主存储器和CPU的连接
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
虚拟存储器的基本构成
虚拟存储器的基本构成虚拟存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，它扩展了计算机的存储容量，提高了系统的性能和可用性。
虚拟存储器由主存储器和辅助存储器两部分组成，通过一系列的管理机制，使得程序能够以透明的方式访问较大容量的存储空间。
1. 主存储器主存储器是虚拟存储器的核心组成部分，也是计算机系统中最快的存储器。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）构成，用于存储当前正在执行的程序和数据。
主存储器通过地址总线和数据总线与CPU直接连接，可以快速地读写数据。
虚拟存储器通过将主存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面（page）来管理主存储器的使用。
2. 辅助存储器辅助存储器是虚拟存储器的扩展部分，它通常由硬盘、固态硬盘（SSD）等设备构成。
辅助存储器的容量远大于主存储器，用于存储不常用的程序和数据。
辅助存储器的读写速度较慢，但它具有持久性，数据不会因为断电而丢失。
虚拟存储器通过将辅助存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面来管理辅助存储器的使用。
3. 页面表页面表是虚拟存储器管理的关键数据结构，用于记录主存储器和辅助存储器之间的映射关系。
每个页面表由多个页表项组成，每个页表项记录了一个页面在主存储器和辅助存储器中的对应位置。
当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会通过页面表查找对应的物理地址，并将数据从主存储器或辅助存储器中读取出来。
4. 页面置换算法由于主存储器的容量有限，当主存储器中的页面不足以存放所有正在运行的程序和数据时，就需要使用页面置换算法将部分页面从主存储器中换出到辅助存储器中。
常用的页面置换算法有最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近未使用（LRU）等。
这些算法根据页面的访问模式和重要性来决定换出哪些页面，以保证系统的性能和可用性。
5. 页面调度算法页面调度算法用于确定哪些页面应该被加载到主存储器中。
常用的页面调度算法有最低频率优先（LFU）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。
内存及其与CPU的连接资料
D7
… D1D0
6116的基本地址：000H~7FFH
D7
… D1D0
6264的基本地址:0000H~1FFFH
D3 D2 D1D0
2114的基本地址是000H~3FFH
D7
… D1D0
EPROM 27128基本地址是0000H~3FFFH
3、存储器芯片的容量扩充
用两片6116芯片（ 2K ×8）即可扩 展成4K ×8位，这种扩展方式就称为字扩 展。
①6116(2K×8)
②4416(16K×4)
解:
① (64K×8) ÷( 2K×8)=32(片)
② (64K×8) ÷( 16K×4)= 8 (片)
区别：芯片的存储容量和微机的存储容量
微机的存储容量 —— 由多片存储芯片 成的组总存储容量。
①微机的最大内存容量 —— 由CPU的地 总线址决定。
如：PC486，地址总线是32位， 则，内存容许最大容量是232=4G；
分为两类：
①SRAM (Static RAM — 静态RAM) — SRA—M是利用半导体触发器的两个稳定状态表 示“1”和“0”。只要电源不撤除，信息不会 消失，不需要AM — 动态 —DRRAAMM)是—利用电容端电压的高低来表示“1”
和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一般
第4章 内存及其与CPU的连接
一、概述 二、典型芯片举例 三、主存储器设计
一、概述
存储器是计算机的重要组成部分，用 来存放计算机系统工作时所用的信息 — 程序和数据。 1、 内存和外存 2、 存储器的分类 3、 存储器的性能指标
1、内存和外存
（1）内存(或主存），用于存放当前正在使用的程 序和数据，CPU可以对它直接访问，存取速度快， 但容量较小。
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存储器层次结构的组成
