计算机组成原理13存储系统

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1、系系统统总总线线存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 接口与通信接口与通信 输入输入/输出设备输出设备 计算机组成原理计算机组成原理 第四章第四章 存储器存储器复习与作业复习与作业第第4章章 存储器存储器 4.4 辅助存储器（不讲了）辅助存储器（不讲了）演讲演讲 下下周第一次课下下周第一次课（23、24日）日）题目：题目：任意（只要是有关辅助存储器的）任意（只要是有关辅助存储器的）内容：内容：关于关于辅助存储器辅助存储器的分类、工作原理、先进技术等等的分类、工作原理、先进技术等等 可以从书中可以从书中4.4中选取内容，也可以从网上自己搜索整理。中选取内容，也可以从网上自己搜索整理。（例如：

2、硬盘、光盘工作原理、读取方式、主流产品、（例如：硬盘、光盘工作原理、读取方式、主流产品、主要型号参数的说明等等，主要型号参数的说明等等，移动硬盘，磁盘阵列先进存储设备的技术应用与发展）移动硬盘，磁盘阵列先进存储设备的技术应用与发展）要求：要求：每小班四名同学每小班四名同学（只能多不能少）（只能多不能少）每人每人6分钟（大概分钟（大概10张张PPT左右），准备充分，讲述流利。左右），准备充分，讲述流利。凡演讲者，期末考试卷面成绩凡演讲者，期末考试卷面成绩+5分。分。第四章第四章 存储器存储器1、存储器的分类、存储器的分类2、存储器的层次结构（三级存储系统）、存储器的层次结构（三级存储系统）3、主

3、存储器（内存、主存储器（内存 Main memory）4、高速缓冲存储器（、高速缓冲存储器（Cache）5、虚拟存储器（、虚拟存储器（Virtual Memory）6、相联存储器（了解）、相联存储器（了解）辅助存储器辅助存储器3.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器 3.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器 3.5.4、多体并行存储

4、器、多体并行存储器 3、主存储器、主存储器角度二：提高角度二：提高存储体系结构存储体系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件DRAM与与SRAM的比较的比较 P87DRAM利用电容存储电荷来保存数据，使用时需不断给电容充电。利用电容存储电荷来保存数据，使用时需不断给电容充电。（用于大容量存储器，内存）（用于大容量存储器，内存）优点：优点：1）集成度高：）集成度高：使用单管存储位，集成度高，存储容量大；使用单管存储位，集成度高，存储容量大；2）体积小：）体积小：DRAM的地址是分批进入的，引脚数少，封装尺寸小；的地址是分批进入的，引脚数少，封装尺寸小；3）成本低：）成本低：大约只有大约

5、只有SRAM的的1/4；4）功耗小：）功耗小：由于使用动态元件，所需功率大约只有由于使用动态元件，所需功率大约只有SRAM的的1/6。缺点：缺点：1）速度低：）速度低：由于使用动态元件，它的速度比由于使用动态元件，它的速度比SRAM要低。要低。2）需要刷新：）需要刷新：DRAM需要需要刷新刷新，不仅浪费时间还需要有配套电路。，不仅浪费时间还需要有配套电路。SRAM利用双稳态触发器来保存数据，只要不断电，数据是不会丢失的。利用双稳态触发器来保存数据，只要不断电，数据是不会丢失的。状态稳定状态稳定、接口简单接口简单、速度快速度快、但是但是集成度低集成度低、成本高成本高、功耗较大功耗较大，（用于小容

6、量高速存储器、（用于小容量高速存储器、Cache）简单回顾：简单回顾：RAM与与ROM简单回顾：简单回顾：RAM与与ROMDRAM在原理和结构上与在原理和结构上与CPU接口时，有两种特殊的问题应该考虑：接口时，有两种特殊的问题应该考虑：1、刷新问题、刷新问题：需要增加刷新电路：需要增加刷新电路2、地址信号输入问题：、地址信号输入问题：由于由于DRAM集成度高，存储容量大，引脚数量集成度高，存储容量大，引脚数量 太多，所以地址的输入一般采用太多，所以地址的输入一般采用两路锁存方式（地址线复用）两路锁存方式（地址线复用）。分两次送地址：分两次送地址：先先送行地址，送行地址，后后送列地址。送列地址。

