计算机内存和存储系统知识

计算机系统和结构第四章存储器和存储系统的教学目标了解存储器的分类和层次结构掌握半导体存储芯片的基本工作原理掌握提高存储器性能的主要方法着重讨论半导体存储芯片的基本工作原理内存和CPU的主要连接方法改进内存教学过程的性能的方法1内存概述2主内存3主内存组织4存储保护1.内存概述内存的两个主要功能: 存储（写Write），取出（读） out）基本要求: 1）大容量2）高速3）低成本1.内存概述的基本概念: 基本存储单元: 存储一点二进制代码的存储元件称为基本存储单元（或存储单元） . 存储单元: 主存储器中最小的可寻址单元是CPU可以访问主存储器的最小单元. 存储: 多个存储单元根据某些规则组成一个整体. 内存分辨率: 指可以区分，识别和操作的内存的精细度. 1.内存概述内存的特征: 1）内存是计算机中信息存储的核心. 2）内存是CPU与外界交换数据的窗口. CPU执行的程序和所涉及的数据由内存提供. 3）外部存储可以保存大量程序和数据. 存储器分层结构存储系统的特点: 1）在存储器体系结构中，层之间的信息调度是通过辅助硬件或软件直接完成的.

2）存储架构可以使整个存储系统的效率最大化，并具有最佳的性能价格比. 工作原理: CPU首先访问缓存. 如果它不在高速缓存中，则存储系统将通过辅助硬件转到主存储；如果主存储没有CPU访问内容，则存储系统通过辅助硬件或软件转到辅助存储，然后找到它. 然后，找到的数据将逐步增加. 存储器的层次结构CPU辅助主存储软件辅助存储CPU Cache主存储器辅助存储辅助硬件辅助硬件，软件（a）两级存储器层次结构（b）三级存储器层次结构存储器层次结构教学过程1存储器概述2主存储器3主内存组织4存储保护2.主内存的性能指标是对内存的主要要求，也是内存设计，使用和改进的主要基础. 内存性能指标也称为内存参数. 主存储器技术指标存储容量: 1）存储容量是指功能齐全的存储器可以容纳的二进制信息总量，即可以存储多少位二进制信息代码. 2）存储容量=存储字数×字长3）要求: 大容量. 主要内存规格: 内存速度: 内存访问时间: 从存储单元读取/写入信息或从内存读取/写入信息（信息可以是字节或字）平均时间.

内存循环时间（Memory Cycle Time）: 内存执行一次完整的读写操作所需的总时间称为访问周期. 主存储器技术数据传输速率每单位时间可写入或从存储器中取出的最大信息量称为数据传输速率或存储器传输带宽bM. bM = W / tM存储周期的倒数1 / tM，W表示一次内存读取数据的宽度，即位数. 主要内存技术指标的可靠性通过平均故障时间MTBF来衡量. 1）破坏性地读出存储器: 设置缓冲寄存器2）断电后信息将丢失: 备用电源方法或使用中断的技术转储3）动态存储: 定期刷新主存储器技术指标价格是衡量经济表现的指标重要指标. 令C为存储容量为S位元（以元为单位）的整个内存的价格，内存成本c可定义为: c =（C / S）元/位. 主存储器基本上由地址代码地址寄存器MAR地址存储库组成. 主存储器读命令写命令数据寄存器MDR主存储器基本操作存储器的基本操作: . 读操作. 写操作教学过程1存储器概述2主存储器3主存储器组织4存储保护3.主存储器组织半导体存储器: 随机存取存储器，只读存储器；只读存储器. 媒体存储: 磁带，硬盘，软盘，光盘和USB闪存盘；现代存储系统: 主内存，缓存，辅助存储，磁盘阵列；随机存取存储器RAM读写存储器: 其中的信息均可读取和重写，并且随时访问任何存储单元所花费的时间是相同的.

