存储器和存储器子系统
计算机组成原理第一章思考题
计算机组成原理第⼀章思考题1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个重要？ 计算机系统：由“硬件”和“软件”两⼤部分组成。
（原书就只写了这个，完全没再解释，总觉得应该会有更详细全⾯的概念，可惜百度了很久也没找到满意的） 计算机硬件：即计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元件、各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。
计算机软件：由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。
通常可以分为两⼤类：系统软件和应⽤软件。
系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保⾼效运⾏。
应⽤软件⼜称应⽤程序，他是⽤户根据任务需要所编制的各种程序。
很显然缺⼀不可。
2、如何理解计算机系统的层次结构？3、说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及其联系。
机器语⾔：⽤户必须⽤⼆进制代码0/1编写程序。
难度很⼤，但可以直接在机器上执⾏。
汇编语⾔：符号式的程序设计语⾔。
⽤符号ADD、SUB、MUL、DIV等分别表⽰加减乘除等操作，并⽤符号表⽰指令或数据所在存储空间的地址，使程序员摆脱了⼆进制代码程序。
但是必须先将汇编语⾔程序翻译成机器语⾔程序后，才能被机器接受和运⾏。
这个翻译过程是由机器系统软件中的汇编程序来完成的。
由于汇编语⾔摆脱不了实际机器的指令系统，因此，汇编语⾔没有通⽤性，每台机器必须有⼀种与之相对应的汇编语⾔。
⾼级语⾔：这类⾼级语⾔对问题的描述⼗分接近⼈们的习惯，并且还具有较强的通⽤性。
程序员完全可以不必了解实际机器M1的机型、内部的具体组成及⾃⾝的指令系统，只要掌握这类⾼级语⾔本⾝所赋予的语法和语义，便可直接⽤这种语⾔编程，很⽅便。
当然在进⼊M1机器运⾏前，必须先将⾼级语⾔翻译成汇编语⾔（或其他中间语⾔程序），然后再将其翻译成机器语⾔程序。
通常，我们把⾼级语⾔程序翻译成机器语⾔程序的软件叫做翻译程序。
翻译程序有两种：⼀种叫编译程序，另⼀种叫解释程序。
计算机
章节1：1.1 ---一段引言（几句话）计算机能够平稳运行，离不开计算机的硬件系统和相应的软件系统。
硬件系统中，又可以分为输入设备和输出设备，软件系统又分为系统软件和应用软件。
（1）---介绍存储器子系统(可以展开讲存储器体系结构，比如内存，外存，cache，rom, ram等等)计算机存储系统中，分为内存储器和外存储器，其中内存器从功能上可以分为：读写存储器 RAM、只读存储器ROM两大类；外存储器有U 盘、移动硬盘以及光盘。
RoM：ROM表示只读存储器（Read Only Memory），在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。
这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。
ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM。
其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。
Cache：高速缓存。
我们知道，电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率通常也就是CPU的外频。
但是，CPU的工作频率(主频)是外频与倍频因子的乘积。
Cache是一种特殊的存储器，它由Cache 存储部件和Cache控制部件组成。
Cache 控制器部件包括主存地址寄存器、Cache 地址寄存器，主存-Cache地址变换部件及替换控制部件等。
CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地址往往是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一些需要反复调用的子程序。
电脑在工作时，把这些活跃的子程序存入比内存快得多的Cache 中。
CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容;否则，就称为“不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。
CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。
由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。
计算机组成原理重点整理
一.冯·诺依曼计算机的特点1945年，数学家冯诺依曼研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
3.指令和数据均用二进制数表示。
4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5.指令在存储器内按顺序存放。
通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
二.计算机硬件框图1.冯诺依曼计算机是以运算器为中心的2.现代计算机转化为以存储器为中心各部件功能：1.运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
2.存储器用来存放数据和程序。
3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式（鼠标键盘）。
5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式（打印机显示屏）。
计算机五大子系统在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。