通常由高速缓冲存储器（Cache）、主存储器（Main Memory）和辅助存储器 （Auxiliary Memory）三级组成。
存储系统性能指标
存储容量
存取时间
存储器的存储容量是指它所能存储的二进制 信息的总量，通常以位（bit）或字节（Byte） 为单位表示。
存取时间是指从启动一次存储器操作到完成 该操作所经历的时间，分为读时间和写时间。
将一段时间内被访问次数最少 的数据块替换出去。考虑了数 据块的使用频率，但需要记录 每个数据块的访问次数，实现 相对复杂。
将未来最长时间内不会被访问 的数据块替换出去。理论上的 最优算法，但无法实现预测未 来的访问情况，仅作为评价其 他算法的标准。
06
虚拟存储器
虚拟存储器概述
定义
虚拟存储器是一种计算机存储管理技术，它允许程序使用比实际物 理内存更大的内存空间。
存储器接口
主存储器与CPU之间需要相应的接口电路来实现信号的转换和传输。接口电路通常包括地址 译码器、数据缓冲器、读写控制逻辑等部分。
访问时序
CPU访问主存储器的时序包括读操作和写操作。读操作时，CPU向主存发送读命令和地址， 主存将相应地址的数据发送给CPU；写操作时，CPU向主存发送写命令、地址和数据，主存 将数据写入相应地址。
按存储介质分类
半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器等。
03
按存取方式分类
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器
（SAM）、直接存取存储器（DAM）。
《计算机组成原理》第7章：存储系统
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7.1 存储系统概论
所谓速度，通常用存取时间(访问时间)和存取周期 来表示。存取时间是指从启动一次存取操作到完成 该操作所经历的时间；存取周期是指对存储器进行 连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。由于有 些存储器在一次存取操作后需要有一定的恢复时间， 所以通常存取周期大于或等于取数时间。单位容量 的价格是指每位的价格。数据传输率是指在单位时 间内可以存取的二进制信息的位数，在数值上等于 存储器总线宽度除以存取周期，所以又可称为存储 器总线带宽或频宽。除此之外，存储器件还有一个 十分重要的性能，就是它是否是挥发性的。
图7-6 2114的读/写周期波形图
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
4. 静态存储器的组织 1)位扩展
图7-7 位扩展连接方式
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性 能 存储信息 破坏性读出 需要刷新 行列地址 运行速度
SRAM 触发器 否 否 同时送 快 电容 是 需要 分两次送 慢
DRAM
集成度
发热量 存储成本
低
大 高
高
小 低
表7-1 静态存储器和动态存储器性能比较
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7.2 主 存 储 器
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7
基本概念 静态MOS RAM芯片举例 动态MOS RAM 2164芯片 动态MOS RAM 4116芯片 动态RAM的刷新 只读存储器举例 主存储器与CPU的连接
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
3. 读写时序 为了使芯片正常工作，必须按所要求的时序关系 提供地址信息、数据信息和有关控制信号，2114 的读/写周期波形图如图7-6所示。 1) 读周期 2) 写周期
14-课件-5.2_主存储器_part2
Ⅱ)国防科技大学计算机学院 刘 芳 5.2.2存储器与CPU的连接 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 MDR MAR CPU 存储器 读 数据总线 地址总线 写 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 • CPU地址线数决定了整个主存空间的寻址范围 C PU地址线数>存储芯片地址引脚线 • 通常将CPU地址线的低位和存储芯片地址线相连，高位用作字扩展时的片选信号的译码 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 5.2.2 