计算机组成原理 第 4 章 存储器系统
计算机组成原理第四章作业答案
第四章作业答案解释概念：主存、辅存，Cache, RAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM ,EPROM ,EEPROM CDROM, Flash Memory.解：1主存：主存又称为内存，直接与CPU交换信息。
2辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，速度比主存慢。
3 Cache: Cache缓存是为了解决主存和CPU的速度匹配、提高访存速度的一种存储器。
它设在主存和CPU之间，速度比主存快，容量比主存小，存放CPU最近期要用的信息。
4 RAM; RAM是随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
5 SRAM: 是静态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
靠触发器原理存储信息，只要不掉电，信息就不会丢失。
6 DRAM 是动态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。
靠电容存储电荷原理存储信息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息就会丢失，故需再生。
7 ROM: 是只读存储器，在程序执行过程中只能读出信息，不能写入信息。
8 PROM: 是可一次性编程的只读存储器。
9 EPROM 是可擦洗的只读存储器，可多次编程。
10 EEPROM: 即电可改写型只读存储器，可多次编程。
11 CDROM 即只读型光盘存储器。
12 Flash Memory 即可擦写、非易失性的存储器。
存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。
Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
计算机组成原理第四章单元测试（二）（含答案）
计算机组成原理第四章单元测试（二）（含答案）第四章存储系统(二)测试1、32位处理器的最大虚拟地址空间为A、2GB、4GC、8GD、16G2、在虚存、内存之间进行地址变换时，功能部件（）将地址从虚拟（逻辑）地址空间映射到物理地址空间A、TLBB、MMUC、CacheD、DMA3、在程序执行过程中，Cache与主存的地址映象是由A、用户编写程序完成B、操作系统完成C、编译系统完成D、硬件自动完成4、某计算机的存储系统由cache和主存组成。
某程序执行过程共访存2000次，其中访问cache缺失(未命中）100次，则该程序执行过程中Cache的命中率为A、80%B、85%C、90%D、95%5、在Cache的地址映射中，若主存中的任意一块均可映射到Cache内任意一行的位置上，则这种映射方法称为A、全相联映射B、直接映射C、2-路组相联映射D、混合映射6、采用虚拟存储器的主要目的是A、提高主存储器的存取速度B、扩大主存储器的存储空间，且能进行自动管理和调度C、提高外存储器的存取速度D、扩大外存储器的存储空间7、虚拟存储器中，程序执行过程中实现虚拟地址到物理地址映射部件（系统）是A、应用程序完成B、操作系统和MMU配合完成C、编译器完成D、MMU完成8、相联存储器是按( )进行寻址访问的存储器A、地址B、内容C、堆栈D、队列9、以下哪种情况能更好地发挥Cache的作用A、程序中存在较多的函数调用B、程序的大小不超过内存容量C、程序具有较好的时间和空间局部性D、递归子程序10、以下关于虚拟存储管理地址转换的叙述中错误的是（）A、地址转换是指把逻辑地址转换为物理地址B、一般来说，逻辑地址比物理地址的位数少C、地址转换过程中可能会发生“缺页”D、MMU在地址转换过程中要访问页表项11、假定主存按字节编址，cache共有64行，采用4路组相联映射方式，主存块大小为32字节，所有编号都从0开始。
问主存第3000号单元所在主存块对应的cache组号是A、1B、5C、13D、2912、下列关于MMU的叙述中，错误的是（）A、MMU是存储管理部件B、MMU负责主存地址到Cache地址的映射C、MMU参与虚拟地址到物理地址的转换D、MMU配合使用TLB 地址转换速度更快13、下列关于主存与cache地址映射方式的叙述中正确的是（）A、全相联映射方式比较适用于大容量CacheB、直接映射是一对一的映射关系，组相联映射是多对一的映射关系C、在Cache容量相等条件下，直接映射方式的命中率比组相联方式有更高的命中率D、在Cache容量相等条件下，组相联方式的命中率比直接映射方式有更高的命中率14、下列关于CaChe的说法中，错误的是（）A、CaChe对程序员透明B、CaChe行大小与主存块大小一致C、分离CaChe(也称哈佛结构)是指存放指令的CaChe与存放数据CaChe分开设置D、读操作也要考虑CaChe与主存的一致性问题15、下列关于CaChe的论述中，正确的是A、采用直接映射时，CaChe无需使用替换算法B、采用最优替换算法，CaChe的命中率可达到100％C、加快CaChe本身速度，比提高CaChe命中率更能提升存储系统的等效访问速度D、CaChe的容量与主存的容量差距越大越能提升存储系统的等效访问速度16、某计算机系统中，CaChe容量为512 KB，主存容量为256 MB，则CaChe 一主存层次的等效容量为A、512 KBB、256 MBC、256 MB+512 KBD、256 MB - 512 KB17、下列关于Cache的描述中正确的是( )A、Cache存储器是内存中的一个特定区域B、Cache存储器的存取速度介于内存和磁盘之间C、Cache存储器中存放的内容是内存的副本D、Cache中存放正在处理的部分指令和数据18、关于TLB和Cache,下面哪些说法中正确的是( )A、TLB和Cache中存的数据不同B、TLB 