第6章 存儲(chǔ)系統(tǒng)(1)

1、u了解存儲(chǔ)器的分類了解存儲(chǔ)器的分類;u掌握主存儲(chǔ)器的掌握主存儲(chǔ)器的3種擴(kuò)展方法種擴(kuò)展方法;u掌握掌握Cache的的3種組織方式及算法種組織方式及算法;u掌握虛擬存儲(chǔ)器的算法掌握虛擬存儲(chǔ)器的算法;u了解快表與慢表地址變換原理了解快表與慢表地址變換原理. 教教 學(xué)學(xué) 要要 求求 一、存儲(chǔ)器分類一、存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)(RAM) 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)(ROM) 雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 MOS MOS存儲(chǔ)器（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）存儲(chǔ)器（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)） 可擦除可編程只讀存儲(chǔ)可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器器EPROMEPROM，EEPROMEEPR

2、OM掩膜型只讀存儲(chǔ)器掩膜型只讀存儲(chǔ)器MROMMROM輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 磁盤磁盤( (軟盤、硬盤、盤組軟盤、硬盤、盤組) )存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器 光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器 緩沖存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器 A0A1AN-1CSD0DM-1RDWR2NM位存儲(chǔ)器芯片的邏輯框圖存儲(chǔ)器芯片的邏輯框圖存儲(chǔ)器的邏輯表示存儲(chǔ)器的邏輯表示 地址譯碼器的作用就是用來接受地址譯碼器的作用就是用來接受CPUCPU送來的地址信號(hào)并對(duì)它送來的地址信號(hào)并對(duì)它進(jìn)行譯碼，選擇與此地址碼相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，以便對(duì)該單元進(jìn)進(jìn)行譯碼，選擇與此地址碼相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，以便對(duì)該單元進(jìn)行讀寫操作。行讀寫操作。 存儲(chǔ)器地址譯碼有兩種方式，通

3、常稱為單譯碼與雙譯碼。存儲(chǔ)器地址譯碼有兩種方式，通常稱為單譯碼與雙譯碼。 (1) (1) 單譯碼單譯碼 單譯碼方式又稱字結(jié)構(gòu)，適用于小容量存儲(chǔ)器。單譯碼方式又稱字結(jié)構(gòu)，適用于小容量存儲(chǔ)器。 (2) (2) 雙譯碼雙譯碼 在雙譯碼結(jié)構(gòu)中，將地址譯碼器分成兩部分，即行譯碼器在雙譯碼結(jié)構(gòu)中，將地址譯碼器分成兩部分，即行譯碼器( (又叫又叫X X譯碼器譯碼器) )和列譯碼器和列譯碼器( (又叫又叫Y Y譯碼器譯碼器) )。X X譯碼器輸出行地址選譯碼器輸出行地址選擇信號(hào)，擇信號(hào)，Y Y譯碼器輸出列地址選擇信號(hào)。行列選擇線交叉處即為譯碼器輸出列地址選擇信號(hào)。行列選擇線交叉處即為所選中的內(nèi)存單元，這種方式

4、的特點(diǎn)是譯碼輸出線較少。所選中的內(nèi)存單元，這種方式的特點(diǎn)是譯碼輸出線較少。譯譯碼碼器器A5A4A3A2A1A06301存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元64個(gè)單元個(gè)單元行行譯譯碼碼A2A1A0710列譯碼列譯碼A3A4A501764個(gè)單元個(gè)單元單譯碼雙譯碼單譯碼結(jié)構(gòu)單譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼可簡化芯片設(shè)計(jì)雙譯碼可簡化芯片設(shè)計(jì)主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)74LS138引腳引腳74LS13874LS138經(jīng)常用來作為存儲(chǔ)器的譯碼電路。經(jīng)常用來作為存儲(chǔ)器的譯碼電路。74LS138的真值表的真值表G2A G2B G1C B AY7Y0有效輸出有效輸出0 0 10 0 01 1 1 1 1 1 1 0Y

5、00 0 10 0 11 1 1 1 1 1 0 1Y10 0 10 1 01 1 1 1 1 0 1 1Y20 0 10 1 11 1 1 1 0 1 1 1Y30 0 11 0 01 1 1 0 1 1 1 1Y40 0 11 0 11 1 0 1 1 1 1 1Y50 0 11 1 01 0 1 1 1 1 1 1Y60 0 11 1 10 1 1 1 1 1 1 1Y7其他值其他值 1 1 1 1 1 1 1 1無效無效 1 1個(gè)存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長方面?zhèn)€存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長方面與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有很大差距，所以需要在與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有