RAM可以分为: 双极RAM: 高速，低集成度，高功耗，高成本，高速缓冲存储器. 单极性RAM静态RAM动态RAM性能的比较速度集成功耗成本效应双极性快速低大高第一级静态动态快速高高慢高大小高低低第二级不需要刷新内部存储器不断刷新其他读存储器1. 只读存储器（ROM）1）掩模ROM 2）PROM 3）EPROM 2.闪存1）闪存的功能2）闪存的技术分类3）闪存的性能4）闪存存储器的主要应用连接到CPU的是SRAM，DRAM，ROM，PROMcache，计算机主存储器中的固定程序以及控制用户编程存储器的微程序. EPROM用户可在工业控制器或电气设备中使用它来编辑和修改程序，或在产品试生产阶段试用程序. E2PROM IC卡存储信息. 闪存固态磁盘. IC卡主存储机构存储芯片的容量受到限制. 将合伟扩展到两个方面可以满足实际的存储容量要求. 存储芯片的扩展需要完成: 地址线的连接. 数据线的连接. 控制线的连接. 内存扩展: 位扩展，字扩展，字扩展的连接内存和中央处理器中央处理器CPUD0: D76 5 4 3 2 8k×18 7K扩展8K RAMλ??内存和中央处理器A15 2的连接: 4个CPU A14A0 A13WE D0-D7CE. 16K×8….WECE 16K×8WECE 16K×8WECE 16K×8WE字扩展方法组成64K RAM字扩展字位扩展方法构成RAM字位扩展高速缓冲存储器高速缓存概念: 1）CPU和CPU之间的一种高速缓冲设备主存储器2）缓存-主存储器的层次结构: 地址更改和硬件控制调度.

特征（1/2）: 1）位于CPU和主内存之间，它是内存层次结构中的最高级别； 2）容量小于主存储器，通常为几KB到几MB； 3）速度比主存快5-10倍;高速缓冲存储器（2/2）的特征: 4）它的容量是主存储器的部分副本； 5）其目的可用于存储指令和数据； 6）快速存储的功能全部由硬件实现，对程序员透明. 缓存存储器的基本组成缓存存储器缓存控制器地址转换逻辑替换逻辑构成了缓存存储器的工作原理（1/3）: 1）缓存以块为单位进行操作. 2）当CPU发出入站操作请求时，高速缓存控制器首先确定当前请求的字是否在高速缓存中. 如果是，则称为命中，否则不命中. 缓存内存的工作原理（2/3）: 3）命中: 如果是“读取”请求，它将直接读取缓存，与主内存无关. 如果是“写入”请求: 高速缓存单元和主存储单元同时写入（通过写入写入），则仅更新高速缓存单元并添加标记，移出时修改主存储器（写回复制）写入主存储器，并在缓存中添加一个标记，下次从MM读取以确保正确. 高速缓存存储器（3/3）的工作原理: 4）丢失: 如果是“读取”请求，则从主存储器读取所需的字并将其发送到CPU，并将包含该字的块发送到缓存；如果它是“写入”请求，则直接写入主内存.

缓存缓存替换算法: ①先进先出（FIFO）: 命中率不高. ②最近最少使用的算法（LRU）: 与FIFO相比，命中率有所提高，并非最佳. ③OPT: 一种理想的算法，但是很难实现. 它仅用作其他算法的度量. 缓存内存地址映射1.概念1）地址映射: 为了将信息放入缓存中，必须使用某些功能将主内存地址映射到缓存. 2）地址转换（地址转换）: 根据此映射关系将信息加载到缓存后，在执行程序时，主内存地址将转换为缓存地址. 直接映射地址映射方法完全关联映射组关联映射缓存直接映射: 主内存空间分为2m页，其页号为0、1，... i ... 2m -1，每页大小为2b缓存存储空间分为2c个页面（页面编号0、1，... j ... 2c1），每个页面大小也为2b个单词（c

2）主存储器地址3）优点: 灵活4）缺点: 访问速度太慢，因为必须将其与所有标签进行比较才能确定是否命中；成本太高. 高速缓冲存储器标签页号0标签页号1主存储器地址标签m = t + c位2c -1主存储器页标签m = t + c位页地址b位完全关联图像模式主存储器页号0页号1页号i页号2m-1高速缓存组关联映射（1/2）A）将高速缓存分为2n个组，每个组包含2r个页面，高速缓存总共2c = 2n + r个页面. 映射关系为: j =（i mod 2 n）×2r + k（0≤k≤2r-1）例如，假设n = 3位，r = 1位，请考虑可以将主存储块15映射到缓存在哪个块中. 可用: j =（i mod 2 n）×2 r + k =（15 mod 2 3）×2 1 + k = 7×2 + k = 14 + k高速缓存存储组关联图像（2/2），因为0≤ k≤2r -1 = 1，因此: k = 0或1代将得到j = 14（k = 0）或15（k = 1）. 因此，可以将主存储模块15映射到缓存块14或15. 在组7中. B）主存储地址C）组之间的直接映射，组内的完整关联映射. 简介: 以上三种映射技术具有一定的内部关系: 当r = 0时，它是直接映射；当r = 0时个人计算机的存储器系统，它是直接映射. 当r = c时，它是一个完全关联的映射.

