6.1 存储系统的基本概念 6.2 半导体存储器 6.3 高速缓冲存储器（ Cache ） 6.4 微机的外部存储器

1. 第六章 存储器系统 • 6.1 存储系统的基本概念 • 6.2 半导体存储器 • 6.3 高速缓冲存储器（Cache） • 6.4 微机的外部存储器

2. 6.1 存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构 • 微机存储系统有三个基本参数：容量、速度、成本 • 容量：以字节数表示 • 速度：以访问时间TA、存储周期TM或带宽BM表示 TA——从接收读申请到读出信息到存储器输出端的时间 TM——连续两次启动存储器所需的最小时间间隔 TM > TA

3. 存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构 w——数据总线宽度 • 成本：以每位价格表示

4. 存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构 寄存器 Cache 半导体主存储器 成本 磁盘 磁带 低 速度

5. 存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构 外存平均访问时间ms级 硬盘9~10ms 光盘80~120ms 内存平均访问时间ns级 SRAM Cache1~5ns SDRAM内存7~15ns EDO内存60~80ns EPROM存储器100~400ns

6. 存储系统的基本概念 一、存储系统的层次结构 寄存器 Cache 内存储器 主存储器 辅助存储器(磁盘) 外存储器 大容量存储器(磁带)

7. 存储系统的基本概念 二、存储器访问的局部性原理 存储器访问的局部性指处理器访问存储器时，无论取指令还是取数据，所访问的存储单元都趋向于聚集在一个较小的连续单元区域中。 时间上的局部性——最近的将来要用到的信息很可能就是现在正在使用的信息。主要由循环造成 空间上的局部性——最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间上是邻近的。主要由顺序执行和数据的聚集存放造成

8. 存储系统的基本概念 二、存储器访问的局部性原理 存储器的层次结构是依靠存储器访问的局部性实现的 存储器的层次结构的性能由命中率来衡量： 命中率——对层次结构存储系统中的某一级存储器来说，要访问的数据正好在这一级的概率

9. 存储系统的基本概念 二、存储器访问的局部性原理 • 例：两级存储系统 • M1 访问时间TA1， 命中率H • M2 访问时间TA2 则平均访问时间 TA=HTA1+(1-H)TA2 规定：访问时间比 访问效率 则

10. 存储系统的基本概念 二、存储器访问的局部性原理 1 追求 1.0 r=1 r=2 e r=10 r=100 0 H 1.0

11. 6.2 半导体存储器 一、半导体存储器的分类 静态RAM（SRAM） 动态RAM（DRAM） RAM 掩膜型ROM 可编程ROM（PROM） 可擦除可编程ROM（EPROM） 电可擦除可编程ROM（E2PROM) ROM

12. 半导体存储器 二、半导体存储器的组成 P. 157 三、静态RAM（SRAM） • SRAM基本存储电路 • P. 159

13. 半导体存储器 三、静态RAM（SRAM） 读写放大器 数据寄存器 数据总线 存储矩阵 控制电路 地址译码器 地址寄存器 CE OE WE SRAM芯片的结构 地址总线

14. 半导体存储器 三、静态RAM（SRAM） • SRAM的特点 读写速度快 所用管子数目多，单个器件容量小 T1、T2总有一个处于到通状态，功耗较大 SRAM通常用来做Cache

15. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） 行选择信号 列选择信号 刷新放大器 单管动态存储电路 数据输入输出线

16. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） 地址锁存器 I/O缓冲器 地址总线 数据总线 存储矩阵 读写控制/动态刷新电路 RAS# WE# CAS# DRAM芯片的结构

17. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） • DRAM的特点 所用管子少，芯片位密度高 功耗小 需要刷新 存取速度慢 DRAM主要用来做内存

18. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） • DRAM的种类 FPM DRAM 存取时间80~100ns EDO DRAM 存取时间50~70ns SDRAM 存取时间6~10ns

19. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） • DRAM内存条的种类 • SIMM——Single Inline Memory Module • 单列直插式内存模块 • 72线：32位数据、12位行列公用地址、RAS#、CAS#等 • 在Pentium微型机中必须成对使用 • FPM/EDO

