白中英 第五版 計算機組成原理第3章

1、計算機組成原理計算機組成原理1 3.1 3.1 存儲器概述存儲器概述 3.2 SRAM3.2 SRAM存儲器存儲器 3.3 DRAM3.3 DRAM存儲器存儲器 3.4 3.4 只讀存儲器只讀存儲器( (ROM)ROM)和閃速存儲器和閃速存儲器 3.5 3.5 并行存儲器并行存儲器 3.6 Cache3.6 Cache存儲器存儲器第第3 3章章 存儲器存儲器 計算機組成原理計算機組成原理23.1 存儲器概述 3.1.1 3.1.1 存儲器分類存儲器分類 3.1.2 3.1.2 存儲器的分級結構存儲器的分級結構 3.1.3 3.1.3 存儲器的技術指標存儲器的技術指標 計算機組成原理計算機組成原

2、理3l半導體存儲器半導體存儲器 主要由晶體管構成主要由晶體管構成 速度高，集成度高速度高，集成度高 半導體半導體RAMRAM存儲的信息易失存儲的信息易失 做主存、高速緩存做主存、高速緩存l磁表面存儲器磁表面存儲器 容量大，價格低，存取速度慢。容量大，價格低，存取速度慢。 多用做輔助存儲器。多用做輔助存儲器。 磁盤、磁帶磁盤、磁帶3.1.1存儲器分類-按存儲介質分計算機組成原理計算機組成原理43.1.1存儲器分類-按存取方式分 l隨機存儲器隨機存儲器（Random Access Memory,RAMRandom Access Memory,RAM）l順序存儲器順序存儲器 （SequentialS

3、equential Access Memory,SAMAccess Memory,SAM）任何存儲單元的內容都能被隨任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關元的物理位置無關只能按某種順序來存取，存取只能按某種順序來存取，存取時間和存儲單元的物理位置有時間和存儲單元的物理位置有關關半導體存儲器半導體存儲器磁帶磁帶計算機組成原理計算機組成原理53.1.1存儲器分類-按存儲內容可變性分 l只讀存儲器只讀存儲器ROMROMl隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAMRAM 存儲的內容固定不變，即存儲的內容固定不變，即只能讀出，不能寫入。只能讀出，不能寫入。

4、既能讀出，又能寫入既能讀出，又能寫入計算機組成原理計算機組成原理63.1.1存儲器分類-按信息易失性分l易失性存儲器易失性存儲器l非易失性存儲器非易失性存儲器磁表面存儲器磁表面存儲器斷電后信息消失斷電后信息消失斷電后仍能保存信息斷電后仍能保存信息RAM計算機組成原理計算機組成原理7（1 1）主存（內存）主存（內存）主要存放主要存放CPUCPU當前使用的程序和數(shù)據(jù)當前使用的程序和數(shù)據(jù) （2 2）輔存（外存）輔存（外存）存放大量的應用程序和數(shù)據(jù)存放大量的應用程序和數(shù)據(jù) （3 3）高速緩存）高速緩存(cache)(cache)存放存放CPUCPU當前一小段時間內多次使用的程序和數(shù)據(jù)當前一小段時間內多

5、次使用的程序和數(shù)據(jù) 3.1.1存儲器分類-按系統(tǒng)中的作用分速度快速度快容量有限容量有限速度慢速度慢容量大容量大速度很快速度很快容量小容量小計算機組成原理計算機組成原理83.1.2 存儲器的分級結構 高速緩沖存儲器：高速小容量半導高速緩沖存儲器：高速小容量半導體存儲器體存儲器存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)內存：內存：CPUCPU可直接訪問可直接訪問的存儲器的存儲器外存：大容量輔助存儲器。外存：大容量輔助存儲器。用來存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)用來存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫。據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫。計算機組成原理計算機組成原理9CPUCache內內 存存外外 存存計算

6、機存儲器關系圖計算機組成原理計算機組成原理10l基本概念：基本概念：存儲單元存儲單元- -存儲單位：存儲單位：存儲一位二進制信息，是計算機存儲信息的最小存儲一位二進制信息，是計算機存儲信息的最小單位。單位。b b(bit(bit) )8 8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)。位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)。B B(Byte(Byte) ) 由許多的存儲單元組成一個由許多的存儲單元組成一個存儲體存儲體。3.1.3 主存儲器的技術指標（技術參數(shù)）計算機組成原理計算機組成原理11 存儲單元地址：存儲單元地址：存儲單元的編號，識別存儲單存儲單元的編號，識別存儲單元，從零開始。存儲單元是計算機訪問存儲器元，從零開始。存儲單

7、元是計算機訪問存儲器的最小單位。的最小單位。 按字節(jié)編址：按字節(jié)編址：一個存儲單元存放一個字節(jié)。一個存儲單元存放一個字節(jié)。按字編址：按字編址：一個存儲單元存放一個字。一個存儲單元存放一個字。 例如一個例如一個1616位二進制字存儲單元可以存放兩個字節(jié)。位二進制字存儲單元可以存放兩個字節(jié)。 基本概念計算機組成原理計算機組成原理123.1.3 主存儲器的技術指標1、存儲容量、存儲容量 指一個存儲器所能容納的二進制信息的總量。指一個存儲器所能容納的二進制信息的總量。以以比特比特表示容量。（表示容量。（bit）以以字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)表示容量。（表示容量。（Byte） 如：某計算機存儲器的容量為如：某計算機存