6、很大差距，所以需要在字向字向和和位向位向進(jìn)進(jìn)行擴(kuò)充才能滿足需要。行擴(kuò)充才能滿足需要?；靖拍睿夯靖拍睿? 1） 容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。 【例】用【例】用2K2K* *1 1位的芯片位的芯片2K2K* *8 8位的系統(tǒng)位的系統(tǒng)2 2） 數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。 【例】用【例】用2K2K* *8 8位的芯片位的芯片 8K8K* *8 8位的系統(tǒng)位的系統(tǒng)3 3） 數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求，數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求， 都需進(jìn)行擴(kuò)展。都需進(jìn)行擴(kuò)展。 【例】用【例】用2K2K* *8 8

7、位的芯片位的芯片 8K8K* *1616位的系統(tǒng)位的系統(tǒng)4 4）擴(kuò)充芯片總數(shù)的計(jì)算方法：）擴(kuò)充芯片總數(shù)的計(jì)算方法： 需要芯片數(shù)需要芯片數(shù)= = 位擴(kuò)充數(shù)位擴(kuò)充數(shù)字節(jié)擴(kuò)充數(shù)字節(jié)擴(kuò)充數(shù)位擴(kuò)展位擴(kuò)展字?jǐn)U展字?jǐn)U展字位擴(kuò)展字位擴(kuò)展6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制位擴(kuò)展位擴(kuò)展:l容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。l位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長進(jìn)行擴(kuò)充。位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長進(jìn)行擴(kuò)充。擴(kuò)展方法擴(kuò)展方法: :位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲(chǔ)器的地址、片選位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲(chǔ)器的地址、片選CSCS、讀寫控制端、讀寫控制端R RW W相應(yīng)相應(yīng)

8、并聯(lián)并聯(lián)；數(shù)據(jù)端數(shù)據(jù)端分別引出分別引出?！纠纠?】用用64K64K* *1 1位的芯片組成位的芯片組成64K64K* *8 8位的系統(tǒng)位的系統(tǒng) 字?jǐn)U展字?jǐn)U展:l數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。l字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量。字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量。 擴(kuò)展方法擴(kuò)展方法:將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián)；將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián)；由片選信號(hào)來區(qū)分各芯片的地址范圍。由片選信號(hào)來區(qū)分各芯片的地址范圍。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器一般不設(shè)置動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器一般不設(shè)置CSCS端，但可用端，但可用RASRAS端來擴(kuò)展字端來擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。只有當(dāng)數(shù)

9、。只有當(dāng)RASRAS由由“1”1”變變“0”0”時(shí)，才會(huì)激發(fā)出行時(shí)鐘，時(shí)，才會(huì)激發(fā)出行時(shí)鐘，存儲(chǔ)器才會(huì)工作。存儲(chǔ)器才會(huì)工作。6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制所需芯片數(shù)量所需芯片數(shù)量 = 64K= 64K* *8 8位位16K16K* *8 8位位= 4= 4* *1=41=4片片【例【例2 2】16K16K* *8 8位靜態(tài)芯片組成位靜態(tài)芯片組成64K64K* *8 8位存儲(chǔ)器位存儲(chǔ)器2:4最低地址最低地址最高地址最高地址C000FFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111111114最低地址最低地址最高地址最高地址8000BFFF00,0000,

10、0000,000011,1111,1111,111110103最低地址最低地址最高地址最高地址40007FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111101012最低地址最低地址最高地址最高地址00003FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111100001說明說明總地址總地址片內(nèi)片內(nèi)A13 A12 .A1 A0選片選片A15 A14地址地址片號(hào)片號(hào)地址空間分配表地址空間分配表6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制字位擴(kuò)展字位擴(kuò)展: 數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求，都需進(jìn)行數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求，都需進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)

11、展。擴(kuò)展方法擴(kuò)展方法:先位擴(kuò)展，再字?jǐn)U展；先位擴(kuò)展，再字?jǐn)U展；位擴(kuò)展先確定位擴(kuò)展先確定每組芯片的數(shù)量每組芯片的數(shù)量，該組芯片具有整個(gè)，該組芯片具有整個(gè) M要求的位數(shù)；要求的位數(shù)；字?jǐn)U展確定所需芯片的字?jǐn)U展確定所需芯片的組數(shù)組數(shù)；位擴(kuò)展和字?jǐn)U展時(shí)應(yīng)遵循各自的連接規(guī)則位擴(kuò)展和字?jǐn)U展時(shí)應(yīng)遵循各自的連接規(guī)則6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制所需芯片數(shù)量所需芯片數(shù)量 = 4K= 4K* *8 8位位1K1K* *4 4位位= 4= 4* *2=82=8片片【例【例3 3】利用】利用21142114芯片（芯片（1K1K* *4 4位）組成位）組成4K4K* *8 8位存儲(chǔ)器位存儲(chǔ)器字?jǐn)U展字?jǐn)U

