存储器之主存--Cache--辅存大全
目录
概述
存储器分类
存储器的层次结构
主存储器
概述:
半导体芯片简介
随机存取存储器(RAM)
只读存储器(ROM)
存储器与CPU的连接
存储器的校验
汉明码简介:
提高访问速度的措施
高速缓冲存储器
Cache的工作原理:
主存—Cache的地址映射
写操作
Pentium的Cache
辅助存储器
概述
存储器分类
按存储介质分类:
- 半导体存储器 TTL,MOS
- 磁表面存储器 磁头,载磁体
- 磁芯存储器 硬磁材料,环状元件
- 光盘存储器 激光,磁光材料
按存取方式分类:
1.存取时间与物理地址无关(随机访问)
- 随机存储器 在程序的执行过程中 读 写
- 只读存储器 在程序的执行过程中 读
2.存取时间与物理地址有关(串行访问)
- 顺序存取存储器 磁带
- 直接存取存储器 磁盘
3.按在计算机中的作用分类
存储器:主存储器,Flash Memory,高速缓冲存储器(Cache),辅助存储器
主存储器:RAM,ROM,
RAM:静态RAM,动态RAM
ROM:MROM,PROM,EPROM,EEPROM
辅助存储器:磁盘,磁带,光盘
存储器的层次结构
存储器三个主要特性的关系:
速度:快--慢
容量:小--大
价格:高--低
缓存—主存层次和主存—辅助层次
缓存—主存:主存储器地址 注重速度 由硬件来处理
主存—辅存:虚拟存储器 注重容量 由软硬件相结合
程序的局部性原理:程序在执行时呈现出局部规律,即在一段时间内,整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应的,执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。
主存储器
概述:
1.主存的基本组成
2.主存和CPU的联系
3.主存中存储单元地址的分配
高位字节 地址为字地址
地址线24根,按字节寻址范围为224224 =16M;
若字长32位,则一个字有4个字节,所以要留2根地址线指出该字中的哪个字节[00,01,10,11],即寻址范围为 224−2=4M224−2=4M;
若字长16位,则一个字有2个字节,所以要留1根地址线指出该字中的哪个字节[0,1],即寻址范围为 224−1=8M224−1=8M;
注:编址单位:字节
4.主存的技术指标
a.存储容量:
主存 存放二进制代码的总位数
b.存储速度:
- 存取时间 存储器的访问时间 (读出时间 写入时间)
- 存取周期 连续两次独立的存储器操作(读/写)所需的最小间隔时间(读周期 写周期)
c.存储器的带宽 位/秒
半导体芯片简介
半导体存储芯片的基本结构:
地址线(单向) | 数据线(双向) | 芯片容量 |
10 | 4 | 1K X 4位 |
14 | 1 | 16K X 1位 |
13 | 8 | 8K X 8位 |
存储芯片片选线的作用:
用16K x 1位的存储芯片组成64K x 8位的存储器
半导体存储芯片的译码驱动方式:
(1)线选法
(2)重合法
随机存取存储器(RAM)
静态RAM(SRAM)
a.静态RAM基本电路读操作
b.静态RAM基本电路写操作
动态RAM(DRAM)
动态RAM基本单元电路
动态RAM刷新:
刷新与行地址有关
1集中刷新(若存取周期为0.5us)以128X128矩阵为例
“死区”为 0.5usX128=64us
“死时间率”为128/4000X100%=3.2%
2分散刷新(存取周期1us)以128X128矩阵为例
3分散刷新与集中刷新相结合(异步刷新)
对于128X128的储存芯片(存取周期为0.5us)
若每隔15.6us刷新一行
每行每隔2ms刷新一次,“死区”为0.5us
将刷新安排在指令译码阶段,就不会出现“死区”
动态RAM和静态RAM的比较
DRAM(主存) | SRAM(缓存) | |
存储原理 | 电容 | 触发器 |
集成度 | 高 | 低 |
芯片引脚 | 少 | 多 |
功耗 | 小 | 大 |
价格 | 低 | 高 |
速度 | 慢 | 快 |
刷新 | 有 | 无 |
只读存储器(ROM)
1.掩模ROM(MROM)
行列选择线交叉处有MOS管为“1”
行列选择线交叉处无MOS管为“0”
2.PROM(一次性编程)
熔丝短 为“0”
熔丝未断 为“1”
3.EPROM(多次性编程)
D端加正电压 形成浮动栅 S与D不导通为“0”
D端不加正电压 不形成浮动栅 S与D不导通为“1”
注:浮动栅是用紫外线擦除
4.EEPROM(多次性编程)
电可擦写
局部擦写
全部擦写
5.Flash Memory(闪速型存储器)
EPROM 价格便宜 集成度高
