计算机组成原理（八）

存储器系统

计算机硬件系统

存储器作用（主存储器）

• 计算机用来存放程序和数据的部件，是Von Neumam结构计算机的重要组成，是计算机的中心。
• 存储程序使计算机走向通用
• 程序和数据的特点（由程序和数据组成）
  源程序，汇编程序，机器语言程序
  各种类型的数据
  共同点：二进制数据

对存储介质的基本要求（什么能做存储器）

• 能够有两个稳定状态来表示二进制的“0”和“1”
• 容易识别（读）
• 两个状态能方便的进行转换（写）
• 几种常见的存储方式
  磁颗粒，半导体（电平/电容），光

早期存储器

• 水银延迟线
  存储原理：水波
• 磁芯存储器

半导体存储器

• 存储原理
  MOS管寄生电容（DRAM）
  触发器（SRAM）
• 访问机制
  随机访问
• 分类
  ROM,RAM
  SRAM,DRAM

现代计算机存储系统

寄存器 register
高速缓存 cache
主存储器 main memory
磁盘 disk
磁带 tape
光盘 compact disc

存储器系统设计目标

• 尽可能快的存储速度
  应能基本满足CPU对数据的访问要求
• 尽可能大的存储空间
  可以满足程序对存储空间的要求
• 尽可能低的单位成本（价格/位）
  用户能够承受的范围之内
• 较高的可靠性

为什么设计存储器系统

单一存储器满足不了这些需求

微电子技术发展趋势

	容量	速度
逻辑电路	2倍/3年	2倍/3年
DRAM	4倍/3年	2倍/10年
磁盘	4倍/3年	2倍/10年

DRAM

year	size	cycle time
1980	64KB	250ns
1983	256KB	220ns
1986	1MB	190ns
1989	4MB	165ns
1992	16MB	145ns
1995	64MB	120ns

存储器设计目标

• 目标
  大容量，高速度，低成本，高可靠性
• 目前现实
  大容量存储设备速度慢
  块存储器容量小
• 如何实现我们的目标
  层次存储器技术
  采用并行

层次存储器系统

• 高速度
  静态存储器速度高
  设置较小容量的高速缓冲区
• 大容量
  动态存储器价格适中，速度适中
  可作为主存储器
• 低成本
  磁盘存储器价格低廉
  作为辅助存储器，暂存CPU访存频率不高的数据和程序
  作为虚拟存储器的载体
  每一部分都能完成其中的一个任务

程序运行的局部性原理

程序运行的局部性原理体现在：
在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很有可能再次被访问
在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一片存储区
在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大（大约5：1）
合理的把程序和数据分配在不同存储介质中

层次之间应满足的原则

1. 一致性原则：处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值
2. 包含性原则：处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之不成立。

利用程序的局部性原理

以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间
以最快速的技术实现高速存储空间访问