计算机组成原理3

存储器的层次结构

1.存储器的分类

层次分类

主存储器（内存）：存放程序和数据，CPU可以直接随机访问，可以和高速缓冲存储器（Cache）以及辅助存储器交换数据。特点是容量较小，存取速度较快，每位价格较高

辅助存储器：外存，存放暂时不用的程序和数据，以及永久保存的信息，不能与Cpu直接交换信息，特点是容量大存取速度慢，成本低。

高速缓冲存储器：Cache，位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据

cpu不能直接访问硬盘

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多级存储系统

主存和Cache之间的数据调动由硬件自动完成

主存和外存是由硬件和操作系统共同完成的

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半导体随机存储器

1.半导体存储芯片的基本结构

半导体存储芯片内有存储矩阵（存储体），译码驱动电路和读写电路

• 存储矩阵：由大量相同的位存储单元阵列构成
• 译码驱动：将来自地址总线的地址信号翻译成对应的存储单元的选通信号，该信号在读写电路的配合下完成对选中单元的读写操作
• 读写电路：包括读出放大器和写入电路，用来完成读写操作
• 读/写控制线：决定芯片进行读写操作
• 片选线：确定哪个存储芯片被选中
• 地址线：是单向输入的，其位数与存储字的个数有关
• 数据线：双向的，位数与读写的数据位有关，数据线和地址线共同反映存储芯片容量的大小。

2.随机存储器

3..只读存储器ROM

ROM和RAM都支持随机存取的存储器，ROM一旦有信息不会随断电丢失，结构简单，位密度比可读写存储器高，非易失性

掩膜式只读存储器（MROM）：写入后无法改变，可靠性高，集成度高，价格便宜，灵活性差

一次可编程只读存储器（PROM）：写入无法改变

可擦除可编程只读存储器（EPROM）：可以改写，全部擦出后编程，紫外线擦除和电擦除，写入时间长

闪速存储器（Flash Menory）：

固态硬盘（Solid State Drives）

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主存储器与CPU的连接

1.连接原理

• 主存储器通过数据总线，地址总线和控制总线与CPU连接，
• 数据总线的位数与工作频率的乘积正比于数据传输率
• 地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间
• 控制总线（写读）指出总线周期的类型和本次输入/输出操作完成的时刻

2.位扩展法

   对存储芯片扩位（即进位扩展，用多个存储器件对字长进行扩充，增加存储字长），使其扩展位数与CPU的数据线数相等。位扩展的连接方式是将多个存储芯片的地址端，片选端和读写控制端相应并联，数据端分析引出。

3.字扩展法

指增加存储器中字的数量，位数不变。字扩展将芯片的地址线，数据线，读写控制线相应并联，由片信号来区分各芯片的地址范围。

4.字位同时扩展法

即增加字数量，也增加字长；

5.存储芯片的地址分配和片选

CPu要实现对存储单元的访问，首先要选择存储芯片，即进行片选；，然后再为选中的芯片依地址码选择相应的存储单元，以进行数据数据的存取，即字选。

片内的字选通常是由CPU送出的N条低位地址线完成的，地址线直接接到所有存储芯片的地址输入端。

1）线选法

      用除片内寻址外的高位地址线直接分别接至各个存储芯片的片选端，片选地址线每次寻址时只能有一位有效，不允许同时多位有效；优点：不需要地址译码器，线路简单。缺点：地址空间不连续，选片的地址线必须分时为低电平，不能充分利用系统的存储空间，造成地址资源浪费。

2）译码片选法    

     用除片内寻址外的高位地址线通过地址译码器芯片产生片选信号。

6.存储器与CPU的连接

　１）　合理选择存储芯片

　　　存储芯片类型（RAM和ROM）和数量的选择。选择ROM存放系统程序，标准子程序和各类常数，RAM是为用户编程而设置的。

　２）地址线的选择

　　　存储容量不同地址线数不同，通常将CPU地址线得低位与存储芯片得地址相连接，，以选择芯片中的某一单元，

　３）数据线的连接

　　　CPU得数据线与存储芯片得数据线数不一定相等，想等时可以直接连接；不相等时必须对存储芯片扩位。

　４）读写命令线的连接

　　　一般可以直接与存储芯片得读写控制端相连，通常高电平为读，低电平为写

　５）片选线得连接

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双口RAM和多模块存储器

为提高CPU访问存储器的速度，可以采用双端口存储器，多模块存储器等技术，同属并行技术，前者空间并行，后者时间并行。

１.双端口RAM

   指同一个存储器有左右两个独立的端口，分别具有两组相互独立的地址线、数据线和读写控制线，允许俩个独立的控制器同时异步的访问存储单元，两个端口地址不同，两个端口上进行读写操作一定不会发生冲突。

两个端口同时存取存储器的同一地址单元时，就会因数据冲突造成数据存储或读取错误；

• 两个端口同时对同一地址单元写入数据，发生写入错误
• 两个端口同时对同一地址单元，一个写入，另一个读出数据，发生读出错误

2.多模块存储器

  1） 单体多字存储器

        特点：只有一个存储体，每个存储单元存储m个字，总线宽度为m个字，一次并行读出m个字，地址必须顺序排列并处于同一存储单元。

       单体多字系统在一个存取周期内，从同一地址取出m条指令，逐条将指令送至CPU执行，每隔1/m存取周期；

       缺点：指令和数据在主存内必须是连续存放的。

2）多体并行存储器

      由多体模块组成，每个模块都有相同的容量和存取速度，各模块都有独立的读写控制电路，地址寄存器和数据寄存器。

•  高位交叉编址：高位地址表示体号，低位地址为体内地址（顺序存储器）
• 低位交叉编址：低位地址为体号，高位为体内地址

模块字长等于数据总线宽度，模块存取一个字的存取周期T，总线传送周期为r，为实现流水线方式存取，存储器交叉模块数应大于等于：  m=T/r

m为交叉存取度，连续时间需要  T+（m+1)r .  顺序方式连续读取m各字需要mT

 模块序号=访问地址%存储器交叉模块数

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虚拟存储器

主存和联机工作的辅存构成了虚拟存储器，虚拟存储器是透明的。

                                            

3.段式虚拟存储器

   段式虚拟存储器中的段是按程序得逻辑结构划分的，各段长度因程序而异，把虚拟地址分为两部分：段号和段内地址。虚拟地址到实际地址之间的变换是由段表来实现的。段表是程序的逻辑段和在主存中存放地址的对照表。段表每一行记录了与某个段对应的段号，装入位，段起点和段长等信息。具有逻辑独立性，易于编译，管理，修改和保护，便于多道程序的共享。

5.快表TLB

  把经常访问的页表放在高速缓冲器组成的快表中，放在主存上的页表表示慢表，同时进行查找，

6.虚拟存储器与Cache比较

  不同：

• Cache主要解决系统速度，而虚拟存储器为了解决主存容量
• Cache全由硬件实现，是硬件存储，对程序员透明；虚拟存储器由OS和硬件共同实现，是逻辑上的存储器，对系统程序员不透明，对应用程序员透明。