EEPROM 电可擦写
比EEPROM快 具备RAM功能
存储器与CPU的连接
1.存储器容量的扩展
(1)位扩展(增加存储字长)[两个芯片当成一个用]
用 2片1Kx4位 存储芯片组成1Kx8位的存储器(10条地址线,8条数据线)
(2)字扩展(增加存储字的数量)
用 2片 1Kx8位 存储芯片组成2Kx8位的存储器(11条地址线,8条数据线)
(3)字,位扩展
用 8片 1Kx4位 存储芯片组成4Kx8位的存储器(12条地址线,8条数据线)
2.存储器与CPU的连接
(1)地址线的连接
(2)数据线的连接
(3)读/写命令线的连接
(4)片选线的连接
(5) 合理的选择存储芯片
(6)时序,负载等
存储器的校验
合法代码集合 | 错误码 | 结论 |
{000,001,010,011,100,101,110,111} | 检0位错,纠0位错 | |
{000,011,101,110} | {100} | 检1位错,纠0位错 |
{111,000} | {100,110} | 检1位错,纠1位错 |
{0000,1111} | {1000,1100} | 检2位错,纠1位 |
{00000,11111} | {11000,11100} | 检2位错,纠2位错 |
编码的最小距离:
任意两组合法代码之间 二进制位数的最小差异
编码的纠错,检错能力与编码的最小距离有关
汉明码简介:
汉明码(具有一位纠错能力的编码)的组成:
汉明码采用奇偶校验
汉明码采用分组校验
汉明码的分组是一种非划分方式
分成3组,每一组有一个校验位,一共包括4位数据位
汉明码有位检测位
提高访问速度的措施
- 采用高速器件
- 采用层次结构 Cache-主存
- 调整主存结构
高速缓冲存储器
Cache的工作原理:
(1)功能:解决CPU与主存之间速度不匹配的问题
- 一般采用高速的SRAM构成
- CPU和主存之间的速度差别很大采用两级或多级Cache系统
- 早期的一级Cache在CPU内,二级在主板上
- 现在的CPU内带L1 Cahe和L2 Cahe
(2)Cache基本原理
- cache是介于CPU和主存M2之间的小容量存储器,但存取速度比主存快。主存容量配置几百MB的情况下,cache的典型值是几百KB。cache能高速地向CPU提供指令和数据,从而加快了程序的执行速度。从功能上看,它是主存的缓冲存储器,由高速的SRAM组成。为追求高速,包括管理在内的全部功能由硬件实现,因而对程序员是透明的。
- Cache的设计依据:CPU这次访问过的数据,下次有很大的可能也是访问附近的数据。
- CPU与Cache之间的数据传送是以字为单位
- 主存与Cache之间的数据传送是以块为单位
- CPU读主存时,便把地址同时送给Cache和主存,Cache控制逻辑依据地址判断此字是否在Cache中,若在此字立即传送给CPU ,否则,则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU,与此同时,把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。
(3)Cache命中率
主存—Cache的地址映射
全相联的映射方式
映射方式(多对多):
- 主存内容可以拷贝任意行
地址变换:
- 标记实际上构成了一个目录表
1、将地址分为两部分(块号和字),在内存块写入Cache时,同时写入块号标记;
2、CPU给出访问地址后,也将地址分为两部分(块号和字),比较电路块号与Cache 表中的标记进行比较,相同表示命中,访问相应单元;如果没有命中访问内存,CPU 直接访问内存,并将被访问内存的相对应块写入Cache
3、特点:
- 优点:冲突概率小,Cache的利用高。
- 缺点:比较器难实现,需要一个访问速度很快代价高的相联存储器
4、应用场合: 适用于小容量的Cache
直接映射方式
1、映射方法(一对多)如:
- i= j mod m
- 主存第j块内容拷贝到Cache的i行
- 一般I和m都是2N级
2.基本原理
- 利用行号选择相应行;
- 把行标记与CPU访问地址进行比较,相同表示命中,访问Cache;
- 如果没有命中,访问内 存,并将相应块写入Cache
特点:
- 优点:比较电路少m倍线路,所以硬件实现简单,Cache地址为主存地址的低几位,不需变换。
- 缺点:冲突概率高(抖动)
4、应用场合 适合大容量Cache
组相联映射方式
- 分析:比全相联容易实现,冲突低
- v=1,则为直接相联映射方式
- u=1,则为全相联映射方式
- v的取值一般比较小, 一般是2的幂,称之为v路组相联cache.