访问缺失(miss)后，可能在Cache中直接找到页表内容C、TLB miss会造成程序执行出错，但是Cache miss不会D、TLB和Cache都采用虚拟地址访问19、在下列因素中，与Cache的命中率有关的是( )A、Cache块大小B、Cache的总容量C、主存的存取时间D、替换算法20、下面有关Cache的说法中正确的是( )A、设置Cache的目的，是解决CPU和主存之间的速度匹配问题B、设置Cache的理论基础，是程序访问的局部性原理C、Cache与主存统一编址，Cache地址空间是主存的一部分D、Cache功能均由硬件实现，对程序员透明21、下列关于存储系统的描述中正确的是( ）A、每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间，也可以远小于实地址空间B、多级存储体系由cache、主存和虚拟存储器构成C、Cache和虚拟存储器这两种存储器管理策略都利用了程序的局部性原理D、当Cache未命中时，CPU以直接访问主存，而外存与CPU之间则没有直接通路22、下列关于TLB、cache和虚存页(Page)命中组合情况中，一次访存过程中可能发生的是( ）A、TLB命中、cache命中、Page命中B、TLB未命中、cache命中、Page命中C、TLB未命中、cache未命中、Page命中D、TLB未命中、cache命中、Page未命中23、下列RAID组中需要的最小硬盘数为3个的是（）A、RAID 1B、RAID 3C、RAID 5D、RAID 1024、下列RAID技术中采用奇偶校验方式来提供数据保护的是（）A、RAID 1B、RAID 3C、RAID 5D、RAID 1025、在请求分页存储管理方案中，若某用户空间为16个页面，页长1 K B，虚页号0、1、2、3、4对应的物理页号分别为1、5、3、7、2。
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)
第四章、存储系统（一）4.1 存储系统层次结构随堂测验1、哈弗结构（Harvard Architecture）是指（）（单选）A、数据和指令分别存放B、数据和指令统一存放C、指令和数据分时存放D、指令和数据串行存放2、如果一个被访问的存储单元，很快会再次被访问，这种局部性是（）（单选）A、时间局部性B、空间局部性C、数据局部性D、程序局部性3、下列关于存储系统层次结构的描述中正确的是（）（多选）A、存储系统层次结构由Cache 、主存、辅助存储器三级体系构成B、存储系统层次结构缓解了主存容量不足和速度不快的问题C、构建存储系统层次结构的的原理是局部性原理D、构建存储系统层次结构还有利于降低存储系统的价格4、下列属于加剧CPU和主存之间速度差异的原因的是（）（多选）A、由于技术与工作原理不同，CPU增速度明显高于主存增速率B、指令执行过程中CPU需要多次访问主存C、辅存容量不断增加D、辅存速度太慢5、下列关于局部性的描述中正确的是（）（多选）A、局部性包括时间局部行和空间局部性B、局部性是保证存储系统层次结构高效的基础C、顺序程序结构具有空间局部性D、循环程序结构具有时间局部性4.2 主存中的数据组织随堂测验1、设存储字长为64位,对short 变量长度为16位，数据存储按整数边界对齐，关于short 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 32、设存储字长为64位,对char 变量长度为8位，数据存储按整数边界对齐，关于char 变量j 在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 33、下列关于大端与小端模式的描述中，正确的是（）（此题为多选题）A、大端模式(Big-endian)是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中B、小端模式(Little-endian)是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中C、0x12345678 按大端模式存放时，其所在存储单元最低字节单元存放的数据是0x12D、0x12345678 按小端模式存放时，其所在存储单元最高字节单元存放的数据是0x124、下列关于存储字长的描述中正确的是（）（此题为多选题）A、主存一个单元能存储的二进制位数的最大值B、存储字长与所存放的数据类型有关C、存储字长等于存储在主存中数据类型包含的二进制位数D、存储字长一般应是字节的整数倍5、某计算机按字节编址，数据按整数边界存放，可通过设置使其采用小端方式或大端方式，有一个float 型变量的地址为FFFF C000H ,数据X = 12345678H，无论采用大端还是小段方式，在内存单元FFFF C001H，一定不会存放的数是（）（此题为多选题）A、12HB、34HC、56HD、78H4.3 静态存储器工作原理随堂测验1、某计算机字长16位，其存储器容量为64KB，按字编址时，其寻址范围是（）（单选）A、64KB、32KBC、32KD、64KB2、一个16K*32位的SRAM存储芯片，其数据线和地址线之和为（）（单选）A、48B、46C、36D、39。
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）
计算机组成原理第四章部分课后题答案（唐朔飞版）4.1 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
主存：⽤于存放数据和指令，并能由中央处理器直接随机存取，包括存储器体M、各种逻辑部件、控制电路等辅存：辅助存储器，⼜称为外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据）。
