《存儲器技術》課件

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1、第 5章 存 儲 器 技 術CPU與 存 儲 器 的 連 接隨 機 存 取 存 儲 器現(xiàn) 代 微 機 的 存 儲 體 系存 儲 器 概 述 5.1 存 儲 器 概 述5.1.1. 存 儲 器 的 分 類5.1.2 存 儲 器 的 性 能 指 標5.1.3 存 儲 器 系 統(tǒng) 的 結 構 5.1.1 存 儲 器 的 分 類u 按 構 成 存 儲 器 的 介 質 分 類u 按 存 取 方 式 分 類u 按 在 計 算 機 中 的 作 用 分 類 u 按 制 造 工 藝 分 類從 不 同 角 度 進 行 分 類 1 按 構 成 存 儲 器 的 介 質 分 類u 磁 芯 存 儲 器u 半 導 體 存

2、儲 器u 光 電 存 儲 器u 磁 膜 、 磁 泡 和 其 它 磁 表 面 存 儲 器u 光 盤 存 儲 器 等 1 按 構 成 存 儲 器 的 介 質 分 類v磁 芯 存 儲 器 體 積 大 、 成 本 高 、 工 藝 復 雜 ， 現(xiàn) 已 完 全 淘 汰 。v磁 表 面 介 質 和 光 電 技 術 實 現(xiàn) 的 存 儲 器 存 儲 容 量 大 、 訪 問 速度 較 慢 、 信 息 不 易 丟 失 ， 常 用 于 計 算 機 的 外 存 儲 器 。v半 導 體 存 儲 器 由 于 采 用 大 規(guī) 模 和 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 工 藝 制造 ， 具 有 體 積 小 、 質 量 小 、 成

3、 本 低 等 一 系 列 優(yōu) 點 而 使 它 成為 微 型 計 算 機 中 的 主 要 存 儲 器 件 。v本 章 主 要 討 論 半 導 體 存 儲 器 。 2 按 存 取 方 式 分 類半 導 體 存 儲 器 隨 機 讀 寫 存 儲 器 （ RAM）只 讀 存 儲 器（ ROM） 靜 態(tài) RAM（ SRAM）動 態(tài) RAM（ DRAM）掩 膜 ROM可 編 程 ROM（ PROM）可 擦 除 PROM（ EPROM）電 可 擦 除 PROM（ E 2PROM）快 擦 型 ROM（ Flash Memory ） RAM和 ROM（ 1） 隨 機 讀 寫 存 儲 器 RAMv 信 息 可 以

4、隨 時 寫 入 或 讀 出v 關 閉 電 源 后 所 存 信 息 將 全 部 丟 失v 靜 態(tài) RAM采 用 雙 穩(wěn) 電 路 存 儲 信 息 ， 動 態(tài) RAM是 以 電 容 上 的 電 荷 存 儲 信 息 。v 靜 態(tài) RAM速 度 更 快 ， 而 動 態(tài) RAM的 集 成 度 更 高 、 功 耗 和 價 格 更 低 ， 動 態(tài) RAM必 須 定 時 刷 新 。（ 2） 只 讀 存 儲 器 ROMv ROM是 一 種 在 工 作 過 程 中 只 能 讀 不 能 寫 的 非 易 失 性 存 儲 器 v 掉 電 后 所 存 信 息 不 會 丟 失 3 按 在 計 算 機 中 的 作 用 分 類

5、v 主 存 儲 器 主 存 或 內 存 ， 主 要 用 來 存 放 活 躍 的 程 序 和 數 據 ， CPU可 以直 接 對 其 進 行 讀 /寫 操 作 。 v 輔 助 存 儲 器 外 存 ， 其 容 量 大 ， 成 本 低 ， 主 要 用 來 存 放 目 前 不 活 躍 的 程序 和 數 據 ， CPU對 其 進 行 的 讀 寫 操 作 必 須 通 過 內 存 才 能 進 行 。v 緩 沖 存 儲 器 緩 存 ， 位 于 主 存 與 CPU之 間 ， 其 存 取 速 度 非 常 快 ， 但 存 儲容 量 小 ， 主 要 是 完 成 主 存 和 CPU之 間 的 速 度 匹 配 。 4 按

