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計(jì)算機(jī)組成原理白中英版課件

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計(jì)算機(jī)組成原理白中英版課件

3.1 3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述3.2 3.2 隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器3.3 3.3 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器 3.4 3.4 高速存儲(chǔ)器高速存儲(chǔ)器3.5 3.5 cachecache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 3.6 3.6 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器3.7 3.7 存儲(chǔ)保護(hù)存儲(chǔ)保護(hù) 第第3章章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述v存儲(chǔ)器的兩大功能:存儲(chǔ)器的兩大功能: 1、 存儲(chǔ)(寫(xiě)入存儲(chǔ)(寫(xiě)入Write) 2、 取出(讀出取出(讀出Read)v三項(xiàng)基本要求:三項(xiàng)基本要求: 1、大容量、大容量 2、高速度、高速度 3、低成本、低成本3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述v概念概念1、基本存儲(chǔ)單元基本存儲(chǔ)單元:存儲(chǔ)一位(:存儲(chǔ)一位(bit)二進(jìn)制代)二進(jìn)制代碼的存儲(chǔ)元件稱(chēng)為基本存儲(chǔ)單元(或存儲(chǔ)元)碼的存儲(chǔ)元件稱(chēng)為基本存儲(chǔ)單元(或存儲(chǔ)元)2、存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元:主存中最小可編址的單位,是:主存中最小可編址的單位,是CPU對(duì)主存可訪問(wèn)操作的最小單位。對(duì)主存可訪問(wèn)操作的最小單位。3、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器:多個(gè)存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則組成一:多個(gè)存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則組成一個(gè)整體。個(gè)整體。3.1.1 存儲(chǔ)器的分類(lèi)存儲(chǔ)器的分類(lèi)1. 按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)2. 按存取方式分類(lèi)按存取方式分類(lèi)3. 按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能分類(lèi)按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能分類(lèi)4. 按信息的可保存性分類(lèi)按信息的可保存性分類(lèi)5. 按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類(lèi)按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類(lèi)3.1.1 3.1.1 存儲(chǔ)器分類(lèi)存儲(chǔ)器分類(lèi)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器:用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器:用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器:用磁性材料做成的存儲(chǔ)器:用磁性材料做成的存儲(chǔ)器 按存儲(chǔ)介質(zhì)分按存儲(chǔ)介質(zhì)分 按存儲(chǔ)方式分按存儲(chǔ)方式分 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器:任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取,:任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取,且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)順序存儲(chǔ)器順序存儲(chǔ)器:只能按某種順序來(lái)存取,存取時(shí)間和存:只能按某種順序來(lái)存取,存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān) 按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能分:按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能分:ROMROM,RAMRAM 按信息的可保存性分:按信息的可保存性分:非永久記憶,永久記憶非永久記憶,永久記憶 按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分:按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分:主存、輔存、高速緩存、控制存儲(chǔ)器主存、輔存、高速緩存、控制存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.1.2 存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器v寄存器寄存器微處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)單元微處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)單元v高速緩存(高速緩存(Cache)完全用硬件實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)器的速度提高完全用硬件實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)器的速度提高v主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存放當(dāng)前運(yùn)行程序和數(shù)據(jù),采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)存放當(dāng)前運(yùn)行程序和數(shù)據(jù),采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成成v輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器磁記錄或光記錄方式磁記錄或光記錄方式磁盤(pán)或光盤(pán)形式存放可讀可寫(xiě)或只讀內(nèi)容磁盤(pán)或光盤(pán)形式存放可讀可寫(xiě)或只讀內(nèi)容以外設(shè)方式連接和訪問(wèn)以外設(shè)方式連接和訪問(wèn)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.1.3 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)l存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量主存存儲(chǔ)容量:以字節(jié)主存存儲(chǔ)容量:以字節(jié)B B(ByteByte)為基本單位)為基本單位半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片:以位半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片:以位b b (BitBit)為基本單位)為基本單位存儲(chǔ)容量以存儲(chǔ)容量以2 2101010241024規(guī)律表達(dá)規(guī)律表達(dá)KBKB,MBMB,GBGB和和TBTB廠商常以廠商常以10103 310001000規(guī)律表達(dá)規(guī)律表達(dá)KBKB,MBMB,GBGB和和TBTBl存取時(shí)間(訪問(wèn)時(shí)間)存取時(shí)間(訪問(wèn)時(shí)間)發(fā)出讀發(fā)出讀/ /寫(xiě)命令到數(shù)據(jù)傳輸操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間寫(xiě)命令到數(shù)據(jù)傳輸操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間l存取周期存取周期兩次存儲(chǔ)器訪問(wèn)所允許的最小時(shí)間間隔兩次存儲(chǔ)器訪問(wèn)所允許的最小時(shí)間間隔存取周期大于等于存取時(shí)間存取周期大于等于存取時(shí)間l存儲(chǔ)器帶寬(數(shù)據(jù)傳輸速率)存儲(chǔ)器帶寬(數(shù)據(jù)傳輸速率)單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.2 隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器lSRAMSRAM(靜態(tài)(靜態(tài)RAMRAM:Static RAMStatic RAM)以觸發(fā)器為基本存儲(chǔ)單元以觸發(fā)器為基本存儲(chǔ)單元不需要額外的刷新電路不需要額外的刷新電路速度快,但集成度低,功耗和價(jià)格較高速度快,但集成度低,功耗和價(jià)格較高lDRAMDRAM(動(dòng)態(tài)(動(dòng)態(tài)RAMRAM:Dynamic RAMDynamic RAM)以單個(gè)以單個(gè)MOSMOS管為基本存儲(chǔ)單元管為基本存儲(chǔ)單元要不斷進(jìn)行刷新(要不斷進(jìn)行刷新(RefreshRefresh)操作)操作集成度高、價(jià)格低、功耗小,但速度較集成度高、價(jià)格低、功耗小,但速度較SRAMSRAM慢慢計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.2.1 