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1、第4章 存儲(chǔ)器和高速緩存技術(shù),4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,4.1.1 存儲(chǔ)器的分類,存儲(chǔ)器根據(jù)用途和特點(diǎn)可以分為兩大類： 1.內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為內(nèi)存或主存 快速存取 容量受限制 2.外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為外存 容量大 速度慢,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,存儲(chǔ)器容量以字節(jié)為單元，常用的有 210字節(jié)=1KB， 220字節(jié)=1024KB=1MB， 230字節(jié)=1024MB=1GB， 240字節(jié)=1024GB=1TB,4.1.2 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu),4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,在微機(jī)中，存儲(chǔ)器按8位二進(jìn)制數(shù)（一個(gè)字節(jié)）編址，每一個(gè)單元都有一個(gè)地址。 計(jì)算機(jī)內(nèi)存采用行列結(jié)構(gòu)。,圖4.1

2、 32行32列組成的矩陣和外部的連接,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件, 易失性 只讀性 存儲(chǔ)容量 速度 功耗,4.1.3 選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素,,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,1. SRAM 由雙穩(wěn)電路構(gòu)成，存儲(chǔ)信息穩(wěn)定。 速度快，功耗大，容量小。用于存儲(chǔ)容量較小的系統(tǒng)中。,4.1.4 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,典型RAM芯片舉例：靜態(tài)RAM Intel 2114,靜態(tài)RAM Intel 2114 1K4的SRAM，1024個(gè)字,數(shù)據(jù)線4條，地址線10 根。,6.2.1:靜態(tài)存儲(chǔ)電路,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,地址線的引腳與芯片的單元數(shù)有關(guān) 數(shù)據(jù)線的引腳與芯片的字長(zhǎng)有關(guān) 地址范

3、圍從全0到全1的所有編碼,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,利用電容存儲(chǔ)電荷的原理保存信息，由于電容存在的漏電現(xiàn)象而使其存儲(chǔ)的信息不穩(wěn)定，故DRAM芯片需要定時(shí)刷新。 容量高，功耗低，需要刷新。用于大容量的系統(tǒng)中。,2. DRAM,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束時(shí)刻，到本次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器完成全部刷新一遍為止，這一段時(shí)間間隔稱為刷新周期。一般為2ms，4ms或8ms。 刷新方法：動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器通常采用逐行“讀出”方式進(jìn)行刷新，并且通常采用一次刷新一行存儲(chǔ)元的方法。 常用的刷新方式有三種，一種是集中式，另一種是分散式，第三種是異步式。,DRAM的刷新,在整個(gè)刷新間隔內(nèi)，前一段時(shí)間重

4、復(fù)進(jìn)行讀/寫周期或維持周期，不進(jìn)行任何刷新操作。等到需要進(jìn)行刷新操作時(shí)，則暫停讀/寫或維持周期，逐行且集中地刷新整個(gè)存儲(chǔ)器，它適用于高速存儲(chǔ)器。 以2116芯片為例： 假設(shè)芯片的信息維持時(shí)間為2ms，若采用集中式刷新，則如下圖所示：,集中式刷新：,這種刷新方法的特點(diǎn)： （1）由于刷新工作集中進(jìn)行，對(duì)芯片的正常讀/寫周期不 產(chǎn)生影響； （2）同樣由于刷新工作的集中進(jìn)行，會(huì)造成芯片“死時(shí)間” 過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。 （因?yàn)樾酒谒⑿逻^(guò)程中，需禁止外部I/O的讀/寫操作）,把一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)周期tc分為兩半，周期前半段時(shí)間tm用來(lái)讀/寫操作或維持信息，周期后半段時(shí)間tr作為刷新操作時(shí)間。對(duì)于2116芯片

5、來(lái)說(shuō)，每經(jīng)過(guò)128個(gè)系統(tǒng)周期時(shí)間，整個(gè)存儲(chǔ)器便全部刷新一遍。 假設(shè)存儲(chǔ)器片的讀/寫周期為0.5 s，則系統(tǒng)周期時(shí)間為1s，每隔128s，整個(gè)存儲(chǔ)器便被刷新一次。,分散式刷新：,顯然，這種方法的缺陷至少有兩點(diǎn)： （1）增加了系統(tǒng)周期，進(jìn)而降低了系統(tǒng)速度； （2）刷新過(guò)于頻繁。,是前兩種方式的結(jié)合。例如：2ms內(nèi)分散地把128行刷新一遍：2000s12815.5 s，即每隔15.5 s刷新一行。,異步式刷新方式,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,刷新 一次刷新過(guò)程就是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行一次讀取、放大和再寫入。 方法：常用的是“只有行地址有效”。 DRAM控制器 時(shí)序功能 地址處理功能 仲裁功能,4.1 存儲(chǔ)器