8、儲器的容量為 16K 16。表示它有表示它有16K個字，每個字的字長為個字，每個字的字長為16位。位。 若用字節(jié)數(shù)表示，則可記為若用字節(jié)數(shù)表示，則可記為32K字節(jié)字節(jié)（32KB）其它常用單位：其它常用單位：1KB=210B 1MB=220B 1GB=230B 1TB=240B 計算機組成原理計算機組成原理133.1.3 主存儲器的技術指標2、存取時間、存取時間啟動讀操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。啟動讀操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。3、存儲周期、存儲周期連續(xù)啟動兩次讀操作所需間隔的最小時間。連續(xù)啟動兩次讀操作所需間隔的最小時間。通常存儲通常存儲周期大于存取時間。周期大于存取時間。4、存儲器帶寬、

9、存儲器帶寬單位時間里存儲器所存取的信息量。單位時間里存儲器所存取的信息量。計算機組成原理計算機組成原理143.1.3 主存儲器的技術指標指標指標含義含義表現(xiàn)表現(xiàn)單位單位存儲容量存儲容量在一個存儲器中可以容在一個存儲器中可以容納的二進制信息的總量納的二進制信息的總量存儲空間的大小存儲空間的大小比特數(shù)，字節(jié)比特數(shù)，字節(jié)數(shù)數(shù)存取時間存取時間啟動讀操作到完成一次存啟動讀操作到完成一次存儲器操作所經(jīng)歷的時間儲器操作所經(jīng)歷的時間主存的速度主存的速度存儲周期存儲周期連續(xù)啟動兩次操作所需連續(xù)啟動兩次操作所需間隔的最小時間間隔的最小時間主存的速度主存的速度存儲器帶寬存儲器帶寬單位時間里存儲器所存單位時間里存儲器

10、所存取的信息量取的信息量數(shù)據(jù)傳輸速率技數(shù)據(jù)傳輸速率技術指標術指標 位位/秒，字節(jié)秒，字節(jié)/秒秒計算機組成原理計算機組成原理15存儲器參數(shù)實例：現(xiàn)代 DDR3 1033 PC3-10600S 2G計算機組成原理計算機組成原理16存儲矩陣存儲矩陣 地址譯碼器地址譯碼器地址輸入地址輸入存儲器的基本結構數(shù)據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)輸入輸出控制信號輸入控制信號輸入輸入輸出控制電路輸入輸出控制電路地址譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣輸入輸出控制輸入輸出控制電路電路計算機組成原理計算機組成原理17存儲器存儲器 RAM (Random-Access Memory) ROM(Read-Only Memory)RAM(隨機存

11、取存儲器隨機存取存儲器): 在運行狀態(tài)可以隨時進行讀或寫操作。在運行狀態(tài)可以隨時進行讀或寫操作。 存儲的數(shù)據(jù)必須有電源供應才能保存存儲的數(shù)據(jù)必須有電源供應才能保存, 一旦掉電一旦掉電, 數(shù)據(jù)全部丟失。數(shù)據(jù)全部丟失。ROM(只讀存儲器只讀存儲器)：在正常工作狀態(tài)只能讀出信息。：在正常工作狀態(tài)只能讀出信息。 斷電后信息不會丟失，常用于存放固定信息（如程序、常數(shù)等）。斷電后信息不會丟失，常用于存放固定信息（如程序、常數(shù)等）。固定固定ROM可編程可編程ROMSRAM(Static RAM)：靜態(tài)：靜態(tài)RAMDRAM (Dynamic RAM)：動態(tài)動態(tài)RAM3.2 SRAM存儲器按存按存儲內儲內容可容

12、可變性變性計算機組成原理計算機組成原理183.2 SRAM存儲器 l 3.2.1 基本的靜態(tài)存儲元陣列基本的靜態(tài)存儲元陣列l(wèi) 3.2.2 基本的基本的SRAM邏輯結構邏輯結構l 3.2.3 存儲器的讀寫周期存儲器的讀寫周期 l目前廣泛使用的半導體存儲器。目前廣泛使用的半導體存儲器。l優(yōu)點：存取速度快，存儲體積小，可靠性高，價格高；優(yōu)點：存取速度快，存儲體積小，可靠性高，價格高；l缺點：容量小，斷電后不能保存信息。缺點：容量小，斷電后不能保存信息。計算機組成原理計算機組成原理193.2.1 基本的靜態(tài)存儲元陣列play鎖存器作鎖存器作為存儲元為存儲元計算機組成原理計算機組成原理203.2.2 基

