层次结构存储系统（一）

层次结构存储系统

6.1 存储器概述

• 存储器分类
• 主存储器的组成和基本操作
• 存储器的主要性能指标
• 各类存储元件的特点

6.2 主存与CPU的连接及其读写

• 主存模块的连接和读写
• “装入”指令和“存储”指令操作过程

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本章主要介绍层次化存储结构的几类存储器的工作原理和组织形式，主要包括：半导体随机存取存储器，只读存储器，Flash存储器，磁盘存储器等不同类型存储器的特点，存储芯片和CPU连接，高速缓存的基本原理以及虚拟存储系统的实现技术等。

6.1 存储器概述

6.1.1 存储器的分类

• 按存储元件分类

  • 半导体存储器
  • 磁表面存储器
  • 光盘存储器

• 按存取方式分类

  • 随机存取存储器（RAM） 特点是按地址访问存储单元，因为每个地址译码时间相同，所以，在不考虑芯片内部缓冲的前提下，每个单元的访问时间是一个常数，与地址无关。存储介质是半导体存储器件

  • 顺序存取存储器（SAM）特点是信息按顺序存放和读出，其存取时间取决于信息存放位置，以记录块为单位编址。

  • 直接存取存储器（DAM）的存取方式兼有随机访问和顺序访问的特点。首先直接定位到需读写信息所在区域的开始处，然后按顺序方式存取。

  • 相联存储器 上述三类存储器都是按所需信息的地址访问，但有些情况下肯不知道所访问的信息的地址，只知道要访问信息的内容特征，此时，只能按内容检索到存储位置进行读写。这种存储器称为按内容访问存储器，也叫相联存储器。

• 按信息的可更改性

  • 读写存储器
  • 只读存储器（ROM）
    它们都采用随机存取的方式访问信息。

• 按断电后的可保存性

  • 非易失存储器
  • 易失性存储器

• 按功能

  • 高速缓冲存储器（cache） 位于主存和CPU之间，目前主要由静态RAM芯片组成，其存取速度接近CPU的工作速度，用来存放当前CPU经常使用到的指令和数据。

  • 主存储器 指令直接面向的存储器是主存储器。CPU执行指令时给出的存储地址最终必须转换为主存地址，若不采用虚拟存储器，则CPU直接给出主存地址。

  • 辅助存储器 系统运行时直接和主存交换设备的存储器称为辅助存储器，简称辅存。磁盘存储器比磁带和光盘存储器速度快。

  • 海量后备存储器 磁带存储器和光盘存储器容量大，速度慢，主要用于信息备份和脱机存档。

6.1.2 主存储器的组成和基本操作

如图所示是主存储器的基本框图。其中一个个存储0或1的记忆单元（cell）构成的存储序列
是存储器的核心部分。这种记忆单元也称为存储体、存储矩阵。

主存储器的基本框图

为了存取存储体中的信息，必须对存储单元编号，所编号码就是地址。编制单元是指那些具有相同地址的那些位元构成的一个单位，可以是一个字节或者一个字。对各存储单元进行编号的方式称为编址方式，可以按字节编址，也可以按字编址。现在大多数通用计算机都采用字节编址方式，此时，存储体内一个地址中有一个字节。

如图所示，指令执行过程中需要访问主存时，CPU首先把需访问单元的地址送到主存中的地址寄存器，以便地址译码器进行译码后选中相应单元。同时，CPU将读/写控制信号通过控制线送到主存的读写控制电路。

• 如果是写操作，CPU同时将要写的信息送主存数据寄存器中。在读写控制电路的控制下，经数据线将信息写入选中的单元。
• 如果是读操作，则主存读出选中单元的内容送数据线，然后送到MDR中。数据线的读写宽度与MDR的宽度相同，地址线的宽度与MAR的宽度相同。

图中采用64位数据线，因此，在字节编址方式下，每次最多可以存取8个字节的内容。地址线的位数决定了主存地址空间的最大可寻址范围。例如，36位地址的最大可寻址范围为0~2^36-1。

6.1.3 存储器的主要性能指标

• 存储器速度：可用访问时间、存储周期或存储器带宽来表示

• 存储周期：存储器进行一次读写操作所需要的全部时间

• 存储器带宽：表示存储器被连续访问时可以提供的数据传送速率，通常用每秒钟传送信息的位数（或字节数）来衡量。

6.1.4 各类存储元件的特点

• 半导体器件

  • 随机存取存储器（RAM）
    • 静态RAM（SRAM）
    • 动态RAM（DRAM）
  • 只读存储器（ROM）
    • 不可在线改写内容的ROM
    • 闪存（Flash ROM）

• 磁表面存储器
  信息的存取主要由磁层和磁头来完成。磁层是存放信息的介质，磁头是实现“磁-电”和“电-磁”转换的元件。磁表面存储器读写时，一般使用磁头固定，而磁层做高速回转或匀速直线运动。在这种相对运动中，通过磁头进行信息存取。因此，其信息存取过程属于机械运动，速度很慢。

6.1.5 存储器的层次存储结构

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数据使用时一般只在相邻两层之间复制传送，而且总是从慢速存储器复制到快速存储器。传送的单位是一个定长块，因此需要确定定长块的大小，并且在相邻两层间建立块之间的映射关系。

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6.2 主存与CPU的连接及其读写操作

6.2.1 主存模块的连接和读写操作

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