计算机组织与结构-第三章第一讲

第三章第三章 存储系统存储系统1 计算机组织与结构计算机组织与结构第三章第三章 存储系统存储系统 第三章第三章 存储系统存储系统3.1 3.1 存储系统概述存储系统概述3.2 3.2 随机读写存储器随机读写存储器3.3 3.3 只读存储器和闪速存储器只读存储器和闪速存储器3.4 3.4 高速存储器高速存储器3.5 Cache3.5 Cache存储器存储器3.6 3.6 虚拟存储器虚拟存储器3.7 3.7 存储保护存储保护3.8 3.8 辅助存储器辅助存储器 2图3.1 存储器与外部的连接关系 存储器系统是计算机系统的重要组成部分，现代计存储器系统是计算机系统的重要组成部分，现代计算机系统都以存储器为中心，程序若要运行，必须先算机系统都以存储器为中心，程序若要运行，必须先把有关程序和数据装到存储器中。把有关程序和数据装到存储器中。3.1.1 3.1.1 存储器在计算机中的地位存储器在计算机中的地位计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述3 存储系统存储系统：两个或两个以上速度、容量和价格各不相：两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来的系统称为存储系统。法连接起来的系统称为存储系统。对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器；一个存储器；这个存储器的速度接近速度最快的那个主存储器；这个存储器的速度接近速度最快的那个主存储器；存储容量与容量最大的那个主存储器相等或接近；存储容量与容量最大的那个主存储器相等或接近；单位容量的价格接近最便宜的那个主存储器。单位容量的价格接近最便宜的那个主存储器。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述43.1.2 3.1.2 存储器的组成存储器的组成存储体是存放二进制码的存储体是存放二进制码的地方，由各种介质组成的、地方，由各种介质组成的、具有记忆能力的存储单元具有记忆能力的存储单元集合。可以完成存入、取集合。可以完成存入、取出、保持记忆的功能。出、保持记忆的功能。接受地址总线上送来接受地址总线上送来的地址，在整个存取的地址，在整个存取时间内，保持地址码时间内，保持地址码不变，以进行地址选不变，以进行地址选择。择。或称为存储器数据寄存器或称为存储器数据寄存器(MDR)(MDR)。它与数据总线相连，进行数据它与数据总线相连，进行数据的写入或读出，起到了将存储的写入或读出，起到了将存储信息整形与同步的作用，作为信息整形与同步的作用，作为存储体与总线接口的寄存器。存储体与总线接口的寄存器。根据地址码，产生该地根据地址码，产生该地址的选择信号，用以驱址的选择信号，用以驱动所选择的存储单元。动所选择的存储单元。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述图图3.2 3.2 存储器的组成存储器的组成53.1.2 3.1.2 存储器的组成存储器的组成1.存储体编址方式存储体编址方式 为了能够方便存取，对存储体的各单为了能够方便存取，对存储体的各单元进行编元进行编址。址。编址技术是存储器结构中的重要问题。编址技术是存储器结构中的重要问题。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述6存储体编址方式存储体编址方式编址单位：编址单位：常用的编址单位：字编址、字节编址、位编址、常用的编址单位：字编址、字节编址、位编址、块编址等块编址等编址单位与字长访问：编址单位与字长访问：一般：字节编址，字访问；一般：字节编址，字访问；部分机器：位编址，字访问；部分机器：位编址，字访问；辅助存储器：块编址，位访问；辅助存储器：块编址，位访问；3.1.2 3.1.2 存储器的组成存储器的组成计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述7存储体编址方式：存储体编址方式：按字编址：长度为一个机器字长的存储单元，编按字编址：长度为一个机器字长的存储单元，编一个地址码。一个地址码。按字节编址：即按字节编址：即8 8位二进制代码为一个存储单元，位二进制代码为一个存储单元，编一个地址码，这是当前机器编址中的主流。编一个地址码，这是当前机器编址中的主流。按位编址：即对每一位二进制代码指定一个地址按位编址：即对每一位二进制代码指定一个地址码。这种编址方式只是在某些特定需要的情况下采码。这种编址方式只是在某些特定需要的情况下采用。用。3.1.2 3.1.2 存储器的组成存储器的组成计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述8图图3.3 3.3 字节编址的主存储器的各种访问方法字节编址的主存储器的各种访问方法图中给出了主存储器图中给出了主存储器采用字节编址情况下，采用字节编址情况下，数据在主存储器中的数据在主存储器中的3 3种不同存放方法，这种不同存放方法，这里，存储器本身的字里，存储器本身的字长都是长都是6464位（位（8 8个字个字节），即一个存储周节），即一个存储周期能够从存储器中读期能够从存储器中读或写一个字长为或写一个字长为6464位位的数据，图中最左边的数据，图中最左边一列是地址，用一列是地址，用1616进进制表示，由于存储器制表示，由于存储器的字长是的字长是8 8个字节，因个字节，因此地址的最低此地址的最低3 3个二进个二进制位是制位是000000。我们这里暂且把一个存我们这里暂且把一个存储字称为双字储字称为双字 9在采用在采用字节编址字节编址方式的存储器中，一个存储字中的多个字方式的存储器中，一个存储字中的多个字节如何编码有两种方法，这就是大端节如何编码有两种方法，这就是大端(Big Endian)(Big Endian)与小端与小端(Little Endian)(Little Endian)问题。问题。图图3.43.4103.1.3 3.1.3 存储器的分类存储器的分类1.1.按存储介质分类按存储介质分类 所谓存储介质是指记忆二进制代码所采所谓存储介质是指记忆二进制代码所采用的物质。用的物质。(1).半导体器件组成的半导体器件组成的半导体存储器半导体存储器 (2).磁性材料做成的磁性材料做成的磁表面存储器磁表面存储器计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述112.按存取方式分类按存取方式分类(1).随机存储器随机存储器RAM(Random Access Memory)单元的内容都能随机存取且存取时间与存储单元单元的内容都能随机存取且存取时间与存储单元的位置无关的存储器。