存儲器

存儲器分類

存儲器的層次結構

存儲器三個主要特性的關係

緩存——主存層次和主存——輔存層次

1️⃣ 緩存——主存層次主要解決CPU和主存速度不匹配的問題

2️⃣ 主存——輔存主要解決存儲系統的容量問題

3️⃣ 主存——輔存層次發展形成虛擬存儲系統。

主存儲器

概述

主存的基本組成

主存和CPU的聯繫

1️⃣ 驅動器、譯碼器和讀寫電路在存儲芯片中

2️⃣ MAR和MDR在CPU芯片中

3️⃣ 存儲芯片和CPU芯片可通過總線連接

主存中存儲單元地址的分配

主存的技術指標

1️⃣ 存儲容量：主存存放二進制代碼的總位數，存儲容量（位）=存儲單元個數*存儲字長，存儲容量（位元組）=存儲單元個數*存儲字長 / 8

2️⃣ 存儲速度

• 存取時間：存儲器的訪問時間=讀出時間+寫入時間
• 存取周期：連續兩次獨立的存儲器操作（讀或寫）所需的 最小間隔時間

3️⃣ 存儲器的帶寬：單位時間內存儲器存取的信息量，每個存儲周期可以訪問的位（位元組）數 / 存儲周期

提高存儲器帶寬的措施

• 縮短存儲周期
• 增加存儲字長
• 增加存儲體

半導體存儲芯片簡介

半導體存儲芯片的基本結構

1️⃣ 地址線：單向輸入，位數與存儲字的個數有關

2️⃣ 數據線：雙向的，位數與讀/寫的數據位數有關

3️⃣ 控制線

• 讀/寫控制線：決定芯片進行讀/寫操作
• 片選線：選擇存儲芯片

半導體存儲芯片的譯碼驅動方式

🌈 線選法

1️⃣ 特點：一根字選擇線（字線），直接選中一個存儲單元的各位

2️⃣ 結構簡單，只適於容量不大的存儲芯片

🌈 重合法

1️⃣ 特點：被選單元是由X、Y兩個方向的地址決定的

2️⃣ 適合容量較大的存儲芯片

隨機存取存儲器 ( RAM )

靜態 RAM (SRAM)

基本電路

動態 RAM ( DRAM )

