存储器结构
第四章-存储器04-高速缓冲存储器
Cache 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111
调入
4.1、地址映象——直接映像
例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为： 10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010， 求每次访问时Cache的内容。
硬件完成功能： 访存地址 转成 Cache地址 辅助存储器
Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。
4.1、地址映象
映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。
常见的映象方式主要有三种： 1）直接映象 2）全相联映象 3）组相联映象
CPU Cache 字 数据总线 字
2位 主存区号标记 00 主存块号 比较 3位 区内块号 100 Cache块号 未命中 访问内存 000 001 010 011 100 101 110 111 块内地址 块内地址
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111
调入
块表 000 001 010 011 100 101 110 111
4、高速缓冲存储器（Cache）
考研试题精选：
假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200 次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。
求：Cache—主存系统的平均存取时间和效率。 解： 系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111 调入
块表 000 10 001 010 11 011 100 101 110 10 111
存储器的工作原理
存储器的工作原理一、引言存储器是计算机系统中的重要组成部分，它用于存储和检索数据。
存储器的工作原理是计算机系统能够正常运行的基础之一。
本文将详细介绍存储器的工作原理，包括存储器的结构、存储单元、存储器的读写操作以及存储器的分类等内容。
二、存储器的结构存储器的结构通常由存储单元组成。
存储单元是存储器中最小的可寻址单元，用于存储一个数据位。
存储器的容量取决于存储单元的数量。
存储器结构可以分为两种类型：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
1. 随机存储器（RAM）随机存储器是一种易失性存储器，它可以随机读写数据。
RAM可以分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）两种类型。
- 静态随机存储器（SRAM）：SRAM采用触发器作为存储单元，每个存储单元由几个门电路组成，能够存储一个比特的数据。
SRAM的读写速度快，但占用空间大，功耗较高。
- 动态随机存储器（DRAM）：DRAM使用电容器作为存储单元，每个存储单元由一个电容器和一个访问晶体管组成。
DRAM的读写速度相对较慢，但占用空间小，功耗较低。
2. 只读存储器（ROM）只读存储器是一种非易失性存储器，它只能读取数据，不能写入或修改数据。
ROM中的数据是在制造过程中被预先编程的。
ROM的主要类型包括：只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。
三、存储单元存储单元是存储器中最小的可寻址单元，用于存储一个数据位。
存储单元通常由多个触发器或电容器组成。
每个存储单元都有一个唯一的地址，通过地址可以访问和操作存储单元中的数据。
四、存储器的读写操作存储器的读写操作是计算机系统中的核心操作之一。
存储器的读操作是指从存储器中读取数据，存储器的写操作是指向存储器中写入数据。
1. 存储器的读操作存储器的读操作是通过向存储器发送读命令和地址来实现的。
当读命令和地址被发送到存储器后，存储器会根据地址找到相应的存储单元，并将存储单元中的数据读取出来。
存储器层次结构
存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。
早期的电脑甚⾄没有磁盘。
现在电脑上的磁盘都已经按T算了。
随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。
动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。
通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。
静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。
这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。
如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。
也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。
动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。
该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。
因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。
但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。
因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。
或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。
两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。
在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。