6、 制 造 工 藝 分 類 v 雙 極 型 讀 寫 速 度 快 ， 集 成 度 低 ， 功 耗 大 ， 價 格 偏 高 。 常 用 于 計 算機 中 的 小 容 量 高 速 緩 存 或 一 些 要 求 速 度 高 或 容 量 小 的 微 機 中 。 v 金 屬 氧 化 物 半 導 體 型 存 取 速 度 較 慢 ， 集 成 度 高 ， 功 耗 低 ， 價 格 便 宜 ， 常 用 來 制作 多 種 半 導 體 存 儲 器 。 5.1.2 存 儲 器 的 主 要 性 能 指 標 存 儲 容 量 存 取 時 間 功 耗 可 靠 性 集 成 度 性 能 /價 格 比 (1) 用 單 元 數 位 數 表

7、示 ， 以 位 為 單 位 (2) 用 字 節(jié) 數 表 示 容 量 ， 以 字 節(jié) 為 單 位 主 要 性 能 指 標v 存 儲 容 量 ： (1) 用 單 元 數 位 數 表 示 ， 以 位 為 單 位 。 如 1K 4 位 (2) 用 字 節(jié) 數 表 示 容 量 ， 以 字 節(jié) 為 單 位 ， 如 128B v 存 取 時 間 從 CPU給 出 有 效 的 存 儲 地 址 到 存 儲 器 給 出 有 效 數 據 所 需 的 時 間v 功 耗 功 耗 反 映 了 存 儲 器 耗 電 的 多 少 ， 同 時 也 相 應 地 反 映 了 發(fā) 熱 程 度 （ 溫 度 會 限制 集 成 度 的 提

8、高 ） 。 v 可 靠 性 指 存 儲 器 對 外 界 電 磁 場 及 溫 度 等 變 化 的 抗 干 擾 能 力 。 v 集 成 度 集 成 度 指 在 一 塊 存 儲 芯 片 內 能 集 成 多 少 個 基 本 存 儲 電 路 。v 性 能 價 格 比 性 能 價 格 比 (簡 稱 性 價 比 )是 衡 量 存 儲 器 經 濟 性 能 好 壞 的 綜 合 指 標 。 5.1.3 存 儲 器 系 統(tǒng) 的 結 構 基 本 存 儲 單 元 存 儲 體 地 址 譯 碼 電 路 片 選 與 讀 寫 控 制 電 路 I/O電 路 集 電 極 開 路 或 三 態(tài) 輸 出 緩 沖 器 其 它 外 圍 電

9、路 存 儲 器 系 統(tǒng) 結 構 示 意 圖 CBAB DB地址鎖存 地 址譯 碼 存 儲 體（ 矩 陣 ） 數 據緩 沖讀 寫 控 制 存 儲 器 系 統(tǒng) 結 構1.存 儲 體 由 若 干 個 基 本 存 儲 電 路 按 一 定 的 規(guī) 則 排 列 起 來 ， 構 成 存 儲 體2 地 址 譯 碼 電 路 對 CPU送 來 的 地 址 信 息 進 行 譯 碼 ， 選 中 片 內 某 一 存 儲 單 元 ， 在 讀 /寫信 號 的 作 用 下 對 該 單 元 進 行 讀 寫 。 有 兩 種 方 式 ， 即 單 譯 碼 與 雙 譯 碼 。3 片 選 與 讀 寫 控 制 電 路 接 收 片 選 信

10、號 及 來 自 CPU的 讀 /寫 控 制 信 號 ， 形 成 芯 片 內 部 控 制 信 號4 數 據 緩 沖 器 用 于 暫 時 存 放 來 自 CPU的 寫 入 數 據 或 從 存 儲 體 內 讀 出 的 數 據 。 5 地 址 鎖 存 器 鎖 存 地 址 信 息 并 交 地 址 譯 碼 器 ， 空 出 總 線 為 即 將 傳 送 數 據 作 準 備 。 A7A0A1 25510 存 儲 器地址譯碼器 4位I/O 0 I/O3數 據 緩 沖 器控 制電 路 A5 A6 A7 A8 A9 Y31Y0 Y1 A0A1A2A3A4 Y譯 碼 器X譯碼器 32 32存 儲 矩 陣1K 1 數據緩

11、沖器控 制電 路 X0X1 I/O（ 1位 ）X2X31單 譯 碼 方 式 雙 譯 碼 方 式 256 4位 的 存 儲 芯 片 1K 1的 存 儲 芯 片 單 譯 碼 與 雙 譯 碼 第 5章 存 儲 器 技 術CPU與 存 儲 器 的 連 接隨 機 存 取 存 儲 器現(xiàn) 代 微 機 的 存 儲 體 系存 儲 器 概 述 5.2 隨 機 讀 寫 存 儲 器 RAM5.2.1 靜 態(tài) RAM5.2.2 動 態(tài) RAM 5.2.1 靜 態(tài) RAM 基 本 存 儲 單 元 工 作 過 程 靜 態(tài) RAM芯 片 Intel2114 T3、 T4是 負 載 管 ， T1、 T2為 工 作 管 ， T5