存储容量⼤、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息。
主要包括磁表⾯存储器、软盘存储器、磁带存储设备、光盘存储设备。
Cache：⾼速缓冲存储器，⽐主存储器体积⼩但速度快，⽤于保有从主存储器得到指令的副本很可能在下⼀步为处理器所需的专⽤缓冲器。
RAM：(Random Access Memory)随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存⼊，且存取的速度与存储单元的位置⽆关的存储器。
这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要⽤于存储短时间使⽤的程序。
按照存储信息的不同，随机存储器⼜分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。
SRAM：(Static Random Access Memory)它是⼀种具有静⽌存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。
DRAM：(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。
DRAM 只能将数据保持很短的时间。
为了保持数据，DRAM使⽤电容存储，所以必须隔⼀段时间刷新（refresh）⼀次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
（关机就会丢失数据）ROM：只读内存（Read-Only Memory）的简称，是⼀种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。
其特性是⼀旦储存资料就⽆法再将之改变或删除。
通常⽤在不需经常变更资料的电⼦或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭⽽消失。
PROM：(Programmable Read-Only Memory)－可编程只读存储器，也叫One-Time Programmable (OTP)ROM“⼀次可编程只读存储器”，是⼀种可以⽤程序操作的只读内存。
【计算机组成原理】存储系统
【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。
简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。
（2）辅助存储器。
简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。
其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。
（3）⾼速缓冲存储器。
简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。
Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。
⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。
2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。
3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。
存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。
其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。
RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。
（2）只读存储器（ROM）。
存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。
信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。
因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。
由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。
⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)
计算机组成原理第四章存储系统(一)(含答案)4.1存储系统层次结构随堂测验1、哈弗结构（Harvard Architecture）是指（）（单选）A、数据和指令分别存放B、数据和指令统一存放C、指令和数据分时存放D、指令和数据串行存放2、如果一个被访问的存储单元，很快会再次被访问，这种局部性是（）（单选）A、时间局部性B、空间局部性C、数据局部性D、程序局部性3、下列关于存储系统层次结构的描述中正确的是（）（多选）A、存储系统层次结构由Cache、主存、辅助存储器三级体系构成B、存储系统层次结构缓解了主存容量不足和速度不快的问题C、构建存储系统层次结构的的原理是局部性原理D、构建存储系统层次结构还有利于降低存储系统的价格4、下列属于加剧CPU和主存之间速度差异的原因的是（）（多选）A、由于技术与工作原理不同，CPU增速度明显高于主存增速率B、指令执行过程中CPU需要多次访问主存C、辅存容量不断增长D、辅存速度太慢5、下列关于局部性的描述中正确的是（）（多选）A、局部性包括时间局部行和空间局部性B、局部性是保证存储系统层次结构高效的基础C、顺序程序结构具有空间局部性D、循环程序结构具有时间局部性4.2主存中的数据组织随堂测验1、设存储字长为64位,对short变量长度为16位，数据存储按整数边界对齐，关于short变量j在主存中地址的下列描述中正确的是（）（此题为多选题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 