13、本的SRAM邏輯結構 SRAM SRAM芯片大多采用雙譯碼方式，以便組織更大的存儲容量。芯片大多采用雙譯碼方式，以便組織更大的存儲容量。將地址分成將地址分成x x向、向、y y向兩部分，第一級進行向兩部分，第一級進行x x向向( (行譯碼行譯碼) )和和y y向向( (列譯碼列譯碼),),然后在存儲陣列中完然后在存儲陣列中完成第二級的交叉譯碼。成第二級的交叉譯碼。 讀與寫讀與寫的互鎖的互鎖邏輯邏輯play計算機組成原理計算機組成原理213.2.3 SRAM存儲器的讀寫周期計算機組成原理計算機組成原理223.2.3 SRAM存儲器的讀寫周期【例【例1】 下圖是下圖是SRAM的寫入時序圖。其中的寫

14、入時序圖。其中R/W是讀是讀/寫命令控制線，寫命令控制線，當當R/W線為低電平時線為低電平時,存儲器按給定地址把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入存儲存儲器按給定地址把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入存儲器。請指出下圖寫入時序中的錯誤，并畫出正確的寫入時序圖。器。請指出下圖寫入時序中的錯誤，并畫出正確的寫入時序圖。地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CSR/W計算機組成原理計算機組成原理24練習題：l課本課本P P101101，習題，習題1 1計算機組成原理計算機組成原理253.3 DRAM存儲器 l 3.3.1 DRAM存儲位元的記憶原理存儲位元的記憶原理l 3.3.2 DRAM芯片的邏輯結構芯片的邏輯結構l 3.3.3 讀讀/寫周期寫周期

15、l 3.3.4 存儲器容量的擴充存儲器容量的擴充l 3.3.5 高級的高級的DRAM結構結構l 3.3.6 DRAM主存讀主存讀/寫的正確性校驗寫的正確性校驗計算機組成原理計算機組成原理263.3.1 DRAM存儲位元的記憶原理lDRAMDRAM的存儲元是由一個的存儲元是由一個MOSMOS晶體管和電容器組成的記憶電路。晶體管和電容器組成的記憶電路。 play計算機組成原理計算機組成原理303.3.2 DRAM芯片的邏輯結構play計算機組成原理計算機組成原理313.3.2 DRAM芯片的邏輯結構DRAM與與SRAM不同的是：不同的是： （1 1）增加了行地址鎖存器和列地址鎖存器。）增加了行地址

16、鎖存器和列地址鎖存器。 行地址由行選通信號行地址由行選通信號/RAS打入到行地址鎖存器；打入到行地址鎖存器；列地址由列選通信號列地址由列選通信號/CAS打入到列地址鎖存器。打入到列地址鎖存器。（2 2）增加了刷新計數(shù)器和相應的控制電路。）增加了刷新計數(shù)器和相應的控制電路。 DRAM讀出后必須刷新，而未讀寫的存儲元也要讀出后必須刷新，而未讀寫的存儲元也要定期刷新，而且要按行刷新，所以刷新計數(shù)器的長度定期刷新，而且要按行刷新，所以刷新計數(shù)器的長度等于行地址鎖存器。等于行地址鎖存器。計算機組成原理計算機組成原理323.3.3 讀/寫周期、刷新周期 l讀周期、寫周期的定義是從行選通信號讀周期、寫周期的

17、定義是從行選通信號RASRAS下降沿開始，到下下降沿開始，到下一個一個RASRAS信號的下降沿為止的時間，也就是連續(xù)兩個讀周期的信號的下降沿為止的時間，也就是連續(xù)兩個讀周期的時間間隔。時間間隔。 計算機組成原理計算機組成原理332、刷新周期 l刷新周期：刷新周期：DRAM存儲位元是基于電容器上的電荷量存儲，存儲位元是基于電容器上的電荷量存儲，這個電荷量隨著時間和溫度而減少，因此必須定期地刷新，這個電荷量隨著時間和溫度而減少，因此必須定期地刷新，以保持它們原來記憶的正確信息。以保持它們原來記憶的正確信息。 l刷新操作有兩種刷新方式：刷新操作有兩種刷新方式： 集中式刷新集中式刷新:DRAM:DRA

18、M的所有行在每一個刷新周期中都被刷新。的所有行在每一個刷新周期中都被刷新。 例如刷新周期為例如刷新周期為8ms的內存，將的內存，將8ms時間分為兩部分：前一段時間分為兩部分：前一段時間進行正常的讀時間進行正常的讀/寫操作，后一段時間（寫操作，后一段時間（8ms至正常讀至正常讀/寫周寫周期時間）做為集中刷新操作時間。期時間）做為集中刷新操作時間。 分散式刷新分散式刷新: :每一行的刷新插入到正常的讀每一行的刷新插入到正常的讀/ /寫周期之中。寫周期之中。 假設假設DRAM有有1024行，如果刷新周期為行，如果刷新周期為8ms，則每一行必須，則每一行必須每隔每隔8ms1024=7.8us進行一次。