12、、 T6、 T7、T8是 控 制 管 。該 電 路 有 兩 種 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ： T1截 止 ， T2導 通 為 狀 態(tài) “ 1” ；T 2 截 止 ， T 1 導 通 為 狀 態(tài)“ 0” 。 X地 址 選 擇 Y地 址 選 擇 T 8B T7 A T6 T5 T2 T1 T4 T3VCC 所 有 存 儲 元共 用 此 電 路 靜 態(tài) RAM的 基 本 存 儲 電 路I/O I/O 1 基 本 存 儲 單 元 2 工 作 過 程讀 操 作 ：T5、 T6、 T7、 T8均 導 通 ， A點 與 B點 分 別 通 過 T5、 T6管與 及 相 通 ， 及 又 進 一 步 通 過 T7、 T8管

13、 與 及 線 相 通 ， 即 將 電 路 的 狀 態(tài) 傳 送 到 及 線 上 。由 其 電 流 方 向 或 電 流 有 無 即 可 判 定 該 電 路 存 儲 的 信 息是 “ 1” 還 是 “ 0” ； 寫 操 作 ：寫 入 信 號 從 線 及 線 輸 入 ， 如 要 寫 入 “ 1” ， 則 線 為 高 電 平 ， 而 線 為 低 電 平 ， 它 們 通 過 T7、 T8管 和 T5、 T6管 分 別 與 A端 和 B端 相 連 ， 使 A=“1”， B=“0”，即 強 迫 T2管 導 通 ， Tl管 截 止 ， 相 當 于 把 輸 入 電 荷 存 儲 于Tl和 T2管 的 柵 級 。 0

14、D D0 O/IO/I 0D D0 O/I O/IO/IO/IO/I O/I接 X地 址 譯 碼 3 靜 態(tài) RAM芯 片 Intel2114 v 常 用 的 SRAM芯 片 有 2114（ 1K 4） 、 2142（ 1K 4） 、 6116（ 2K 8） 、6232（ 4K 8） 、 6264（ 8K 8） 、 和 62256（ 32K 8） 等 。WECS符 號 名 稱 功 能 說 明A 0A9 地 址 線 接 地 址 總 線 ， 用 來 對 某 存 儲 單 元 尋 址I/O1I/O4 雙 向 數 據 線 用 于 數 據 的 寫 入 和 讀 出片 選 線 低 電 平 時 ， 選 中 該

15、芯 片寫 允 許 線 VCC 電 源 線 5VCS =0時 寫 入 數 據 ；WE=0，Intel 2114芯 片 引 腳 功 能 123456 789 18171615 14131211 10A1A2 A3A4A5A6A0 CSGND VCCA7A8A 9I/O1I/O2I/O 3I/O4WE 引 腳 圖 Intel 2114的 工 作 時 序 D恢 復 時 間 CB A 片 選 有 效 后讀 取 時 間 下 一 周 期地 址 有 效 后讀 取 時 間 讀 周 期 讀 信 號地 址片 選數 據 輸 出 讀 操 作 時 序 Intel 2114的 工 作 時 序 寫 操 作 時 序 寫 脈 沖

16、 寬 度 數 據 有 效時 間 恢 復 時 間地 址 建 立時 間 CB DA 下 一 周 期寫 周 期寫 信 號地 址片 選數 據 輸 出 5.2.2 動 態(tài) RAM 單 管 DRAM的 基 本 存 儲 電 路 動 態(tài) RAM的 結 構 動 態(tài) RAM的 刷 新 動 態(tài) RAM芯 片 Intel2164A 讀 出 再 生 放 大 器T2列 選 擇 線 Y C T1 行 選 擇 線 X數 據 I/O線 T2為 一 列 基 本 存 儲單 元 電 路 上 共 有 的控 制 管 。電 容 C有 電 荷 表 示 “ 1” ， 無電 荷 表 示 “ 0” 。 若 地 址 經譯 碼 后 選 中 行 選 線

17、 X及 列 選線 Y， 則 T1、 T2同 時 導 通 ，可 對 該 單 元 進 行 讀 /寫 操 作 。1 單 管 DRAM的 基 本 存 儲 電 路 2 動 態(tài) RAM的 結 構A0A9 A 5A9 A0A4 數據線 Y1 行 時 鐘 數 據 線T 讀 出 放 大C C 讀 出 放 大C CT TT行地址譯碼 列時鐘發(fā)生器數據緩沖讀寫控制 列 地 址 譯 碼列 地 址 鎖 存 行時鐘發(fā)生器Y32 X1X32 列 時 鐘 行地址鎖存D 地 址 多路 開 關 RAM控制邏輯W RASCAS 3 動 態(tài) RAM的 刷 新 刷 新 請 求CLK地 址 多路 開 關刷 新定 時 刷 新 地址 計 數