6、和存儲(chǔ)器件,圖4.2 DRAM控制器的原理圖,4.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件,4.1.5 只讀存儲(chǔ)器ROM,掩膜ROM 可編程只讀ROM 可讀寫ROM 閃爍存儲(chǔ)器,分 類,EPROM（紫外線擦除） EEPROM（電擦除）,,,4.2 存儲(chǔ)器的連接, 高速CPU和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題。 高速CPU與低速存儲(chǔ)器之間的速度如果不匹配，應(yīng)在CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的周期內(nèi)插入等待脈沖TW。,4.2.1 存儲(chǔ)器和CPU的連接考慮,4.2 存儲(chǔ)器的連接, CPU總線的負(fù)載能力問(wèn)題。 一個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，通常由多片存儲(chǔ)器芯片組成，需加驅(qū)動(dòng)器。,4.2 存儲(chǔ)器的連接, 片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。 存儲(chǔ)器往

7、往由多片存儲(chǔ)器芯片組成，在CPU與存儲(chǔ)器芯片之間必須設(shè)有片選擇譯碼電路，一般由CPU的高位地址譯碼產(chǎn)生片選，而低位地址送給存儲(chǔ)器芯片的地址輸入端，以提供存儲(chǔ)芯片內(nèi)部的行、列地址。,4.2 存儲(chǔ)器的連接, 對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法 用行列矩陣結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行選擇，在CPU連接時(shí)，通過(guò)低位地址線和芯片連接，為芯片提供行地址和列地址。, 存儲(chǔ)體 存儲(chǔ)器芯片的主要部分，用來(lái)存儲(chǔ)信息 地址譯碼電路 根據(jù)輸入的地址編碼來(lái)選中芯片內(nèi)某個(gè)特定的存儲(chǔ)單元 片選和讀寫控制邏輯 選中存儲(chǔ)芯片，控制讀寫操作,4.2 存儲(chǔ)器的連接,4.2 存儲(chǔ)器的連接,全譯碼法 適用于組合容量較大的存儲(chǔ)器 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 部分譯碼法 線

8、譯碼法 適用于容量較小的存儲(chǔ)器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,4.2.2 片選信號(hào)的構(gòu)成方法,4.2 存儲(chǔ)器的連接,,全譯碼示例：,4.2 存儲(chǔ)器的連接,,部分譯碼示例：,4.2 存儲(chǔ)器的連接,,A14 A1300的情況不能出現(xiàn) 00000H01FFFH的地址不可使用,線選譯碼示例：,存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的三種方法,1、位擴(kuò)展,要求：用1K4位的SRAM芯片 1K8位的SRAM存儲(chǔ)器,,1、位擴(kuò)展,容量= 2108位 舉例驗(yàn)證: 讀地址為0 的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容,1、位擴(kuò)展,要點(diǎn)： （1）芯片的地址線A、讀寫控制信號(hào)WE#、片選信號(hào)CS#分別連在一起； （2）芯片的數(shù)據(jù)線D分別對(duì)應(yīng)于所搭建的存儲(chǔ)器的高若干位和低若干位

9、。,2、字?jǐn)U展,要求： 用1K位的SRAM芯片 2K8位的SRAM存儲(chǔ)器,2、字?jǐn)U展,分析地址： A10用于選擇芯片 A9A0用于選擇芯片內(nèi)的某一存儲(chǔ)單元,2、字?jǐn)U展,容量= 211 8位 舉例驗(yàn)證: 讀地址為 0的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容 讀地址為 10 0 的存儲(chǔ)單元 的內(nèi)容,2、字?jǐn)U展,要點(diǎn)： （1）芯片的數(shù)據(jù)線D、讀寫控制信號(hào)WE#分別連在一起; （2）存儲(chǔ)器地址線A的低若干位連接各芯片的地址線; （3）存儲(chǔ)器地址線A的高若干位作用于各芯片的片選信號(hào)CS#。,3、字位擴(kuò)展,需擴(kuò)展的存儲(chǔ)器容量為M N位 , 已有芯片的容量為L(zhǎng) K位 (L

10、/K 個(gè) 芯片進(jìn)行位擴(kuò)展。,1、根據(jù)CPU芯片提供的地址線數(shù)目，確定CPU訪存的地址范圍，并寫出相應(yīng)的二進(jìn)制地址碼； 2、根據(jù)地址范圍的容量，確定各種類型存儲(chǔ)器芯片的數(shù)目和擴(kuò)展方法； 3、分配CPU地址線。CPU地址線的低位（數(shù)量存儲(chǔ)芯片的地址線數(shù)量）直接連接存儲(chǔ)芯片的地址線；CPU高位地址線皆參與形成存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)； 4、連接數(shù)據(jù)線、R/W#等其他信號(hào)線，MREQ#信號(hào)一般可用作地址譯碼器的使能信號(hào)。 需要說(shuō)明的是，主存的擴(kuò)展及與CPU連接在做法上并不唯一，應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析,三、主存儲(chǔ)器與CPU的連接,,舉例,例1：設(shè)CPU有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用MREQ#作訪存控制信號(hào)（低