缓存缓存（r = 1）标记0ҳ0组标记1ҳ标记2ҳ1组标记3ҳ2cr-1组标记t + r2 c-2 2 c-1主存储器地址主存储器块标记t + r位组地址页地址nλbλc= n ＋ r页面地址组链接的图像主存储器0页面1页面2 cr-1 2 c-r2 cr + 12 cr + 1- 1 2 cr + 12 m-1虚拟内存功能和特点: 1）虚拟存储为“主存储器-外部存储器”层； 2）使计算机的访问容量达到辅助存储的容量； 3）使计算机的存储速度接近主存储的速度； 4）使计算机的整个存储系统的成本接近辅助存储的成本. 主存储器和外部存储器层级信息传输方案: 段，页或段页，即: 页型虚拟存储器，段型虚拟存储器，页型虚拟存储器，虚拟存储器1，页型虚拟存储器（1/3 ）页面: 以页面为信息传输单元的虚拟内存，即在该虚拟内存中，虚拟空间和主内存空间都被划分为大小相等的页面. A）逻辑页: 虚拟内存空间，虚拟地址分为两个字段: 高位字段是逻辑页号，低位字段是页内地址； B）物理页: 主内存空间，实际内存地址也分为两个字段: 高位字段是物理页号，低位字段是页面的页内地址. 虚拟内存1，页面型虚拟内存（2/3）页面表: 该表记录虚拟页面和实际页面之间的比较，从虚拟存储地址到主存储实际地址的转换是通过存储在虚拟页面中的页面表实现的. 主内存. 在页表中，每个虚拟内存逻辑页号都有一个条目. 条目的内容必须至少包括逻辑页所在的主内存页的地址（物理页号），将其用作主内存地址的高位字段，并与虚拟内存地址以生成完整的真实主内存地址，并相应地访问主内存.

虚拟内存1，分页虚拟内存（3/3）工作原理: A）CPU提供的虚拟地址: 逻辑地址+页内地址B）访问页表: 页表基址寄存器+逻辑页号C）检查表. 如果页面命中: 主内存地址: 物理页号+页内地址；如果没有成功: 启动I / O系统，从外部存储器转移到主存储器. 虚拟内存页表基地址寄存器页表基地址CPU提供的虚拟内存地址逻辑页号（虚拟页号）页串联地址控制位实际页号物理页编号页串联地址页表（在主存储器中） ）实内存地址页面类型虚拟内存虚拟实地址转换虚拟内存2，分段虚拟内存（1/2）分段虚拟内存: 由程序的逻辑结构（例如进程，子级别等）形成的分段. ）作为主存储器空间分配单元的虚拟存储管理方法，因为每个段的长度根据程序而有所不同，所以虚拟地址由段号和段内的地址组成. 为了将虚拟地址转换为真实存储地址，需要一个段表. 段表是一个比较表，指示虚拟段（程序的逻辑结构）和实际段（存储在主存储器中的位置）之间的关系. 段表也是一个段，每个段驻留在主存储器中或可以存储在外部存储器中，然后在需要时转移到主存储器中. 虚拟内存地址: 段号+段2中的地址虚拟内存，分段虚拟内存（2/2）1）优点: 段的边界是清晰的，即程序的自然边界；易于编译，管理，修改和保护；频道节目是共享的；一些相似的段的长度是可变的，从而允许自由调度以有效地使用主内存空间.