SRAM存儲(chǔ)器l6 6個(gè)開(kāi)關(guān)管組成一個(gè)存儲(chǔ)元,存儲(chǔ)一位信息個(gè)開(kāi)關(guān)管組成一個(gè)存儲(chǔ)元,存儲(chǔ)一位信息lN(=1/4/8/16/32)N(=1/4/8/16/32)個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元l存儲(chǔ)器芯片的大量存儲(chǔ)單元構(gòu)成存儲(chǔ)體存儲(chǔ)器芯片的大量存儲(chǔ)單元構(gòu)成存儲(chǔ)體l存儲(chǔ)器芯片結(jié)構(gòu):存儲(chǔ)器芯片結(jié)構(gòu):存儲(chǔ)單元數(shù)存儲(chǔ)單元數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)位數(shù) 2 2M MN N芯片的存儲(chǔ)容量芯片的存儲(chǔ)容量lM M芯片地址線(xiàn)的個(gè)數(shù)芯片地址線(xiàn)的個(gè)數(shù)lN N數(shù)據(jù)線(xiàn)的個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)線(xiàn)的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)2K816K位存儲(chǔ)容量位存儲(chǔ)容量11個(gè)地址引腳個(gè)地址引腳8個(gè)數(shù)據(jù)引腳個(gè)數(shù)據(jù)引腳計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理SRAM的控制信號(hào)l片選片選(CSCS* *或或CECE* *)片選有效,才可以對(duì)芯片進(jìn)行讀片選有效,才可以對(duì)芯片進(jìn)行讀/ /寫(xiě)操作寫(xiě)操作無(wú)效時(shí),數(shù)據(jù)引腳呈現(xiàn)高阻狀態(tài),并可降低功耗無(wú)效時(shí),數(shù)據(jù)引腳呈現(xiàn)高阻狀態(tài),并可降低功耗 l讀控制讀控制(OEOE* *)芯片被選中有效,數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)引腳芯片被選中有效,數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)引腳對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器讀對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器讀MEMRMEMR* *l寫(xiě)控制寫(xiě)控制(WEWE* *)芯片被選中的前提下,若有效,將數(shù)據(jù)寫(xiě)入芯片被選中的前提下,若有效,將數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器寫(xiě)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器寫(xiě)MEMWMEMW* * SRAM 2114計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器l基本存儲(chǔ)元基本存儲(chǔ)元66管靜態(tài)管靜態(tài)MOSMOS存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元A A、電路圖:、電路圖:由兩個(gè)由兩個(gè)MOSMOS反相器交叉耦合而成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。反相器交叉耦合而成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。BAT5T4T3T1T2T6BS0VBS1讀/寫(xiě)“0”讀/寫(xiě)“1”位/讀出線(xiàn)位/讀出線(xiàn)字線(xiàn) 6管MOS存儲(chǔ)電路計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理讀/寫(xiě)“0”BAT2T5T4T0T1I/OI/OT7T6T3BS0VBS1讀/寫(xiě)“1”位/讀出線(xiàn)位/讀出線(xiàn)Y選擇線(xiàn)X選擇線(xiàn) 6管雙向選擇MOS存儲(chǔ)電路基本存儲(chǔ)元基本存儲(chǔ)元6管雙向選擇管雙向選擇MOS存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元在縱向一列上的在縱向一列上的6管存儲(chǔ)元共用一對(duì)管存儲(chǔ)元共用一對(duì)Y選擇控制管選擇控制管T6 、T7 ,這樣存儲(chǔ)體管子增加不多,但是雙向地址譯碼選擇,這樣存儲(chǔ)體管子增加不多,但是雙向地址譯碼選擇,因?yàn)閷?duì)選擇線(xiàn)選中的一列只是一對(duì)控制管接通,只有因?yàn)閷?duì)選擇線(xiàn)選中的一列只是一對(duì)控制管接通,只有X選選擇線(xiàn)也被選中,該位才被重合選中。擇線(xiàn)也被選中,該位才被重合選中。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)元基本存儲(chǔ)元66管靜態(tài)管靜態(tài)MOSMOS存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元B B、存儲(chǔ)元的工作原理、存儲(chǔ)元的工作原理寫(xiě)操作。在字線(xiàn)上加一個(gè)正電壓的字脈沖,使寫(xiě)操作。在字線(xiàn)上加一個(gè)正電壓的字脈沖,使T T2 2 、T T3 3 管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。若要寫(xiě)若要寫(xiě)“0”0”,無(wú)論該位存儲(chǔ)元電路原存何種狀態(tài),只需使寫(xiě),無(wú)論該位存儲(chǔ)元電路原存何種狀態(tài),只需使寫(xiě)“0”0”的位線(xiàn)的位線(xiàn)BSBS0 0 電壓降為地電位(加負(fù)電壓的位脈沖),經(jīng)電壓降為地電位(加負(fù)電壓的位脈沖),經(jīng)導(dǎo)通的導(dǎo)通的2 2 管,迫使節(jié)點(diǎn)的電位等于地電位,就能使管,迫使節(jié)點(diǎn)的電位等于地電位,就能使1 1 管管截止而截止而0 0 管導(dǎo)通。寫(xiě)入管導(dǎo)通。寫(xiě)入1 1,只需使寫(xiě),只需使寫(xiě)1 1的位線(xiàn)的位線(xiàn)BSBS1 1 降為地電位,降為地電位,經(jīng)導(dǎo)通的經(jīng)導(dǎo)通的T T3 3 管傳給節(jié)點(diǎn),迫使管傳給節(jié)點(diǎn),迫使T T0 0 管截止而管截止而T T1 1 管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。寫(xiě)入過(guò)程是字線(xiàn)上的字脈沖和位線(xiàn)上的位脈沖相重合的操作寫(xiě)入過(guò)程是字線(xiàn)上的字脈沖和位線(xiàn)上的位脈沖相重合的操作過(guò)程。過(guò)程。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)元基本存儲(chǔ)元66管靜態(tài)管靜態(tài)MOSMOS存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元B B、存儲(chǔ)元的工作原理、存儲(chǔ)元的工作原理讀操作。讀操作。只需字線(xiàn)上加高電位的字脈沖,使只需字線(xiàn)上加高電位的字脈沖,使T T2 2 、T T3 3 管導(dǎo)通,把節(jié)管導(dǎo)通,把節(jié)點(diǎn)點(diǎn)A A、B B分別連到位線(xiàn)。若該位存儲(chǔ)電路原存分別連到位線(xiàn)。若該位存儲(chǔ)電路原存“0”0”,節(jié)點(diǎn)是,節(jié)點(diǎn)是低電位,經(jīng)一外加負(fù)載而接在位線(xiàn)低電位,經(jīng)一外加負(fù)載而接在位線(xiàn)0 0 上的外加電源,就會(huì)上的外加電源,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流入產(chǎn)生一個(gè)流入BSBS0 0 線(xiàn)的小電流(流向節(jié)點(diǎn)經(jīng)線(xiàn)的小電流(流向節(jié)點(diǎn)經(jīng)T T0 0 導(dǎo)通管入導(dǎo)通管入地)。地)?!?”0”位線(xiàn)上位線(xiàn)上BSBS0 0 就從平時(shí)的高電位下降一個(gè)很小的就從平時(shí)的高電位下降一個(gè)很小的電壓,經(jīng)差動(dòng)放大器檢測(cè)出電壓,經(jīng)差動(dòng)放大器檢測(cè)出“”信號(hào)。信號(hào)。若該位原存若該位原存“1”1”,就會(huì)在,就會(huì)在“1”1”位線(xiàn)位線(xiàn)BSBS1 1 中流入電流,在中流入電流,在 BSBS1 1 位線(xiàn)上產(chǎn)生電壓降,經(jīng)差動(dòng)放大器檢測(cè)出讀位線(xiàn)上產(chǎn)生電壓降,經(jīng)差動(dòng)放大器檢測(cè)出讀“1”1”信號(hào)。信號(hào)。讀出過(guò)程中,位線(xiàn)變成了讀出線(xiàn)。讀取信息不影響觸發(fā)器讀出過(guò)程中,位線(xiàn)變成了讀出線(xiàn)。讀取信息不影響觸發(fā)器原來(lái)狀態(tài),故讀出是非破壞性的讀出。原來(lái)狀態(tài),故讀出是非破壞性的讀出。若字線(xiàn)不加正脈沖,說(shuō)明此存儲(chǔ)元沒(méi)有選中,若字線(xiàn)不加正脈沖,說(shuō)明此存儲(chǔ)元沒(méi)有選中,T T2 2 ,T T3 3 管截止,管截止,A A、B B結(jié)點(diǎn)與位讀出線(xiàn)隔離,存儲(chǔ)元存儲(chǔ)并保存原存信息。結(jié)點(diǎn)與位讀出線(xiàn)隔離,存儲(chǔ)元存儲(chǔ)并保存原存信息。