如半导体存储器等。的位置无关的存储器。如半导体存储器等。主主存、存、Cache、外设缓存。、外设缓存。(2).顺序存储器顺序存储器SAM(Sequential Access Memory)存取时间与存取单元的物理位置有关的存储器。存取时间与存取单元的物理位置有关的存储器。如：磁带存储器。用途：辅存。如：磁带存储器。用途：辅存。(3).半顺序存储器半顺序存储器RSAM(Random Sequential Access Memory)记录信息的媒体表面被分成若干道，每道均可随机记录信息的媒体表面被分成若干道，每道均可随机访问，道内则按顺序寻找的存储器。如：磁盘。访问，道内则按顺序寻找的存储器。如：磁盘。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述123.按读写功能分类按读写功能分类(1)只读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory)只能读出不能写入的存储器。只能读出不能写入的存储器。(2)随机存储器随机存储器RAM(Random Access Memory)既能读出又能写入的存储器。既能读出又能写入的存储器。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述134.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类(1).非永久性存储器非永久性存储器(易失性易失性):断断电后信息即消失的存储器电后信息即消失的存储器(2).永久性存储器永久性存储器(非易失性非易失性):断电后仍能保存信息的存储器断电后仍能保存信息的存储器5.按在计算机系统中的作用分类按在计算机系统中的作用分类*主存储器主存储器 *辅助存储器辅助存储器*缓冲存储器缓冲存储器 *控制存储器控制存储器计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述143.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标容量、速度、价格容量、速度、价格 1 1、存储容量存储容量：主存存储单元的总数：主存存储单元的总数 S Swnmwnm 其中：其中：w w 存储器字的长度存储器字的长度(可用位或字节表示可用位或字节表示)，n n表示每个存储器的字数，表示每个存储器的字数，m m表示可以并行工作的存表示可以并行工作的存储器的个数。储器的个数。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述153.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标1.存储容量存储容量:主存存储单元的总数主存存储单元的总数例：例：8位微机位微机16位地址码（按字节编址）位地址码（按字节编址）最大容量：最大容量：216B=65536B=64KB注：注：1KB=210B;1MB=210KB=220B;1GB=210MB=230B;1TB=210GB=240B。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述163.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标1.存储容量存储容量:主存存储单元的总数主存存储单元的总数 例：某机器字长例：某机器字长(一般也是存储器的字长，一般也是存储器的字长，也称为数据宽度也称为数据宽度)为为1616位，即等于位，即等于2B2B，而存储，而存储器的物理单元个数为器的物理单元个数为32k32k个，该存储器只有一个，该存储器只有一个存储器工作，所以它的容量可以计算出来：个存储器工作，所以它的容量可以计算出来：S S2 232k32kl l64kB64kB。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述173.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标 2 2、速度速度 衡量存储器速度指标的参数可以有下面几个。衡量存储器速度指标的参数可以有下面几个。存储周期存储周期：两次读：两次读/写操作之间所需的最短间隔时间写操作之间所需的最短间隔时间称为存储周期称为存储周期(TM)。*存储周期的单位：存储周期的单位：ns(纳秒纳秒)存取时间存取时间：存储器从接收到：存储器从接收到“读出读出”或或“写入写入”的的命令起到完成读数或写数操作所需的时间，称为存取命令起到完成读数或写数操作所需的时间，称为存取时间时间(TA)。通常。通常 TM TA计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述183.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标 2 2、速度、速度 衡量存储器速度指标的参数可以有下面几个。衡量存储器速度指标的参数可以有下面几个。数据传送速率数据传送速率BmBm：也称为频宽，通常是用单位时：也称为频宽，通常是用单位时间能传送的信息位数间能传送的信息位数(或字节或字节)来衡量。有来衡量。有 Bm=(Bm=(位位s)s)如果是如果是m m个存储器并行工作，则有个存储器并行工作，则有 Bm Bm (位位s)s)mTWmTmW 计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述193.1.4 3.1.4 存储器的主要指标存储器的主要指标3.存储器的可靠性存储器的可靠性 衡量标准：平均无故障时间衡量标准：平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Failures)MTBF越长，可靠性越高。越长，可靠性越高。4.性能性能/价格比价格比 性能容量、存储周期、可靠性等性能容量、存储周期、可靠性等 价格整个存储器的价格价格整个存储器的价格计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述20图3.5 存储器的层次结构3.1.5 3.1.5 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构计算机系统中计算机系统中用于存放最活用于存放最活跃的程序和数跃的程序和数据的高速小容据的高速小容量存储器。量存储器。计算机系统中计算机系统中用于存放计算用于存放计算机运行期间的机运行期间的大量程序和数大量程序和数据的半导体存据的半导体存储器。储器。