18、 控 制邏 輯 刷 新 周 期 刷 新 地 址地 址 總 線 刷 新 時高 阻 態(tài) DRAMCLK1對 DRAM的 刷 新是 按 行 進 行 的 ，只 要 在 刷 新 時 限2ms中 對 DRAM系統(tǒng) 進 行 逐 行 選 中 ，就 可 實 現(xiàn) 全 面 刷新 。 RAS 4 動 態(tài) RAM芯 片 Intel2164AvIntel2164A是 64K 1b的 動 態(tài) RAM存 儲 器 芯 片 芯 片 的 引 腳 123 456 78 9101112 131415 16N/CDINWE RASA0A 2A1V DD VSSCASD OUTA6 A5A4A3A7 Intel 2164A的 工 作 時

19、序 地 址WE DOUT 有 效 數 據 輸 出 RASCAS 高 阻 狀 態(tài) 列 地 址行 地 址 tRAS tCACtRAC tASR tASC 讀 操 作 時 序 Intel 2164A的 工 作 時 序寫 操 作 時 序 RASCAS 地 址WE DIND OUT 高 阻 狀 態(tài) 列 地 址 tRAS tASR tASC行 地 址 t WCS tDHt DS Intel 2164A的 工 作 時 序刷 新 操 作 時 序 RASCAS 地 址 行 地 址DOUT tRAStCRF tASR 第 5章 存 儲 器 技 術CPU與 存 儲 器 的 連 接隨 機 存 取 存 儲 器現(xiàn) 代 微

20、 機 的 存 儲 體 系存 儲 器 概 述 5.3 CPU與 存 儲 器 的 連 接 5.3.1 RAM的 擴 展5.3.2 存 儲 器 的 譯 碼 5.3.1 RAM的 擴 展 位 擴 展 字 擴 展 字 位 同 時 擴 展 1. 位 擴 展位 擴 展 是 指 存 儲 芯 片 的 單 元 數 （ 即 尋 址 空 間 ） 滿 足 要 求 而 I/O位數 不 夠 ， 需 多 片 存 儲 芯 片 實 現(xiàn) 指 定 位 數 的 數 據 I/O。位 擴 展 的 特 點 ： 每 個 存 儲 芯 片 的 地 址 線 和 控 制 線 （ 包 括 片 選 信 號 線 、 讀 寫信 號 線 等 ） 并 聯(lián) 在 一

21、 起 ， 以 保 證 對 每 個 芯 片 及 內 部 存 儲 單 元 的同 時 選 中 。 數 據 線 分 別 連 至 數 據 總 線 的 不 同 位 上 ， 以 保 證 通 過 數 據 總 線一 次 可 訪 問 到 指 定 位 數 數 據 。 1. 位 擴 展例 1： 用 1K 4的 Intel2114芯 片 構 成 lK 8的 存 儲 器 系 統(tǒng) 。 1. 位 擴 展 A11A10 譯碼器 A9A9 A0A0WR WEI/O I/OCS2114 (1).D 0D3D 4D7 A9A 0WEI/O I/O CS2114 (2). . . . . . . . . .8088 Y0M/IO硬 件

22、 連 線 1. 位 擴 展 地 址 分 配 2. 字 擴 展例 2： 用 2K 8的 Intel2716 ROM芯 片 組 成 8K 8的 存 儲 器 系 統(tǒng) 。 適 用 于 存 儲 芯 片的 I/O位 數 滿 足要 求 而 尋 址 空 間不 夠 的 情 況 2. 字 擴 展 A10A0OE O0O7 M/IO8088 A12A11A10A 0RDD0D 7 2176 (1)CE A10A0OEO0O 7 2176 (2)CE A10A0OEO0O 7 2176 (3)CE A10A0OEO0O 7 2176 (4)CE Y3Y2Y1Y0譯碼器 . . . . . . .71 712716 7