12、展位擴(kuò)展位擴(kuò)展地址范圍的確定地址范圍的確定組數(shù)組數(shù)A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0100010.1010.1010.1010.1010.1201010.1010.1010.1010.1010.1310010.1010.1010.1010.1010.1411010.1010.1010.1010.1010.1地址范圍地址范圍000H-3FFH400H-7FFH800H-BFFHC00H-FFFH6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制主要有以下三部分連接：主要有以下三部分連接： 1 1）地址線的連接）地址線的連接 2 2）數(shù)據(jù)線的連接）數(shù)據(jù)線的連接 3 3）控制線的連接

13、）控制線的連接在連接中要考慮的問題有以下幾個(gè)方面：在連接中要考慮的問題有以下幾個(gè)方面：1 1）CPUCPU總線的負(fù)載：總線的負(fù)載： CPUCPU自已能帶一個(gè)自已能帶一個(gè)TTLTTL負(fù)載，大系統(tǒng)要加上緩沖器。負(fù)載，大系統(tǒng)要加上緩沖器。2 2）CPUCPU的時(shí)序和存儲(chǔ)器的存取速度之間的配合問題是否需要的時(shí)序和存儲(chǔ)器的存取速度之間的配合問題是否需要T TW W3 3）存儲(chǔ)器的地址分配和選片問題：內(nèi)存分為）存儲(chǔ)器的地址分配和選片問題：內(nèi)存分為RAMRAM、ROMROM，RAMRAM又又 分為數(shù)據(jù)區(qū)、程序區(qū)，各個(gè)部分如何區(qū)分分為數(shù)據(jù)區(qū)、程序區(qū)，各個(gè)部分如何區(qū)分4 4）控制信號(hào)的連接：）控制信號(hào)的連接：R

14、DRD，WRWR，IO/MIO/M如何配合控制芯片如何配合控制芯片6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制 一片存儲(chǔ)芯片的容量有限，因此存儲(chǔ)器往往由許多存儲(chǔ)芯一片存儲(chǔ)芯片的容量有限，因此存儲(chǔ)器往往由許多存儲(chǔ)芯片組成，各存儲(chǔ)芯片是否被選中，被選中的芯片的某個(gè)單元片組成，各存儲(chǔ)芯片是否被選中，被選中的芯片的某個(gè)單元是否被選中，由是否被選中，由“片選片選”和和“字選字選”信號(hào)決定。信號(hào)決定。 片選：片選：CPUCPU訪問內(nèi)存時(shí)，選中的構(gòu)成一個(gè)字節(jié)所訪問內(nèi)存時(shí)，選中的構(gòu)成一個(gè)字節(jié)所 必須訪問的存儲(chǔ)芯片的信號(hào)。必須訪問的存儲(chǔ)芯片的信號(hào)。 字選：字選：對(duì)被選中的存儲(chǔ)芯片，選中其中的某個(gè)存對(duì)被選中的

15、存儲(chǔ)芯片，選中其中的某個(gè)存 儲(chǔ)單元，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。儲(chǔ)單元，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。 因此，對(duì)地址的譯碼分為：因此，對(duì)地址的譯碼分為：l高位地址參加高位地址參加片選片選（片外尋址）（片外尋址）l低位地址參加低位地址參加字選字選（片內(nèi)尋址）（片內(nèi)尋址）6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制 產(chǎn)生片選信號(hào)有兩種方法：產(chǎn)生片選信號(hào)有兩種方法：線選法線選法 和和 譯碼法譯碼法。 譯碼法譯碼法分為分為全局地址譯碼法全局地址譯碼法和和局部地址譯碼法局部地址譯碼法n 用高位地址線用高位地址線直接直接作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)，每一根地址作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)，每一根地址線的兩種狀態(tài)選通二組芯片。線的兩