19、進行一次。計算機組成原理計算機組成原理34存儲器與CPU連接l存儲器與存儲器與CPUCPU之間，要完成之間，要完成: : 地址線的連接；地址線的連接； 數(shù)據(jù)線的連接；數(shù)據(jù)線的連接； 控制線的連接?？刂凭€的連接。l存儲器芯片結構：存儲器芯片結構： 芯片的存儲容量芯片的存儲容量2 2M MN N存儲單元數(shù)存儲單元數(shù)每個存儲單元的數(shù)據(jù)位數(shù)每個存儲單元的數(shù)據(jù)位數(shù) M M芯片芯片地址線地址線的個數(shù)；的個數(shù)；N N數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線的個數(shù)的個數(shù)l存儲器芯片的容量是有限的存儲器芯片的容量是有限的, ,為了滿足實際存儲器的容量要求，為了滿足實際存儲器的容量要求，需要對存儲器進行擴展。需要對存儲器進行擴展。 位擴展法

20、位擴展法 字擴展法字擴展法 字位同時擴展法字位同時擴展法計算機組成原理計算機組成原理353.3.4 存儲器容量的擴充 l 位擴展法位擴展法當芯片的單元數(shù)滿足存儲器單元數(shù)的要求，但單元中的當芯片的單元數(shù)滿足存儲器單元數(shù)的要求，但單元中的位數(shù)不滿足要求時，需要進行位數(shù)不滿足要求時，需要進行位擴展位擴展。l 字擴展法字擴展法當芯片單元中的的位數(shù)滿足存儲器位數(shù)的要求，但單元當芯片單元中的的位數(shù)滿足存儲器位數(shù)的要求，但單元數(shù)不滿足存儲器單元數(shù)要求時，需進行數(shù)不滿足存儲器單元數(shù)要求時，需進行字擴展字擴展。l 字位同時擴展法字位同時擴展法當芯片的單元數(shù)和單元的數(shù)據(jù)位均不滿足存儲器的要求當芯片的單元數(shù)和單元的

21、數(shù)據(jù)位均不滿足存儲器的要求時需要進行時需要進行字和位的同時擴展字和位的同時擴展。 存儲器系統(tǒng)的存儲容量：存儲器系統(tǒng)的存儲容量： 2MN位位 使用芯片的存儲容量：使用芯片的存儲容量：2LK位位(LM，KN) 需要存儲器芯片個數(shù)：需要存儲器芯片個數(shù)：(2MN)/(2LK)計算機組成原理計算機組成原理361位擴展l當芯片的單元數(shù)滿足存儲器單元數(shù)的要求，但單元當芯片的單元數(shù)滿足存儲器單元數(shù)的要求，但單元中的位數(shù)不滿足要求時，需要進行中的位數(shù)不滿足要求時，需要進行位擴展位擴展。例：用例：用1K1K4 4位的存儲器芯片構成位的存儲器芯片構成1K1K8 8位的存儲器。位的存儲器。 解：解： 需要需要 （1K

22、1K8 8）/ /（1K1K4 4）2 2片片 地址線：存儲器地址線：存儲器1010根；根； 數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線：8 8根；根； 2 2片芯片的數(shù)據(jù)線分別連接片芯片的數(shù)據(jù)線分別連接D D7 7D D4 4、D D3 3D D0 0 控制線：讀寫控制、使能控制控制線：讀寫控制、使能控制位擴展的連接方式：位擴展的連接方式： 多個多個RAMRAM芯片使用相同的地址信號、控制信號，數(shù)據(jù)線單芯片使用相同的地址信號、控制信號，數(shù)據(jù)線單獨列出，分別接到數(shù)據(jù)總線的對應位。獨列出，分別接到數(shù)據(jù)總線的對應位。計算機組成原理計算機組成原理382字擴展l當芯片單元中的的位數(shù)滿足存儲器位數(shù)的要求，但單當芯片單元中的的位數(shù)滿

23、足存儲器位數(shù)的要求，但單元數(shù)不滿足存儲器單元數(shù)要求時，需進行元數(shù)不滿足存儲器單元數(shù)要求時，需進行字擴展字擴展。例：用例：用16K16K8 8位的存儲器芯片構成位的存儲器芯片構成64K64K8 8位的存儲器位的存儲器。l思路：思路：1)所需芯片數(shù)量：所需芯片數(shù)量： (64K8位位)/(16K8位位) =4片片 2)芯片的連接方式芯片的連接方式 地址線：存儲器地址線：存儲器16位位A15A0；芯片；芯片14位位A13A0 高兩位地址高兩位地址A15、A14用于選擇芯片用于選擇芯片 數(shù)據(jù)線：存儲器數(shù)據(jù)線：存儲器8位；芯片位；芯片8位位 控制線：讀寫控制；控制線：讀寫控制； 片選片選由由高位地址高位地

24、址經(jīng)譯碼進行控制經(jīng)譯碼進行控制計算機組成原理計算機組成原理390123l用用4 4片片16K16K8 8位位RAMRAM，擴，擴展成展成64K64K8 8位存儲器位存儲器片號片號A15A14A13 A0A15 A0100000 111000003FF201000 11140007FFF310000 1118000BFFF411000 111C000FFFFplay計算機組成原理計算機組成原理403字和位同時擴展l當芯片的單元數(shù)和單元的數(shù)據(jù)位均不滿足存儲器的要當芯片的單元數(shù)和單元的數(shù)據(jù)位均不滿足存儲器的要求時需要進行求時需要進行字和位的同時擴展字和位的同時擴展。例：用例：用21142114芯片（