23、1 硬 件 連 線 2. 字 擴 展地 址 分 配 3. 字 位 同 時 擴 展當 存 儲 器 芯 片 的 單 元 數 和 I/O位 數 均 不 符 合 存 儲 器 系 統(tǒng) 的 要求 ， 就 需 要 用 多 片 這 樣 的 芯 片 同 時 進 行 字 擴 展 和 位 擴 展 ， 以滿 足 系 統(tǒng) 的 要 求 。 例 3： 用 1K 4的 2114芯 片 組 成 2K 8的 存 儲 器 系 統(tǒng) 。 3. 字 位 同 時 擴 展硬 件 連 線 3. 字 位 同 時 擴 展地 址 分 配 5.3.2 存 儲 器 的 譯 碼v存 儲 器 與 地 址 總 線 的 連 接 ， 包 括 兩 方 面 內 容

24、： 一 是 高 位 地址 線 譯 碼 ， 用 以 選 擇 存 儲 芯 片 ； 二 是 低 位 地 址 線 連 接 ， 用以 通 過 片 內 地 址 譯 碼 器 選 擇 存 儲 單 元 。 全 譯 碼 法 部 分 譯 碼 法 線 選 法 1 全 譯 碼 法 全 譯 碼 法 是 指 將 地 址 總 線 中 除 片 內 地 址 以 外 的 全 部 高 位 地址 接 到 譯 碼 器 的 輸 入 端 參 與 譯 碼 。特 點v采 用 全 譯 碼 法 ， 每 個 存 儲 單 元 的 地 址 都 是 唯 一 的 ， 不 存 在地 址 重 疊 ， 但 譯 碼 電 路 較 復 雜 ， 連 線 也 較 多 。v當

25、 存 儲 器 容 量 小 于 可 尋 址 的 存 儲 空 間 時 ， 可 從 譯 碼 器 輸 出線 中 選 出 連 續(xù) 的 幾 根 作 為 片 選 控 制 ， 多 余 的 令 其 空 閑 ， 以便 需 要 時 擴 充 。 全 譯 碼 結 構例 1： 設 CPU尋 址 空 間 為 64KB（ 地 址 總 線 為 16位 ） ， 存 儲器 由 8片 容 量 為 8KB的 芯 片 構 成 。 2 部 分 譯 碼 法 部 分 譯 碼 法 是 將 高 位 地 址 線 中 的 一 部 分 （ 而 不 是 全 部 ） 進行 譯 碼 ， 產 生 片 選 信 號 。 該 方 法 常 用 于 不 需 要 全 部

26、地 址 空間 的 尋 址 能 力 ， 但 采 用 線 選 法 地 址 線 又 不 夠 用 的 情 況 。特 點v采 用 部 分 譯 碼 法 時 ， 由 于 未 參 加 譯 碼 的 高 位 地 址 與 存 儲 器地 址 無 關 ， 因 此 存 在 地 址 重 疊 問 題 。v當 選 用 不 同 的 高 位 地 址 線 進 行 部 分 譯 碼 時 ， 其 譯 碼 對 應 的地 址 空 間 不 同 。 Y1Y0Y2Y3A14A13 2-4譯 碼 器 8K B（ 1）CS 8K B（ 4）CS8K B（ 2）CS 8K B（ 3）CSA15（ 不 參 加 譯 碼 ）A0 A12 部 分 譯 碼 法 結

27、 構 部 分 譯 碼 結 構例 2： CPU地 址 總 線 為 16位 ， 存 儲 器 由 4片 容 量 為 8KB的 芯 片 構成 時 ， 采 用 部 分 譯 碼 法 尋 址 32KB。 3 線 選 法 線 選 法 是 指 高 位 地 址 線 不 經 過 譯 碼 ， 直 接 作 為 存 儲 芯 片 的片 選 信 號 。特 點 ：v每 根 高 位 地 址 線 接 一 塊 芯 片 ， 用 低 位 地 址 線 實 現(xiàn) 片 內 尋 址 。v結 構 簡 單 ， 但 地 址 空 間 浪 費 大 ， 整 個 存 儲 器 地 址 空 間 不 連 續(xù) ，而 且 由 于 部 分 地 址 線 未 參 加 譯 碼

28、， 還 會 出 現(xiàn) 地 址 重 疊 。 A0 A10 （ 1）2K BCS （ 4）2K BCS（ 2）2K BCS （ 3）2K BCS1 1 1 1A11A 12A13A14 線 選 法 結 構 線 選 法 結 構例 3： 假 定 某 微 機 系 統(tǒng) 的 存 儲 容 量 為 8KB， CPU尋 址 空 間 為 64KB（ 即地 址 總 線 為 16位 ） ， 所 用 芯 片 容 量 為 2KB（ 即 片 內 地 址 為 11位 ） 。 綜 合 應 用 舉 例例 4 請 將 SRAM 6264芯 片 （ 8K 8） 與 系 統(tǒng) 連 接 ， 使 其 地 址范 圍 為 ： 38000H 39FF