11、電平有效），用R/W#作讀/寫控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫）。現(xiàn)有下列存儲(chǔ)芯片：1K*4位SRAM；4K*8位SRAM；8K*8位SRAM；2K*8位ROM；4K*8位ROM；8K*8位ROM；及3：8譯碼器和各種門電路。 要求：主存的地址空間滿足下述條件：最小8K地址為系統(tǒng)程序區(qū)（ROM區(qū)），與其相鄰的16K地址為用戶程序區(qū)（RAM區(qū)），最大4K地址空間為系統(tǒng)程序區(qū)（ROM區(qū)）。 請(qǐng)畫出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯，存儲(chǔ)芯片的種類、片數(shù) 畫出CPU與存儲(chǔ)器的連接圖。,解：首先根據(jù)題目的地址范圍寫出相應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。,解題,第二步：選擇芯片 最小8K系統(tǒng)程序區(qū)8K*8位ROM，1片 16K用戶程序

12、區(qū)8K*8位SRAM， 2片； 4K系統(tǒng)程序工作區(qū)4K*8位SRAM， 1片。 第三步，分配CPU地址線。 CPU的低13位地址線A12A0與1片8K*8位ROM和兩片8K*8位SRAM芯片提供的地址線相連；將CPU的低12位地址線A11A0與1片4K*8位SRAM芯片提供的地址線相連。 第四步，譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。,,例2,例2： 設(shè)有若干片256K8位的SRAM芯片，問(wèn)如何構(gòu)成2048K32位的存儲(chǔ)器？需要多少片RAM芯片？該存儲(chǔ)器需要多少根地址線？畫出該存儲(chǔ)器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號(hào)有地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)MREQ#和R/W#。 解：采用字位擴(kuò)展的方法。 SRAM芯片

13、個(gè)數(shù)：2048K/256K 32/8 = 32片 每4片一組進(jìn)行位擴(kuò)展，共8組芯片進(jìn)行字?jǐn)U展 片選：該存儲(chǔ)器需要21條地址線A20A0，其中高3位用于芯片選擇接到74LS138芯片的CBA，低18位接到存儲(chǔ)器芯片地址。 MREQ#：作為譯碼器的使能信號(hào)。,,例3: 用1k*4 的片子 2114 組成 2k*8 的存儲(chǔ)器，控制信號(hào):訪存信號(hào)IO/M與讀寫信號(hào)WR.,,靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器舉例：2114應(yīng)用,例3,試分析各芯片的地址范圍？,若要將存儲(chǔ)器地址布置在2400H開始的的單元,片選信號(hào)如何接線? 分析: A15 A14 A13A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A

14、3 A2 A1 A0 0 0 1 0 0 1 0 0 0000 0000 1 1 1111 1111 第一組地址:2400H27FFH,譯碼器輸出的第9個(gè)信號(hào)作片選 0 0 1 0 1 0 0 0 0000 0000 1 1 1111 1111 第二組地址:2800H2BFFH ,譯碼器輸出的第10個(gè)信號(hào)作片選,,,,片內(nèi)尋址,4.2 存儲(chǔ)器的連接,4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),1.層次化總體結(jié)構(gòu),存儲(chǔ)器層次化總體結(jié)構(gòu),4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),PC機(jī)的內(nèi)存組織,,2.內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)

15、,4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),,,基本內(nèi)存區(qū)的組織,（1）基本內(nèi)存區(qū),4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),,,高端內(nèi)存區(qū)的組織,（2）高端內(nèi)存區(qū),4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),,（3）擴(kuò)充內(nèi)存區(qū),用高端內(nèi)存區(qū)64KB映射擴(kuò)充內(nèi)存的1個(gè)頁(yè)組,4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),指1MB以上但不是通過(guò)內(nèi)存擴(kuò)充卡映射來(lái)獲得的內(nèi)存空間。 擴(kuò)展內(nèi)存在32位CPU的直接尋址范圍內(nèi)。,（4）擴(kuò)展內(nèi)存區(qū),4.3.2 微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織,1. 16位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織,0,7,8,15,4.3.2 微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織,2. 32位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織,4.4.1 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址,1、虛擬