存储器与CPU的连接 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 • CPU数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度 C PU数据线数>存储芯片数据引脚线 • 通常将CPU数据线连到多个位扩展的芯片中，使扩展后的位数与CPU数据线数相等 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 CPU中的访存信号线MREQ用来确定是访问主存还是I/O端口 （MREQ信号为低电平时才选择存储芯片） 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 • 若CPU读/写命令线和存储芯片的读/写控制线是一根，且电平信号一致，则可直接相连 • 若CPU读/写命令线分开，则需分别进行连接 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 异步方式过程(需握手信号) 读操作 • CPU 送地址到地址线，主存进行地址译码 • CPU 发读命令，然后等待存储器发回“完成”信号 • 主存收到读命令后开始读数，完成后发“完成”信号给CPU • CPU 接收到“完成”信号，从数据线取数 CPU和主存之间的两种通信方式 写操作过程类似 5.2.2 存储器与CPU的连接 CPU和主存之间的两种通信方式 同步方式的特点 • CPU和主存由统一时钟信号控制，无需应答信号 • 主存总是在确定的时间内准备好数据 • CPU送出地址和读命令后，总是在确定的时间取数据 • 存储器芯片必须支持同步方式 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU的连接 存储器芯片和CPU的连接举例 主存空间的划分主存空间包括ROM和RAM区• R OM区用来存放系统程序、标准子程序等，选ROM芯片构造；• R AM区用来存放用户程序，选RAM芯片构造选择存储芯片的类型和数量时，须先确定ROM区和RAM区的地址范围 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 存储器芯片和CPU 的连接举例 • 例：设CPU 有16根地址线，8根数据线，并用MREQ 作访存控制信号，用WR 作读/写控制信号；• 现有下列存储芯片：1K ×4位RAM 、4K ×8位RAM 、8K ×8位R A M ，2K ×8位R O M 、4K ×8位R O M 、8K ×8位R O M 及74LS138(3-8译码器)和各种门电路；• 要求主存地址空间满足如下条件：7000H ～77FFH 为系统程序区； 7800H ～7BFFH 为用户程序区；• 试合理选择上述存储芯片，并画出CPU 与存储器的连接图。
第四章内存及其与CPU连接
选中存储芯片，即进行片选；然后再从选中
旳芯片中根据地址码选择出相应旳存储单元，
以进行数据存取，这称为字选。
• 1、线选译码法
线选法就是用除了片内寻址外旳高位地址线直接（或经反 相器）接至各个存储芯片旳片选端，当某条地址线信息为“0” 时，就选中与之相应旳存储芯片。
2、全译码法
全译码法是用除了片内寻址外旳全部高位地址线作 为地址译码器旳输入，把经过译码器译码后旳输出作 为各芯片旳片选信号，将它们分别接到存储芯片旳片 选端，以实现对存储芯片旳选择。
芯片 RAM1
RAM芯片组地址范围
A15 A14 A13 A12 A11 A10
其可存储二进制位旳数量为2x×y。 • 3)控制信号：
CS*：片选信号 OE*：输出允许信号 ME*：写入允许信号
• 存储芯片内部由存储矩阵、地址译码电路和 读/写控制电路等构成。
• 1、存储矩阵
存储矩阵是存储单元旳集合，一种存储 单元能够存储一位或多位二进制数数据。所 以，能够把存储器芯片分为位片构造和字片 构造两种类型。
• 2、地址译码电路
• 译码器将地址锁存器输入旳地址码转换 成译码器输出线上相应旳有效电平，表达选 中了某一存储单元，并由驱动器提供驱动电 流去驱动相应旳读/写电路，完毕被选中单 元旳读/写操作。
• 译码驱动方式分为 一维地址译码和二维 地址译码两种。
• 3、读/写控制电路
控制逻辑接受CPU送来旳开启、读、写等命令， 经控制电路处理后，由控制逻辑产生一组时序信号来 控制存储器旳读出和写入操作。
缓存 主存 辅存 图1 微型计算机存储器旳三级构造
• 高速缓冲存储器（Cache）：主要由双极 型半导体存储器构成，速度快。为了弥 合主存和CPU旳速度上旳较大差别而设置。 存储正在执行旳程序和数据，速度与CPU 相匹配。有片内片外之分。