29、FH和 78000H 79FFFH。 假 設 用74LS138譯 碼 器 構 成 譯 碼 電 路 。 硬 件 連 線綜 合 應 用 舉 例 地 址 碼 地 址 范 圍A19 A18 A17 A13 A12 A00 0 1 1 1 0 0 全 0 全 1 38000H 39FFFH0 1 1 1 1 0 0 全 0 全 1 78000H 79FFFH地 址 分 配 綜 合 應 用 舉 例 第 5章 存 儲 器 技 術CPU與 存 儲 器 的 連 接隨 機 存 取 存 儲 器現(xiàn) 代 微 機 的 存 儲 體 系存 儲 器 概 述 5.4 現(xiàn) 代 微 機 的 存 儲 體 系5.4.1 Cache-主

30、存 存 儲 層 次5.4.2 主 輔 存 存 儲 體 系5.4.3 并 行 主 存 系 統(tǒng) 及 新 型 RAM 5.4.1 Cache-主 存 存 儲 層 次v用 高 速 的 靜 態(tài) RAM組 成 小 容 量 的 存 儲 器 ， 稱 作 高 速 緩 沖存 儲 器 Cache。 主 存 數 據 總 線CPU 主 存地 址寄 存器 MA 替 換 控 制 部 件主 存 -Cache地 址 變 換機 構 Cache地 址寄 存器 Cache存 儲 體 多 字 寬 地 址 總 線 不命中 命 中 單 字 寬 5.4.1 Cache-主 存 存 儲 層 次v如 何 工 作 ？ CPU訪 問 存 儲 器 時

31、 送 出 訪問 主 存 單 元 的 地 址 ， 由地 址 總 線 傳 送 到 Cache控制 器 中 的 主 存 地 址 寄 存器 MA， 主 存 Cache地 址變 換 機 構 從 MA獲 取 地 址并 判 斷 該 單 元 內 容 是 否已 經 在 Cache中 ， 即 判 別是 否 命 中 。 若 命 中 ， 則 將 訪 問 地 址 變換 成 在 Cache中 的 地 址 ，然 后 訪 問 Cache。若 Cache已 被 裝 滿 ， 則 需要 在 替 換 控 制 部 件 的 控 制下 完 成 替 換若 不 命 中 ， 則 CPU轉 去 訪問 主 存 ， 并 將 包 含 該 存 儲單 元

32、的 信 息 裝 入 Cache。 v為 了 把 信 息 裝 入 Cache中 ， 必 須 應 用 某 種 函 數 把 主 存 地 址映 像 到 Cache中 定 位 ， 稱 作 地 址 映 像 。v當 信 息 按 這 種 映 像 關 系 裝 入 Cache后 ， 執(zhí) 行 程 序 時 ， 應 將主 存 地 址 變 換 為 Cache地 址 ， 這 個 變 換 過 程 成 為 地 址 變 換 。v與 主 存 容 量 相 比 ， Cache的 容 量 很 小 ， 它 所 保 存 的 信 息 僅是 主 存 信 息 的 一 個 子 集 ， 因 此 通 常 若 干 個 主 存 地 址 將 映 像同 一 個

33、 Cache地 址 。 直 接 映 像 方 式 全 相 聯(lián) 映 像 方 式 級 相 聯(lián) 映 像 方 式Cache-主 存 的 地 址 映 像 1 直 接 映 像 方 式v每 個 主 存 地 址 映 像 到 Cache中 的 一 個 指 定 的 地 址 v將 主 存 空 間 按 Cache的 尺 寸 分 區(qū) ， 每 區(qū) 內 相 同 的 塊 號 映 像到 Cache中 相 同 的 塊 位 置 。 v直 接 映 像 是 一 種 最 簡 單 的 地 址 映 像 方 式 ， 它 的 地 址 變 換 速度 快 ， 而 且 不 涉 及 其 他 兩 種 映 像 方 式 中 的 替 換 策 略 問 題 。但 是

34、 這 種 方 式 的 塊 沖 突 概 率 較 高 ， 當 程 序 往 返 訪 問 兩 個 相互 沖 突 的 塊 中 的 數 據 時 ， Cache的 命 中 率 將 急 劇 下 降 。 例 若 Cache被 分 為 2N塊 ，主 存 被 分 為 同 樣 大 小 的2M塊 ， 主 存 與 Cache中塊 的 對 應 關 系 可 用 映 像函 數 表 示 ： j = i mod 2N。 式 中 ， j是 Cache中 的 塊號 ， i是 主 存 中 的 塊 號 。 Cache 主 存第 0 塊第 1 塊 2N-1塊2N 塊 2N+1-1塊 第 0 塊第 1 塊 2N-1塊 . . . . 第 1區(qū)