25、芯片（1K1K4 4位）組成位）組成4K4K8 8位存儲器。位存儲器。解：所需芯片數(shù)：解：所需芯片數(shù)： 地址線：地址地址線：地址12位位A11A0；2114芯片芯片10位位A9A0 高兩位地址高兩位地址A11、A10用于選擇芯片用于選擇芯片 數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)8位；芯片位；芯片4位。位。 兩片兩片2114的數(shù)據(jù)線分別連接的數(shù)據(jù)線分別連接D7D4和和 D3D0 將將21142114芯片分為芯片分為4 4組，每組組，每組2 2片芯片。片芯片。 控制線：讀寫控制；控制線：讀寫控制； 片選片選由由高位地址高位地址經(jīng)譯碼進行控制經(jīng)譯碼進行控制（片）位位84K184K 4 4組芯片組芯片字和位同時擴

26、展的連接方式：字和位同時擴展的連接方式： 各芯片的片內地址線、讀各芯片的片內地址線、讀/ /寫控制線均對應地并接在地址和控制總線的寫控制線均對應地并接在地址和控制總線的對應位上；對應位上； 由高位地址（由高位地址（n n位）譯碼產生位）譯碼產生2 2n n個片選信號，決定芯片分成個片選信號，決定芯片分成2 2n n個組；個組； 由數(shù)據(jù)線決定每組的芯片片數(shù)。由數(shù)據(jù)線決定每組的芯片片數(shù)。計算機組成原理計算機組成原理42存儲器模塊條 l存儲器通常以插槽用模塊條形式供應市場。這種模塊條常稱存儲器通常以插槽用模塊條形式供應市場。這種模塊條常稱為內存條，它們是在一個條狀形的小印制電路板上，用一定為內存條，

27、它們是在一個條狀形的小印制電路板上，用一定數(shù)量的存儲器芯片，組成一個存儲容量固定的存儲模塊。數(shù)量的存儲器芯片，組成一個存儲容量固定的存儲模塊。 l內存條有內存條有30腳、腳、72腳、腳、100腳、腳、144腳、腳、168腳、腳、184腳、腳、240腳等多種形式。腳等多種形式。 計算機組成原理計算機組成原理43*3.3.5 高級的DRAM結構 l1、FPM DRAM 快速頁模式動態(tài)存儲器快速頁模式動態(tài)存儲器 l2、CDRAM 帶高速緩沖存儲器（帶高速緩沖存儲器（cache）的動態(tài)存儲器）的動態(tài)存儲器 在通常的在通常的DRAM芯片內又集成了一個小容量的芯片內又集成了一個小容量的SRAM，從而使從而

28、使DRAM芯片的性能得到顯著改進。芯片的性能得到顯著改進。 l3、SDRAM 同步型動態(tài)存儲器同步型動態(tài)存儲器 SDRAM與與CPU的數(shù)據(jù)交換同步于外部的系統(tǒng)時鐘信號，的數(shù)據(jù)交換同步于外部的系統(tǒng)時鐘信號，并且以并且以CPU/存儲器總線的最高速度運行，而不需要插入存儲器總線的最高速度運行，而不需要插入等待狀態(tài)。等待狀態(tài)。 l4、DDR DDR SDRAM，雙倍速率，雙倍速率SDRAM計算機組成原理計算機組成原理44*3.3.6 DRAM主存讀/寫的正確性校驗 lDRAM通常用做主存儲器，其讀寫操作的正確性與可靠性至通常用做主存儲器，其讀寫操作的正確性與可靠性至關重要。因此需進行正確性校驗。關重要

29、。因此需進行正確性校驗。l正常的數(shù)據(jù)位上增加附加位，用于讀正常的數(shù)據(jù)位上增加附加位，用于讀/寫操作正確性校驗。增寫操作正確性校驗。增加的附加位也要同數(shù)據(jù)位一起寫入加的附加位也要同數(shù)據(jù)位一起寫入DRAM中保存。中保存。 奇偶校驗碼奇偶校驗碼海明校驗碼海明校驗碼CRC校驗碼校驗碼play計算機組成原理計算機組成原理453.4 只讀存儲器和閃速存儲器 l3.4.13.4.1 只讀存儲器只讀存儲器ROMROMl3.4.23.4.2 FLASH FLASH存儲器存儲器計算機組成原理計算機組成原理463.4.1 只讀存儲器l1.ROM1.ROM的分類的分類 只讀存儲器簡稱只讀存儲器簡稱ROM，它只能讀出，