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器lRAMRAM結(jié)構(gòu)與地址譯碼結(jié)構(gòu)與地址譯碼字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式(1 1)結(jié)構(gòu):)結(jié)構(gòu): (A) (A) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量= =行行b b列;列; (B) (B) 陣列的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)字,有一根公用的字選擇線(xiàn);陣列的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)字,有一根公用的字選擇線(xiàn); (C) (C) 每一列對(duì)應(yīng)字線(xiàn)中的一位,有兩根公用的位線(xiàn)每一列對(duì)應(yīng)字線(xiàn)中的一位,有兩根公用的位線(xiàn)BSBS0 0 與與BSBS1 1 。 (D) (D) 存儲(chǔ)器的地址不分組,只用一組地址譯碼器。存儲(chǔ)器的地址不分組,只用一組地址譯碼器。(2 2)字結(jié)構(gòu)是)字結(jié)構(gòu)是2 2度存儲(chǔ)器:只需使用具有兩個(gè)功能端的基本存儲(chǔ)電路:字度存儲(chǔ)器:只需使用具有兩個(gè)功能端的基本存儲(chǔ)電路:字線(xiàn)和位線(xiàn)線(xiàn)和位線(xiàn)(3 3)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,速度快:適用于小容量)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,速度快:適用于小容量M M(4 4)缺點(diǎn):外圍電路多、成本昂貴,結(jié)構(gòu)不合理結(jié)構(gòu)。)缺點(diǎn):外圍電路多、成本昂貴,結(jié)構(gòu)不合理結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器地址寫(xiě)選通b7讀出寫(xiě)入讀選通A3A2A1A0字線(xiàn)W15W1W0BS1BS0字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式的RAM16選 1地址譯碼器FFFFFFFFFFFFFFFFFF讀寫(xiě)電路讀寫(xiě)電路讀寫(xiě)電路:b1讀出寫(xiě)入b0讀出寫(xiě)入計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器lRAMRAM結(jié)構(gòu)與地址譯碼結(jié)構(gòu)與地址譯碼位結(jié)構(gòu)或雙譯碼方式位結(jié)構(gòu)或雙譯碼方式l (1 1) 結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu): (A) (A) 容量:容量:N N(字)(字)b b(位)的(位)的RAMRAM,把每個(gè)字的同一位組織在一個(gè),把每個(gè)字的同一位組織在一個(gè)存儲(chǔ)片上,每片是存儲(chǔ)片上,每片是N N1 1;再把;再把b b 片并列連接,組成一個(gè)片并列連接,組成一個(gè)N Nb b的存儲(chǔ)體,就的存儲(chǔ)體,就構(gòu)成一個(gè)位結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器。構(gòu)成一個(gè)位結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器。 (B) (B) 在每一個(gè)在每一個(gè)N N1 1存儲(chǔ)片中,字?jǐn)?shù)被當(dāng)作基本存儲(chǔ)電路的個(gè)數(shù)。存儲(chǔ)片中,字?jǐn)?shù)被當(dāng)作基本存儲(chǔ)電路的個(gè)數(shù)。若把若把N Nn n 個(gè)基本存儲(chǔ)電路排列成個(gè)基本存儲(chǔ)電路排列成N Nx x行與行與N Ny y列的存儲(chǔ)陣列,把列的存儲(chǔ)陣列,把CPUCPU送來(lái)的送來(lái)的n n位選擇地址按行和列兩個(gè)方向劃分成位選擇地址按行和列兩個(gè)方向劃分成n nx x 和和n ny y 兩組,經(jīng)行和列方兩組,經(jīng)行和列方 向譯碼器,向譯碼器,分別選擇驅(qū)動(dòng)行線(xiàn)與列線(xiàn)。分別選擇驅(qū)動(dòng)行線(xiàn)與列線(xiàn)。 (C) (C) 采用雙譯碼結(jié)構(gòu),可以減少選擇線(xiàn)的數(shù)目。采用雙譯碼結(jié)構(gòu),可以減少選擇線(xiàn)的數(shù)目。 (2 2)優(yōu):驅(qū)動(dòng)電路節(jié)省,結(jié)構(gòu)合理,適用于大容量存儲(chǔ)器。)優(yōu):驅(qū)動(dòng)電路節(jié)省,結(jié)構(gòu)合理,適用于大容量存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器Y1Y64X64X1A5A4A3A2A1A0位結(jié)構(gòu)雙譯碼方式的RAMX地址譯碼64, 164, 64 1, 64 1, 1 I/O Y地址譯碼A6A7A8A9A10A11計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器l用靜態(tài)用靜態(tài)MOSMOS存儲(chǔ)片組成存儲(chǔ)片組成RAMRAM 位擴(kuò)展法:位擴(kuò)展法: 例如:用例如:用8 8的的RAMRAM存儲(chǔ)芯片,組成存儲(chǔ)芯片,組成8K8K8 8位的存儲(chǔ)器,按位的存儲(chǔ)器,按8 8位位m m1 1的關(guān)系來(lái)確定位擴(kuò)展所需要的芯片數(shù)。共需的關(guān)系來(lái)確定位擴(kuò)展所需要的芯片數(shù)。共需8 8片,每一芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)片,每一芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)分別接到數(shù)據(jù)總線(xiàn)的相應(yīng)位。分別接到數(shù)據(jù)總線(xiàn)的相應(yīng)位。 字?jǐn)U展法:字?jǐn)U展法: 字?jǐn)U展:字向擴(kuò)展而位數(shù)不變,將芯片的地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、讀寫(xiě)控制字?jǐn)U展:字向擴(kuò)展而位數(shù)不變,將芯片的地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、讀寫(xiě)控制線(xiàn)并聯(lián),而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各片地址。線(xiàn)并聯(lián),而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各片地址。 例如:用例如:用16k16k8 8位的芯片采用字?jǐn)U展法組成位的芯片采用字?jǐn)U展法組成64k64k8 8位的存儲(chǔ)器:位的存儲(chǔ)器:4 4個(gè)芯個(gè)芯片。片。 地址分配:地址總線(xiàn)低位地址地址分配:地址總線(xiàn)低位地址A A0 0A A1313與各芯片的與各芯片的1414位地址端相連,而位地址端相連,而高兩位的地址高兩位的地址A A1414、A A1515經(jīng)經(jīng)2 2:4 4譯碼器和譯碼器和4 4個(gè)芯片的片選端個(gè)芯片的片選端CECE相連。相連。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器l用靜態(tài)用靜態(tài)MOSMOS存儲(chǔ)片組成存儲(chǔ)片組成RAMRAMl字位同時(shí)擴(kuò)展法:字位同時(shí)擴(kuò)展法:一個(gè)存儲(chǔ)器的容量假定為一個(gè)存儲(chǔ)器的容量假定為M MN N位,若使用位,若使用l lk k位的芯片(位的芯片(l lM,kM,kN N)需)需要在字向和位向同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。此時(shí)共需要(要在字向和位向同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。此時(shí)共需要(M Ml l)(N Nk k)個(gè)存)個(gè)存儲(chǔ)器芯片。儲(chǔ)器芯片。 其中,其中,M Ml l表示把表示把M MN N的空間分成(的空間分成(M Ml l)個(gè)部分(稱(chēng)為頁(yè)或區(qū)),)個(gè)部分(稱(chēng)為頁(yè)或區(qū)),每頁(yè)(每頁(yè)(N Nk k)個(gè)芯片。)個(gè)芯片。 地址分配:地址分配: (A A)用)用loglog2 2 l l位表示低位地址:用來(lái)選擇訪問(wèn)頁(yè)內(nèi)的位表示低位地址:用來(lái)選擇訪問(wèn)頁(yè)內(nèi)的l l個(gè)字個(gè)字 (B B) 用用loglog2 2(M Ml l)位表示高位地址:用來(lái)經(jīng)片選譯碼器產(chǎn)生片)位表示高位地址:用來(lái)經(jīng)片選譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)。選信號(hào)。 CPUCPU對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/ /寫(xiě)操作,首先由地址總寫(xiě)操作,首先由地址總線(xiàn)給出地址信號(hào),然后要對(duì)存儲(chǔ)器發(fā)出讀操作或線(xiàn)給出地址信號(hào),然后要對(duì)存儲(chǔ)器發(fā)出讀操作或?qū)懖僮鞯目刂菩盘?hào),最后在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上進(jìn)行信息寫(xiě)操作的控制信號(hào),最后在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上進(jìn)行信息交流。所以,存儲(chǔ)器與交流。所以,存儲(chǔ)器與CPUCPU之間,要完成之間,要完成: : 地址線(xiàn)的連接;地址線(xiàn)的連接; 數(shù)據(jù)線(xiàn)的連接;數(shù)據(jù)線(xiàn)的連接; 控制線(xiàn)的連接??刂凭€(xiàn)的連接。 存儲(chǔ)器芯片的容量是有限的存儲(chǔ)器芯片的容量是有限的, ,為了滿(mǎn)足實(shí)際存為了滿(mǎn)足實(shí)際存儲(chǔ)器的容量要求,需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。