35、 第 2區(qū) 2 全 相 聯(lián) 映 像 方 式v主 存 中 的 每 一 個 字 塊 可 映 像 到 Cache任 何 一 個 字塊 位 置 上 。v只 有 當 Cache中 的 塊 全 部 裝 滿 后 才 會 出 現(xiàn) 塊 沖 突 ，所 以 塊 沖 突 的 概 率 低 ， 可 達 到 很 高 的 Cache命 中率 ， 但 實 現(xiàn) 很 復 雜 。v當 訪 問 一 個 塊 中 的 數 據 時 ， 塊 地 址 要 與 Cache塊表 中 的 所 有 地 址 進 行 比 較 以 確 定 是 否 命 中 ， 查 找速 度 慢 。 另 外 在 出 現(xiàn) 沖 突 時 ， 替 換 問 題 比 較 復 雜 。 例 C

36、ache第 0 塊 第 1 塊 2N-1 塊 . 主 存第 0 塊 第 1 塊 2M-1塊 . . 3 組 相 聯(lián) 映 像 方 式v組 相 聯(lián) 映 像 方 式 是 全 相 聯(lián) 映 像 方 式 與 直 接 映 像 方 式 的 折 衷方 案 。 v將 存 儲 空 間 分 為 若 干 組 ， 各 組 之 間 是 直 接 映 像 ， 而 組 內 各塊 之 間 則 是 全 相 聯(lián) 映 像 。v組 相 聯(lián) 方 式 在 判 斷 塊 命 中 及 替 換 算 法 上 都 要 比 全 相 聯(lián) 方 式簡 單 ， 塊 沖 突 的 概 率 比 直 接 映 像 的 低 ， 其 命 中 率 也 介 于 直接 映 像 和 全

37、 相 聯(lián) 映 像 方 式 之 間 。 例 主 存第 0 塊 第 2k-1塊第 0 塊第 2k-1塊 第 2N-1塊 . . . .第 2k塊. . 第 2M-1塊 第 2k 塊. . . 第 0 組 第 1 組 第 2M-R組 第 0 組 第 1 組 第 2C 組 替 換 策 略1 先 進 先 出 算 法 FIFO（ First In First Out）v按 調 入 Cache的 先 后 決 定 淘 汰 的 順 序 。v替 換 時 ， 將 最 先 調 入 Cache的 頁 面 內 容 予 以 淘 汰 。v易 實 現(xiàn) ， 系 統(tǒng) 開 銷 少 ， 只 需 利 用 主 存 中 頁 面 調 度 的

38、歷 史 信 息 。v但 該 算 法 不 一 定 合 理 。2 近 期 最 少 使 用 算 法 LRU（ Least Recently Used）v按 Cache中 各 頁 面 使 用 的 頻 繁 程 度 決 定 淘 汰 的 順 序 。v替 換 時 ， 將 在 最 近 一 段 時 間 內 使 用 最 少 的 頁 面 內 容 予 以 淘 汰 。v充 分 利 用 了 頁 面 調 度 的 歷 史 信 息 。v該 算 法 實 現(xiàn) 復 雜 。 5.4.2 主 輔 存 存 儲 層 次 主 存 的 特 點 ： 由 半 導 體 器 件 構 成 的 主 存 ， 其 速 度 遠 高 于 磁 表面 存 儲 器 ， 但

39、 價 格 要 高 數 十 倍 ， 容 量 也 小 得 多 ， 且 掉 電 后 信息 即 丟 失 ， 因 此 只 能 用 來 存 儲 一 些 CPU所 執(zhí) 行 的 程 序 和 數 據 。 輔 存 的 特 點 ： 輔 存 一 般 為 磁 表 面 存 儲 器 和 光 存 儲 器 ， 成 本 低 、容 量 大 、 速 度 慢 ， 掉 電 后 信 息 不 會 丟 失 ， 但 不 能 被 CPU直 接訪 問 。 因 此 ， 它 主 要 用 來 存 儲 大 量 的 待 用 程 序 、 數 據 文 件 等 。 結 合 ： 當 CPU執(zhí) 行 某 程 序 時 ， 在 存 儲 管 理 軟 件 和 有 關 硬 件 的