30、不能寫入。它的最，它只能讀出，不能寫入。它的最大優(yōu)點是具有不易失性。大優(yōu)點是具有不易失性。只讀存儲器只讀存儲器定義定義優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點掩模式掩模式 數(shù)據(jù)在芯片制造過程中數(shù)據(jù)在芯片制造過程中就確定就確定 可靠性和集成度可靠性和集成度高，價格便宜高，價格便宜不能重寫不能重寫一次編程一次編程 用戶可自行改變產品中用戶可自行改變產品中某些存儲元某些存儲元 可以根據(jù)用戶需可以根據(jù)用戶需要編程要編程只能一次性改只能一次性改寫。已淘汰。寫。已淘汰。多次編程多次編程 可以用紫外光照射或電可以用紫外光照射或電擦除原來的數(shù)據(jù)，然后擦除原來的數(shù)據(jù)，然后再重新寫入新的數(shù)據(jù)再重新寫入新的數(shù)據(jù) 可以多次改寫可以多次改寫R

31、OM中的內容中的內容PROM EPROME2PROM 計算機組成原理計算機組成原理471. 掩模ROMl掩模掩模ROM的邏輯符號和內部邏輯框圖的邏輯符號和內部邏輯框圖 計算機組成原理計算機組成原理482. 可編程ROM l1)、EPROM -光擦除可編程只讀存儲器光擦除可編程只讀存儲器 l2)、E2PROM -電擦除可編程只讀存儲器電擦除可編程只讀存儲器 紫外線照射擦除信息紫外線照射擦除信息計算機組成原理計算機組成原理493.4.2 FLASH存儲器 lFLASH存儲器也翻譯成閃速存儲器，它是高密度非失易失存儲器也翻譯成閃速存儲器，它是高密度非失易失性的讀性的讀/寫存儲器。寫存儲器。高密度意味

32、著它具有巨大比特數(shù)目的存儲容量。高密度意味著它具有巨大比特數(shù)目的存儲容量。非易失性指存放的數(shù)據(jù)在沒有電源時可以長期保存。非易失性指存放的數(shù)據(jù)在沒有電源時可以長期保存。它既有它既有RAM的優(yōu)點，又有的優(yōu)點，又有ROM的優(yōu)點，稱得上是存儲的優(yōu)點，稱得上是存儲技術劃時代的進展。技術劃時代的進展。 lFLASH存儲元是在存儲元是在EPROM存儲元基礎上發(fā)展起來的，由存儲元基礎上發(fā)展起來的，由此可以看出創(chuàng)新與繼承的關系。此可以看出創(chuàng)新與繼承的關系。計算機組成原理計算機組成原理50l閃速存儲器中的存儲元，由單個閃速存儲器中的存儲元，由單個MOS晶體管組成，除漏極晶體管組成，除漏極D和源極和源極S外，還有一

33、個控制柵和浮空柵。外，還有一個控制柵和浮空柵。 寫寫0，就是要在控制柵，就是要在控制柵C上加正電壓上加正電壓 存儲元原始狀態(tài)存儲元原始狀態(tài)全為全為1 晶體管源極晶體管源極S加上正加上正電壓電壓 ，吸收浮空柵，吸收浮空柵中的電子，使全部中的電子，使全部存儲元變成存儲元變成1狀態(tài)狀態(tài) FLASH存儲器基本操作存儲器基本操作 讀出電路檢讀出電路檢測到有電流，測到有電流，表示存儲元表示存儲元中存中存1 控制柵加控制柵加上正電壓上正電壓 計算機組成原理計算機組成原理52FLASH存儲器的陣列結構 l在某一時間只有一條行選擇線被激活。 計算機組成原理計算機組成原理53lU盤 lTF卡 l SD目前市場上常

34、見的FLASH存儲器：計算機組成原理計算機組成原理543.5 并行存儲器 3.5.1 3.5.1 雙端口存儲器雙端口存儲器 空間并行技術空間并行技術 3.5.2 3.5.2 多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器 時間并行技術時間并行技術計算機組成原理計算機組成原理553.5.1 雙端口存儲器 l1. 1.雙端口存儲器的邏輯結構雙端口存儲器的邏輯結構 雙端口存儲器是指同一個存儲器具有兩組相雙端口存儲器是指同一個存儲器具有兩組相互獨立的讀寫控制線路互獨立的讀寫控制線路,是一種高速工作的存儲器。是一種高速工作的存儲器。 計算機組成原理計算機組成原理56計算機組成原理計算機組成原理57l2. 2.無沖突讀

35、寫控制無沖突讀寫控制當兩個端口的地址不相同時，在兩個端口上進行當兩個端口的地址不相同時，在兩個端口上進行讀寫操作，一定不會發(fā)生沖突。讀寫操作，一定不會發(fā)生沖突。l3. 3.有沖突的讀寫控制有沖突的讀寫控制 當兩個端口同時存取存儲器同一存儲單元時，便發(fā)生讀當兩個端口同時存取存儲器同一存儲單元時，便發(fā)生讀寫沖突。為解決此問題，特設置了寫沖突。為解決此問題，特設置了BUSY標志。標志。計算機組成原理計算機組成原理583.5.2多模塊交叉存儲器 l1. 1.存儲器的模塊化組織存儲器的模塊化組織 交叉方式交叉方式某個模塊進行存取時，其他模塊不工作。某個模塊進行存取時，其他模塊不工作。某一模塊出現(xiàn)故障時，