因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。
上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。
⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。
每个引脚携带⼀个信号。
由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。
然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。
存储器与寄存器的组成与工作原理
存储器与寄存器的组成与工作原理存储器与寄存器是计算机系统中重要的组成部分，它们在数据存储和处理方面发挥着关键的作用。
本文将从存储器与寄存器的组成结构、工作原理两个方面进行介绍。
一、存储器的组成与工作原理存储器，简单来说，是用于存储和读取数据的计算机设备。
它由一系列存储单元组成，每个存储单元能够存储一定数量的数据。
根据存取方式的不同，存储器可以分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
1. 随机存储器（RAM）随机存储器是一种临时存储介质，具有读写功能。
它由一系列存储单元组成，每个存储单元都有一个独立的地址。
数据可以通过地址访问和存取。
随机存储器的存储单元可以分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）两种。
静态随机存储器（SRAM）由触发器组成，每个存储单元由6个触发器构成，能够稳定地存储数据。
它的读写速度较快，但芯片密度较低，价格较高。
动态随机存储器（DRAM）利用电容器存储数据，需要定期刷新来保持数据的有效性。
相较于SRAM，DRAM的芯片密度较高，价格也较低，但读写速度较慢。
2. 只读存储器（ROM）只读存储器是一种只能读取数据而不能写入数据的存储设备。
它通常用于存储不会改变的程序代码和固定数据。
只读存储器的存储单元由硅片上的门电路组成，数据在制造过程中被写入，不可修改。
二、寄存器的组成与工作原理寄存器是一种用于暂存和处理数据的高速存储设备。
它位于计算机的中央处理器内部，是一组用于存储指令、地址和数据的二进制单元。
寄存器的组成与存储器相比较小，但速度更快。
它由多个存储单元组成，每个存储单元能够存储一个或多个二进制位。
寄存器的位数决定了其可以存储的数据量大小。
寄存器在计算机中发挥着重要的作用，它可以用于暂存指令和数据，提高计算机的运行效率。
它还可以用于存储地址，使得计算机能够正确地访问存储器中的数据。
寄存器具有多种类型，常见的有通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等。
通用寄存器用于存储临时数据，程序计数器用于存储下一条要执行的指令地址，指令寄存器用于存储当前正在执行的指令。
第4章-嵌入式系统的存储器系统PPT课件
DRAM的体）电容存储电荷来储存信息， 必须通过不停的给电容充电来维持信息。
DRAM 的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。 DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何
的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机 内存就是DRAM的。
4.1.3 存储管理单元
MMU（Memory Manage Unit, 存储管理单元）
在CPU和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到 物理空间，这个转换过程一般称为内存映射。
MMU主要完成以下工作： （1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。
采用了页式虚拟存储管理，它把虚拟地址空间分成一个个固定大 小的块，每一块称为一页，把物理内存的地址空间也分成同样大 小的页。MMU实现的就是从虚拟地址到物理地址的转换。 （2）存储器访问权限的控制。 （3）设置虚拟存储空间的缓冲特性。
（或旁路转换缓冲/页表缓冲/后援存储器）
当CPU访问内存时，首先在TLB中查找需要的地址变换条目，如果该 条目不存在，CPU再从位于内存中的页表中查询，并把相应的结果 添加到TLB中，更新它的内容。
当ARM处理器请求存储访问时，首先在TLB中查找虚拟地址。如果系 统中数据TLB和指令TLB是分开的，在取指令时，从指令TLB查找相应 的虚拟地址，对于内存访问操作，从数据TLB中查找相应的虚拟地址。
当进行数据写操作时，可以将cache分为读操作分配cache和写操 作分配cache两类。
对于读操作分配cache，当进行数据写操作时，如果cache未命中， 只是简单地将数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行 cache内容预取。
对于写操作分配cache，当进行数据写操作时，如果cache未命中， cache系统将会进行cache内容预取，从主存中将相应的块读取到 cache中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到cache中。对 于写通类型的cache，数据将会同时被写入到主存中，对于写回 类型的cache数据将在合适的时候写回到主存中。
存储器
2 内存
2.按内存的接口（外观）分类 目前计算机配备的DRAM内存按接口（外观）分类主 要有两种： 1）SIMM（Single-In Line Memory Module，单 边接触内存模组） SIMM是486及其较早的PC机中常用的内存接口方式 ，一般30线、72线。
2 内存
2）DIMM（Dual In-Line Memory Module，双边 接触内存模组） DIMM接口内存的插板两边都有数据接口触片，这种 接口模式的内存广泛应用于现在的计算机中，常见有168 线SDRAM内存条、184线DDR内存条、240线DDR2/3 内存条。
2 内存
2.3 DDR SDRAM 内存的物理结构 下面以一品牌为威刚(A-DATA)的DDR3内存条为 例讲述DDR3内存条的结构，如图所示。
SPD
标签
PCB板 金手指
内存芯片 内存固定 卡缺口 内存引脚 缺口
DDR3 SDRAM内存条的结构