儲(chǔ)器的容量要求,需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器與CPUCPU連接連接 8K8K1 1位擴(kuò)展組成的位擴(kuò)展組成的8K8K8 RAM8 RAM 8 7 6 5 4 3 2 8k1 中央中央處理器處理器 CPU A0 A12 D0 : : D7位擴(kuò)展法位擴(kuò)展法:只加長(zhǎng)每個(gè)存儲(chǔ)單元的字長(zhǎng),:只加長(zhǎng)每個(gè)存儲(chǔ)單元的字長(zhǎng),而不增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量而不增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量 A15 A14CPU A0 A13 A13 WE D0D7 2:4譯碼器譯碼器 CE CE16K8WE CE16K8WE CE16K8WEWE CE16K8WE16K16K8 8字?jǐn)U展法組成字?jǐn)U展法組成64K64K8 RAM8 RAM11100100字?jǐn)U展法字?jǐn)U展法:僅增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量,而各:僅增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量,而各單元的位數(shù)不變單元的位數(shù)不變字位同時(shí)擴(kuò)展:字位同時(shí)擴(kuò)展:21142114存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)芯片1K1K4 4擴(kuò)展成擴(kuò)展成2K2K8 8存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 D4-D7 D3-D0 A0 A1 A9 WE CPU A10 2114CS R/W 2114CS R/W 2114CS R/W 2114CS R/W 字位同時(shí)擴(kuò)展法字位同時(shí)擴(kuò)展法:既增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量,:既增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量,也加長(zhǎng)各單元的位數(shù)也加長(zhǎng)各單元的位數(shù)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量: M MN N位位使用芯片的存儲(chǔ)容量:使用芯片的存儲(chǔ)容量:L LK K位位(LM(LM,KN)KN)需要存儲(chǔ)器芯片個(gè)數(shù):需要存儲(chǔ)器芯片個(gè)數(shù):(M(MN)/(LN)/(LK)K) 例例 : 利用利用2K2K4 4位的存儲(chǔ)芯片,組成位的存儲(chǔ)芯片,組成16K16K8 8位的存位的存儲(chǔ)器,共需要多少塊芯片??jī)?chǔ)器,共需要多少塊芯片? 解解 :(:(16K16K8 8)/ /(2K2K4 4)8 82 21616即:共需即:共需1616塊芯片。塊芯片。( (既需要位擴(kuò)展,又需要字?jǐn)U展既需要位擴(kuò)展,又需要字?jǐn)U展) 又例又例 :利用:利用1K1K4 4位的存儲(chǔ)芯片,組成位的存儲(chǔ)芯片,組成2K2K8 8位的存位的存儲(chǔ)器,共需要芯片數(shù):儲(chǔ)器,共需要芯片數(shù): (2K2K8 8)/ /(1K1K4 4)= 2= 22=42=4字、位同時(shí)擴(kuò)展法: 計(jì)算機(jī)是一個(gè)有計(jì)算機(jī)是一個(gè)有嚴(yán)格時(shí)序控制嚴(yán)格時(shí)序控制要求的機(jī)器。與要求的機(jī)器。與CPUCPU連連接時(shí)接時(shí),CPU,CPU的控制信號(hào)與存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)周期之間的配的控制信號(hào)與存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)周期之間的配合問(wèn)題是非常重要的。合問(wèn)題是非常重要的。注意注意: : 讀出時(shí)間與讀周期是兩個(gè)不同的概念。讀出時(shí)間與讀周期是兩個(gè)不同的概念。 讀出時(shí)間讀出時(shí)間:是指從是指從CPUCPU給出有效地址開(kāi)始,到外部數(shù)給出有效地址開(kāi)始,到外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)上穩(wěn)定地出現(xiàn)所讀出的數(shù)據(jù)信息所經(jīng)歷的時(shí)間。據(jù)總線(xiàn)上穩(wěn)定地出現(xiàn)所讀出的數(shù)據(jù)信息所經(jīng)歷的時(shí)間。 讀周期時(shí)間讀周期時(shí)間:則是指對(duì)存儲(chǔ)片進(jìn)行則是指對(duì)存儲(chǔ)片進(jìn)行兩次連續(xù)讀操作兩次連續(xù)讀操作時(shí)所必須間隔的時(shí)間。時(shí)所必須間隔的時(shí)間。 顯然總有:顯然總有:讀周期讀周期 讀出時(shí)間讀出時(shí)間存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)周期ACSDOUT地址有效地址有效地址失效地址失效片選失效片選失效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定高阻高阻 靜態(tài)靜態(tài) RAM (2114) 讀讀 時(shí)序時(shí)序 tAtCOtOHAtOTDtRC片選有效片選有效讀周期讀周期 t tRCRC 地址有效地址有效 下一次地址有效下一次地址有效讀時(shí)間讀時(shí)間 t tA A 地址有效地址有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定 t tCOCO 片選有效片選有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定t tOTDOTD 片選失效片選失效輸出高阻輸出高阻t tOHAOHA 地址失效后的地址失效后的數(shù)據(jù)維持時(shí)間數(shù)據(jù)維持時(shí)間計(jì)算機(jī)組成原理白中英版ACSWEDOUTDIN靜態(tài)靜態(tài) RAM (2114) 寫(xiě)寫(xiě) 時(shí)序時(shí)序 tWCtWtAWtDWtDHtWR寫(xiě)周期寫(xiě)周期 t tWCWC 地址有效地址有效下一次地址有下一次地址有效效寫(xiě)時(shí)間寫(xiě)時(shí)間 t tW W 寫(xiě)命令寫(xiě)命令 WEWE 的有效時(shí)間的有效時(shí)間t tAWAW 地址有效地址有效片選有效的滯后時(shí)間片選有效的滯后時(shí)間t tWRWR 片選失效片選失效下一次地址有效下一次地址有效t tDW DW 數(shù)據(jù)穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定 WE WE 失效失效t tDHDH WE WE 失效后的數(shù)據(jù)維持時(shí)間失效后的數(shù)據(jù)維持時(shí)間計(jì)算機(jī)組成原理白中英版計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器l4 4管動(dòng)態(tài)管動(dòng)態(tài)M0SM0S存儲(chǔ)元電路存儲(chǔ)元電路在在6 6管靜態(tài)存儲(chǔ)元電路中,信息是存于管靜態(tài)存儲(chǔ)元電路中,信息是存于T T0 0,T T1 1管的柵極電管的柵極電容上,由負(fù)載管容上,由負(fù)載管T T4 4 ,T T5 5 經(jīng)外電源給經(jīng)外電源給T T0 0 ,T T1 1 管柵極電容不管柵極電容不斷地進(jìn)行充電以補(bǔ)充電容電荷。維持原有信息所需要的電荷斷地進(jìn)行充電以補(bǔ)充電容電荷。維持原有信息所需要的電荷量。量。由于由于MOSMOS的柵極電阻很高,柵極電容經(jīng)柵漏(或柵源)的柵極電阻很高,柵極電容經(jīng)柵漏(或柵源)極間的泄漏電流很小,在一定的時(shí)間內(nèi)(如極間的泄漏電流很小,在一定的時(shí)間內(nèi)(如2ms2ms),存儲(chǔ)的),存儲(chǔ)的信息電荷可以維持住。為了減少管子以提高集成度。可以去信息電荷可以維持住。為了減少管子以提高集成度。可以去掉補(bǔ)充電荷的負(fù)載管和電源,變成掉補(bǔ)充電荷的負(fù)載管和電源,變成4 4管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元:管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元:計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器預(yù)充預(yù)充VDCDCDVSVSVDDBT3C1C0T1T0T2ADBS1BS0字線(xiàn)選擇4管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器l4 4管動(dòng)態(tài)管動(dòng)態(tài)M0SM0S存儲(chǔ)元電路存儲(chǔ)元電路寫(xiě)入操作:當(dāng)寫(xiě)入時(shí),字選擇線(xiàn)加入高電平,打開(kāi)寫(xiě)入操作:當(dāng)寫(xiě)入時(shí),字選擇線(xiàn)加入高電平,打開(kāi)T T2 2 、T T3 3 控制管,將控制管,將BSBS0 0 ,BSBS1 1 上的信息存儲(chǔ)在上的信息存儲(chǔ)在T T0 0 、T T1 1 管的柵極電容上。當(dāng)管的柵極電容上。當(dāng)T T2 2 、T T3 3 管截止管截止時(shí),靠時(shí),靠T T0 0 、T T1 1 管柵極電容的存儲(chǔ)作用,在一定時(shí)間內(nèi),(如管柵極電容的存儲(chǔ)作用,在一定時(shí)間內(nèi),(如2ms2ms)可以)可以保留所寫(xiě)入的信息。保留所寫(xiě)入的信息。