由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，两大不见往往集成在同一芯片上，合起来统称为中央处理器（CPU）。
把输入设备与输出设备简称为I/O设备。
现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。
CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。
主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息。
另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称外村。
算术逻辑单元简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。
控制单元用来解实存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。
ALU和CU是CPU的核心部件。
I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入输出操作。
大学计算机基础
第一章引论1.1计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并提供结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）及相应的处理算法（程序）计算机科学与技术的核心包括计算机的设计、制造，以及运用计算机进行信息处理（获取、表示、存储、加工、控制）的相关理论、原则、方法和技术。
1.2计算机模型①黑盒模型：不考虑计算机内部结构②具有程序能力的数据处理机：该模型赋予了计算机极大的灵活性，程序是事先编制好并存放在计算机内部的③现代计算机模型：冯诺依曼不但给出了计算机的功能，还定义了计算机内部的结构。
计算机的五个组成部分输入设备——输入数据和程序。
运算器——执行各种算术运算和逻辑运算。
存储器——存储程序、原始数据、中间结果和最终结果。
控制器——控制计算机所有部件，协调整个系统的有序工作。
输出设备——输出程序的执行结果。
现代计算机被认为由三个子系统组成处理器子系统存储器子系统输入／输出子系统1.4计算机系统所谓“系统”是指由多个“子系统”组成的一个有机的“整体”。
计算机系统是一个大的概念，由硬件系统和软件系统组成，还包括所处理的数据和使用计算机的用户（计算机本身也只是计算机系统中的一部分）硬件系统：①处理器系统单个处理器芯片多核处理器芯片（芯片上集成了多个处理器）②存储器系统内存或主存（半导体材料，直接连处理器）外存或辅存（磁盘、光盘等，外置的独立部件）③输入输出系统与计算机相关的文档、程序、语言等都归类为软件软件系统：①系统软件：服务于计算机本身的软件②应用软件：解决特定问题的软件（APP）计算机是如何运行的通电后，CPU 执行启动程序BIOS，操作系统从外存被调入内存执行；BIOS 引导完成后，计算机由操作系统进行管理和控制1.5信息系统BIOS的基本任务：把存放在磁盘中的操作系统调入6 个要素：内存执行。
硬件软件数据／信息人／用户以计算机为职业的专业人员（约5%）和使用计算机的应用人员（约95%）过程／处理通信1.6①因特网：开放性，网络的目的是资源共享和通信②万维网：因特网上最大的一种服务，网络浏览技术应用1.7 计算机文化和计算思维计算机从装置成为学科再发展为文化计算机文化：理解计算机是什么，以及它如何被作为资源利用，并改变着人类的生活、学习和交流方式的。
微型计算机原理 第六章 存储器
3、存储器带宽 单位时间里存储器所存取的信息量，位/秒
4、功耗
半导体存储器的功耗包括“维持功耗”和“操作功耗”。 与计算机的电源容量和机箱内的散热有直接的联系 保证速度的情况下，减小功耗
5、可靠性 可靠性一般是指存储器（焊接、插件板的接触、存储器模块的复杂性）抗外界电磁场、温度等因变化干扰的能力。在出厂时经过全
28系列的E2PROM
① +5V供电，维持电流60mA，最大工作电流160mA ② 读出时间250ns ③ 28引脚 DIP封装 ④ 页写入与查询的做法： 当用户启动写入后，应以（3至20）微秒/B的速度，连续向有关地 址写入16个字节的数据，其中，页内字节由A3至A0确定，页地址 由A12至A4确定，整个芯片有512个页，页加载 如果芯片在规定的20微秒的窗口时间内，用户不再进行写入，则芯 片将会自动把页缓冲器内的数据转存到指定的存储单元，这个过程 称为页存储，在页存储期间芯片将不再接收外部数据。CPU可以通 过读出最后一个字节来查询写入是否完成，若读出数据的最高位与 写入前相反，说明写入还没完成，否则，写入已经完成。
3）R/W（Read/Write）读/写控制引线端。
4）WE写开放引线端，低电平有效时，数据总线上的数据被写入 被寻址的单元。 4、三态双向缓冲器 使组成半导体RAM的各个存储芯片很方便地与系统数据总线相
连接。
6.2.2 静态RAM
1、静态基本存储单元电路
基本单元电路多为静态存储器半导体双稳态触发器结构， NMOS\COMS\TTL\ECL等制造工艺而成。 NMOS工艺制作的静态RAM具有集成度高、功耗价格便宜等优点，
6.2.4
RAM存储容量的扩展方法
1、位扩展方式：16Kx1扩充为16Kx8
解释概念：主存辅存cacheramsramdramrompromepromeepr
解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPR...主存，又称内存，是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。
计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。
内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU 中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。