内存储器内存储器：主存：主存+cachecache；是中央处理；是中央处理器能直接访问的存器能直接访问的存储器。储器。存放当前暂不参与存放当前暂不参与运行的程序和数据，运行的程序和数据，需要时再与主存成需要时再与主存成批交换信息的存储批交换信息的存储器。由磁表面存储器。由磁表面存储器和光盘存储器构器和光盘存储器构成。成。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述213.1.5 3.1.5 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构 1.存储器访问的局部性存储器访问的局部性 所谓存贮器访问的局部性是指在所谓存贮器访问的局部性是指在CPU访问存贮访问存贮器时，无论是取指令或存取数据，所访问的存贮单器时，无论是取指令或存取数据，所访问的存贮单元都趋向于聚集在一个较小的连续单元区域中。元都趋向于聚集在一个较小的连续单元区域中。时间上的局部性时间上的局部性空间上的局部性空间上的局部性计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述223.1.5 3.1.5 存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构 2.层次结构的命中率层次结构的命中率 命中率是指对某一层次存储器而言，要访问的数命中率是指对某一层次存储器而言，要访问的数据正好在这一级中的概率。它同传送信息块的大小、据正好在这一级中的概率。它同传送信息块的大小、这一级存储的容量、这一级存储的容量、存储管理策略等因素有关。存储管理策略等因素有关。计算机组织与结构3.1存储系统概述存储系统概述239、静夜四无邻，荒居旧业贫。23.1.2623.1.26Thursday,January 26,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。1:15:321:15:321:151/26/2023 1:15:32 AM11、以我独沈久，愧君相见频。23.1.261:15:321:15Jan-2326-Jan-2312、故人江海别，几度隔山川。1:15:321:15:321:15Thursday,January 26,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。23.1.2623.1.261:15:321:15:32January 26,202314、他乡生白发，旧国见青山。2023年1月26日星期四上午1时15分32秒1:15:3223.1.2615、比不了得就不比，得不到的就不要。2023年1月上午1时15分23.1.261:15January 26,202316、行动出成果，工作出财富。2023年1月26日星期四1时15分32秒1:15:3226 January 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。上午1时15分32秒上午1时15分1:15:3223.1.269、没有失败，只有暂时停止成功！。23.1.2623.1.26Thursday,January 26,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。1:15:321:15:321:151/26/2023 1:15:32 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。23.1.261:15:321:15Jan-2326-Jan-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。1:15:321:15:321:15Thursday,January 26,202313、不知香积寺，数里入云峰。23.1.2623.1.261:15:321:15:32January 26,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2023年1月26日星期四上午1时15分32秒1:15:3223.1.2615、楚塞三湘接，荆门九派通。2023年1月上午1时15分23.1.261:15January 26,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023年1月26日星期四1时15分32秒1:15:3226 January 202317、空山新雨后，天气晚来秋。上午1时15分32秒上午1时15分1:15:3223.1.269、杨柳散和风，青山澹吾虑。23.1.2623.1.26Thursday,January 26,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。1:15:321:15:321:151/26/2023 1:15:32 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。23.1.261:15:321:15Jan-2326-Jan-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。1:15:321:15:321:15Thursday,January 26,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。23.1.2623.1.261:15:321:15:32January 26,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2023年1月26日星期四上午1时15分32秒1:15:3223.1.2615、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2023年1月上午1时15分23.1.261:15January 26,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023年1月26日星期四1时15分32秒1:15:3226 January 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。上午1时15分32秒上午1时15分1:15:3223.1.26MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blanditut cursus.感 谢 您 的 下 载 观 看感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