讀出操作:當(dāng)讀出時(shí),先給出預(yù)充信號(hào),于是電源就向位線(xiàn)的寄生電容讀出操作:當(dāng)讀出時(shí),先給出預(yù)充信號(hào),于是電源就向位線(xiàn)的寄生電容CD CD 充電,使它們都達(dá)到電源電壓(充電,使它們都達(dá)到電源電壓(C CD D V VD D ),當(dāng)字選擇線(xiàn)使),當(dāng)字選擇線(xiàn)使T T2 2 、T T3 3 管導(dǎo)管導(dǎo)通時(shí),存儲(chǔ)的信息通過(guò)通時(shí),存儲(chǔ)的信息通過(guò)A A、B B端向位線(xiàn)輸出。若原存信息為端向位線(xiàn)輸出。若原存信息為1 1,則電容,則電容C C1 1 上上存有電荷,存有電荷,T T1 1 管導(dǎo)通而管導(dǎo)通而T T0 0 管截止,因此,位線(xiàn)管截止,因此,位線(xiàn)BSBS1 1 的預(yù)充電荷經(jīng)的預(yù)充電荷經(jīng)T T1 1 管泄管泄漏,位線(xiàn)漏,位線(xiàn)BSBS1 1 有讀出電流流過(guò)。經(jīng)讀出放大電路鑒別輸出。與此同時(shí),有讀出電流流過(guò)。經(jīng)讀出放大電路鑒別輸出。與此同時(shí),BSBS0 0 上的預(yù)充電荷上的預(yù)充電荷C CD D 可以通過(guò)可以通過(guò)A A點(diǎn)向點(diǎn)向C C1 1 進(jìn)行充電。故讀出過(guò)程也是刷新進(jìn)行充電。故讀出過(guò)程也是刷新過(guò)程。過(guò)程。再生操作:再生操作: “ “再生再生”或或“刷新刷新”。由于。由于4 4管存儲(chǔ)元的信息電荷有泄漏,電荷數(shù)不管存儲(chǔ)元的信息電荷有泄漏,電荷數(shù)不象象6 6管存儲(chǔ)元電路由電源經(jīng)負(fù)載管源源不斷地補(bǔ)充,時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)丟失信息。必須管存儲(chǔ)元電路由電源經(jīng)負(fù)載管源源不斷地補(bǔ)充,時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)丟失信息。必須設(shè)法在外界按一定規(guī)律不斷給柵極進(jìn)行充電,按需要補(bǔ)足柵極的信息電荷。設(shè)法在外界按一定規(guī)律不斷給柵極進(jìn)行充電,按需要補(bǔ)足柵極的信息電荷。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器l4 4管動(dòng)態(tài)管動(dòng)態(tài)M0SM0S存儲(chǔ)元電路存儲(chǔ)元電路 刷新過(guò)程:在字選擇線(xiàn)上加一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刷新。刷新過(guò)程:在字選擇線(xiàn)上加一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刷新。顯然,只要定時(shí)給全部存儲(chǔ)元電路執(zhí)行一遍讀操作,而信顯然,只要定時(shí)給全部存儲(chǔ)元電路執(zhí)行一遍讀操作,而信息不向外輸出,那么就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的再生或刷新。息不向外輸出,那么就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的再生或刷新。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器l單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元:?jiǎn)喂軇?dòng)態(tài)存儲(chǔ)元:為了進(jìn)一步縮小存儲(chǔ)器體積,提高集成度,在大容量動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中都為了進(jìn)一步縮小存儲(chǔ)器體積,提高集成度,在大容量動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中都采用單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元電路。如圖采用單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元電路。如圖6.206.20存儲(chǔ)元由存儲(chǔ)元由T T1 1和和C CS S構(gòu)成。構(gòu)成。寫(xiě)入時(shí),字選擇線(xiàn)加高電平,使寫(xiě)入時(shí),字選擇線(xiàn)加高電平,使T T1 1管導(dǎo)通,寫(xiě)入信息由數(shù)據(jù)線(xiàn)管導(dǎo)通,寫(xiě)入信息由數(shù)據(jù)線(xiàn)D D(位(位線(xiàn))存入電容線(xiàn))存入電容C CS S中。中。讀出時(shí),首先要對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的分布電容讀出時(shí),首先要對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的分布電容C CD D預(yù)充電,再加入字脈沖,使預(yù)充電,再加入字脈沖,使1 1管導(dǎo)通,管導(dǎo)通,C CS S與與C CD D上電荷重新分配以達(dá)到平衡。根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡的電荷數(shù)多上電荷重新分配以達(dá)到平衡。根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡的電荷數(shù)多少來(lái)判斷原存信息是或,因此,每次讀出后,存儲(chǔ)內(nèi)容就被破壞。是少來(lái)判斷原存信息是或,因此,每次讀出后,存儲(chǔ)內(nèi)容就被破壞。是破壞性讀出,必須采取措施,以便再生原存信息。破壞性讀出,必須采取措施,以便再生原存信息。動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)MOSMOS隨機(jī)存儲(chǔ)芯片的組成大體與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片的組成大體與靜態(tài)MOSMOS隨機(jī)芯片相似,由存儲(chǔ)體隨機(jī)芯片相似,由存儲(chǔ)體和外圍電路組成,但外圍電路由于再生操作要復(fù)雜得多。和外圍電路組成,但外圍電路由于再生操作要復(fù)雜得多。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器DCDCST1數(shù)據(jù)線(xiàn)字選擇線(xiàn)單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新(Refresh)刷新的定義和原因刷新的定義和原因1 1、定義、定義 定期向電容補(bǔ)充電荷定期向電容補(bǔ)充電荷原因:原因: 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器依靠電容電荷存儲(chǔ)信息。平時(shí)無(wú)電源供動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器依靠電容電荷存儲(chǔ)信息。平時(shí)無(wú)電源供電,時(shí)間一長(zhǎng)電容電荷會(huì)瀉放,需定期向電容補(bǔ)充電電,時(shí)間一長(zhǎng)電容電荷會(huì)瀉放,需定期向電容補(bǔ)充電荷,以保持信息不變。荷,以保持信息不變。注意刷新與重寫(xiě)的區(qū)別注意刷新與重寫(xiě)的區(qū)別l重寫(xiě):破壞性讀出后重寫(xiě),以恢復(fù)原來(lái)的信息重寫(xiě):破壞性讀出后重寫(xiě),以恢復(fù)原來(lái)的信息l刷新:非破壞性讀出的動(dòng)態(tài)刷新:非破壞性讀出的動(dòng)態(tài)M M,需補(bǔ)充電荷以保持原來(lái)的信息,需補(bǔ)充電荷以保持原來(lái)的信息v2 2、刷新周期、刷新周期從上次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束時(shí)刻,到本次對(duì)從上次對(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的時(shí)間間隔整個(gè)存儲(chǔ)器完成全部刷新一遍為止的時(shí)間間隔一般為一般為2ms2ms,4ms4ms或或8ms8msv3 3、刷新方式:、刷新方式:按行讀;按行讀;集中式集中式分散式分散式異步式異步式刷新方式3872周期周期(1936s)128周期周期(64s)4000周期周期存儲(chǔ)系統(tǒng)周期存儲(chǔ)系統(tǒng)周期t tc ct tc ct tc ct tc ct tc ct tc ct tc ct tc c 在刷新間隔內(nèi),前段時(shí)間進(jìn)行正常操作,不刷新;需在刷新間隔內(nèi),前段時(shí)間進(jìn)行正常操作,不刷新;需要刷新時(shí),暫停讀要刷新時(shí),暫停讀/寫(xiě)周期,集中刷新整個(gè)存儲(chǔ)器寫(xiě)周期,集中刷新整個(gè)存儲(chǔ)器 由于刷新集中進(jìn)行,會(huì)造成芯片由于刷新集中進(jìn)行,會(huì)造成芯片“死時(shí)間死時(shí)間”過(guò)長(zhǎng);因過(guò)長(zhǎng);因?yàn)樾酒谒⑿逻^(guò)程中,禁止了正常的讀為芯片在刷新過(guò)程中,禁止了正常的讀/寫(xiě)操作寫(xiě)操作 把一個(gè)存儲(chǔ)周期分為兩半,前半段時(shí)間用來(lái)讀把一個(gè)存儲(chǔ)周期分為兩半,前半段時(shí)間用來(lái)讀/寫(xiě)操寫(xiě)操作或維持信息,后半段時(shí)間作為刷新操作時(shí)間作或維持信息,后半段時(shí)間作為刷新操作時(shí)間 加長(zhǎng)了系統(tǒng)周期,刷新過(guò)于頻繁加長(zhǎng)了系統(tǒng)周期,刷新過(guò)于頻繁v 前兩種方式的結(jié)合,把刷新操作平均分散到整個(gè)刷前兩種方式的結(jié)合,把刷新操作平均分散到整個(gè)刷新周期(新周期(PC機(jī)采用的刷新方式)機(jī)采用的刷新方式)v 例如:將例如:將61166116芯片在芯片在2ms2ms內(nèi)分散地把內(nèi)分散地把128128行刷新一遍行刷新一遍20002000 s s128 =15.625 128 =15.625 s s 15.5 15.5 s s即每隔即每隔15.5 15.5 s s刷新一行刷新一行v 說(shuō)明說(shuō)明1M1M1 1位位( (51251220482048) DRAM) DRAM芯片的刷新方法,芯片的刷新方法,刷新周期定為刷新周期定為8ms8ms【解】【解】逐行進(jìn)行刷新逐行進(jìn)行刷新512行,每行行,每行2048個(gè)存儲(chǔ)元同時(shí)進(jìn)行刷新,整個(gè)個(gè)存儲(chǔ)元同時(shí)進(jìn)行刷新,整個(gè)芯片在芯片在8ms內(nèi)進(jìn)行內(nèi)進(jìn)行512次刷新操作次刷新操作v集中刷新集中刷新在在8ms中某個(gè)時(shí)間段,連續(xù)進(jìn)行中某個(gè)時(shí)間段,連續(xù)進(jìn)行512次刷新操作次刷新操作“死時(shí)間死時(shí)間”:t0=512 T (T為存儲(chǔ)器讀寫(xiě)周期為存儲(chǔ)器讀寫(xiě)周期)v異步刷新異步刷新v8ms分成分成512個(gè)時(shí)間段,每隔個(gè)時(shí)間段,每隔8ms51215.625s 對(duì)芯片刷新一次對(duì)芯片刷新一次(一行一行),消除長(zhǎng)時(shí)間的,消除長(zhǎng)時(shí)間的“死時(shí)間死時(shí)間” DRAMDRAM存儲(chǔ)器的刷新需要有硬件電路的支持,存儲(chǔ)器的刷新需要有硬件電路的支持,包括刷新計(jì)數(shù)器、刷新包括刷新計(jì)數(shù)器、刷新/ /訪存裁決、刷新控制邏輯訪存裁決、刷新控制邏輯等。