计算机组成原理 第五章

1 9 17 25 33
7 15 23 31 39
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。 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。
5.2 主存储器的组织
不是所有计算机字 计算机组成原理 长都等于存储字长
地址安排方案： 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。
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
本章学习要求

计算机组成原理


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
计算机组成原理
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。
0 8 16 24 32 4 3 2 5 12 10 11 13 20 19 18 21 26 27 28 29 35 34 36 37 存储字64位（8个字节） 6 14 22 30 38
5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
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。 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。
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
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。 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 ：
字节
半字
单字 双字
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
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。 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。

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 器的控制下进行的。
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 存储体，程序和数据都存放在存储体中，它是存 储器的核心。
计算机组成原理
（1）组成 T1、T5：MOS反相器 T2、T6：MOS反相器 触发器
T3、T4：控制门管
字线：选择存储单元
5.2.3 主存储器的主要技术指标
2.存取速度
计算机组成原理
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。
⑶主存带宽（每秒从主存进出信息的最大数量）
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。
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
5.2.4 数据在主存中的存放 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 地 址
0 2 4
字节地址
1 3 5 0 2 4
5.2 主存储器的组织
5.2.3 主存储器的主要技术指标
计算机组成原理
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）。
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。
5.1 存储系统的组成
辅助软硬件
计算机组成原理
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。
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
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。
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。 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。
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。
5.1 存储系统的组成
计算机组成原理
第5章 存储系统和结构
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、成本低的存储系统是计算 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。
存储字64位（8个字节）
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。
存储字64位（8个字节）
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 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。


1.六管静态MOS记忆单元电路
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。
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
主存
5.1 存储系统的组成
2.主－辅存层次
计算机组成原理
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。
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， 以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接 访问它。
地 址 译 码 驱 动 I/O 和 读 写 电 路
地址线
存储体
数据线
读/写控制线
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。
5.1 存储系统的组成
2.按存取方式分类
计算机组成原理
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 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。
字 地 址
0
4 8 0Biblioteka Baidu
字节地址
1 2 3
4
8
5
9
6
10
7
11
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。
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
字节
半字
单字
双字
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。
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理


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。 存储单元是CPU对主存可访问操作的最小 存储单位。