36、其他模塊可照常工作。某一模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊可照常工作。通過增添模塊來擴充存儲器容量比較方便。通過增添模塊來擴充存儲器容量比較方便。各模塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。各模塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。地址碼的低位字段經(jīng)過譯碼選擇不同的模地址碼的低位字段經(jīng)過譯碼選擇不同的模塊，而高位字段指向相應模塊內的存儲字。塊，而高位字段指向相應模塊內的存儲字。對連續(xù)字的成塊傳送可實現(xiàn)多模塊流水式對連續(xù)字的成塊傳送可實現(xiàn)多模塊流水式并行存取，大大提高存儲器的帶寬。并行存取，大大提高存儲器的帶寬。設存儲容量為設存儲容量為32字，分成字，分成M0M3共四個模塊，每個模塊共四個模塊，每個模塊8個字個

37、字 play計算機組成原理計算機組成原理592.多模塊交叉存儲器的基本結構 四模塊交叉存儲器結構框圖四模塊交叉存儲器結構框圖流水線方式存取示意圖流水線方式存取示意圖若存取周期是若存取周期是T，總線傳送周期是，總線傳送周期是，存儲器的交叉模塊數(shù)為，存儲器的交叉模塊數(shù)為m， 交叉存儲器連續(xù)讀取交叉存儲器連續(xù)讀取n個字所需的時間為：個字所需的時間為： t1=T+(n-1)順序方式存儲器連續(xù)讀取順序方式存儲器連續(xù)讀取n個字所需時間為：個字所需時間為： t2=nTt字 模塊W4 M0W3 M3W2 M2W1 M1W0 M0T play計算機組成原理計算機組成原理60l【例【例4】 設存儲器容量為設存儲器

38、容量為32字，字長字，字長64位，模塊數(shù)位，模塊數(shù)m=4，分，分別用順序方式和交叉方式進行組織。存儲周期別用順序方式和交叉方式進行組織。存儲周期T=200ns，數(shù)，數(shù)據(jù)總線寬度為據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期位，總線傳送周期=50ns。若連續(xù)讀出。若連續(xù)讀出4個個字，問順序存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少字，問順序存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少? 帶寬帶寬=單位時間里存儲器所存取的信息量單位時間里存儲器所存取的信息量【解【解】連續(xù)讀出連續(xù)讀出4個字的信息總量是：個字的信息總量是： q464位位256b 順序存儲器所需時間順序存儲器所需時間： t2=nT4200ns810-7s 連續(xù)讀出連續(xù)

39、讀出4 4個字，交叉存儲器所需時間：個字，交叉存儲器所需時間： t1=T+(n-1)200350350ns3.510-7s 交叉存儲器的帶寬為：交叉存儲器的帶寬為： W1q/t1256b(3.510-7s)730Mb/s 順序存儲器的帶寬為順序存儲器的帶寬為 W2q/t2256b(810-7s)320Mb/s計算機組成原理計算機組成原理613.6 Cache存儲器l3.6.13.6.1 cache cache基本原理基本原理l3.6.23.6.2 主存與主存與cachecache的地址映射的地址映射l3.6.33.6.3 替換策略替換策略l3.6.43.6.4 cache cache的寫操作策

40、略的寫操作策略3.6.1 cache基本原理lCache的功能目的：解決CPU和主存之間速度不匹配的問題。容量：在主存幾百MB情況下，設置幾百KB。硬件：SRAM。管理：全硬件實現(xiàn)。對用戶透明。位置：計算機組成原理計算機組成原理632. cache的基本原理 lCache由存儲體（SRAM）、相聯(lián)存儲表、管理邏輯組成。lCPU與cache之間的數(shù)據(jù)交換以字為單位lCache與主存間的數(shù)據(jù)傳送以數(shù)據(jù)塊為單位l一個塊(Block)由若干字組成play計算機組成原理計算機組成原理64 Cache的工作原理1、Cache與主存以塊為單位進行操作2、當CPU發(fā)出訪內操作請求后，首先由Cache控制器判斷

41、當前請求的字是否在Cache中，若在，叫命中，否則，不命中3、若命中：若是“讀”請求，則直接對Cache讀，與主存無關若是“寫”請求：Cache單元與主存單元同時寫只更新Cache單元并加標記，移出時修改主存4、未命中時：若是“讀”請求，則從主存讀出所需字送CPU，且把含該字的一塊送Cache，稱“裝入”，若Cache已滿，采用置換算法；若是“寫”請求，直接寫入主存。計算機組成原理計算機組成原理653.Cache3.Cache的命中率的命中率l命中率（Hit Rate）：h=NcNc +Nm cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta： ta=htc+(1-h)tm tc命中時的cache訪問時間

42、 tm未命中時的主存訪問時間h命中率Nccache完成存取的總次數(shù)Nm主存完成存取的總次數(shù)設r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率，e表示訪問效率tce=ta=tchtc+ (1-h)tm=1r+ (1-r)h【例6】CPU執(zhí)行一段程序時，cache完成存取的次數(shù)為1900次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知cache存取周期為50ns，主存存取周期為250ns，求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時間。【解】命中率： h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 平均訪問時間：ta=htc+(1-h)tm=60ns 訪問效率：e=tc/ta=50/60=83.3