這些控制線(xiàn)路形成等。這些控制線(xiàn)路形成DRAMDRAM控制器??刂破鳌4鎯?chǔ)器控制電路 1. EDRAM 1. EDRAM芯片芯片 EDRAMEDRAM芯片又稱(chēng)增強(qiáng)型芯片又稱(chēng)增強(qiáng)型DRAMDRAM芯片,它在芯片,它在DRAMDRAM芯片上芯片上集成了一個(gè)集成了一個(gè)SRAMSRAM實(shí)現(xiàn)的小容量高速緩沖存儲(chǔ)器,從而實(shí)現(xiàn)的小容量高速緩沖存儲(chǔ)器,從而使使DRAMDRAM芯片的性能得到顯著改進(jìn)芯片的性能得到顯著改進(jìn) 2.EDRAM2.EDRAM內(nèi)存條內(nèi)存條 一片一片EDRAMEDRAM的容量為的容量為1M1M4 4位,位,8 8片這樣的芯片片這樣的芯片( (位位擴(kuò)展)可組成擴(kuò)展)可組成1M1M3232位的存儲(chǔ)模塊。位的存儲(chǔ)模塊。 當(dāng)某模塊被選中,此模塊的當(dāng)某模塊被選中,此模塊的8 8個(gè)個(gè)EDRAMEDRAM芯片同時(shí)動(dòng)芯片同時(shí)動(dòng)作,作,8 8個(gè)個(gè)4 4位數(shù)據(jù)端口位數(shù)據(jù)端口D3D0D3D0同時(shí)與同時(shí)與3232位數(shù)據(jù)總線(xiàn)交換位數(shù)據(jù)總線(xiàn)交換數(shù)據(jù),完成一次數(shù)據(jù),完成一次3232位字的存取位字的存取3.2.4 高性能的主存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理l系統(tǒng)系統(tǒng)RAMRAM區(qū)區(qū)地址最低端的地址最低端的640KB640KB空間空間由由DOSDOS進(jìn)行管理進(jìn)行管理l顯示顯示RAMRAM區(qū)區(qū)128KB128KB主存空間保留給顯示緩沖存儲(chǔ)區(qū)主存空間保留給顯示緩沖存儲(chǔ)區(qū)顯示顯示RAMRAM區(qū)并沒(méi)有被完全使用區(qū)并沒(méi)有被完全使用l擴(kuò)展擴(kuò)展ROMROM區(qū)區(qū)I/OI/O接口電路卡上的接口電路卡上的ROMROMl系統(tǒng)系統(tǒng)ROMROM區(qū)區(qū)ROM-BIOSROM-BIOS程序程序PC機(jī)最低1MB主存上位主存區(qū)上位主存區(qū)UMA常規(guī)主存常規(guī)主存計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理ROM芯片的類(lèi)型lMROMMROM(掩膜(掩膜ROMROM)掩膜工藝直接制作掩膜工藝直接制作lPROMPROM(一次性編程(一次性編程ROMROM)允許用戶(hù)進(jìn)行一次性編程允許用戶(hù)進(jìn)行一次性編程lEPROMEPROM(可擦除可編程(可擦除可編程ROMROM)紫外光擦除、并可重復(fù)編程的紫外光擦除、并可重復(fù)編程的ROMROMlEEPROMEEPROM(電擦除可編程(電擦除可編程ROMROM)擦除和編程(擦寫(xiě))通過(guò)加電進(jìn)行擦除和編程(擦寫(xiě))通過(guò)加電進(jìn)行l(wèi)Flash MemoryFlash Memory(閃速存儲(chǔ)器)(閃速存儲(chǔ)器)新型的電擦除可編程新型的電擦除可編程ROMROM快速擦除整片或數(shù)據(jù)塊快速擦除整片或數(shù)據(jù)塊計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理v 閃速存儲(chǔ)器是在閃速存儲(chǔ)器是在EPROMEPROM功能基礎(chǔ)上增加了芯功能基礎(chǔ)上增加了芯片的電擦除和重新編程能力片的電擦除和重新編程能力v 28F256A28F256A通過(guò)引入一個(gè)指令寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)這通過(guò)引入一個(gè)指令寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。其作用是種功能。其作用是(7(7條指令由條指令由CPUCPU提供)提供)(1) (1) 保證保證TTLTTL電平的控制信號(hào)輸入;電平的控制信號(hào)輸入;(2) (2) 在擦除和編程過(guò)程中穩(wěn)定供電;在擦除和編程過(guò)程中穩(wěn)定供電;(3) (3) 最大限度地與最大限度地與EPROMEPROM兼容。兼容。v 28F256A28F256A是是256K(32k256K(32k8)8)容量,除了指令寄容量,除了指令寄存器在內(nèi)的控制和定時(shí)邏輯,其余部分與一般存器在內(nèi)的控制和定時(shí)邏輯,其余部分與一般半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)相似半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)相似閃速存儲(chǔ)器的工作原理閃速存儲(chǔ)器的工作原理28F256A工作模式VppA0A9CE*OE*WE*DQ0-DQ7只只讀讀讀讀VPPL A0 A9 0 01數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出輸出禁止輸出禁止 VPPL 0 11三態(tài)輸出三態(tài)輸出等待等待VPPL 1 三態(tài)輸出三態(tài)輸出廠家代碼廠家代碼 VPPL0V1D000數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)=89H器件代碼器件代碼 VPPL1V1D000數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)= B9H讀讀寫(xiě)寫(xiě)讀讀VPPH A0A90 01數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出輸出禁止輸出禁止 VPPH011三態(tài)輸出三態(tài)輸出備用備用VPPH1三態(tài)輸出三態(tài)輸出寫(xiě)寫(xiě)VPPH A0A90 10數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理Flash MemorylAT29C040AAT29C040Al存儲(chǔ)結(jié)構(gòu):存儲(chǔ)結(jié)構(gòu):512K512K8 8l有有1919個(gè)地址引腳個(gè)地址引腳A18A18A0A0l8 8個(gè)數(shù)據(jù)引腳個(gè)數(shù)據(jù)引腳I/O7I/O7I/O0I/O0l3 3個(gè)控制引腳個(gè)控制引腳片選片選CSCS* *輸出允許輸出允許OEOE* *寫(xiě)允許寫(xiě)允許WEWE* *l扇區(qū)(扇區(qū)(256256字節(jié))擦寫(xiě)字節(jié))擦寫(xiě)l查詢(xún)擦寫(xiě)是否完成查詢(xún)擦寫(xiě)是否完成計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.4.1 3.4.1 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器 同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線(xiàn)同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線(xiàn)路路, ,提供了兩個(gè)相互獨(dú)立的端口,都可以對(duì)存儲(chǔ)器提供了兩個(gè)相互獨(dú)立的端口,都可以對(duì)存儲(chǔ)器中任何位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的存取操作中任何位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的存取操作3.4.2 3.4.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器 每個(gè)模塊各自以等同的方式與每個(gè)模塊各自以等同的方式與CPUCPU傳送信息。傳送信息。 連續(xù)地址分布在相鄰的模塊,對(duì)連續(xù)字的成塊連續(xù)地址分布在相鄰的模塊,對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可以重疊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)并行存取傳送可以重疊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)并行存取3.4.3 3.4.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器相聯(lián)存儲(chǔ)器 按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器 把存儲(chǔ)單元所存內(nèi)容的某一部分作為檢索項(xiàng),把存儲(chǔ)單元所存內(nèi)容的某一部分作為檢索項(xiàng),去檢索該存儲(chǔ)器,并對(duì)存儲(chǔ)器中與該檢索項(xiàng)符合的去檢索該存儲(chǔ)器,并對(duì)存儲(chǔ)器中與該檢索項(xiàng)符合的存儲(chǔ)單元內(nèi)容進(jìn)行讀出或?qū)懭氪鎯?chǔ)單元內(nèi)容進(jìn)行讀出或?qū)懭攵嗄K交叉存儲(chǔ)器v方案一:順序方式 (a) 主存地址被分成高n位和低m位,高位(n)表示模塊號(hào),低位(m位)表示塊內(nèi)地址; (b) 在一個(gè)模塊內(nèi),程序是從低位地址連續(xù)存放; (c) 對(duì)連續(xù)單元存取,一般僅對(duì)一個(gè)模塊操作 (d) 特點(diǎn):多模塊并行工作易擴(kuò)充容量故障局部性。