312、设存储字长为64位,对char变量长度为8位，数据存储按整数边界对齐，关于char变量j在主存中地址的下列描绘中精确的是（）（此题为多项选择题）A、j的物理地址mod 8 = 0B、j的物理地址mod 8 = 1C、j的物理地址mod 8 = 2D、j的物理地址mod 8 = 33、下列关于大端与小端模式的描述中，正确的是（）（此题为多选题）A、大端模式(Big-endian)是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中B、小端形式(Little-endian)是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中C、0xxxxxxxxx按大端模式存放时，其所在存储单元最低字节单元存放的数据是0x12D、0xxxxxxxxx按小端模式存放时，其所在存储单元最高字节单元存放的数据是0x124、下列关于存储字长的描述中正确的是（）（此题为多选题）A、主存一个单元能存储的二进制位数的最大值B、存储字长与所存放的数据类型有关C、存储字长等于存储在主存中数据类型包含的二进制位数D、存储字长普通应是字节的整数倍5、某计算机按字节编址，数据按整数边界存放，可通过设置使其采用小端方式或大端方式，有一个float型变量的地址为FFFF C000H。
计算机组成原理(存储器)
存储器分类
相联存储器：是一种特殊存储器，是基 于数据内容进行访问的存储设备。
写入数据时CAM能自动选择一个未用空单 元进行存储。 读取数据时CAM用所给数据同时对所有存 储单元中的数据进行比较标记符合条件的数 据。 比较是同时进行的，所以读取速度比基于地 址进行读写的速度快。
存储体
单元地址
00…00 00…01
. . . . . . . .
存储元 存储单元
存储体Βιβλιοθήκη 存储容量XX…XX
地址线：决定了存储器的存储容量 数据线：一次访问存储器所得到数据位数
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
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地址译码电路
1、译码器（decoder）：
兼有RAM和 ROM的特点,可代替软盘和硬盘。
擦写次数可达10万次以上。读取时间小于 10ns。 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU
存储器性能指标
存取时间TA（Memory Access Time）：是存 储器收到读或写的地址到从存储器读出（写入） 信息所需的时间 存取周期TM（Memory Circle Time）：指连续 启动二次独立的存储器操作（例连续2次读） 所需间隔的最小时间.一般TM> TA
5. 掌握Ｃache和虚拟存储器的工作原理
重点：半导体存储器，存储系统的层次结构、各类存储器的特点、主 存储器的组织方法（与CPU的连接方法），cache，虚拟存储器 难点：主存储器的组织方法，Ｃache、虚拟存储器的工作原理
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
山东大学计算机组成原理第四章作业题及参考答案
第四章部分作业题参考答案4.3 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：1）存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。
2）Cache—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，在存储系统中主要对CPU访存起加速作用。
从CPU的角度看，该层次的速度接近于Cache，而容量和每位价格却接近于主存。
这就解决了存储器的高速度和低成本之间的矛盾；主存—辅存层次主要解决存储系统的容量问题，在存储系统中主要起扩容作用。
从程序员的角度看，其所使用的存储器的容量和每位价格接近于辅存，而速度接近于主存。
该层次解决了大容量和低成本之间的矛盾。
3）主存与Cache之间的数据调度是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。
而主存—辅存之间的数据调动，是由硬件和操作系统共同完成的。
换言之，即采用虚拟存储技术实现。
4.5 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？答：1）存储器的带宽指单位时间内存储器存取的信息量。
2）存储器带宽= 1/200ns ×32位= 160M位/秒= 20MB/S （此处1M=106 ）4.7 题目略。
解：地址线和数据线的总和= 14 + 32 = 46根各需128、32、32、32、16和8片。
4.8试比较静态RAM和动态RAM。
答案要点：1）静态RAM的特点：依靠双稳态触发器保存信息，不断电信息不丢失；功耗较大，集成度较低，速度快，每位价格高，适合于作Cache或存取速度要求较高的小容量主存。
2）动态RAM的特点：依靠电容存储电荷来保存信息，需刷新电路进行动态刷新；功耗较小，集成度高，每位价格较低，适合于作大容量主存。
4.14 题目略解：1）256KB ；2）8块模板；3）16片；4）128片；5）CPU 通过最高3位地址译码选模板，次高3位地址译码选择模板内芯片。
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• 存储单元的编址