2 内存
1.PCB板。PCB板的电气性能也是决定内存稳定性 的关键，各种电子元件以及内存芯片都集中在其中一面， 导线则集中在另一面。 2. 金手指。金手指实际上是在一层铜皮（也叫覆铜 板）上通过特殊工艺再覆上一层金，因为金不易被氧化， 具有超强的导通性。 3. 内存芯片。内存上的芯片也称为内存颗粒，是内 存的灵魂所在，内存的性能、速度、容量都是由内存芯片 决定的。
2 内存
2.3 内存条品牌
（1）畅销的：金士顿（Kingston）、胜创（Kingmax）、 三星 （Samsung）. （2）热门的：金邦科技（GEIL）、宇瞻（Apacer）、现代 （Hyundai）、金士泰（KINGSETK）、勤茂（TwinMOS）、利 屏（LPT）及富豪。 （3）不常见的：海盗船（Corsair）、美光、OCZ、威刚等 。
存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
图4-1 计算机系统存储器层次示意图2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：容量很小、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：容量在若干KB、MB、GB，中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：一般设于主存中；•多种类型的磁盘：容量在数MB或数GB，低速、价廉、不需要电源维持、CPU不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理(主存管理)的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在速度、规模和成本之间获得较好的权衡。
(注意CPU和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存(字节)单元的编址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把(程序中的)逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；例如指令LOAD L，2500 /*将2500号单元内的数据送入寄存器L*/ ----P123图4-3 作业装进内存时的情况地址映射分静态和动态两种方式。
存储器层次结构
Main memory
Latency: 50-100 cycle
Disk storage
Latency: 20 000 000 cycle
Network storage
计算机程序的局部性(locality)
良好局部性的程序
重复访问相同的数据项集合 倾向于访问临近的数据项集合
存储器层次结构(memory hierarchy)
存储器层次结构中的缓存
高速缓存(cache)
一个小而快速的存储设备 作为存储在更大也更慢的设备中的数据对象的缓冲区域
存储器层次结构的中心思想
位于k层的更快更小的存储设备作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存
存储器层次结构中的数据传输
随着步长的增加，空间局部性下降
引用多维数组
int sumarraycols(int a[M][N]) {
int i,j,sum = 0; for(j=0;j<N;j++)
for(i=0;i<M;i++) sum += a[i][j];
return sum } 按列优先顺序访问(col-major order) 步长为N 局部性差
冲突不命中(conflict miss)
限制性的块放置策略
高速缓存管理
寄存器
编译器
L1,L2 cache
内置在缓存中的硬 件逻辑
DRAM 主存
操作系统软件和 CPU上的地址翻译 硬件
本地磁盘缓存网络 应用程序 存储
提纲
导论 存储技术 局部性原理 存储器层次结构 高速缓存存储器 编写高速缓存友好的代码 利用程序中的局部性
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8051单片机在结构上采用了哈佛型,将程序 数据分别放在两个存储器内：
一个称为程序存储器(ROM)； 另外一个称为数据存储器(RAM)。
两个存储器共有四个物理上相互独立的存 储空间:片内ROM、片外ROM、片内RAM、片外 RAM。
即：
存储器的结构图
一、程序存储器
8051单片机内部有4KB的掩膜ROM、 8751单片机内部有4KB的EPROM，而8031内 部没有程序存储器，必须外接程序存储器。
▪ B、位寻址区 ：
▪ 字节地址为20H～2FH，既可作RAM，也可位操作。共有 16个RAM单元，共128位，位地址为00H～7FH。
▪ C、用户RAM区：
▪ 32个单元，地址为30H～7FH，在一般应用中常作堆栈区。
用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来切换工作寄存 器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。
▪ 中断服务程序存放方Байду номын сангаас：
▪ （1）从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接 存放；
▪ （2）从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移 指令，
▪
以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断
服务程序的实际入口地址区去。
▪ 二、数据存储器
▪
MCS-51 系 列 单 片 机 数 据 存 储 器 分
内部数据存储器（即片内RAM）和外部
对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时 既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地 址。
▪ MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。 使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。
字
字
节
节
地
地
址
址
位地址
3.
