1、第第4章章 存儲器、存儲器、存儲管理和高速存儲管理和高速緩存技術(shù)緩存技術(shù)博學(xué) 審問 慎思 明辨 篤行22022-4-13 4.1 存儲器和存儲器件存儲器和存儲器件 4.2 存儲器的連接存儲器的連接 4.3 微型計算機系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu) 4.4 Pentium的虛擬存儲機制和片內(nèi)兩級存儲管理的虛擬存儲機制和片內(nèi)兩級存儲管理 4.5 高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù) 教學(xué)重點為: 微型機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)、內(nèi)存分類；微型機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)、內(nèi)存分類； 片選信號的產(chǎn)生方法；片選信號的產(chǎn)生方法； 層次化的存儲器結(jié)構(gòu)；層次化的存儲器結(jié)構(gòu)； 虛擬存儲技

2、術(shù)和三類地址；虛擬存儲技術(shù)和三類地址； 分段管理和分頁管理；分段管理和分頁管理； 邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址的例子；邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址的例子； 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子；線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子；第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)32022-4-134.1.1 存儲器的分類存儲器的分類v 根據(jù)用途和特點分為兩大類：根據(jù)用途和特點分為兩大類： 內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存 通過系統(tǒng)總線與通過系統(tǒng)總線與CPU聯(lián)接，存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)；聯(lián)接，存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)； 外部存儲器，簡稱為外存外部存儲器，簡稱為外存 需通過

3、專門的接口電路和主機聯(lián)接，存放暫不執(zhí)行的程序需通過專門的接口電路和主機聯(lián)接，存放暫不執(zhí)行的程序或不被處理的數(shù)據(jù)。或不被處理的數(shù)據(jù)。4.1 存儲器和存儲器件存儲器和存儲器件內(nèi)存：內(nèi)存：根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為: 隨機存取存儲器隨機存取存儲器 (RAM)和和只讀存儲器只讀存儲器 (ROM)。存儲器容量存儲器容量:以字節(jié)為單元。常以以字節(jié)為單元。常以KB 、MB、GB、TB為單位。為單位。第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)42022-4-13圖4.1 32行32列組成的矩陣和外部的連接第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲

4、管理和高速緩存技術(shù)4.1.2 微型計算機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)微型計算機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)地址譯碼地址譯碼: 按按CPU地址總線地址總線上的信息，從整個內(nèi)存中確定一個存儲單元。上的信息，從整個內(nèi)存中確定一個存儲單元。 32位微機中采用復(fù)合譯碼方式。由縱橫交錯的行選擇線和列位微機中采用復(fù)合譯碼方式。由縱橫交錯的行選擇線和列 選擇線來選擇某一存儲單元。選擇線來選擇某一存儲單元。4.1 存儲器和存儲器件存儲器和存儲器件52022-4-134.1.3 選擇存儲器件的考慮因素選擇存儲器件的考慮因素易失性、只讀性、存儲容量、速度、功耗易失性、只讀性、存儲容量、速度、功耗4.1.4 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAMv

5、 SRAM （Static RAM） 以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基本存儲單元以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基本存儲單元 不需要額外的刷新電路不需要額外的刷新電路 速度快，但集成度低，功耗和價速度快，但集成度低，功耗和價格較高格較高 主要被用于小型微機系統(tǒng)主要被用于小型微機系統(tǒng) 隨機隨機存取存取存儲器（存儲器（RAM）用來存放當(dāng)前運行的程序、各種輸入輸出數(shù)據(jù)、用來存放當(dāng)前運行的程序、各種輸入輸出數(shù)據(jù)、運算中間結(jié)果等。運算中間結(jié)果等。 存儲的內(nèi)容既可隨時讀出，也可隨時寫入且存取的速度與存儲單元的位置存儲的內(nèi)容既可隨時讀出，也可隨時寫入且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)。無關(guān)。 掉電后內(nèi)容會全部丟失。掉電后內(nèi)容會全部丟失。第