43、%計算機組成原理計算機組成原理67lCache的數(shù)據(jù)塊稱為行用Li表示，其中i=0,1,m-1，共有m行l(wèi)主存的數(shù)據(jù)塊稱為塊（Block）用Bj表示，其中j=0,1,n-1，共有n塊l行與塊是等長的，包含k=2w個主存字字是CPU每次訪問存儲器時可存取的最小單位3.6.23.6.2主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射計算機組成原理計算機組成原理683.6.2 3.6.2 主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射地址映射即是把主存地址定位到地址映射即是把主存地址定位到cachecache中。中。 全相聯(lián)映全相聯(lián)映射射(fully associative mapping

44、)(fully associative mapping)可以將一個主存塊存儲到任意一個可以將一個主存塊存儲到任意一個CacheCache行行直接映直接映射射(direct mapping)(direct mapping)將一個主存塊存儲到唯一的一個將一個主存塊存儲到唯一的一個CacheCache行行組相聯(lián)映組相聯(lián)映射射(set associative mapping)(set associative mapping)可以將一個主存塊存儲到唯一的一個可以將一個主存塊存儲到唯一的一個CacheCache組中任意一個行組中任意一個行直接映射、組相聯(lián)映射使用較多直接映射、組相聯(lián)映射使用較多計算機組成原

45、理計算機組成原理69全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射l主存的一個塊直接拷貝到主存的一個塊直接拷貝到cache中的任意一行上中的任意一行上l優(yōu)點：命中率較高，優(yōu)點：命中率較高，Cache的存儲空間利用率高的存儲空間利用率高l缺點：線路復雜，成本高，速度低缺點：線路復雜，成本高，速度低計算機組成原理計算機組成原理70全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射的檢索過程全相聯(lián)映射的檢索過程play計算機組成原理計算機組成原理71直接映射直接映射l多對一的映射關系，但一個主存塊只能拷貝到多對一的映射關系，但一個主存塊只能拷貝到cache的的一個特定行位置上去。一個特定行位置上去。lcache的行號的行號i和主存的塊號和主存的

46、塊號j有如下函數(shù)關系：有如下函數(shù)關系：i=j mod m（m為為cache中的總行數(shù)）中的總行數(shù)）l優(yōu)點：硬件簡單，容易實現(xiàn)優(yōu)點：硬件簡單，容易實現(xiàn)l缺點：命中率低，缺點：命中率低， Cache的存儲空間利用率低的存儲空間利用率低計算機組成原理計算機組成原理72直接映射直接映射直接映射的檢索過程直接映射的檢索過程play計算機組成原理計算機組成原理73組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射l將將cache分成分成u組，每組組，每組v行，主存塊存放到哪個組是固行，主存塊存放到哪個組是固定的，至于存到該組哪一行是靈活的，即有如下函數(shù)定的，至于存到該組哪一行是靈活的，即有如下函數(shù)關系：關系：muv 組號組號qj mo

47、d u l組間采用直接映射，組內為全相聯(lián)組間采用直接映射，組內為全相聯(lián)l硬件較簡單，速度較快，命中率較高硬件較簡單，速度較快，命中率較高組相聯(lián)方式中若每組行數(shù)為組相聯(lián)方式中若每組行數(shù)為v，常稱之為，常稱之為v路組相聯(lián)路組相聯(lián)cache。計算機組成原理計算機組成原理74組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射的檢索過程組相聯(lián)映射的檢索過程play計算機組成原理計算機組成原理753.6.3 3.6.3 替換策略替換策略l替換問題替換問題新主存塊要進入新主存塊要進入CacheCache，決定替換哪個原主存塊，決定替換哪個原主存塊直接映射，只能替換唯一的一個直接映射，只能替換唯一的一個CacheCache行行全

48、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. 1. 最不經(jīng)常使用算法最不經(jīng)常使用算法(LFU: least-frequently used)(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. 2. 近期最少使用算法近期最少使用算法(LRU: least-recently used)(LRU: least-recently used) 替換最久沒有被使用的塊替換最久沒有被使用的塊3. 3. 隨機法隨機法(random)(random) 隨意選擇被替換的塊，不依賴以前的使用情況隨意選擇被替換的塊，不依賴以前的使用情況每行設置一個計數(shù)器。從每行設置一個計數(shù)器。從0 0開始計數(shù)，開始計數(shù)，每訪問一次，每訪問一次， 被訪行的計數(shù)器增被訪行的計數(shù)器增1 1。當。當需要替換時，將計數(shù)值最小的行換出，需要替換時，將計數(shù)值最小的行換出，同時將這些行的計數(shù)器都清零。同時將這些行的計數(shù)器都清零。每行也設置一個計數(shù)器，每行也設置一個計數(shù)器，cachecache每命每命中一次，命中行計數(shù)器清零，其它中一次，命中行計數(shù)