16、存儲(chǔ)技術(shù) 2、段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ) 分段特點(diǎn)： 每段的長(zhǎng)度不是固定的 每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間 分頁(yè)特點(diǎn)： 一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定 頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定 只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ),4.4.1 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址,3、邏輯地址、線性地址和物理地址 邏輯地址特點(diǎn)： 這是程序員編寫的源程序中使用的地址 完整的邏輯地址一共48位 邏輯地址中的選擇子對(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址 線性地址特點(diǎn)： 線性地址是由2個(gè)32位量相加而成的 段基址由段描述符得到 線性地址是分為3個(gè)字段來(lái)體現(xiàn)其功能,4.4.2 分段管理,三種描述符表 全局描述符表GDT 局部描述符表LDT 中斷描述符表IDT 描述符表

17、三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間 可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ) 可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)隔離,4.4.3 段選擇子、段描述符和段描述符表,段選擇子,,4.4.3段選擇子、段描述符和段描述符表,段描述符,4.4.3段選擇子、段描述符和段描述符表,描述符表,4.4.4 邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址,4.4.5 分頁(yè)管理,分頁(yè)功能涉及兩個(gè)表： 頁(yè)組目錄項(xiàng)表 頁(yè)表,4.4.6 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址,分頁(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換,4.4.6 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址,圖4.20 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子,4.4.7轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB,轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB的功能,4.5.1 Cache概述,由于CPU與主存之間在執(zhí)行速度上存

18、在較大的差異，為提高CPU的效率，并考慮到價(jià)格因素，基于程序的局部性原理，在CPU與主存之間增加的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache技術(shù)。,4.5.1 Cache概述,Cache模塊 主存 Cache控制器,,Cache系統(tǒng)包含三個(gè)部分：,基本原理： 當(dāng)CPU要讀取主存中一個(gè)字時(shí)，總是將存放該字的內(nèi)存地址同時(shí)發(fā)給cache和主存。此時(shí)，cache控制邏輯立即依據(jù)地址，判斷該字當(dāng)前是否已在 cache中： 若是，將此字立即傳送給CPU，CPU無(wú)需再訪問(wèn)主存（讓主存訪問(wèn)失效）； 若非，則用主存讀周期把此字從主存讀出送到CPU，與此同時(shí)：把含有這個(gè)字的數(shù)據(jù)塊從主存讀出并裝入到cache中，將Cache中較舊的

19、內(nèi)容（塊）替換掉。,4.5.2 Cache的組織方式,按照主存和Cache之間的映像關(guān)系，Cache有三種組織方式。即：,全相聯(lián)方式 (fully associative) 直接映像方式 (direct mapped) 組相聯(lián)方式 (set associative),,4.5.2 Cache的組織方式,Cache的三種組織方式:,4.5.2 Cache的組織方式,全相聯(lián)Cache的例子:,4.5.2 Cache的組織方式,優(yōu)點(diǎn)：可使主存的一個(gè)塊直接拷貝到cache中的任意一行上，非常靈活。 缺點(diǎn)：比較電路難于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),尤其當(dāng)Cache有一定容量時(shí)，查找某塊（行）比較麻煩。,全相聯(lián)Cache,

20、4.5.2 Cache的組織方式,直接映像Cache的例子:,4.5.2 Cache的組織方式,優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單，成本低。 缺點(diǎn)：是每個(gè)主存塊只有一個(gè)固定的行位置可存放,容易產(chǎn)生沖突和Cache空間使用效率的降低。,直接映像Cache,4.5.2 Cache的組織方式,組相聯(lián)Cache的例子:,4.5.3 Cache的數(shù)據(jù)更新方法,兩類一致性問(wèn)題： 數(shù)據(jù)丟失 數(shù)據(jù)過(guò)時(shí),,4.5.4 Cache控制器82385,Cache控制器82385的管理體現(xiàn)于以下幾方面： Cache和主存的映像關(guān)系處理 未命中Cache時(shí)的處理 Cache的數(shù)據(jù)更新,4.5.4 Cache控制器82385,82

21、385通過(guò)片內(nèi)的Cache目錄使外部的32KBCache和4GB的主存之間實(shí)現(xiàn)映像，可以采用兩種常用的方法：直接映像方式和雙路組相聯(lián)映像方式。82385的引腳2W/D用于這兩種方式的選擇。,,82385工作于直接映像方式時(shí)Cache目錄、Cache及主存之間的關(guān)系 :,1. 82385控制的直接映像方式Cache系統(tǒng),4.5.4 Cache控制器82385,直接映像方式下82385從Cache中選1個(gè)區(qū)塊,4.5.4 Cache控制器82385,82385工作于雙路組相聯(lián)方式時(shí)Cache目錄、Cache及主存之間的關(guān)系圖 :,2. 82385控制的雙路組相聯(lián)方式Cache子系統(tǒng),4.5.4 Cache控制器82385,雙路組相聯(lián)方式下，82385從Cache中選個(gè)區(qū)塊,4.5.4 Cache控制器82385,