6、第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)4.1 存儲器和存儲器件存儲器和存儲器件v DRAM （Dynamic RAM） 以單個以單個MOS管為基本存儲單元管為基本存儲單元 要不斷進(jìn)行刷新要不斷進(jìn)行刷新（Refresh）操作）操作 集成度高、價格集成度高、價格低、功耗小，但速低、功耗小，但速度較度較SRAM慢慢62022-4-13v DRAM內(nèi)部內(nèi)部 有有“讀出再生放大電路讀出再生放大電路”的刷新電路的刷新電路 設(shè)計有僅行地址有效的刷新周期設(shè)計有僅行地址有效的刷新周期 每次刷新一行存儲單元每次刷新一行存儲單元v 存儲系統(tǒng)的外部刷新控制器存儲系統(tǒng)的外部刷新控制器 將

7、刷新行地址同時送達(dá)所有將刷新行地址同時送達(dá)所有DRAM芯片芯片 所有所有DRAM芯片同時進(jìn)行一行的刷新芯片同時進(jìn)行一行的刷新 在一定時間間隔內(nèi)啟動一次刷新在一定時間間隔內(nèi)啟動一次刷新 每次行地址增量每次行地址增量DRAM的刷新和的刷新和DRAM控制器控制器第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)72022-4-13v 時序功能時序功能 v 地址處理功能地址處理功能 v 仲裁功能仲裁功能 圖4.2 DRAM控制器的原理圖第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)DRAM的刷新和的刷新和DRAM控制器控制器82022-4-134.1.5

8、 只讀存儲器只讀存儲器ROMu掩膜型掩膜型ROMu可編程只讀存儲器可編程只讀存儲器PROMu可擦除可編程只讀存儲器可擦除可編程只讀存儲器EPROMu可用電擦除的可編程只讀存儲器可用電擦除的可編程只讀存儲器E2PROMu閃爍存儲器閃爍存儲器 只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）具有掉電后信息不會丟失的具有掉電后信息不會丟失的特點（非易失性），彌補了讀寫存儲器（特點（非易失性），彌補了讀寫存儲器（RAM）性能性能上的不足，因此成為微型計算機的一個重要部件。上的不足，因此成為微型計算機的一個重要部件。 第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)92022-4-134.2.1

9、 存儲器和存儲器和CPU的連接考慮的連接考慮4.2 存儲器的連接存儲器的連接高速高速CPU和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。 CPU總線的負(fù)載能力問題。總線的負(fù)載能力問題。 片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機制。片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機制。 對芯片內(nèi)部的尋址方法。對芯片內(nèi)部的尋址方法。第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)102022-4-134.2.2 片選信號的產(chǎn)生方法片選信號的產(chǎn)生方法v 存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴充容量，也就存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴充容量，也就是擴充了存儲器地址范圍是擴充了存儲器地址

10、范圍v 進(jìn)行進(jìn)行“地址擴充地址擴充”，需要利用存儲芯片的片選端，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進(jìn)行尋址對多個存儲芯片（組）進(jìn)行尋址v 這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)v 這種擴充簡稱為這種擴充簡稱為“地址擴充地址擴充”或或“字?jǐn)U充字?jǐn)U充”第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)112022-4-13片選端片選端D7D0A19A10A9A0（2）A9A0D7D0CE（1）A9A0D7D0CE譯碼器譯碼器00000000010000000000C

11、PU第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)122022-4-13片選端常有效片選端常有效A19A15A14A0 全全0全全1D7D027256EPROMA14A0CEn令芯片（組）的片選端常有效令芯片（組）的片選端常有效n不與系統(tǒng)的高位地址線發(fā)生聯(lián)系不與系統(tǒng)的高位地址線發(fā)生聯(lián)系n芯片（組）總處在被選中的狀態(tài)芯片（組）總處在被選中的狀態(tài)n雖簡單易行、但無法再進(jìn)行地址雖簡單易行、但無法再進(jìn)行地址擴充，會出現(xiàn)擴充，會出現(xiàn)“地址重復(fù)地址重復(fù)”第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)132022-4-13v 線選法：線選法：v 全譯碼法全