• 编址单位：存储器中可寻址的最小单位。 • ① 按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。 • ② 按字编址：相邻的两个单元是两个字。
• 例如一个32位字长的按字节寻址计算机，一个 存储器字中包含四个可单独寻址的字节单元。 当需要访问一个字，即同时访问4个字节时，可 以按地址的整数边界进行存取。即每个字的编 址中最低2位的二进制数必须是“00” ，这样可 以由地址的低两位来区分不同的字节。
• 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据。 主存与CPU之间通过总线进行连接。
地址总线 MAR CPU MDR (k 位) 数据总线 (n 位) R/W MFC
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主 存 2k×n 位
主存的操作过程
• MAR：地址寄存器 MDR：数据寄存器
读操作（取操作） 地址 （MAR） AB
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(3) 高速缓冲存储器（Cache）
• Cache是一种介于主存与CPU之间用于解 决CPU与主存间速度匹配问题的高速小 容量的存储器。 • Cache用于存放CPU立即要运行或刚使用 过的程序和数据。
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2．按存取方式分类
• (1) 随机存取存储器(RAM) • RAM存储器中任何单元的内容均可按其地址随机地 读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。 • RAM主要用于组成主存。
主存储器的组成和基本操作
地 址 译 码 驱 动 电 路 存 储 阵 列 读 写 电 路 数 据 寄 存 器 数 据 总 线
时序控制电路 R/W
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MFC
图 4-1
主存储器的基本组成 18
• ⑴ 存储元件（存储元、存储位）
• 能够存储一位二进制信息的物理器件。如一个 双稳态半导体电路、一个CMOS晶体管或一个磁 性材料的存储元等。存储元是存储器中最小的 存储单位。 • 作为存储元的条件： • ① 有两个稳定状态。即可以存储“0”、“1” 。 • ② 在外界的激励下，能够进入要求的状态。即 可以写入“0”、“1”。 • ③ 能够识别器件当前的状态。即可以读出所存 的“0”、“1”。
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• • • • •
容量与存储器地址线的关系 1K＝210 需要10根地址线 1M＝220 需要20根地址线 256M＝228 需要28根地址线 2G＝231 需要31根地址线
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2．速度
• 由于主存的速度慢于CPU速度，所以主存速度直接 影响着CPU执行指令的速度。因此，速度是主存的 一项重要技术指标。 • ⑴ 访问时间（取数时间 tA） • 从启动一次存储器存取操作到完成该操作所需的 全部时间。 • 即从存储器接到CPU发出的读/写命令和地址信号 到数据读入MDR/从MDR写入MEM所需的时间。 • 读出时间：从存储器接到有效地址开始到产生有 效输出所需的时间。 • 写入时间：从存储器接到有效地址开始到数据写 入被选中单元为止所需的时间。
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地址 0000 0100
11 3 7
10 2 6
01 1 5
00 0 4
1000 1100
11 15
10 14
9 13
8 12
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• ⑷ 地址寄存器：用于存放所要访问的存储单 元的地址。要对某一单元进行存取操作，首先 应通过地址总线将被访问单元地址存放到地址 寄存器中。 • ⑸ 地址译码与驱动电路：用于对地址寄存器 中的地址进行译码，通过对应的地址选择线到 存储阵列中找到所要访问的存储单元，并提供 驱动信号驱动其完成指定的存取操作。 • ⑹ 读写电路：根据CPU发出的读写控制命令， 控制对存储单元的读写。 • ⑺ 数据寄存器：暂存需要写入或读出的数据。 数据寄存器是存储器与计算机其它功能部件联 系的桥梁。
第四章 存储器系统
2013-11-4
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©第8版 2012.09
本章学习内容
• • • • • • • 存储器的分类及主要技术指标 存储系统的层次结构 半导体存储器的工作原理 存储器与CPU的连接 辅助存储器的工作原理 Cache的工作原理 并行存储系统
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4.1
存储器概述
• 存储器：计算机的存储部件，用于存放程序 和数据。 • 计算机发展的重要问题之一，就是如何设计 容量大、速度快、价格低的存储器。
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存储器层次结构
CPU
寄存器
提高存储器速度的途径
• • • • • ① ② ③ ④ ⑤ 采用高速器件 减少存取周期TM，如引入Cache。 提高总线宽度 W，如采用多体交叉存储方式。 采用双端口存储器。 加长存储器字长。
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4．价格
