存储器系统综述

大端方案
IBM 370机是字长为32位的计算 机，主存按字节编址。
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。
字地址
00 44 88
字节地址
123 567 9 10 11
读/写的数据 数据线
MM
MDR
(64位)
00000 00001 01101001
····· ·······

主存地址
MAR
CPU
地地 地址线 址 址
寄译 (36位) 存 码
器器
00010
记
00011
忆
00100 10101010
单 元
存储 单元
存 储
地址
内
容
控制线 读/写控制信号
读写控制电路
11110
“ Cache－主存”与“主存－辅存”层次的区
别
存储层次
比较项目
“Cache －主存”层次
“主存－辅存”层次
目的
为了弥补主存速度的不足 为了弥补主存容量的不足
存储管理实现
主要由专用硬件实现
由硬件和软件实现
访问速度的比值 (第一级和第二级)
典型的块(页)大小
CPU对第二级的 访问方式
失效时CPU是否切换
2.仅在从缓存中读不到数据时才去读主存， 速度略慢但容量较大；
3.当从主存中还读不到时才去成批量读虚 存，速度很慢容量极大。
这就很好地同时解决了对速度、容量、成 本三个方面的需求。
为什么这个方案是可行的？
访存的局部性原理
局部性原理表现在：时间上和空间上 在一小段时间内，最近被访问过的存储单元
很可能再次被访问。 在空间上，被访问的存储单元往往集中在一
第三章 存储器系统
3.1 存储器系统综述 3.2 半导体随机读写存储器（RAM） 3.3 半导体只读存储器（ROM） 3.4 主存储器的组成与控制 3.5 高速缓冲存储器 3.6 虚拟存储器
3.1 存储器系统综述
一、存储系统的分类 二、存储系统的层次结构 三、主存储器的组织 四、主存储器的主要技术指标
2.按存取方式分类 (1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）
• 随机存储器 在程序的执行过程中 可 读 可 写 • 只读存储器 在程序的执行过程中 只 读 (2) 存取时间与物理地址有关（串行访问） • 顺序存取存储器 磁带 • 直接存取存储器 磁盘
二、存储系统的层次结构
存储器的三个 重要指标是：
小片连续存储区。
因此：可以把程序和数据合理地分配在 不同存储介质中。
Pentium 微机Cache结构简介
L1指令 Cache
CPU 核心 电路
L1数据 Cache
CPU 封装
L2 Cache
L3 CACHE
主存
三、主存储器的组织
存储器芯片封装了驱动器、译码器、读写电路等。而MAR和 MDR则制作在CPU芯片中。
几比一 几十个字节 可直接访问
不切换
几百比一 几百到几千个字节
均通过第一级 切换到其他进程
采用三级存储的体系结构!
CPU 10 ns
20 ns
CACHE
200 ns MEMORY
ms
DISC
高速缓冲 存储器
容量小，速度快
主存储器
容量、速度适中
虚拟 存储器
容量大，速度慢
1.若能使 CPU大部分时间访问高速缓存 CACHE速度最快；
存储容量 存取速度 价格
对其要求是：尽可能快的读写速度，尽可 能大的存储容量，尽可能低的成本费用。
各类存储器按速度、容量、价格的分层情况
速度快
价格高(每位)
寄存器
CACHE
容量小
价格低
主存储器 硬盘
速度慢
磁带
光盘
容量大
结论： 采用单一的存储模式很难满足 速度快、容量大、价格低的要求！
如何解决 ???
11111
主存和CPU的连接
1.主存储器的基本结构
主存通常由存储体、地址译码驱动电路、I/O和 读写电路组成。
存储体
… …
读 写
数据总线
电
MDR
路
…
驱动器
…
控制电路
译码器
…
MAR
读
写
地址总线
2.主存储器的存储单元
位是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息 的最小单位。
当一个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。
为了区别存储体中的各个存储单元，必须将它们逐 一编号。存储单元的编号称为地址，地址和存储单元 之间有一对一的对应关系。
所以,存储单元是CPU访问存储器的最小单位。每个 存储单元可以ຫໍສະໝຸດ Baidu一个字,也可以是一个字节。
多字节的数据可以有二种不同的存储方式:
输入设备 程序和数据
指 主存储器 令 流
控制器
主机 数 据 流
输出设备
CPU 运算器
程序和数据
以运算器为中心的硬件结构
CPU
控 制 器
运算器 存储器
数据、指令 控制信号
设备输入 输出设备
程序、数据
结果
以存储器为中心的结构
存储器在计算机中存放程序和数据。在现代 计算机中处于全机的中心地位。
• 存放当前正在运行的程序和数据。 • 实现主存与I/O设备之间的信息传送。 • 在多处理机系统中，存放共享数据。
磁表面存储器 在金属或塑料基体的表面涂上一层磁性材料作为记录介质。 按载磁体形状的不同，分为磁盘、磁带和磁鼓。
光盘存储器 光盘存储器是应用激光在记录介质（如磁光材料等）上进行 读写的存储器，具有非易失性的特点。 光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等优良 特点。
钻孔纸带
根据以上存储器的分层情况，如何将它们组 织成一个存储系统呢？
为解决主存容 量不足的问题，借 助于软硬件在高速 硬盘上开辟了—— 虚拟存储空间。
为解决主存 速度与CPU 不匹 配的问题，借助 于硬件在二者之 间增加了—— CACHE。
构成了一个统一管理、统一调度，并且对用 户来说透明的一体化的存储器系统，即三级结构 的存储器系统！
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。
一、存储系统的分类
1.按存储介质分类
磁芯存储器 磁芯是使用硬磁材料做成的环状元件，在磁心中穿有驱动线 （通电流）和读出线，这样便可以进行读写操作。 体积庞大、工艺复杂且功耗大，已弃用。
半导体存储器 存储元件由半导体器件组成，存储器用超大规模集成电路工 业制成芯片 优点：体积小，功耗低，存取时间短 缺点：存储容量相对较小，单位存储成本较高。 双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器。后者集成 度高且制造简单、成本低廉、功耗小，目前广泛应用。