第3章存储系统.ppt

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1、第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章存储系统存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53 3.1.1 存储器概述存储器概述 3.23.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 3.33.3 高速缓冲存储系统高速缓冲存储系统 第第3 3 章章 存存储储系系统统3.43.4 虚拟存储系统虚拟存储系统 3.53.5 存储器技术的发展存储器技术的发展 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5本章要点本章要点存储器的基本组成存储器的基本组成存储器的技术指标存储器的技术指标存储器分类存储

2、器分类存储器的设计存储器的设计Cache系统的工作原理系统的工作原理Cache系统的地址变换与映像系统的地址变换与映像虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 3.1.13.1.1 主存储器的基本组成和技术指标主存储器的基本组成和技术指标 3.1.33.1.3 存储器的层次结构存储器的层次结构 3.1.23.1.2 存储器分类存储器分类 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 3.1.1 3.1.1 主存储器的基本组成和技术指标主存储

3、器的基本组成和技术指标 存存储储体体读写读写驱动驱动器器数据数据寄存寄存器器地址地址译码译码驱动驱动地址地址寄存寄存器器CPU读写控制逻辑读写控制逻辑控制总线控制总线m位数据总线位数据总线n位地址总线位地址总线第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5存储体存储体3.1 3.1 存储器概述存储器概述 存储体是存储器的核心，由很多个存储存储体是存储器的核心，由很多个存储单元组成，每个存储单元可存放一位或单元组成，每个存储单元可存放一位或几位二进制数码。几位二进制数码。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储

4、系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5写入写入Din列地址选择列地址选择位线位线DVcc图图3.2 六管静态存储位六管静态存储位写放大器写放大器T3写选择写选择输出输出Dout行地址选择行地址选择位线位线D读选择读选择写放大器写放大器读放大器读放大器T4T1T2T5T6T7T8AA第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5图图3.3 动态存储单元动态存储单元数据线数据线字线字线CsT(a)单管动态存储元件单管动态存

5、储元件(b)多个存储元件构成的动态存储单元多个存储元件构成的动态存储单元.字线字线数据线数据线字线字线数据线数据线8第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 图图3.4 二维矩阵的形式组成存储体二维矩阵的形式组成存储体 X地地址址译译码码器器Y地址译码器地址译码器.A0A4A5A955第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.

6、43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 CPU按地址访问存储器的存储单元。选中了某一单元驱动相应的读/写电路，实现对2n个片内存储单元的选址。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 执行存储器读出和写入操作时所占用的时间。通常用存取时间和存取周期来衡量存储器的存储速度。存储字位数存储字位数地址寄存器地址寄存器用字节用字节(B)数来表示数来表示 存储容量通常有两种表示存储容量通常有两种表示:第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1 3.1 存储器概述存储器概述 规定的时间内存储器无故

7、障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF来衡量 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.51.1.按构成存储器的存储介质分类按构成存储器的存储介质分类半导体存储器半导体存储器磁表面存储器磁表面存储器磁芯存储器磁芯存储器光盘存储器光盘存储器 双极型（双极型（TTL）金属氧化物半导体型（金属氧化物半导体型（MOS）第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.52.2.按存取方式分类按存取方式分类（1）ROM（2）RAM（3）串行访问存储器）串行访问存储器SRAM DRAM SAM DAM 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业

8、作业3.33.43.53.3.按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类静态静态RAM动态动态RAM随机存储器随机存储器RAM只 读 存 储 器只 读 存 储 器ROMPROMEPROMEEPROMROM缓冲存储器缓冲存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器闪存存储器（闪存存储器（Flash Memory）光盘存储器光盘存储器磁带存储器磁带存储器磁盘存储器磁盘存储器第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.54.4.按访问方式分类按访问方式分类按地址访问按地址访问按内容访问按内容访问第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.1.

9、3 3.1.3 存储器的层次结构存储器的层次结构如何拥有一个大容量、高速度和低成本的存如何拥有一个大容量、高速度和低成本的存储器储器？存储系统的层次结构存储系统的层次结构，即利用存储系统原理来构成，即利用存储系统原理来构成基于不同速度和容量的存储器层次结构，而非只是基于不同速度和容量的存储器层次结构，而非只是依赖于某一存储技术或部件。依赖于某一存储技术或部件。存储系统存储系统是由多个性能各不相同的存储器用硬件是由多个性能各不相同的存储器用硬件和软件方法连接成一个系统，它对应用程序员是透和软件方法连接成一个系统，它对应用程序员是透明的，其明的，其速度速度接近速度最快的那个存储器，存储接近速度最快