基本電路

動態 RAM 刷新

1️⃣ 多久需要刷新一次：刷新周期一般為 2 ms

2️⃣ 每次刷新多少存儲單元：以行為單位，每次刷新一行存儲單元
————為什麼要使用行列地址：減少選通線的數量

3️⃣ 如何刷新：有硬件支持，讀出一行的信息後重新寫入，佔用1個讀/寫周期

4️⃣ 在什麼時候刷新：

動態 RAM 和靜態 RAM 的比較

只讀存儲器（ROM）

存儲器與 CPU 的連接

存儲器容量的擴展

位擴展（增加存儲字長）

片選線相同，分配數據線

字擴展（增加存儲字的數量）

數據線相同，設置片選線

字、位同時擴展

數據線和片選線都要重新考慮

例題以及解題步驟

🔔 系統程序區用ROM，用戶程序區用RAM

1️⃣ 寫出對應的二進制地址碼

2️⃣ 確定芯片的數量及類型

由題目知 CPU 數據線8根，則存儲器位數應擴展為8位。再根據題目所給的存儲芯片

系統程序區選擇一片 2 K * 8 位的存儲芯片

用戶程序區選擇兩片 1 K * 4 位的存儲芯片

3️⃣ 分配地址線

4️⃣ 確定片選信號

RAM 是位拓展，共享片選線，分配數據線

而 ROM 和 RAM 需要考慮片選線的設置

譯碼器的 Y4 端可以作為 ROM 的片選線端口

譯碼器的 Y5 端和 RAM 的 A10 地址線可以聯合作為 RAM 的片選控制

🔔 有一個默認的原則：不要有任何地址線空着不用！！！

5️⃣ 連接圖

6️⃣ 注意的細節

ROM 要接地

與門都取了非，也就是說輸入的數據都為 0 時，輸出為 1

RAM 的地址線分配，RAM 要連接讀寫控制線 WR

使能端只有輸入信號為 G1 G2A G2B： 1 0 0 時才工作

真題

該題與上一個題的區別就是 RAM 是字拓展而不是位拓展，所以數據線相同，片選線要配置，用 A12 作為劃分

存儲器的校驗

海明碼

🔔 默認是偶校驗，如果題目要求是奇校驗，那不論是求海明碼還是糾錯，每個運算最後都要多異或一個 1 。

提高訪存速度的措施

• 採用高速器件

• 採用層次結構 Cache – 主存

• 調整主存結構

單體多字系統

普通存儲器：每行為一個存儲單元

🌈 單體多字存儲器

每個存儲單元存儲 m 個字，每個字 w 位，總線寬度為 m 個字。一個存取周期內可以讀出 m 個字，也就是 m * w 位的指令或數據，使主存帶寬提高到 m 倍

🔔 缺點：指令和數據在主存內必須是連續存放的，一旦遇到轉移指令，或者操作數不能連續存放，這種方法的效果就不明顯

多體並行系統

• 高位交叉（順序存儲）

  • 存儲體的存儲單元通過地址的高位進行分組，高位地址相同的存儲單元屬於同一個存儲體

  • CPU 有較大概率需要連續訪問同一個存儲體，效率較低

• 低位交叉（交叉存儲）

  • 存儲體的存儲單元通過地址的低位進行分組，低位地址相同的存儲單元屬於同一個存儲體

  • CPU 可以較大概率同時訪問多個存儲體，效率高，屬於流水線方式

  • 可以在不改變每個模塊存取周期的前提下，提高存儲器的帶寬

  • 可以並行工作，如總線寬度為 mw 時，可以同時取出長度為 mw 的數據。等同於高位交叉存儲方式的 m 個存儲體並行工作

流水線的概念

例題

設有 4 個模塊組成的四體存儲器結構，每個體的存儲字長為 32 位，存儲周期為 200 ns。假設數據總線寬度為 32 位，總線傳輸周期為 50 ns，試求順序存儲和交叉存儲的存儲器帶寬。

解：順序存儲和交叉存儲連續讀出 4 個字的信息量是 32 * 4 = 128 位。

順序存儲器連續讀出 4 個字的時間是 200 ns * 4 = 800 ns

交叉存儲其連續讀出 4 個字的時間是 200 ns + 50 ns * (4 – 1) = 350 ns

順序存儲器的帶寬是 128 b / 800 ns = 16 * 10 ^ 7 bps

交叉存儲器的帶寬是 128 b / 350 ns = 37 * 10 ^ 7 bps

高速緩衝存儲器

概述

局部性原理

CPU 和主存（DRAM）的速度存在差異，為了避免 CPU 可能存在的「空等」現象

性能分析

1️⃣ 命中：
1.主存塊調入緩存
2.主存塊與緩存塊建立了對應關係
3.用標記記錄與某緩存塊建立了對應關係的主存塊號

2️⃣ 未命中：
1.主存塊未調入緩存
2.主存塊與緩存塊未建立對應關係

3️⃣ Cache 的命中率：
1.CPU 欲訪問的信息在 Cache 中的 比率
2.命中率 與 Cache 的 容量 與 塊長 有關

4️⃣ 主存系統的效率
1.效率 e 與 命中率 有關

🌈 例題

Cache 的基本結構

Cache 的讀寫操作

🌈 讀

🌈 寫

Cache 的改進

1️⃣ 單一緩存和二級緩存

2️⃣ 統一緩存和分立緩存

Cache – 主存的地址映射

直接映射

1️⃣ 每個緩存塊 i 可以和若干個主存塊對應
2️⃣ 每個主存塊 j 只能和一個緩存塊對應
3️⃣ i = j mod C （C 是 Cache 塊總數）

全相聯映射

主存中的任一塊可以映射到緩存中的任一塊

組相聯映射

某一主存塊 j 按模 Q 映射到 緩存 的第 i 組中的任一塊

🔔 n 路組相聯：Cache n 個塊為一組，即 Q = n

1️⃣ 當 n = 1 時，Cache 分成 1 組，相當於全相聯映射

2️⃣ 當 n = Cache 塊行數時，Cache 的每個塊都是一組。相當於直接映射

三種映射方式的總結

替換算法

例題一

🌈 FIFO：每個組內，就是一個小的隊列，組內整體向上移動一個單位，新元素放下面，彈出最上面的元素

🌈 LRU：每個組中，最不常用的放最上，剛剛用到的（命中）的放最下；遇到新的元素且組滿，則組內整體向上移動一個單位，新元素放最下，彈出最上面的元素

例題二