多模塊交叉存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(xiàn) 模塊i 模塊2 n-1 模塊0 模塊號(hào) 塊內(nèi)地址 MAR m 位 n 位 并行多模塊存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖.多模塊交叉存儲(chǔ)器v方案二:交叉方式 (a) 主存地址被分成高n位和低m位,低位(m位)表示模塊號(hào),高位(n)表示塊內(nèi)地址; (b) 各模塊間采用多模塊交叉編址; (c) 對(duì)連續(xù)單元存取,則多個(gè)模塊并行工作 (d) 特點(diǎn):多模塊并行工作,速度快不易擴(kuò)展故障全局性。多模塊交叉存儲(chǔ)器 模塊i 模塊2 n-1 模塊0塊內(nèi)行地址 模塊號(hào) MAR n 位 m 位 多模塊交叉存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖.數(shù)據(jù)總線(xiàn)3.4.1 3.4.1 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器 同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線(xiàn)同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線(xiàn)路路, ,提供了兩個(gè)相互獨(dú)立的端口,都可以對(duì)存儲(chǔ)器提供了兩個(gè)相互獨(dú)立的端口,都可以對(duì)存儲(chǔ)器中任何位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的存取操作中任何位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的存取操作3.4.2 3.4.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器 每個(gè)模塊各自以等同的方式與每個(gè)模塊各自以等同的方式與CPUCPU傳送信息。傳送信息。 連續(xù)地址分布在相鄰的模塊,對(duì)連續(xù)字的成塊連續(xù)地址分布在相鄰的模塊,對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可以重疊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)并行存取傳送可以重疊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)并行存取3.4.3 3.4.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器相聯(lián)存儲(chǔ)器 按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器 把存儲(chǔ)單元所存內(nèi)容的某一部分作為檢索項(xiàng),把存儲(chǔ)單元所存內(nèi)容的某一部分作為檢索項(xiàng),去檢索該存儲(chǔ)器,并對(duì)存儲(chǔ)器中與該檢索項(xiàng)符合的去檢索該存儲(chǔ)器,并對(duì)存儲(chǔ)器中與該檢索項(xiàng)符合的存儲(chǔ)單元內(nèi)容進(jìn)行讀出或?qū)懭氪鎯?chǔ)單元內(nèi)容進(jìn)行讀出或?qū)懭?.5 Cache存儲(chǔ)器Cache: a safe place for hiding or storing things.v在相對(duì)容量較大而速度較慢的主存與高速處理器之在相對(duì)容量較大而速度較慢的主存與高速處理器之間設(shè)置的少量但快速的存儲(chǔ)器間設(shè)置的少量但快速的存儲(chǔ)器v主要目的:提高存儲(chǔ)器速度主要目的:提高存儲(chǔ)器速度v為追求高速,包括管理在內(nèi)的全部功能由硬件實(shí)現(xiàn)為追求高速,包括管理在內(nèi)的全部功能由硬件實(shí)現(xiàn)3.5.1 Cache基本原理vCPUCPU與與cachecache之間的數(shù)之間的數(shù)據(jù)交換以字據(jù)交換以字( (字節(jié)字節(jié)) )為為單位單位vCacheCache與主存間的數(shù)據(jù)與主存間的數(shù)據(jù)傳送以數(shù)據(jù)塊為單位傳送以數(shù)據(jù)塊為單位v一個(gè)塊一個(gè)塊(Block)(Block)由若干由若干字組成字組成Cache的讀操作l高速命中高速命中(Hit)(Hit):微處理器讀取主存的內(nèi)容已包含:微處理器讀取主存的內(nèi)容已包含在在CacheCache中,可以直接讀取中,可以直接讀取CacheCache,不用訪問(wèn)主存,不用訪問(wèn)主存從從CPU接收地址接收地址RAY(命中(命中hit)N(失效(失效miss)開(kāi)始開(kāi)始Cache中含中含RA?從從Cache讀讀RA的字送的字送CPU從主存讀含從主存讀含RA的塊的塊向向CPU傳送傳送RA的字的字向向Cache傳送含傳送含RA的主存塊的主存塊結(jié)束結(jié)束l高速失效高速失效(Miss)(Miss)、缺失、未命、缺失、未命中中:微處理器讀取主存的內(nèi)容:微處理器讀取主存的內(nèi)容不在不在CacheCache中,需要訪問(wèn)主存中,需要訪問(wèn)主存讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊 Cache的工作原理1、Cache以塊為單位進(jìn)行操作以塊為單位進(jìn)行操作2、當(dāng)、當(dāng)CPU發(fā)出訪內(nèi)操作請(qǐng)求后,首先由發(fā)出訪內(nèi)操作請(qǐng)求后,首先由Cache控制器判斷當(dāng)前請(qǐng)求的字是控制器判斷當(dāng)前請(qǐng)求的字是否在否在Cache中,若在,叫命中,否則,不命中中,若在,叫命中,否則,不命中3、 若命中:若命中:若是若是“讀讀”請(qǐng)求,則直接對(duì)請(qǐng)求,則直接對(duì)Cache讀,與主存無(wú)關(guān)讀,與主存無(wú)關(guān)若是若是“寫(xiě)寫(xiě)”請(qǐng)求:請(qǐng)求:vCache單元與主存單元同時(shí)寫(xiě)(單元與主存單元同時(shí)寫(xiě)(Write through寫(xiě))寫(xiě))v只更新只更新Cache單元并加標(biāo)記,移出時(shí)修改主存(寫(xiě)回單元并加標(biāo)記,移出時(shí)修改主存(寫(xiě)回Copy back)v只寫(xiě)入主存,并在只寫(xiě)入主存,并在Cache中加標(biāo)記,下次從中加標(biāo)記,下次從MM讀出,保證正確。讀出,保證正確。4、未命中時(shí):、未命中時(shí):若是若是“讀讀”請(qǐng)求,則從主存讀出所需字送請(qǐng)求,則從主存讀出所需字送CPU,且把含該字的一塊,且把含該字的一塊送送Cache,稱(chēng),稱(chēng)“裝入通過(guò)裝入通過(guò)”,若,若Cache已滿(mǎn),置換算法;已滿(mǎn),置換算法;若是若是“寫(xiě)寫(xiě)”請(qǐng)求,直接寫(xiě)入主存。請(qǐng)求,直接寫(xiě)入主存。Cache的命中率v命中率(命中率(Hit RateHit Rate):高速命中的概率:高速命中的概率h=NcNc +Nmcache/主存系統(tǒng)的主存系統(tǒng)的平均訪問(wèn)時(shí)間平均訪問(wèn)時(shí)間ta:ta=htc+(1-h)tmtc命中時(shí)的命中時(shí)的cache訪問(wèn)時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間tm未命中時(shí)的主存訪問(wèn)時(shí)間未命中時(shí)的主存訪問(wèn)時(shí)間h命中率命中率Nccache完成存取的總次數(shù)完成存取的總次數(shù)Nm主存完成存取的總次數(shù)主存完成存取的總次數(shù)設(shè)設(shè)r=tm/tc表示主存慢于表示主存慢于cache的倍率的倍率tce=ta=tchtc+ (1-h)tm1h+ (1-h)r=1r+ (1-r)hCache的訪問(wèn)效率e【例【例5】CPU執(zhí)行一段程序時(shí),執(zhí)行一段程序時(shí),cache完成存取的次完成存取的次數(shù)為數(shù)為1900次,主存完成存取的次數(shù)為次,主存完成存取的次數(shù)為100次,次,已知已知cache存取周期為存取周期為50ns,主存存取周期,主存存取周期為為250ns,求,求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間。訪問(wèn)時(shí)間?!