20. 半导体存储器 四、动态RAM（DRAM） • DRAM内存条的种类 • DIMM——Dual Inline Memory Module • 双列直插式内存模块 • 168线：64位数据、14位行列公用地址、RAS#、CAS#等 • 可单数使用 • FPM/EDO/SDRAM

21. 半导体存储器 五、只读存储器（ROM） P.166 六、内存的扩展 P. 169 位扩展 地址扩展 将多个内存芯片用位扩组装成内存模块（即内存条） 将多个内存条插到内存插槽中——地址扩展

22. PE PE 半导体存储器 七、内存的奇偶校验 DRAM0 DRAM1 8位 9位 DRAM2 PB DRAM3 处理器 DRAM4 奇偶检查器/产生器 DRAM5 DRAM6 DRAM7 DRAMPB 存储器阵列

23. 半导体存储器 八、内存地址分析 • 译码器74LS138

24. 半导体存储器 八、内存地址分析 例：2764为8K8的EPROM芯片，要求其地址范围是FA000H~FBFFFH，设计其连线。

25. 半导体存储器 九、Pentium与内存的连接 82439TX系统控制器（MTXC）

26. 半导体存储器 九、Pentium与内存的连接 82439TX系统控制器（MTXC）

27. 半导体存储器 九、Pentium与内存的连接

28. 6.3 高速缓冲存储器（Cache） 一、Cache的工作原理 标签 块 0 0 1 • Cache的结构 块0 C-1 M个块 每块K个字节 Cache C个槽 每个槽K个字节 块M-1 2n-1 主存

29. 高速缓冲存储器（Cache） 一、Cache的工作原理 • 地址映象 直接映象 每个主存块只允许放到Cache的特定的槽中 槽号 字节号 标签 优点：简单 缺点：Cache命中率低、 Cache空间利用率也低

30. 高速缓冲存储器（Cache） 一、Cache的工作原理 • 地址映象 全相联映象 每个主存块允许放到Cache的任何一个槽中 字节号 标签 优点：复杂 优点：Cache命中率高、 Cache空间利用率也高

31. 高速缓冲存储器（Cache） 一、Cache的工作原理 • 地址映象 组相联映象 把Cache分成若干组，每组若干个槽。 设每组有J个槽，称为J路组相联 每个主存块允许放在特定组内的任意一个槽中 组号 字节号 标签

32. 高速缓冲存储器（Cache） 一、Cache的工作原理 • 替换算法 1. 最近最少使用（LRU） 需要记录使用情况的历史信息 2. 先进先出（FIFO） 用循环移位寄存器 3. 用得最少（LFU） 每个槽增加一个计数器 • 写入策略 通写 回写

33. 高速缓冲存储器（Cache） 二、Pentium的片内Cache • Cache分成独立的8K代码Cache和8K数据Cache • 采用二路组相联方式 • 支持通写和回写两种写入方式 • 采用LRU替换算法

34. 高速缓冲存储器（Cache） 二、Pentium的片内Cache

35. 高速缓冲存储器（Cache） 二、Pentium的片内Cache • 每个Cache有0路和1路两个4KB缓存组成 • Cache中数据操作的基本单元为32个字节，一个单元称为一个数据线，每个4KB缓存区有128个数据线 • 片内Cache不能只填充部分数据线，这就是缓存式读总线周期要进行四个四字数据传送的原因 • 每个4KB缓存区有一个与之对应的标记目录，每个标记目录含有128个标记表项，记录着数据线的使用情况以及数据线中的数据是否无效了

36. 高速缓冲存储器（Cache） 二、Pentium的片内Cache • 读操作 • 命中 • 未命中——进行高速缓存数据线填充读操作，在突发式读总线周期中读入256位数据 • 写操作 • 回写 • 通写 • WB/WT#信号

37. 高速缓冲存储器（Cache） 二、Pentium的片内Cache • Cache的清除——两种方法： • 通过使FLUSH#输入低电平 • 通过指令INVD、WBINVD

38. 高速缓冲存储器（Cache） 三、Pentium的外部Cache 外部Cache称为二级Cache——L2 Cache

39. 高速缓冲存储器（Cache） 三、Pentium的外部Cache

40. 6.4 微机的外部存储器 • 磁表面存储器 • 光盘存储器