组又分成8块
129=10000001
（组内块序号100） 0…010000001
12/24
4.常用的替换算法
（1）最不经常使用(LFU, Least-Frequently Used) 将一段时间内被访问次数最少的那块从Cache中 置换出去。 （2）近期最久未使用(LRU, Least-Recently Used) 将近期内最久末被访问过的Cache块置换出去。 （3）随机替换 随机确定将哪块从Cache中替换出去。
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2. Cache的前提条件
※指令的执行具有局部性特征：
CPU从主存中取指令、数据，在一定时间内地址范围 常局限于主存的某个小区域。 因此可以将正在使用的部分（热点区指令和数据）， 提前预取并存储到一个高速的、小容量的Cache中。
CPU访存 [技术效果]
CPU访问Cache
能使CPU读写指令、数据的速度大大提高。
4/24
3. 主存与Cache的地址映射
[说明] 主存↔Cache之间是以固定大小的数据块为单 位进行整体调度（交换）； 基于下列条件，分析3种主存↔Cache映射： 存储器均按字节编址：1B/每个地址； 数据块大小：512B； Cache容量：8KB →分成16块（213/29） 主存容量大小：1MB →分成2048块（220/29）
A. 0 B. 2 C. 4
D.6
[解题分析]
Cache如何分组、分块？ Cache分8组，每组2块，每块32B 主存如何分组、分块？ 主存分若干组，每组又分成8块
129=10000001
（组内块序号100） 0…010000001
12/24
4.常用的替换算法
（1）最不经常使用(LFU, Least-Frequently Used) 将一段时间内被访问次数最少的那块从Cache中 置换出去。 （2）近期最久未使用(LRU, Least-Recently Used) 将近期内最久末被访问过的Cache块置换出去。 （3）随机替换 随机确定将哪块从Cache中替换出去。
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(1)-CPU子系统-概述
1、主要功能
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
计算机组成原理ppt文档
⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通 常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故 障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
计算机组成原理第四章ppt文档
4.2
D I/O 读/写
三、随机存取存储器 ( RAM )
1. 静态 RAM (SRAM)
静态RAM用触发器工作原理存储信息，信息 读出后，仍保持其原状态，不需要再生。
电源掉电时，原存储信息丢失，故属于易失性 半导体存储器。
基本单元单元由6个MOS管组成。
(1) 静态 RAM 基本电路
位线A´
A´
5）与静态RAM比，集成度高，功耗低。
(1) 动态 RAM 基本单元电路
读选择线
T2
T1
T3 Cg
01
V DD
T4 预充电信号
10
无有电流 数据线
T
01
Cs
写选择线
字线
写数据线
读数据线
读出与原存信息相反
读出时数据线有电流 为 “1”
写入与输入信息相同
பைடு நூலகம்
写入时CS充电 为 “1” 放电 为
(2) 动态 RAM 刷新
A
T5
T1 ~ T4
T6
行地址选择
T7
T8
列地址选择 写放大器
写放大器
位线A
T 1 ~ T 4 触发器 T 5 、T 6 行开关
T 7 、T 8 列开关
T 7 、T 8 一列共用
读放 DOUT
A 触发器原端
DIN 写选择
读选择
A´ 触发器非端
(2) 静态 RAM 芯片举例
A9
A8
......
A0
WE
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0 …… 7 位线
读/写控制电路
D0
…… D 7
(2) 重合法 （1K×1位）
纪禄平-计算机组成原理(第四版)-4-1存储子系统-概述PPT课件
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
.
6
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存
存储器的位宽
数据传输率(R) =
bps
存取周期
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
.
14
容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
.
5
2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。
内存
虚拟存储技术
外存
FLASH Memory（闪存） 接近 速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
.
10
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标
.