内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。
辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。
科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。
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 高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。
存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。
当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。
如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。
因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。
RAM（Random Access Memory）随机存取存储器主要用于存储计算机运行时的程序和数据，需要执行的程序或者需要处理的数据都必须先装入RAM内，是指既可以从该设备读取数据，也可以往里面写数据。
RAM的特点是：计算机通电状态下RAM中的数据可以反复使用，只有向其中写入新数据时才被更新；断电后RAM中的数据随之消失。
SRAM 是英文Static RAM的缩写，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。
半导体设备八大子系统详解
半导体设备八大子系统详解半导体设备是现代电子科技中不可或缺的重要组成部分，其主要功能是将电子信号进行处理和控制。
而半导体设备的运行离不开八大子系统的协同工作。
这八大子系统分别是：供电系统、控制系统、处理系统、存储系统、输入输出系统、显示系统、通信系统以及保护系统。
供电系统是半导体设备最基本的子系统之一。
它负责为整个设备提供稳定而可靠的电源，确保设备正常工作。
供电系统主要包括电源管理单元、电源滤波器和电源控制器等组成部分。
电源管理单元用于监控和管理设备的供电情况，电源滤波器则用于过滤电源中的杂质和干扰信号，而电源控制器则起到对电源进行控制和保护的作用。
控制系统是半导体设备的核心子系统。
它负责对设备进行控制和管理，确保设备按照预定的程序和方式进行工作。
控制系统主要包括控制器、传感器和执行器等组成部分。
控制器是设备的大脑，它接收和处理来自传感器的信号，并根据预设的指令对执行器进行控制。
传感器负责感知设备的工作环境和状态，而执行器则负责执行控制信号，实现设备的动作和操作。
处理系统是半导体设备的核心处理单元，它负责进行数据的处理和计算。
处理系统主要由处理器、存储器和总线等组成部分。
处理器是设备的计算核心，它通过执行指令和操作数据来实现各种功能。
存储器用于存储数据和程序，而总线则负责处理器和其他部件之间的数据传输。
存储系统是半导体设备的数据存储单元，它负责存储设备的数据和程序。
存储系统主要包括内存和外存等组成部分。
内存是设备的工作内存，用于暂时存储数据和程序。
外存则用于永久存储数据和程序，如硬盘和固态硬盘等。
输入输出系统是半导体设备与外部环境进行信息交互的接口。
输入输出系统主要包括输入设备和输出设备等组成部分。
输入设备用于将外部信息输入到设备中，如键盘和鼠标等。
输出设备则用于将设备处理的结果输出到外部环境中，如显示器和打印机等。
显示系统是半导体设备的显示单元，它负责将设备处理的结果显示给用户。
显示系统主要包括显示器和显示控制器等组成部分。
解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory
解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory主存，又称内存，是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。
计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。
内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。
内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。
辅存狭义上是我们平时讲的硬盘。
科学地说是外部存储器（需要通过I/O系统与之交换数据，又称为辅助存储器）。
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 高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。
存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。
当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。
如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。
因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。
RAM（Random Access Memory）随机存取存储器主要用于存储计算机运行时的程序和数据，需要执行的程序或者需要处理的数据都必须先装入RAM内，是指既可以从该设备读取数据，也可以往里面写数据。
RAM的特点是：计算机通电状态下RAM中的数据可以反复使用，只有向其中写入新数据时才被更新；断电后RAM中的数据随之消失。
SRAM是英文Static RAM的缩写，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。