写操作
由于cache的内容只是主存部分内容的拷贝,它应当与主存内容保持一致。而CPU对cache的写入更改了cache的内容。如何与主存内容保持一致,可选用如下三种写操作策略。
- 写回法:换出时,对行的修改位进行判断,决定是写回还是舍掉。
- 全写法:写命中时,Cache与内存一起写
- 写一次法:与写回法一致,但是第一次Cache命中时采用全写法。
Pentium的Cache
- 取指/译码单元:顺序从L2cache中取程序指令,将它们译成一系列的微指令,并存入L1指令cache中
- 乱序执行逻辑:依据数据相关性和资源可用性,调度微指令的执行,因而微指令可按不同于所取机器指令流的顺序被调度执行。 执行单元:它执行微指令,从L1数据cache中取所需数据,并在寄存器组中暂存运算结果
- 执行单元:它执行微指令,从L1数据cache中取所需数据,并在寄存器组中暂存运算结果
- 存储器子系统:这部分包括L2cache、L3cache和系统总线。当L1、L2cache未命中时,使用系统总线访问主存。系统总线还用于访问I/O资源
(1)2级cache结构
- L2内容是主存的子集
- L1内容是L2的子集
(2)L1分成8K的指令cache和8K的数据cache
- 指令cache是单端口256位,只读
- 数据cache是双端口(每个32位),读写,采用2路组相联结构128组*2行/组*32字节/行=8KB字节
(3)存储器读写总线周期
- 256为淬发式传送
- 64位传送
(4)数据一致性的保持
- L1采用写一次法
- L2采用写回法
辅助存储器
概述:
1.特点 不直接与CPU交换信息
2.磁表面存储器的技术指标
- 记录密度 道密度Dt 位密度Db
- 存储容量 C=n X k X s
- 平均寻址时间 寻道时间+等待时间
- 数据传输率 Dr=Db X V
- 误码率 出错信息位数与读出信息的总位数比值
磁记录原理和记录方式
1.原理:
硬磁盘存储器
1.硬磁盘存储器的类型
(1)固定磁头和移动磁头
(2)可换盘和固定盘
2.硬磁盘存储器结构
(1)磁盘驱动器
(2)磁盘控制器
- 接受主机发来的命令,转换成磁盘驱动器的控制命令
- 实现主机和驱动器之间的数据格式转换
- 控制磁盘驱动器读写
磁盘控制器是:主机和磁盘驱动器之间的接口:对主机通过总线进行连接;直接对硬盘连接
(3)盘片:由硬质铝合金材料制成
软磁盘存储器
硬盘 |
软盘 |
|
速度 | 高 | 低 |
磁头 |
固定,活动, 浮动 |
活动, 接触磁盘 |
盘片 |
固定盘,盘组, 大部分不可换 |
可换磁盘 |
价格 | 高 | 低 |
环境 | 苛刻 | 不苛刻 |
光盘存储器
采用光存储技术 | 利用激光写入和读入 | |
第一代光存储技术 | 采用非磁性介质 | 不可擦写 |
第二代光存储技术 | 采用磁性介质 | 可擦写 |
光盘的存储原理
只读型和只写一次型 | 热作用 |
可擦写光盘 | 热磁效应 |
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