计算机组成原理知识强化-清单
20考研·计算机组成原理全程班【知识强化】第一章 计算机系统概述 [1]半导体存储芯片的基本结构□1.1 计算机发展历程 [2]SRAM和DRAM□[1]计算机系统简介□ [3]DRAM的刷新□[2]计算机软硬件的发展□ [4]读写周期□[3]计算机的分类与发展方向□ [5]半导体只读存储器ROM□1.2 计算机系统层次结构 [6]本结小结□[1]计算机的组织结构□ 3.4 主存储器与CPU的连接[2]存储器□ [1]主存模型与CPU的连接□[3]运算器控制器□ [2]主存地址分配□[4]计算机的层次结构□ [3]主存容量拓展□1.3 计算机的性能指标 [4]CPU和主存的连接□[1]计算机的性能指标□ 3.5 双口RAM和多模块存储器[2]第一章总结□ [1]双端口RAM□【知识强化】第二章 数据的表示和运算 [2]多模块存储器□2.1 数制与编码 3.6 高速缓冲存储器[1]进位计数法□ [1]概述□[2]进制转换□ [2]性能分析□[3]BCD码□ [3]cache工作原理□[4]字符□ [4]地址映射①□[5]奇偶校验□ [5]地址映射②□[6]本节总结□ [6]替换算法□2.2 定点数的表示与运算 [7]写策略□[1]定点数的表示□ [8]本节小结□[2]原码□ 3.7 虚拟存储器[3]补码□ [1]虚拟存储器□[4]反码□ [2]第三章总结□[5]移码□【知识强化】第四章 指令系统[6]定点移位□ 4.1 指令格式[7]定点加减和溢出判断□ [1]指令格式□[8]定点乘法□ [2]地址码□[9]定点除法□ [3]扩展操作码□[10]强制类型转换□ [4]数据类型与小结□[11]本节总结□ 4.2 指令寻址方式2.3 浮点数的表示与运算 [1]数据存放□[1]浮点数的表示□ [2]指令寻址□[2]IEEE754标准□ [3]数据寻址□[3]浮点数的加减□ [4]偏移寻址□[4]强制类型转换与运算小结□ [5]堆栈寻址□2.4 算术逻辑单元ALU 4.3 CISC和RISC的基本概念[1]ALU的功能与结构□ [1]CISC和RISC□[2]数电基础知识□ [2]第四章总结□[3]一位全加器□【知识强化】第五章 中央处理器[4]加法器□ 5.1 CPU的功能和基本结构[5]小结□ [1]CPU的功能和基本结构□[6]第二章总结□ [2]运算器的基本结构□【知识强化】第三章 存储系统 [3]控制器的基本结构□3.1 存储器的基本概念 5.2 指令执行过程[1]存储器的分类□ [1]指令周期□[2]存储器的性能指标□ [2]中央处理器2指令周期的数据流□3.2 存储器的层次化结构 [3]指令执行方案□ [1]多级存储系统□ 5.3 数据通路的功能和基本结构3.3 半导体随机存储器 [1]CPU内部单总线方式□[2]单总线例题□[3]专用数据通道□[4]专用数据通道例题□5.4 控制器的功能和工作原理[1]控制器的结构与功能□[2]硬布线□[3]微程序控制器概述□[4]控制存储器□[5]微指令的格式与编码方式□[6]微地址形成方式□[7]微程序控制器的设计□5.5 指令流水线[1]流水线的基本概念与性能指标□[2]影响流水线的因素□[3]流水线的分类□[4]第五章总结□【知识强化】第六章 总线6.1 总线概述[1]总线的基本概念□[2]总线的分类与结构□[3]总线的性能指标□6.2 总线仲裁[1]总线仲裁□6.3 总线操作和定时[1]总线操作与定时□6.4 总线标准[1]总线标准□[2]本章小结□【知识强化】第七章 输入/输出系统7.1 I/O系统基本概念[1]IO系统的基本概念□7.2 外部设备[1]输入/输出设备□[2]外存储器□7.3 I/O接口[1]I/O接口□7.4 I/O方式[1]I/O方式简介□[2]程序查询方式□[3]中断系统□[4]程序中断方式□[5]DMA方式□[6]第七章总结□。
第四章CPU与存储器相联
1.求:下列2进制数的汉明码: 1011,0101,1001,1110,1111 2.验证下面汉明码是否出错,哪位错: 1100100,1100111,1100000,1100001 3.设生成多项式是:G(X)=X3+X+1 求有效信息1010,1101,0111,1011的CRC校验码,并求 循环余数,说明校验原理 4.G(X)同上,若接收到的CRC码为:1101010,试验证其 是否出错,若有错,加以校正