12、譯碼法v 部分譯碼法部分譯碼法v 混合譯碼法混合譯碼法 只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，且每根負(fù)責(zé)選中一個芯片（組）且每根負(fù)責(zé)選中一個芯片（組） 雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴(yán)重浪費雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴(yán)重浪費 必然會出現(xiàn)地址重復(fù)必然會出現(xiàn)地址重復(fù) 一個存儲地址會對應(yīng)多個存儲單元一個存儲地址會對應(yīng)多個存儲單元 多個存儲單元共用的存儲地址不應(yīng)使用多個存儲單元共用的存儲地址不應(yīng)使用A14A12A0A13(1)2764(2)2764 CECEA19 A15A14 A13A12A0一個可用地址一個可用地址121 00 1全全0全全1全全0全全104000H05F

13、FFH02000H03FFFH切記：切記： A14 A1300的情況不能出現(xiàn)的情況不能出現(xiàn)00000H01FFFH的地址不可使用的地址不可使用所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址包括低位地址線對芯片內(nèi)各存儲單元的譯碼尋址包括低位地址線對芯片內(nèi)各存儲單元的譯碼尋址（片內(nèi)譯碼），高位地址線對存儲芯片的譯碼尋（片內(nèi)譯碼），高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址（片選譯碼）址（片選譯碼）采用全譯碼，采用全譯碼，每個存儲單元的地址都是唯一的，每個存儲單元的地址都是唯一的，不存在地址重復(fù)不存在地址重復(fù)譯碼電路可能比較復(fù)雜、連線也較多譯碼電路可能比較復(fù)雜、連線也較多A

14、15 A14A13A16CBAE3138 2764A19A18A17A12A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全全0全全10 0 0 1 1 1 00 0 0 1 1 1 0地址范圍地址范圍A12A0A19A18A17A16A15A14 A13只有部分（高位）地址線參與對存儲芯片譯碼只有部分（高位）地址線參與對存儲芯片譯碼每個存儲單元將對應(yīng)多個地址每個存儲單元將對應(yīng)多個地址（地址重復(fù)），（地址重復(fù)），需要選取一個可用地址需要選取一個可用地址可簡化譯碼電路的設(shè)計可簡化譯碼電路的設(shè)計但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費138A17 A16A11A0A14 A13

15、A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19 A15A14 A12A11A0一個可用地址一個可用地址123410101010000001010011全全0全全1全全0全全1全全0全全1全全0全全120000H20FFFH21000H21FFFH22000H22FFFH23000H23FFFH第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)142022-4-13以以SRAM為例為例4.2.3 SRAM和和DRAM的連接舉例的連接舉例第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和

16、高速緩存技術(shù)152022-4-134.2.4 存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴充和字節(jié)數(shù)擴充存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴充和字節(jié)數(shù)擴充v 數(shù)據(jù)寬度的擴充數(shù)據(jù)寬度的擴充(位擴充位擴充) 每個存儲芯片的地址線和每個存儲芯片的地址線和控制線（包括選片信號線、控制線（包括選片信號線、讀寫信號線等）并聯(lián)在一讀寫信號線等）并聯(lián)在一起，以保證對起，以保證對4個芯片及內(nèi)個芯片及內(nèi)部存儲單元的同時選中。部存儲單元的同時選中。 數(shù)據(jù)線分別引出連接至數(shù)據(jù)線分別引出連接至數(shù)據(jù)總線的不同位上，以保數(shù)據(jù)總線的不同位上，以保證通過數(shù)據(jù)總線一次可訪問證通過數(shù)據(jù)總線一次可訪問到位數(shù)據(jù)。到位數(shù)據(jù)。第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管

17、理和高速緩存技術(shù)162022-4-13v 字節(jié)的擴充字節(jié)的擴充 各芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)，接至各芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)，接至相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。 芯片的地址線并聯(lián)到地址總芯片的地址線并聯(lián)到地址總線對應(yīng)位上，地址總線高位接線對應(yīng)位上，地址總線高位接 譯碼器，譯碼器輸出用作各個譯碼器，譯碼器輸出用作各個芯片的片選信號。芯片的片選信號。第第4章章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)172022-4-134.3.1 層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)1. 層次化總體結(jié)構(gòu)層次化總體結(jié)構(gòu)4.3 微型計算機系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu)v 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) 容量（越大越好）容量（越大越好） 速度（