2）缺点: 由于段的长度不同，段的起点和终点不确定，这给分配主内存空间带来了麻烦. 段之间很容易留下大量的备用和零散的主存储空间，这不容易使用并且会造成浪费. 虚拟内存段表基地址寄存器段表基地址段段地址虚拟内存地址段长加载位段起始段号0 1 2 3主内存地址实地址段表（在主内存中）段类型虚拟内存地址转换虚拟内存3 ，分段页面虚拟内存（1/4）分段页面虚拟内存: 分段虚拟内存和页面虚拟内存的组合. 在以逻辑单位分割程序后，将分割成固定大小的页面. 主存储器中程序的调入和调出操作以页为单位执行，并且可以由段共享和保护. 它可以考虑页面格式和段格式的优点. 它的缺点是在地址转换过程中需要多次查找表. 虚拟内存3，段页面虚拟内存（2/4）地址转换在段页面虚拟内存中，每个程序都通过段表和一组页表来定位. 段表中的每个条目都对应一个段，并且每个条目都有一个指向该段的页表起始地址（页码）和该段的控制保护信息. 页表指示每个页在主内存中的段中的位置以及是否已加载，修改和其他状态信息. 虚拟内存3，段页面虚拟内存（3/4）多通道程序: 当机器上有多个用户运行时，以多通道程序为例: 其虚拟地址应包括基号（用户徽标） ，段号，页号，页内地址，格式如下: 基数段号页号页地址虚拟内存3，段页虚拟内存（4/4）地址转换: 1）根据基数取出SD数字D，执行SD + 1（段号）操作，得到段表的相应行地址，其内容为页表的起始地址b.

2）执行b + 0（页码）以获取物理页码地址个人计算机的存储器系统，根据该地址取出的内容为物理页码4. 3）物理页码与页内页连接地址以获取主内存的物理地址（真实地址）. 虚拟存储器程序逻辑地址基数（用户号）D段号1页号0页地址d基地址寄存器A SA B SB C SC DSC S D程序段表D程序0段页表SA + 0 SA + 1 SA + 2a + 0 1 a + 1 2D程序1段页表D程序段表SD + 0aSD + 1bSD + 2b + 0 4 b +1 5D程序2段页表c + 0 7 c + 1 8 c + 2 9段页虚拟内存的虚拟地址从页码更改为页面内的地址. 4虚拟内存虚拟内存: 1）允许人们使用比主内存容量大得多的地址空间访问主内存. 2）每次访问主内存时都必须执行虚拟和实际转换，并且不需要转换非虚拟内存系统. 虚拟内存和缓存的比较: 1）主内存/缓存访问的“时间比例”很小，通常为10: 1，每次传输的页面很小；辅助存储器/主存储器访问的“时间比”较大，典型值为100: 1—1000: 1，每次传输的页面较大； 2）在高速缓存未命中期间，处理器不会更改任务，而仍被等待内部访问次数的进程占用；内存的工作原理（1/3）内存的工作原理（2/3）内存的工作原理（3/3）教学过程1内存概述2主内存3主内存组织4存储保护4.存储保护为了防止其他用户程序的损坏以及其他用户程序和系统软件的损坏，该用户程序非法访问了未分配给它的主存储区.

系统应提供存储保护. 存储保护主要包括: . 存储区域保护. 访问模式保护存储区保护1）页表保护2）密钥模式3）铃声保护模式访问模式保护有三种使用主内存信息的方式: . 读（R）. 写（W）. 执行（E）相应的访问模式保护具有R，W，E三个以及这三种方式形成的逻辑组合. ？在本章中，存储器的两个主要功能是写入和读取. 内存的三个基本要求是: 大容量，高速和低成本. 各种类型存储器的特点: 半导体存储器具有高速度和高成本；磁性表面存储器具有大容量和低成本，但是速度较慢，无法与CPU的高速信息处理能力相提并论. 在计算机系统中，通常采用多层存储器结构，即由高速缓冲存储器，主存储器和外部存储器组成的结构. •本章小结可以采取许多措施来提高存储速度. 使用缓存使用多体交错存储器；使用联想记忆；延长存储字的长度等. 为了扩展存储容量，可以使用虚拟存储技术. 虚拟内存是一种基于主内存和辅助内存的物理结构的存储系统，由附加的硬件设备和操作系统存储管理软件组成. 虚拟内存有三种类型: 页面，段和页面.

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