7、列地址列地址 行地址行地址行地址译码器行地址译码器列地址译码器列地址译码器锁锁存存地址总线地址总线 A19-A0A9-A0A19-A10A9-A0/RAS/CAS采用更高速的主存或加长存储器字长采用更高速的主存或加长存储器字长为了提供为了提供CPU的工作效率，的工作效率，主存读写操作是关键。主存读写操作是关键。存储器是整个计算机系统的瓶颈，存储器速度提高，整体性能提高。存储器是整个计算机系统的瓶颈，存储器速度提高，整体性能提高。可以采取一些加速可以采取一些加速CPU和主存之间的有效传输措施提高存储器的速度。和主存之间的有效传输措施提高存储器的速度。加速加速CPU和主存和主存之间有效之间有效传输

8、措施传输措施采用双端口存储器采用双端口存储器采用交叉存储器采用交叉存储器采用采用Cache3.5 提高主存储器性能的技术提高主存储器性能的技术3.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器 3.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器 3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器 3、主存储器、主存储器角度二：提高角度二：提高存储体系结构存储体

9、系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术作为计算机主存的作为计算机主存的DRAM问世以来，存储技术不断提高先后出现了：问世以来，存储技术不断提高先后出现了：1）FPM DRAM Fast Page Mode DRAM 快速页模式快速页模式DRAM FPMDRAM假定下一个所需数据处于同一行的下一列。假定下一个所需数据处于同一行的下一列。发出行选信号，选中某一行，保持行选信号不撤消，发出行选信号，选中某一行，保持行选信号不撤消，然后连续发出列选信号，选中某一列。然后连续发出列选信号，选中某一列。这样，减少了重复行选信号的时间，提高数据读

10、写速度。这样，减少了重复行选信号的时间，提高数据读写速度。（正常读写：正常读写：行选，列选，读写，行选，列选，读写行选，列选，读写，行选，列选，读写）（改进读写：改进读写：行选，列选，读写，列选，读写，列选行选，列选，读写，列选，读写，列选）广泛应用在：广泛应用在：486、586计算机中。计算机中。行选信号行选信号列选信号列选信号列选信号列选信号列选信号列选信号列选信号列选信号2）EDODRAM Extended Data Out 扩展数据输出扩展数据输出DRAM 它是对它是对FPMDRAM的简单扩充，增加了少量逻辑电路。的简单扩充，增加了少量逻辑电路。对对DRAM的输出增加一组的输出增加一组

11、“门槛门槛”电路电路（二级缓冲单元），（二级缓冲单元），这些电路用来存储数据并保持。这些电路用来存储数据并保持。因此，不必等待当前读写完成，即可以启动下一个读写操作，因此，不必等待当前读写完成，即可以启动下一个读写操作，直到直到CPU可靠的读走数据。可靠的读走数据。正常读写：正常读写：行选，列选，读数据（待读周期完成），行选，列选，读数据（待读周期完成），行选，列选，读数据（待读周期完成）行选，列选，读数据（待读周期完成）改进读写：改进读写：行选，列选，读数据给二级缓冲单元（不等读周期完成），行选，列选，读数据给二级缓冲单元（不等读周期完成），行选，列选，读数据给二级缓冲单元（不等读周期完成）

12、，行选，列选，读数据给二级缓冲单元（不等读周期完成），3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术3）SDRAM Synchronous DRAM 同步动态存储器同步动态存储器 SDRAM 的最大的特点：的最大的特点：与与CPU的外频同步的外频同步。SDRAM在在同步脉冲同步脉冲的控制下工作，取消了主存等待时间，减少了的控制下工作，取消了主存等待时间，减少了 数据传送的延迟时间，因而加快了系统速度。数据传送的延迟时间，因而加快了系统速度。SDRAM基于基于双存储体结构双存储体结构，内含，内含两个交错的存储矩阵（两个存储体）两个交错的存储矩阵（两个存储体）当当CPU从一个存储体访问数据的同

13、时，另一个已经准保好读写数据。从一个存储体访问数据的同时，另一个已经准保好读写数据。通过两个存储矩阵的紧密配合，读取效率得到成倍提高。通过两个存储矩阵的紧密配合，读取效率得到成倍提高。工作频率达到工作频率达到100MHz，133MHz。3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术4）DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM 双速率双速率SDRAM DDR SDRAM 的核心建立在的核心建立在SDRAM的基础上。的基础上。主要区别是：主要区别是：DDR能在能在时钟脉冲时钟脉冲的的上升沿上升沿和和下降沿下降沿读出数据，读出数据，不必提高时钟频率就能成倍的提高不必提高时

14、钟频率就能成倍的提高SDRAM的速度。的速度。DDR SDRAM 工作频率工作频率 200MHz，266MHz，333Mhz，400Mhz，500Mhz。DDR是是184pin脚脚3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术第一代第一代DDR的发展走到了技术的极限，的发展走到了技术的极限，已经很难通过常规办法提高内存的工作速度已经很难通过常规办法提高内存的工作速度5）DDR2 Double Data Rate 2 SDRAM 是由是由JEDEC（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存 技术标准，它与上一代技术标准，它与上一代DDR内存技