12
4.存储器的技术指标
(1)存取时间
从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA
2024版计算机组成原理全ppt课件
掌握总线仲裁算法，实现总线的分配和管理。
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
计算机操作系统(第四版)第四五章PPT幻灯片课件
5
4.2 程序的装入和链接
从源程序到程序执行 地址空间的概念 重定位的概念 程序的装入 程序的链接
6
1、从源程序到程序执行
编译：编译程序
由编库译程序（Compiler）将用户源代码编译
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序 ，链（以接程L及序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
11
5、程序的装入
含义：就是把链接好的装入模块装入“内存”。
装入方式分类： 绝对装入 可重定位装入（静态重定位） 动态运行时装入（动态重定位）
提示：通常链接、装入程序是一体的。
12
4.3 连续分配存储管理方式
为用户程序分配一个连续的内存空间。曾被广泛应 用，且现在仍被采用。
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 基于顺序搜索的动态分区分配算法 基于索引搜索的动态分区分配算法 动态可重定位分区分配
找到符合要求的分区，并进行标记。
15
作业1进入，大小30K 作业2进入，大小500K 作业3进入，大小8K
系统区 分区 1 分区 2
分区 3
分区 4
分区 5
分区号 大小 起址 状态
1 8 K 512K 已未使用 2 32 K 520K 已未使使用用 3 32 K 552K 未使用 4 128 K 584K 未使用 5 512 K 712K 未已使用 …… … …
程。
L 模块B
具 体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 符JSRR号模e”tL块u。+rCnM;”;
4.2 程序的装入和链接
从源程序到程序执行 地址空间的概念 重定位的概念 程序的装入 程序的链接
6
1、从源程序到程序执行
编译：编译程序
由编库译程序（Compiler）将用户源代码编译
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序 ，链（以接程L及序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
11
5、程序的装入
含义：就是把链接好的装入模块装入“内存”。
装入方式分类： 绝对装入 可重定位装入（静态重定位） 动态运行时装入（动态重定位）
提示：通常链接、装入程序是一体的。
12
4.3 连续分配存储管理方式
为用户程序分配一个连续的内存空间。曾被广泛应 用，且现在仍被采用。
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 基于顺序搜索的动态分区分配算法 基于索引搜索的动态分区分配算法 动态可重定位分区分配
找到符合要求的分区，并进行标记。
15
作业1进入，大小30K 作业2进入，大小500K 作业3进入，大小8K
系统区 分区 1 分区 2
分区 3
分区 4
分区 5
分区号 大小 起址 状态
1 8 K 512K 已未使用 2 32 K 520K 已未使使用用 3 32 K 552K 未使用 4 128 K 584K 未使用 5 512 K 712K 未已使用 …… … …
程。
L 模块B
具 体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 符JSRR号模e”tL块u。+rCnM;”;
计算机组成原理第四版第四章PPT课件
兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是 兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但由于不同机种推出的时间不同，在结构 和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”， 即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。
编辑版pppt
返回 6
堆栈寻址
➢寄存器堆栈（硬堆栈） ➢存储器堆栈（软堆栈）
编辑版pppt
返回 12
扩展举例 ：设某机器的指令长度为16位，有4位基本操
作码字段和两个6位地址码字段，其格式如下：
15
12 11
0
OP
A1
65 A2
扩展方法：
1.二地址指令仅有15条，由4位基本操作码的0000—— 1110组合给出，余下的组合1111用于把操作码扩展到 A1，即从4位扩展到10位。
编辑版pppt
返回 9
4.2.3指令字长度
➢ 指令字长度：一个指令字包含二进制代码的位数。 ➢ 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 ➢ 单字长指令 ➢ 半字长指令 ➢ 双字长指令 ➢ 多字长指令的优缺点： 优点提供足够的地址位来解决访
问内存任何单元的寻址问题； 缺点必须两次或多次访问 内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用 了更多的存储空间。 ➢ 等长指令字结构：指令系统中指令采用等长指令的优点： 各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长 度是不变的； ➢ 变长指令字结构：采用非等长指令的的优点：各种指令字 长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度， 但指令的控制较复杂。
编辑版pppt
返回 38
其他指令：
除以上各类指令外，还有状态寄存器置 位、复位指令，测试指令，停机指令，以及 其他一些特殊控制用的指令。
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容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
.
5
2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。
内存
虚拟存储技术
外存
数据传输率(b/s)
.
11
（3）直接存取存储器（DAM）
访问时读/写部件先粗定位一个小区域，再在该区 域内顺序查找。
访问时间与数据位置有关，例如: 硬盘。
定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作
读/写操作
速度指标
平均定位（平均寻道）时间(ms) 平均等待（平均旋转）时间(ms) 数据传输率(b/s)
3
（1）主存（内存）
主要存放CPU当前使用的指令和数据。 能随机访问 工作速度快 有足够的存储容量
（2）辅存（外存）
速度较慢
存放大量的后备程序和数据
容量较大
.
4
（3）高速缓冲存储器(Cache)
存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数 据，以缓解CPU和主存的速度差异。
速度非常快
内核
L1
CPU
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
.
6
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存
按地址访问存储器中的任一单元，访问时间与存储单 元的地址无关。
RAM 例如，主存 ROM 例如，微程序控制器中的控制存储器（CM）
.
9
RAM：可读可写 如：SDR/DDR/DDR2-4
ROM：只读型
固化型：用户不能写入数据 PROM：用户可写入一次 EPROM：可多次编程（紫外线擦除） EEPROM：可多次写入（电擦除）
第4章 存储子系统
-半导体 -磁表面 -光存储
原理及器件
-虚拟存储技术
.
1
本章需解决的主要问题：
（1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？ （3）如何改进存储系统的性能？
.
2
4.1 概述
1.存储系统的层次结构 CPU Cache
主存 外存
.
L1和L2(L3)
存储器的位宽
数据传输率(R) =
bps
存取周期
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
.
14
例如：IDE硬盘，SATA硬盘
.
7
（3）光盘存储器 利用光斑的有无/晶相等变化表示信息,容量很大， 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存 ※只读型光盘CD-ROM ※一次写入型光盘WORM ※可擦除/重写型光盘
.
8
器(RAM，ROM) 随机存取：
.
12
4.存储器的技术指标
(1)存取时间
从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA
(2)存取周期 存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所 需的全部时间，TM (通常TM>TA)
存取时间
恢复期
存取周期
.
13
(2)数据传输率−R
单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽
FLASH Memory（闪存） 接近 速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
.
10
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标