計算機組成原理（第四章（1））

第四章 存儲器

存儲器的層次結構

1）存儲器的分類

2）存儲器的層次化結構

3）半導體隨機存取存儲器

1.SRAM存儲器的工作原理

2.DRAM存儲器的工作原理

4）只讀存儲器

5）主存儲器與CPU的連接

6）雙口RAM和多模塊存儲器

7）高速緩存存儲器（Cache）

1.程序訪問的局部性原理

2.Cache的基本工作原理

3.cache和主存之間的映射方式

4.Cache中主存塊的替換演算法

5Cache寫策略

8）虛擬存儲器

1.虛擬存儲器的基本概念

2.頁式虛擬存儲器

3.段式虛擬存儲器

4.段頁式虛擬存儲器

5.TLB（快表）

基本術語：

記憶單元（存儲基元、存儲元，位元）（cell）

具有兩種穩態的能夠表示二進位數碼0和1的物理器件

存儲單元（編製單位）

主存中具有相同地址的位構成一個存儲單元，也稱為一個編製單元

存儲體（存儲矩陣，存儲陣列）

所有存儲單元構成的一個存儲陣列

編址方式

位元組編址、按字編址

存儲器地址寄存器（MAR）

用於存放主存單元地址的寄存器

存儲器數據寄存器（MDR）

用於存放主存單元中數據的寄存器

存儲器的分類：

1.按存儲介質分類

１）半導體存儲器　——》易失的

２）磁表面存儲器　磁碟、磁帶

３）磁芯存儲器　　硬磁材料、環狀元件

４）光碟存儲器　　激光、磁光材料

——》非易失的

2.存取方式分類

１）存取時間與物理地址無關（隨機訪問）

每個單元讀寫時間一樣，且與各單元所在位置無關（如內存）

隨機存儲器ＲＡＭ

在程序的執行過程中可讀可寫

靜態ＲＡＭ：觸發器原理寄存信息

動態ＲＡＭ：電容充放電原理寄存信息

只讀存儲器ＲＯＭ

掩模型ＲＯＭ：一旦製成無法更改

可編程ＲＯＭ：可編程一次

可擦除可編程ＲＯＭ：可擦除、編程多次

電可擦除編程ＲＯＭ：可（局部）擦除，編程多次

快閃記憶體或快擦型存儲器Ｆｌａｓｈ　Ｍｅｍｏｒｙ：比ＥＥＰＲＯＭ快得多

２）存取時間與物理地址有關（串列訪問）

順序存取存儲器

數據按順序從存儲載體的始端尋找，然後進行讀出或寫入，因而存取時間的長短與信息所在位置有關。（如磁帶）

直接存取存儲器

直接定位到要讀寫的數據塊，在讀寫某個數據塊時按順序進行（如磁碟）

相聯存儲器

按內容檢索到存儲位置進行讀寫。（如快表）

3.按在計算機中的作用分類

4.按斷電後信息的可保存性分類

非易失（不揮發）性存儲器（ＮＭ）

信息可以一直保留，不需要電源維持（如ＲＯＭ、磁表面存儲器，光存儲器等）

易失（揮發）性存儲器（ＶＭ）

電源關閉時信息自動丟失（例如ＲＡＭ，Ｃａｃｈｅ等）

5.按功能/容量/速度/所在位置分類

寄存器（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

封裝在CPU內部，用於存放當前正在執行的指令和使用的數據

高速緩存（Ｃａｃｈｅ）

位於CPU內部或者附近，用來存放當前要執行的局部程序段和數據

用SRAM實現，速度可與CPU匹配，容量小

內存儲器（ＭＭ）

位於CPU外部，用來存放已經被啟動的程序以及所用的數據

用DRAM實現，速度較快，容量較大

外存儲器（ＡＭ）

位於主機之外，用來存放暫不允許的程序、數據或者存檔文件

用磁表面或光存儲器實現，容量大而速度慢

存儲器的層次結構：

存儲器的三個主要特性：

速度　容量　價位

三級存儲器結構

由高速緩衝存儲器、主存儲器和外存儲器組成

內存儲器：ＣＰＵ能直接訪問的存儲器

外存儲器：ＣＰＵ不能直接訪為的存儲器，外存儲器的信息必須調入內存儲器後才能由ＣＰＵ進行處理

Ｃａｃｈｅ存儲系統是為了解決主存速度不足提出的

在Ｃａｃｈｅ和主存之間增加輔助硬體，讓它們構成一個整體

從ＣＰＵ看，速度接近Ｃａｃｈｅ，容量是主存的容量，位價格接近於主存價格

由於Ｃａｃｈｅ存儲系統全部採用硬體來調度，因此對系統程序員和應用程序員是透明的

虛擬存儲器是為了解決主存容量不足提出的

在主存和輔存之間，增加輔存的軟硬體，讓它們構成一個整體

從ＣＰＵ看，速度接近於主存的速度，容量是虛擬的地址空間，每位價格是接近於輔存的價格

由於虛擬存儲器需要通過操作系統來調度，因此對系統程序員是不透明的，但對應用程序員是透明的