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•存储体 存储器芯片容量＝芯片的存储单元的个数*每个存储单元包 含二进数的位数(即数据线条数)。 若：芯片地址线的条数为M、数据线条数为N 则一般情况下芯片容量为：2M*N位（bit）。 如：Intel 2l14芯片容量为lK*4位， 它有10条地址线和4条数据线，其容量为：4K位 (210*4)； Intel6264芯片容量为8K*8位， 它有13条地址线和8条数据线，其容量为：64K位 (213*8)。
4
速度慢 容量大
1993年大型计算机的存储器系统
CPU 缓存 主存 虚存 后援
存取速度 10ns 20~40ns 60~100ns 10~20ms 2~20M 存储容量 512B 128KB 512MB 60~228GB 512GB~2TB 存储成本 1800 (美分/KB) 72 5.6 0.23 0.01
9
一、存储器的主要技术指标（续）
2、存取速度（可用多项指标比表示）
（1）存取时间（访问时间）TA 从存储器接收到读/写命令到信息被读出或写入完成 所需的时间（决定于存储介质的物理特性和寻址部件的 结构）。 例如： ROM存取时间通常为几百 ns； RAM存取时间通常为几十 ns 到一百多 ns； 双极性RAM存取时间通常为10~20 ns。
本章内容提要
本章主要介绍： • 存储器的分类、技术指标、组成及层次结构 • 静态存储器（SRAM） • 只读存储器 （ROM，EPROM， E2PROM， FLASH） • 动态存储器（DRAM) • 存储器的接口设计
1
第一节 存储器概述
2
本节基本知识
由于CPU的速度不断提高，处理的信息量不断增 大，要求存储器提高存取速度，改进存取方式（如突 发存取，并行存取等方式）。
6
存储系统的层次结构（续）
Cache引入主要解决存取速度，外存引入主要解决 容量要求。 CPU内的寄存器、Cache、主存、外存都可以存储 信息，它们各有自己的特点和用途。它们的容量从小 到大，而存取速度是从快到慢，价格与功耗从高到低。
7
一、存储器的主要技术指标
1、存储容量 指它可存储的信息的字节数或比特数，通常用存 储字数（单元数） 存储字长（每单元的比特数） 表示。 例如： 1Mb= 1M 1bit=128k 8bit=256k 4bit=1M位 1MB= 1M 8bit=1M字节
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一、存储器的主要技术指标（续）
3、体积与功耗 （嵌入式系统或便携式微机中尤为重要） 4、可靠性 平均故障间隔时间（MTBF），即两次故障之间的 平均时间间隔。 EPROM重写次数在数千到10万次之间； ROM数据保存时限是20年到100多年。
13
二、存储器的分类与性能
1、内存储器 也称主存储器，但有了Cache后，内存包括主存与 Cache。其速度快，价格贵，容量有限。它包括： （1）磁性存储器 磁泡存储器和磁芯存储器，信息不易丢失，但容量 小，体积大。 （2）半导体存储器 双极型存储器：速度快，功耗大，价格贵，容量 小。适宜作Cache、队列等；
14
二、存储器的分类与性能（续）
MOS存储器：速度稍慢，集成度高，功耗小，价格便宜。 a、只读存储器 ROM：掩膜ROM，厂家制造时已编程，用户不可编程， 不易挥发。 PROM：用户可一次编程（OTP）。不可擦除。 EPROM：UV-EPROM，紫外线擦除可编程ROM。 E2PROM：电可擦除可编程ROM。 b、RAM存储器（随机存取存储器，又称随机读/写存储器， 易挥发） SRAM：静态存储器，掉电后，信息丢失----挥发。 DRAM：动态存储器，即使不掉电，信息也会丢失，需要 定时刷新。
若能使 CPU大部分时间访问高速缓存CACHE，速度最快； 仅在从缓存中读不到数据时才去读主存，速度略慢但容量更大； 当从主存中还读不到时才去成批量读虚存，速度很慢容量极大； 这就很好地同时解决了对速度、容量、成本三个方面的需求。
5
存储系统的层次结构
为了解决存储器速度与价格之间的矛盾，出现了 存储器的层次结构。 程序的局部性原理: 在某一段时间内，CPU频繁访问某一局部的存储 器区域，而对此范围外的地址则较少访问的现象就是 程序的局部性原理。 • 时间局部性：最近访问过的代码是不久访问的代码 • 空间局部性：地址相近的代码可能会被一起访问 层次结构是基于程序的局部性原理的。对大量典 型程序运行情况的统计分析得出的结论是：CPU对某 些地址的访问在短时间间隔内出现集中分布的倾向。 这有利于对存储器实现层次结构。
10
一、存储器的主要续读/写过程中一次完整的存取操作 所需的时间或者说是CPU连续两次访问存储器的最小 时间间隔。 （有些存储器在完成读/写操作后还有一些附加动作 时间或恢复时间，例如刷新或重写时。） TM略大于TA。
11
一、存储器的主要技术指标（续）
15
二、存储器的分类与性能（续）
2、外存储器 外存储器又称海存，容量大，价格低，不易挥发， 但存取速度慢。外存有：
磁表面存储器：磁鼓，磁盘（硬盘、软盘） 光存储器：CD-ROM, DVD-ROM, CD-R, WR-CD 半导体存储器：Flash存储器（闪存盘，闪存条， U盘。
• • • •
存储器技术指标 存储器分类与性能 内存的基本组成 存储系统的层次结构
3
存储器的分类
•衡量存储器的三个指标：容量、速度和价格/位。
•计算机存储系统的层次结构一般如下图所示：
速度快 容量小 CPU 内部寄存器 内部Cache 外部Cache 主存储器 辅助存储器 图8.1 微机存储系统的层次结构
（3）数据传送速率（频宽）BM 单位时间内能够传送的信息量。若系统的总线宽度为W， 则BM=W/TM（b/s） 例如：若W=32位，TM=100ns，则 BM =32bit /100×10-9s=320×10+6=320Mbit/s =40MB/s 若TM=40ns，则 BM=100MB/s（PCI的TM=30ns） 早期的PC机：总线为8位，TM=250ns BM=8bit/250×10-9=4MB/s