10、的那个存储器，存储容容量量与容量最大的那个存储器相等或接近与容量最大的那个存储器相等或接近。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 高速缓冲存储系统高速缓冲存储系统 1GB寄存器寄存器大小：大小：1K 速度：速度：250ps 磁盘磁盘大小：大小：1TB 速度：速度：10ms 主存储器主存储器大小：大小：速度：速度：100ns Cache大小：大小：1MB 速度：速度：1ns 图图3.6 多级存储器层次结构多级存储器层次结构 存储器总线存储器总线存储器总线存储器总线CPU寄存器寄存器辅助存储器辅助存储器高速缓存高速缓存主主 存存虚拟存储系统虚拟存储系统第第3 3

11、章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2 3.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 3.2.13.2.1 常用的译码电路常用的译码电路 3.2.23.2.2 内存容量的扩充内存容量的扩充 3.2.33.2.3 设计实例设计实例 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2 3.2 存储器的设计与控制存储器的设计与控制 单个存储器芯片的存储容量有限，为了满单个存储器芯片的存储容量有限，为了满足实际存储器容量的需求，必须采用多个存储足实际存储器容量的需求，必须采用多个存储器芯片互连以扩大存储容量，构成系统所需的器芯片互连以扩大存储容

12、量，构成系统所需的存储器。存储器。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5进行存储器的扩展设计时，互联的存储器其地址线、进行存储器的扩展设计时，互联的存储器其地址线、数据线和控制线与系统总线连接，那么如何确定数据线和控制线与系统总线连接，那么如何确定CPU访问的是哪个存储器芯片呢？访问的是哪个存储器芯片呢？3.2.1 常用的译码电路常用的译码电路 片选方法：片选方法：线选法线选法译码法译码法 线选法：直接以系统的高位地址线作为存储芯片的片选信线选法：直接以系统的高位地址线作为存储芯片的片选信号号译码法：指使用译码器与系统的高位地址连接，将其译码译码法：指使用译码

13、器与系统的高位地址连接，将其译码输出值作为存储芯片的片选信号输出值作为存储芯片的片选信号 第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5常用的译码芯片有74LS139和74LS138等，由基本的2-4译码器和3-8译码器构成。3.2.1 3.2.1 常用的译码电路常用的译码电路2-4译码器译码器STA1A23Y2Y1Y0Y2-4译码器逻辑图译码器逻辑图第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53.2.2 内存容量的扩充内存容量的扩充 大容量存储器的构成需要在字长和位长两个方向对其进行扩展 通常有位扩展、字扩展和字位扩展三种方式 第第3 3

14、章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.51 1、位扩展、位扩展 位扩展：指当RAM芯片的字长不能满足实际的存储器系统的字长要求时，需要对RAM进行位扩展，即增加存储字长。位扩展可采用存储器芯片地址线并联，数据线串联的方式实现。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5 解：解：16K 1位的位的RAM芯片其地址线为芯片其地址线为14条，条，有一位数据位，有一位数据位，其地址线为其地址线为14条，条，但是数据位为但是数据位为8位，所以需采用位扩展方式即用位，所以需采用位扩展方式即用8片片16K 1位的位的RAM芯片芯片 构成构成第第3 3章章

15、存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.52 2、字扩展、字扩展 字扩展：是指增加存储字的数量，采用多个芯片地址串联的方式实现扩展存储空间的范围。字扩展是位数不变，仅在字方向扩展。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5例：解：解：1K 8位的位的RAM芯片其地址线为芯片其地址线为10条，有条，有8位位数据位，数据位，其地址线为其地址线为11条，数据位为条，数据位为8位，位，其数据位相同，需对地址进行扩展，所以采用字扩展方式，其数据位相同，需对地址进行扩展，所以采用字扩展方式，

16、共需共需2片片1K 8位的位的RAM芯片。芯片。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.53 3、字位扩展、字位扩展 字位扩展：是指从字方向和位方向两个方面对存储器进行扩展。若使用容量为pk位的存储芯片，设计构成容量为MN位的存储器（pM，kN），共需存储芯片数为：(M/p)(N/k)。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5例：解：（解：（2K/1K）（）（8/4）=4（片），（片），由每组二片存储芯片完成位扩展；二组这样由每组二片存储芯片完成位扩展；二组这样的存储芯片完成字扩展的存储芯片完成字扩展。第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5第第3 3章章 存储系统存储系统 3.23.1作业作业3.33.43.5存储器的设计主要考虑以下问题：存储器的设计主要考虑以下问题：3.2.3 设计实例设计实例 根据需要合理选择存储芯片根据需要合理选择存储芯片考虑构成一定容量存储器的方法考虑构成一定容量存储器的方法存储器芯片间、及相关