窘狻俊窘狻?h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)0.95)=83.3% ta=tc/e=50ns/0.833=60ns 或者,或者,ta=htc+(1-h)tm=60nsCache結(jié)構(gòu)vCache的數(shù)據(jù)塊稱(chēng)為行(線(xiàn)的數(shù)據(jù)塊稱(chēng)為行(線(xiàn)Line,槽,槽Slot)用用Li表示,其中表示,其中i=0,1,m-1,共有,共有m=2r行行v主存的數(shù)據(jù)塊稱(chēng)為塊(主存的數(shù)據(jù)塊稱(chēng)為塊(Block)用用Bj表示,其中表示,其中j=0,1,n-1,共有,共有n=2s塊塊v行與塊是等長(zhǎng)的,包含行與塊是等長(zhǎng)的,包含k=2w個(gè)主存字個(gè)主存字字是字是CPU每次訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)可存取的最小單位每次訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)可存取的最小單位vCache由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和標(biāo)簽存儲(chǔ)器組成由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和標(biāo)簽存儲(chǔ)器組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:高速緩存主存數(shù)據(jù):高速緩存主存數(shù)據(jù)標(biāo)簽存儲(chǔ)器標(biāo)簽存儲(chǔ)器:保存數(shù)據(jù)所在主存的地址信息:保存數(shù)據(jù)所在主存的地址信息 3.5.2 主存與Cache的地址映射vCache通過(guò)地址映射通過(guò)地址映射(mapping)的方法確定主存的方法確定主存塊與塊與Cache行之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定一個(gè)主存行之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定一個(gè)主存塊應(yīng)該存放到哪個(gè)塊應(yīng)該存放到哪個(gè)Cache行中行中v全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射(fully associative mapping)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到任意一個(gè)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到任意一個(gè)Cache行行v直接映射直接映射(direct mapping)將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)Cache行行v組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射(set associative mapping)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)可以將一個(gè)主存塊存儲(chǔ)到唯一的一個(gè)Cache組中組中任意一個(gè)行任意一個(gè)行直接映射、直接映射、2/4/82/4/8路組相聯(lián)映射使用較多路組相聯(lián)映射使用較多全相聯(lián)映射v優(yōu)點(diǎn):命中率較高,優(yōu)點(diǎn):命中率較高,Cache的存儲(chǔ)空間利用率高的存儲(chǔ)空間利用率高v缺點(diǎn):線(xiàn)路復(fù)雜,成本高,速度低缺點(diǎn):線(xiàn)路復(fù)雜,成本高,速度低直接映射v優(yōu)點(diǎn):硬件簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn):硬件簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)v缺點(diǎn):命中率低,缺點(diǎn):命中率低, Cache的存儲(chǔ)空間利用率低的存儲(chǔ)空間利用率低組相聯(lián)映射v組間采用直接映射,組內(nèi)為全相聯(lián)組間采用直接映射,組內(nèi)為全相聯(lián)v硬件較簡(jiǎn)單,速度較快,命中率較高硬件較簡(jiǎn)單,速度較快,命中率較高3.5.3 替換策略v替換問(wèn)題替換問(wèn)題新主存塊要進(jìn)入新主存塊要進(jìn)入Cache,決定替換哪個(gè)原主存塊,決定替換哪個(gè)原主存塊直接映射,只能替換唯一的一個(gè)直接映射,只能替換唯一的一個(gè)Cache行行全相聯(lián)和組相聯(lián),需要選擇替換策略(算法)全相聯(lián)和組相聯(lián),需要選擇替換策略(算法)1. 最不常用最不常用(LFU: least-frequently used)替換使用次數(shù)最少的塊替換使用次數(shù)最少的塊2. 最近最少使用法最近最少使用法(LRU: least-recently used)本指替換近期最少使用的塊,實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是替換最本指替換近期最少使用的塊,實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是替換最久沒(méi)有被使用的塊久沒(méi)有被使用的塊3. 隨機(jī)法隨機(jī)法(random)隨意選擇被替換的塊,不依賴(lài)以前的使用情況隨意選擇被替換的塊,不依賴(lài)以前的使用情況LRU替換算法vLRU能較好地反映程序的局部性,因而其命中率較高,能較好地反映程序的局部性,因而其命中率較高,但實(shí)現(xiàn)的硬件較復(fù)雜但實(shí)現(xiàn)的硬件較復(fù)雜v2路組相聯(lián):使用一個(gè)路組相聯(lián):使用一個(gè)U位。某個(gè)位。某個(gè)Cache塊被訪問(wèn),該塊被訪問(wèn),該塊塊U位置位置1;對(duì)應(yīng)塊;對(duì)應(yīng)塊U位置位置0。替換。替換U位為位為0的塊的塊v4/8路組相聯(lián):運(yùn)用堆棧型算法。最近訪問(wèn)的塊放上面,路組相聯(lián):運(yùn)用堆棧型算法。最近訪問(wèn)的塊放上面,最下面存放最久沒(méi)有訪問(wèn)的塊。替換最下面的塊最下面存放最久沒(méi)有訪問(wèn)的塊。替換最下面的塊3.5.4 寫(xiě)入策略v處理器對(duì)處理器對(duì)Cache讀占大多數(shù),也容易提高速度讀占大多數(shù),也容易提高速度v寫(xiě)入寫(xiě)入Cache有些問(wèn)題:有些問(wèn)題:確認(rèn)命中,才可以對(duì)確認(rèn)命中,才可以對(duì)Cache塊寫(xiě)入塊寫(xiě)入寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)不定寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)不定寫(xiě)入后可能導(dǎo)致與主存內(nèi)容不一致寫(xiě)入后可能導(dǎo)致與主存內(nèi)容不一致v寫(xiě)入策略寫(xiě)入策略解決主存內(nèi)容的更新問(wèn)題,保持正確解決主存內(nèi)容的更新問(wèn)題,保持正確v直寫(xiě)法直寫(xiě)法(write through)全寫(xiě)法全寫(xiě)法寫(xiě)入寫(xiě)入Cache的同時(shí)也寫(xiě)入主存(下一級(jí)存儲(chǔ)器)的同時(shí)也寫(xiě)入主存(下一級(jí)存儲(chǔ)器)v回寫(xiě)法回寫(xiě)法(write back)寫(xiě)回法寫(xiě)回法只寫(xiě)入只寫(xiě)入Cache,在被替換時(shí)才寫(xiě)回主存,在被替換時(shí)才寫(xiě)回主存直寫(xiě)和回寫(xiě)的比較v直寫(xiě)策略直寫(xiě)策略?xún)?yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單可靠?jī)?yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單可靠缺點(diǎn):總線(xiàn)操作頻繁、影響工作速度缺點(diǎn):總線(xiàn)操作頻繁、影響工作速度解決方法:在解決方法:在Cache與主存間設(shè)置一級(jí)與主存間設(shè)置一級(jí)/多級(jí)緩多級(jí)緩沖器,形成實(shí)用的沖器,形成實(shí)用的“緩沖直寫(xiě)緩沖直寫(xiě)”方式,提高速方式,提高速度度v回寫(xiě)策略回寫(xiě)策略?xún)?yōu)點(diǎn):可以減少寫(xiě)入主存次數(shù)、提高速度優(yōu)點(diǎn):可以減少寫(xiě)入主存次數(shù)、提高速度缺點(diǎn):硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜缺點(diǎn):硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜實(shí)現(xiàn)方法:為了表明實(shí)現(xiàn)方法:為了表明Cache是否被修改,需要是否被修改,需要設(shè)置一個(gè)更新位(設(shè)置一個(gè)更新位(update,污染位,污染位dirty bit)。)。替換時(shí)只需將被修改的替換時(shí)只需將被修改的Cache塊內(nèi)容寫(xiě)入主存塊內(nèi)容寫(xiě)入主存寫(xiě)未命中的處理方法v寫(xiě)訪問(wèn)并不需要寫(xiě)訪問(wèn)并不需要Cache塊中所有數(shù)據(jù)。寫(xiě)未命中時(shí),塊中所有數(shù)據(jù)。寫(xiě)未命中時(shí),寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是否還要將其讀回寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是否還要將其讀回Cache呢?呢?v寫(xiě)分配法寫(xiě)分配法( write allocate,WTWA )先把數(shù)據(jù)所在的塊調(diào)入先把數(shù)據(jù)所在的塊調(diào)入Cache,然后再進(jìn)行寫(xiě)入。,然后再進(jìn)行寫(xiě)入。類(lèi)似讀失效的方式,也稱(chēng)類(lèi)似讀失效的方式,也稱(chēng)fetch on writev不寫(xiě)分配法不寫(xiě)分配法( no-write allocate,WTNWA )直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)入下一級(jí)存儲(chǔ)器,不將相應(yīng)的塊調(diào)入直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)入下一級(jí)存儲(chǔ)器,不將相應(yīng)的塊調(diào)入Cache,也稱(chēng),也稱(chēng)write aroundv直寫(xiě)策略通常配合不寫(xiě)分配法,回寫(xiě)策略一般采用直寫(xiě)策略通常配合不寫(xiě)分配法,回寫(xiě)策略一般采用寫(xiě)分配法寫(xiě)分配法80486的片上Cachev指令和數(shù)據(jù)共用指令和數(shù)據(jù)共用的的4路組相聯(lián)路組相聯(lián)Cache結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)v8KB容量分成容量分成1

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