设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ 作访存控制信号（低电平有效），用WR作读写控 制信号（高电平为读，低电平为写），现有下列存 储芯片：1K×4位RAM，4K×8位RAM，2K×8位 ROM，以及74138译码器和各种门电路，画出CPU 与存储器连接图，要求： 主存地址空间分配:8000H~87FFH为系统程序 区,8800H~8BFFH为用户程序区 合理选用上述存储芯片,说明各选几片 详细画出存储芯片的片选逻辑
0000h3fffh为系统程序区4000h4fffh为系统程序工作区6000h9fffh为用户程序区请从上述芯片中选择适合芯片设计该计算机主存储器相联的设计图设cpu共有16根地址线8根数据线并用mreq作访存控制信号低电平有效用wr作读写控制信号高电平为读低电平为写现有下列存储芯片
设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作 访存控制信号（低电平有效），用WR作读写控制信 号（高电平为读，低电平为写），现有下列存储芯片： 1K×4位RAM，4K×8位RAM，2K×8位ROM，以及 74138译码器和各种门电路，画出CPU与存储器连接 图，要求： 主存地址空间分配：最小2K地址空间为系统程序区； 相邻2K地址空间为用户程序区。 合理选用上述存储芯片，说明各选几片？ 详细画出存储芯片的片选逻辑。
计算机组成原理——主存储器4
主存储器
4.1 主存储器的全机中心地位 主存与CPU 主存与I/O设备 主存与多处理机
存储器分类
1. 按存储介质分类
(1) 半导体存储器 (2) 磁表面存储器 (3) 磁芯存储器 (4) 光盘存储器 TTL 、MOS 磁头、 磁头、载磁体 硬磁材料、 硬磁材料、环状元件 激光、 激光、磁光材料
4.6
非易失型半导体存储器（ROM） 非易失型半导体存储器（ROM）
存储器名 ROM PROM EPROM 功能 只读不能写 一次性写入 可多次写入、读出 存储原理 以元件有无表 示0、1 以熔丝接通、 断开表示0、1 写:以漏源极间 有无导电沟道 存储0、1 擦:紫外线使浮 置栅电荷泄漏 写：同EPROM 擦：电擦除 写：同EPROM 擦：电一次性 整体或分区擦 除（幻灯） 存储单元元件 二极管或晶体 管 熔丝 幻灯上所示的 管子
3. 按在计算机中的作用分类
RAM 静态 RAM 动态 RAM MROM PROM EPROM EEPROM
主存储器
ROM
存 储 器
Flash Memory
高速缓冲存储器（ 高速缓冲存储器（Cache） ） 辅助存储器 磁盘 磁带 光盘
二、存储器的层次结构
1. 存储器三个主要特性的关系
／ 速度 容量 价格 位 CPU 寄存器 存 主存 CPU 机 主 快 小 高
举例 画出用16K*8位的芯片组成64K*8 16K*8位的芯片组成64K*8位存储器的连接图 画出用16K*8位的芯片组成64K*8位存储器的连接图
A15 A14 A13 A0 WE
译 码 器
CS R/W
CS R/W
CS R/W
CS R/W D0-D7
字扩展的几点结论
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Hale Waihona Puke 主存和CPU的硬连接地址总线 MAR k位
数据总线 Read Write MFC
n位 主存容量 2k字 字长 n位
MDR
CPU
图5-20 主存和CPU的硬连接
2
读操作 读操作是指从CPU送来的地址所指定 的存储单元中取出信息，再送给CPU，其 操作过程是： 地址→MAR→AB CPU将地址信号送至 地址总线； Read CPU发读命令； Wait for MFC 等待存储器工作完成信号； M(MAR)→DB→MDR 读出信息经数据 总线送至CPU。
主存储器和CPU的连接
1.主存和CPU之间的硬连接 主存与CPU的硬连接有3组连线：地址 总线（AB）、数据总线（DB）和控制总 线（CB）。此时，把主存看作一个黑盒子， 存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据 寄存器（MDR）是主存和CPU之间的接口。 MAR可以接受来自程序计数器（PC）的指 令地址或来自运算器的操作数地址，以确 定要访问的单元。MDR是向主存写入数据 或从主存读出数据的缓冲部件。MAR和 MDR从功能上看属于主存，但在小微型机 中常放在CPU内。
3
写操作 写操作是指将要写入的信息存入CPU 所指定的存储单元中，其操作过程是： 地址→MAR→AB CPU将地址信号送 至地址总线； 数据→MDR→DB CPU将要写入的数 据送至数据总线； Write CPU发写命令； Wait for MFC 等待存储器工作 完成信号。
4