16、種狀態(tài)選通二組芯片。n 它通常用于所用存儲(chǔ)芯片數(shù)量不多，而它通常用于所用存儲(chǔ)芯片數(shù)量不多，而CPU尋址空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)尋址空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存儲(chǔ)器實(shí)際容量的情況。大于存儲(chǔ)器實(shí)際容量的情況。n 線選法，使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。線選法，使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制【例】【例】用用2114芯片芯片(1K*4位位)組成組成4K*8位的位的RAM系統(tǒng)系統(tǒng)（1 1）計(jì)算出所需的芯片數(shù)）計(jì)算出所需的芯片數(shù)（2 2）構(gòu)成數(shù)據(jù)總線所需的位數(shù)和系統(tǒng)所需的容量）構(gòu)成數(shù)據(jù)總線所需的位數(shù)和系統(tǒng)所需的容量（3 3）控制線，數(shù)據(jù)線，地址線的連接：）控制線，數(shù)

17、據(jù)線，地址線的連接：線選方式線選方式局部譯碼選擇方式局部譯碼選擇方式全局譯碼選擇方式全局譯碼選擇方式（1 1）所需芯片數(shù)量）所需芯片數(shù)量6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制4K*8位位1K*4位位4*2=8片片1、線選方式、線選方式線選方式地址分布線選方式地址分布A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A0地址分布地址分布0 0 1 1 1 0 0 0 1 1第一組：第一組： 3800H3BFFH0 0 1 1 0 1 0 0 1 1第二組：第二組： 3400H07FFH0 0 1 0 1 1 0 0 1 1第三組：第三組： 2C00H2FFFH0 0 0 1 1 1

18、0 0 1 1第四組：第四組： 1C00H1FFFH線選法特點(diǎn)：線選法特點(diǎn)：1 1）線路簡單，節(jié)省譯碼器；）線路簡單，節(jié)省譯碼器； 2 2）易產(chǎn)生地址沖突和地址重疊；）易產(chǎn)生地址沖突和地址重疊； 3 3）適合只有）適合只有2 2組芯片的系統(tǒng)；組芯片的系統(tǒng)；6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制u用全部的高位地址線（空閑的地址線）通過譯碼器編碼產(chǎn)用全部的高位地址線（空閑的地址線）通過譯碼器編碼產(chǎn)生片選信號(hào)。生片選信號(hào)。u全地址譯碼時(shí)，存儲(chǔ)器的地址是連續(xù)且惟一的，即無地址全地址譯碼時(shí)，存儲(chǔ)器的地址是連續(xù)且惟一的，即無地址間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。u高位地址線（空閑地

19、址線）中的一部分用來參加譯碼，產(chǎn)生高位地址線（空閑地址線）中的一部分用來參加譯碼，產(chǎn)生片選信號(hào)。片選信號(hào)。u該方法常用于不需全部地址空間的尋址能力，但采用線選法該方法常用于不需全部地址空間的尋址能力，但采用線選法地址線又不夠的情況。地址線又不夠的情況。u該方法也會(huì)使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。該方法也會(huì)使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。譯碼法譯碼法分為分為局部地址譯碼法局部地址譯碼法和和全局地址譯碼法全局地址譯碼法2、局部譯碼、局部譯碼局部譯碼地址分布局部譯碼地址分布A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1

20、 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 局部譯碼特點(diǎn)：局部譯碼特點(diǎn)：易產(chǎn)生地址重疊易產(chǎn)生地址重疊 【例】無論【例】無論A15A14A13A12 為何值，均可選中為何值，均可選中M中的一個(gè)單元中的一個(gè)單元 .M0000H1000H2000HF000H6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制3、全局譯碼、全局譯碼全局譯碼全局譯碼地址分布地址分布A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9A0地址分布地址分布0 0 0 0 0 0 0 0 1 1第一組：第一組： 0000H03FFH0 0 0 0 0 1 0 0 1 1第二組：第二組： 0400H07FFH0 0 0 0 1 0 0 0 1 1第三組：第三組： 0800H0BFFH0 0 0 0 1 1 0 0 1 1第四組：第四組： 0C00H0FFFH全局譯碼特點(diǎn)：全局譯碼特點(diǎn)：1 1）每個(gè)單元的地址是唯一的；）每個(gè)單元的地址是唯一的；2 2）各芯片組之間不存在地址重疊和地址沖突問題；）各芯片組之間不存在地址重疊和地址沖突問題；6.2 主存儲(chǔ)器的組成與控制主存儲(chǔ)器的組成與控制時(shí)間局部性時(shí)間局部性:在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問；據(jù)很可能再次被訪問；空間局部性空間