外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由 用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。 CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。
字
节
地
位地址
址
2、内部数据存储器高128单元
▪ 内部RAM的高128单元 ▪ ——专用寄存器(SFR)区 ▪ 地址为80H～FFH ▪ （也称特殊功能寄存器）
（1）SFR（80H～FFH）介绍：
▪
有2套地址
▪ ▪
字节地址：只21个有效（其中仅11个有位地址） 位地址：只83位有效
▪ 其字节地址可被8整除。
E、数据指针DPTR （16位）：
存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 可分成两个8位寄存器DPH、DPL使用。
（2）专用寄存器的字节寻址
▪ 注意：
21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散 在内部RAM高128单元之中，共83个可寻址位。 尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。
在22个专用寄存器中，唯一一个不可寻址的 PC。PC不占据RAM单元，它在物理上是独立 的，因此是不可寻址的寄存器。
两组特殊单元
▪ 1、0000H---0002H（复位后：PC=0000H） ▪ 2、0003H---002AH（中断入口） ▪ 0003H---000AH（INT0中断地址区） ▪ 000BH---0012H（T/C0中断地址区） ▪ 0013H---001AH（INT1中断地址区） ▪ 001BH---0022H（T/C1中断地址区） ▪ 0023H---002AH（串行口中断地址区）
三、堆栈操作
1、堆栈的类型
▪ ▪ ▪ 堆栈类型 ▪ ▪
向上生长型 （向地址增大的方向生成）：MCS—51 系列
向下生长型（向地址较低的方向生成）：MCS—96 系列
▪ 复位时 SP=07H。但在程序设计时应将SP值初始化为30H以 后，以免占用宝贵的寄存器区和位地址区。
▪ 专用寄存器：
▪ A、B、PSW、
▪ DPTR、SP。
字
▪ I/O接口寄存器：
节 地
▪ P0、P1、P2、P3、 址
SBUF、TMOD、TCON、
SCON …
位地址
▪ A、程序计数器PC（16位）： ▪ CPU总是按PC的指示读取程序。PC是一个16位的计 数器。其内容为将要执行的指令地址（即下一条指令地 址），可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当 发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改 写，程序执行顺序也发生改变。 ▪ 复位时，PC=0000H。
▪ B、累加器Acc（8位）： ▪ 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过累加器A。
▪ C、寄存器B （8位）：
▪ 与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄
存器。
▪ D、程序状态字PSW （8位）：
存放ALU运算过程的标志状态。
位 序 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 位符号 CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
数据存储器（即片外RAM）。
▪
▪ 内部数据存储器
1、内部数据存储器低128单元
▪ 低128单元是单片机的真 正RAM存储器。
▪ 分为三个区域：
▪ A、寄存器区：
▪
4组寄存器（寄存器阵列）。即4个工作寄存器0区～3区。
每组
8个寄存单元（每单元8位），以R0～R7作寄存器名，暂存运 算数据和中间结果。字节地址为00H～1FH。
片内ROM（4kB） 0000H～0FFFH 片外ROM（64kB）0000H～FFFFH
两者统一编址!
对 于 8051 来 说 , 程 序 存 储 器 （ ROM ） 的 内 部 地 址 为 0000H~0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000H~FFFFH, 共 60 KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。 对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内部程序存 储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。
8031 最多可外扩 64 KB程序存储器, 其中 6 个单元地址具 有特殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一 般 在 该 单 元 中 存 放 一 条 绝 对 跳 转 指 令 。 0003H 、 000BH 、 000BH、001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。