40、支 持 下 ， 把 有 關 程 序 加 載 至 主 存 ， 再 由 CPU從 主 存 讀 出 執(zhí) 行 。這 樣 ， 通 過 將 軟 件 和 硬 件 結 合 ， 把 主 存 和 輔 存 統(tǒng) 一 做 成 了 一個 整 體 ， 就 形 成 了 一 個 主 輔 存 層 次 結 構 的 存 儲 體 系 。 虛 擬 存 儲 器v虛 擬 存 儲 器 是 建 立 在 主 輔 存 物 理 結 構 基 礎 之 上 ，由 附 加 硬 件 裝 置 及 操 作 系 統(tǒng) 存 儲 管 理 軟 件 組 成 的一 種 存 儲 體 系 ， 它 將 主 存 和 輔 存 的 地 址 空 間 統(tǒng) 一編 址 ， 形 成 一 個 龐 大

41、的 存 儲 空 間 。 v 虛 地 址 和 實 地 址 用 戶 編 程 時 指 令 地 址 允 許 涉 及 輔 存 大 小 的 空 間 范 圍 ，這 種 指 令 地 址 稱 為 “ 虛 地 址 ” 實 際 的 主 存 儲 器 單 元 的 地 址 則 稱 為 “ 實 地 址 ” 5.4.3 并 行 主 存 系 統(tǒng) 及 新 型 RAMv采 用 字 長 W位 的 n個 容 量 相 同 的 存 儲 器 并 行 連 接 組 成 一 個更 大 的 存 儲 器 。 這 種 存 儲 器 在 一 個 存 取 周 期 內 讀 出 的 不 是一 個 存 儲 單 元 的 W位 信 息 ， 而 是 n個 字 ， 存 儲

42、 元 件 仍 保 持原 有 的 速 度 ， 但 單 位 時 間 內 存 儲 器 提 供 的 信 息 量 則 提 高 n倍 。 這 樣 組 織 的 主 存 系 統(tǒng) 稱 為 并 行 主 存 系 統(tǒng) 。v并 行 主 存 系 統(tǒng) 一 方 面 提 高 了 存 取 信 息 位 的 能 力 ， 另 一 方 面可 采 取 交 替 操 作 方 式 ， 加 速 從 主 存 讀 取 信 息 到 CPU的 平 均速 度 ， 有 益 于 解 決 主 存 和 CPU之 間 的 速 度 差 別 。 現(xiàn) 代 RAM FPM DRAM EDO DRAM SDRAM DDR DRDRAM PC機 內 存 條1 FPM DRAM（

43、 Fast Page Mode DRAM， 快 速 頁 面 模 式 內 存 ）v 把 連 續(xù) 的 內 存 塊 以 頁 的 形 式 來 處 理 。 即 CPU所 要 讀 取 的 數 據 是 在 相 同 的 頁 面 內時 ， CPU只 要 送 出 一 個 行 地 址 信 號 。2 EDO DRAM（ Extended Data Out DRAM,擴 展 數 據 輸 出 內 存 ）v 和 FPM的 基 本 制 造 技 術 相 同 ， 在 緩 沖 電 路 上 有 所 差 別 ， 在 本 周 期 的 數 據 傳 送 尚未 完 成 時 ， 可 進 行 下 一 周 期 的 傳 送 。3 SDRAM（ Syn

44、chronous Burst DRAM, 同 步 突 發(fā) 內 存 ）v 采 用 了 多 體 存 儲 器 結 構 和 突 發(fā) 模 式 ， 為 雙 存 儲 體 結 構 ， 即 有 兩 個 存 儲 陣 列 ，一 個 被 CPU讀 取 數 據 時 ， 另 一 個 已 經 做 好 被 讀 取 的 準 備 ， 兩 者 相 互 自 動 切 換 。4 DDR（ Double Data Rate, 雙 倍 數 據 速 率 ） SDRAM v 傳 統(tǒng) 的 SDRAM內 存 只 在 時 鐘 周 期 的 上 升 沿 傳 輸 指 令 、 地 址 和 數 據 ， 而 DDR SDRAM內 存 的 數 據 線 有 特 殊 的 電 路 ， 可 以 讓 它 在 時 鐘 的 上 下 沿 都 傳 輸 數 據 。5 DRDRAMv DRDRAM的 接 口 工 作 頻 率 為 400MHz， 由 于 它 能 在 時 鐘 信 號 的 上 升 沿 和 下 降 沿 各傳 輸 一 次 數 據 ， 因 此 數 據 傳 輸 的 頻 率 實 際 上 為 800MHz， 其 峰 值 傳 輸 速 率 可 以達 到 1.6GB/s。