15、术标准最大的不同就是，虽然内存技术标准最大的不同就是，虽然 同是采用了在时钟的同是采用了在时钟的上升上升/下降延下降延同时进行数据传输的基本方式，同时进行数据传输的基本方式，但但DDR2内存却拥有内存却拥有两倍于上一代两倍于上一代DDR内存预读取能力内存预读取能力 （即：（即：4bit 数据读预取）。数据读预取）。换句话说，换句话说，DDR2内存每个时钟能够以内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读倍外部总线的速度读/写数据，写数据，并且能够以内部控制总线并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。倍的速度运行。DDR和和DDR2内存不能同时在主板上使用，内存不能同时在主板上使用，因为：它们的工作频率

16、不同，插槽不同。因为：它们的工作频率不同，插槽不同。533Mhz以上都是以上都是DDR2DDR2是是240pin脚脚3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术6）DDR3时代时代DDR3相比起相比起DDR2有更低的工作电压，有更低的工作电压，从从DDR2的的1.8V降落到降落到1.5V，性能更好更为省电；性能更好更为省电；DDR2的的4bit预读升级为预读升级为8bit预读。预读。DDR3目前最高能够达到目前最高能够达到2000Mhz的速度。的速度。尽管目前最为快速的尽管目前最为快速的DDR2内存速度已经提升到内存速度已经提升到800Mhz/1066Mhz的速的速度，但是度，但是DDR

17、3内存模组会从内存模组会从1066Mhz起跳。起跳。3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术数据传输速率数据传输速率 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术3.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器 3.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器 3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器 3、主存储器、主存储器角度二

18、：提高角度二：提高存储体系结构存储体系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器 传统存储器是传统存储器是单端口存储器：单端口存储器：每次只接收一个地址，访问一个存储单元。每次只接收一个地址，访问一个存储单元。具有两个彼此独立的读具有两个彼此独立的读/写口写口：两套独立的读两套独立的读/写控制线路、写控制线路、两个地址寄存器、两个地址译码器。两个地址寄存器、两个地址译码器。两个读两个读/写口可以并行工作：写口可以并行工作：按各自接收的地址，同时接收或写入，按各自接收的地址，同时接收或写入，或一个写入，另一个读出。或一个写入，另一个读出。与两个

19、独立的存储器不同：与两个独立的存储器不同：两个读两个读/写口访问一个存储体，可访问同一单元写口访问一个存储体，可访问同一单元 地址地址A数据数据A地址地址B数据数据B地址寄存器地址寄存器地址译码器地址译码器一个一个 存储体存储体地址寄存器地址寄存器地址译码器地址译码器数据寄存器数据寄存器数据寄存器数据寄存器3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器单体双端口存储器主要应用于：单体双端口存储器主要应用于：1）、）、在运算器中采用双端口芯片，作用于通用寄存器组，能快速提供在运算器中采用双端口芯片，作用于通用寄存器组，能快速提供 双操作数，两个操作数同时送往双操作数，两个操作数同时送往ALU；2

20、）、）、使用双端口存储器，一口通使用双端口存储器，一口通CPU，一个口通辅存和，一个口通辅存和 I/O设备，设备，从而增大数据传输的吞吐量；从而增大数据传输的吞吐量；3）、）、在多机系统中，常采用双端口或多端口，作为各在多机系统中，常采用双端口或多端口，作为各CPU的共享存储的共享存储 器，实现多个器，实现多个CPU之间的通信。之间的通信。CPU一个一个 存储体存储体CPU2*54*82*54*82*5+4*83.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高

21、主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、单体双端口存储器、单体双端口存储器 3.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器 3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器 3、主存储器、主存储器角度二：提高角度二：提高存储体系结构存储体系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件例如：例如：原来一次取原来一次取16位，位，现在一次取现在一次取64位。位。存储单元存储单元 013.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器多个并行存储器多个并行存储器共享一个地址寄存器共享一个地址寄存器，按同一地址，按同一地址并行访问并行访问各自对应各自对应存储单元。存储单元

22、。由于多个存储器统一编址，同时访问各自对应的存储单元，所以将多由于多个存储器统一编址，同时访问各自对应的存储单元，所以将多个并行的存储器视为一个大的存储体，故称个并行的存储器视为一个大的存储体，故称单体单体。单体：单体：一个地址译码器，统一编址。一个地址译码器，统一编址。对应每个存储单元地址，字长增加了，故称对应每个存储单元地址，字长增加了，故称多字多字。地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器存储器存储器016位位数据寄存器数据寄存器存储器存储器1存储器存储器2存储器存储器3地址地址16位位16位位16位位3.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩

23、展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、双端口存储器、双端口存储器 3.5.3、单体多字存储器、单体多字存储器 3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器 3、主存储器、主存储器角度二：提高角度二：提高存储体系结构存储体系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件单元单元0 4 8地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器存储器存储器0数据寄存器数据寄存器地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器存储器存储器1数据寄存器数据寄存器地址译码器地址译码器

24、地址寄存器地址寄存器存储器存储器3数据寄存器数据寄存器存储体号存储体号体内地址体内地址多体：多体：多个体，每个体有独立的地址寄存器多个体，每个体有独立的地址寄存器地址译码器和数据寄存器。地址译码器和数据寄存器。交叉：交叉：每一个体的地址不连续。每一个体的地址不连续。0 4 8/1 5 9/交叉编制交叉编制。15937113.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器目的：目的：提高单位时间内取字的速率。提高单位时间内取字的速率。（CPU对存储体一对多）对存储体一对多）地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器存储器存储器2数据寄存器数据寄存器2610优点：优点：在一个主存周期读出四条顺序指令，相当于

25、取指令时间减少到在一个主存周期读出四条顺序指令，相当于取指令时间减少到1/4。每个模块各自以等同的方式与每个模块各自以等同的方式与CPU传送数据。传送数据。CPU同时访问四个模块，由存储器控制部件控制它们分时使用数据总同时访问四个模块，由存储器控制部件控制它们分时使用数据总线进行数据传输。这是一种线进行数据传输。这是一种并行存储器结构并行存储器结构。如果程序段或数据块都是连续在主存中读写，那么将大大提高主存的如果程序段或数据块都是连续在主存中读写，那么将大大提高主存的访问速度。访问速度。缺点：缺点：如果遇到大量的转移指令，或程序顺序性比较差，效率就降低。如果遇到大量的转移指令，或程序顺序性比较

26、差，效率就降低。3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器3.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器定量分析定量分析n体低位交叉存储器连续读取体低位交叉存储器连续读取n个字所需要的时间。个字所需要的时间。假设假设每个体的字长等于数据总线宽度，每个体的字长等于数据总线宽度，每个体存取一个字的周期为每个体存取一个字的周期为T，总线传输周期为，总线传输周期为t。为实现流水方式存取应满足：为实现流水方式存取应满足：T=n t连续读取连续读取n 个字所需的时间为个字所需的时间为 T+（n-1）tTttt时间时间体体M0M3M2M1M0M3M2M13.5.4、多体并行存储器、多体并行存储器考研试题精选：考

27、研试题精选：设有设有8个模块组成的八体存储器结构，每个模块的存取周期为个模块组成的八体存储器结构，每个模块的存取周期为400ns，存储字，存储字长为长为32位。数据总线宽度为位。数据总线宽度为32位，总线传输周期位，总线传输周期50ns，试求顺序存储（高位交叉）和交叉存储（低位交叉）的存储器带宽。试求顺序存储（高位交叉）和交叉存储（低位交叉）的存储器带宽。解：解：8个存储体，每个体读一次，共读出：个存储体，每个体读一次，共读出：8*32=256 位。位。顺序读出的总时间为：顺序读出的总时间为：8*400ns=3200 ns 带宽为：带宽为：256/3200 ns=8*107 bps交叉读出的总

28、时间为：交叉读出的总时间为：400ns+（8-1）*50 ns=750 ns 带宽为：带宽为：256/750 ns=3.4*108 bps3.1、主存储器概述、主存储器概述3.2、主存储器构成、主存储器构成3.3、主存储器扩展、主存储器扩展3.4、主存储器与、主存储器与CPU的连接的连接3.5、提高主存储器性能的技术、提高主存储器性能的技术 3.5.1、提高主存的制造技术、提高主存的制造技术 3.5.2、双端口存储器、双端口存储器 3.5.3、单体并行多字存储器、单体并行多字存储器 3.5.4、多体并行交叉存储器、多体并行交叉存储器 小结：主存储器小结：主存储器角度二：提高角度二：提高存储体系结构存储体系结构角度一：硬件角度一：硬件提高元器件提高元器件存储系统中主要是通过存储系统中主要是通过并行主存储并行主存储器器和和设置设置Cache来提高速度。来提高速度。双端口存储器双端口存储器和和多体交叉存储器多体交叉存储器属属于并行存储器。前者采用空间并行于并行存储器。前者采用空间并行技术，后者采用时间并行技术。技术，后者采用时间并行技术。