• 存储器的价格常用每位的价格来衡量。 • 设存储器容量为S位，总价格为C总，每位价 格为c • c＝C总/S • C总不仅包含存储器组件本身的价格，也包 括为该存储器操作服务的外围电路的价格。 • 存储器的总价格与存储容量成正比，与存储 周期成反比。
• (3) 顺序存取存储器(SAM) • SAM存储器所存信息的排列、寻址和读写操作 均是按顺序进行的，并且存取时间与信息在存 储器中的物理位置有关。如磁带存储器，信息 通常是以文件或数据块形式按顺序存放，信息 在载体上没有唯一对应的地址，完全按顺序存 放或读取。 • (4) 直接存取存储器（DAM） • DAM是介于RAM和SAM之间的存储器。也称半顺 序存储器。典型的DAM就是磁盘。当对磁盘进 行信息存取时，先进行寻道，属于随机方式， 然后在磁道中寻找扇区，属于顺序方式。
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4.1.1
存储器分类
• 1．按与CPU的连接和功能分类
• (1) 主存储器 CPU能够直接访问的存储器。用于存 放当前运行的程序和数据。主存储器设在 主机内部，所以又称内存储器。简称内存 或主存。
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(2) 辅助存储器
• 为解决主存容量不足而设置的存储器， 用于存放当前不参加运行的程序和数据。 当需要运行程序和数据时，将它们成批 调入内存供CPU使用。CPU不能直接访问 辅助存储器。 • 辅助存储器属于外部设备，所以又称为 外存储器，简称外存或辅存。
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4.1.3 半导体存储器的主要性能指标
• • • • • 衡量主存的性能指标主要有： 1．存储容量：存储器所能存储的二进制信息总量。 存储容量的表示： ① 用存储单元数与每个单元的位数的乘积表示。 如：512k×16位，表示主存有512k个单元，每个 单元为16位。 • ② 在以字节为编址单位的机器中，常用字节表示 存储容量，例如4MB、16MB分别表示主存可容纳4 兆个字节(MB)信息和16兆个字节信息。
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光盘和光驱
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4. 按信息的可保存性分类
• (1) 易失性存储器 • 电源掉电后，信息自动丢失。如半导体 RAM。 • (2) 非易失性存储器 • 电源掉电后，信息仍能继续保存。如ROM、 磁盘、光盘等。
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4.1.2
地 址 总 线 地 址 寄 存 器
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• ⑻ 时序控制电路：用于接收来自CPU的读写控制 信号，产生存储器操作所需的各种时序控制信号， 控制存储器完成指定的操作。如果存储器采用异 步控制方式，当一个存取操作完成后，该控制电 路还应给出存储器操作完成（PU的连接及主存的操作
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• ⑵ 存取周期（存储周期、读写周期 TM） • 对存储器连续进行两次存取操作所需要的最小 时间间隔。 • 由于存储器进行一次存取操作后，需有一定的 恢复时间，所以存储周期TM大于访问时间tA。 • 半导体存储器的存取周期tM • TM＝tA＋一定的恢复时间 • MOS型存储器的TM约100ns • 双极型TTL存储器的TM约10ns
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六管静态RAM基本存储元电路
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单管DRAM基本存储元电路
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• ⑵ 存储单元：由一组存储元件组成，可以同 时进行读写。 • ⑶ 存储体（存储阵列）：把大量存储单元电 路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储 体一般都排列成阵列形式，所以又称存储阵列。 • 存储单元的地址：存储体中每个存储单元被赋 予的一个唯一的编号。存储单元的地址用于区 别不同的存储单元。要对某一存储单元进行存 取操作，必须首先给出被访问的存储单元的地 址。 • 因为地址是用二进制进行编码的，所以又称为 地址码。
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3. 带宽
• 带宽是指存储器单位时间内所存取的二进制信 息的位数。 • 带宽也称存储器数据传输率、频宽 Bm • 带宽等于存储器总线宽度除以存取周期。
W Bm TM
• W：存储器总线的宽度，对于单体存储器，W就 是数据总线的根数。 • 带宽的单位：兆字节/秒
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3．按存储介质分类
• 存储介质：具有两个稳定物理状态，可用 来记忆二进制代码的物质或物理器件。 • 目前，构成存储器的存储介质主要是半导 体器件和磁性材料。 • (1)磁存储器 • 磁存储器就是采用磁性材料制成的存储器。 • 磁存储器是利用磁性材料的的两个不同剩 磁状态存放二进制代码“0”和“1”。早期 有磁芯存储器，现多为磁表面存储器，如 磁盘、磁带等。 2013-11-4 9
写操作（存操作） 地址 （MAR） AB
MEM
CPU MEM MDR
MEM
CPU
CB 读命令 （Read）
MEM
存储单 元内容 （M）