第7章 存储器分层体系结构 复习要点
第7章存储器分层体系结构复习要点
一、存储器概述和存储器芯片
1. 熟悉随机存取存储器、顺序存取存储器、直接存取存储器、相联存储器、只读存储器、读写存储器、非易失（不挥发）性存储器、易失（挥发）性存储器、静态存储器、动态存储器这些名称的含义。
这些类型的存储器在计算机的层次结构存储系统中
按工作性质/存取方式分类：
随机存取存储器(RAM) ：每个单元读写时间一样，且与各单元所在位置无关。
如：内存。
（注：原意主要强调地址译码时间相同。
现在的DRAM芯片采用行缓冲，因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别。
）
顺序存取存储器(SAM)：数据按顺序从存储载体的始端读出或写入，因而存取时间的长短与信息所在位置有关。
例如：磁带。
直接存取存储器(DAM)：直接定位到读写数据块，在读写数据块时按顺序进行。
如磁盘。
相联存储器（AM/CAM)：按内容检索到存储位置进行读写。
例如：快表。
按信息的可更改性分类:
读写存储器（Read / Write Memory)：可读可写。
只读存储器（Read Only Memory)：只能读不能写。
按断电后信息的可保存性分类：
非易失（不挥发）性存储器(Nonvolatile Memory) 信息可一直保留，不需电源维持。
（如：ROM、磁表面存储器、光存储器等）
易失（挥发）性存储器(Volatile Memory) 电源关闭时信息自动丢失。
（如：RAM、Cache）按功能/容量/速度/所在位置分类：
寄存器(Register)封装在CPU内，用于存放当前正在执行的指令和使用的数据；用触发器
实现，速度快，容量小（几~几十个）。
高速缓存(Cache)位于CPU内部或附近，用来存放当前要执行的局部程序段和数据；用SRAM实现，速度可与CPU匹配，容量小（几MB）。
内存储器MM（主存储器Main (Primary) Memory）位于CPU之外，用来存放已被启动的程序及所用的数据；用DRAM实现，速度较快，容量较大（几GB）。
外存储器AM (辅助存储器Auxiliary / Secondary Storage)位于主机之外，用来存放暂不运行的程序、数据或存档文件；用磁表面或光存储器实现，容量大而速度慢。
2. 层次结构存储系统中的寄存器、高速缓存、内存(主存)、外存它们所在的位置、工作速度、存储容量、成本等的相对大小和大致的数量级。
这些存储器和前述各类存储器之间的对应关系。
3. 静态存储器和动态存储器的基本工作机制；动态存储器刷新的概念，按行刷新的含义。
最大刷新周期的确定的依据是什么。
DRAM的集中刷新、分散刷新和异步刷新的刷新操作与正常访存分别是如何安排的？
4. 了解SDRAM芯片中的突发传输方式
二、存储器容量的扩展及其与CPU的连接
1. 位扩展、字扩展、字位扩展方式，系统存储容量的计算，芯片数的计算，这几种扩展方式下的芯片(组)与片选信号的地址线分配，各芯片(组)的地址范围的计算、划分。
片选信号用地址信号表示的逻辑表达式。
三、高速缓冲存储器(cache)
1. 直接映射、全相联映射、组相联映射三种方式映射关系；三种方式下的主存地址与cache 的行、内容之间的对应关系；cache容量的计算方法，注意区分数据区、标记、有效位。
2. CPU对cache的访问时，直接映射采用的是按地址进行查找的方法，而全相联映射采用
的是用多个比较器进行同时比对查找到cache的行；组相联映射则结合了上述两种方法，即由地址查找到组，再对组内的各行“标记”用多个比较器进行同时比对。
和相联存储器的概念有什么关系？
3. 三种映射方式中哪些需要替换算法？了解“先进先出FIFO”和“最近最少用LRU”替换算法。
了解写策略中的命中和未命中的处理方式。
基本术语：
记忆单元（存储基元/ 存储元/ 位元）（Cell）具有两种稳态的能够表示二进制数码0和1的物理器件。
存储单元/ 编址单位（Addressing Unit）具有相同地址的位构成一个存储单元，也称为一个编址单位。
存储体/ 存储矩阵/ 存储阵列（Bank）所有存储单元构成一个存储阵列。
编址方式（Addressing Mode）字节编址、按字编址。
存储器地址寄存器（Memory Address Register - MAR）用于存放主存单元地址的寄存器。
存储器数据寄存器（Memory Data Register-MDR (或MBR) ）用于存放主存单元中的数据的寄存器。
计算机存储器层次结构
计算机存储器层次结构计算机存储器层次结构是指计算机内部存储器的层次组织结构，用于实现高效的数据存取和处理。
它按照存取速度、容量和成本的不同，将存储器划分为不同的层次，每一层次都有其特定的作用和性能要求。
本文将介绍计算机存储器层次结构的基本原理和各层次的特点。
一、计算机存储器层次结构的概述计算机存储器层次结构由快速访问相对较小的高速缓存(Cache)、较慢但容量更大的主存储器(Main Memory)和更大但访问速度较慢的辅助存储器(Auxiliary Storage)三部分组成。
这些存储器以不同的速度、容量和成本提供对数据的存取，形成了存储器层次结构。
它的设计目标是在满足计算机性能要求的情况下，尽量降低成本。
二、高速缓存高速缓存是计算机存储器层级结构中最快速的一层，它位于CPU内部或者CPU与主存储器之间，用于存储近期频繁访问的数据和指令。
高速缓存的目的是通过减少CPU等待数据的时间，提高计算机的运行速度。
高速缓存有多级结构，分为L1、L2、L3等多个级别。
其中L1缓存离CPU最近，速度最快，容量最小。
它一般由数据缓存和指令缓存组成，以提供对数据和指令的快速访问。
L2和L3缓存容量较大，速度较L1缓存慢一些。
它们的作用是进一步提高CPU的性能。
三、主存储器主存储器是计算机中最重要的存储器之一，也是CPU能直接访问的主要存储区域。
它通常是由动态随机存取存储器(DRAM)构成。
主存储器的容量相对较大，能够存储大量的数据和指令。
主存储器的访问速度介于高速缓存和辅助存储器之间，它的数据和指令可以传输到高速缓存中，供CPU进行处理。
主存储器的速度较快，但相对于高速缓存而言还是较慢，因此，当CPU无法从高速缓存中获取所需数据时，需要从主存储器中获取。
四、辅助存储器辅助存储器是计算机存储器层次结构中速度最慢但容量最大的一层，用于长期存储数据和程序。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、光盘和闪存等。
辅助存储器的访问速度较主存储器慢很多，但它的容量很大，足以存储大量的数据和程序。
计算机原理复习重点
复习重点第1章绪论(概念)1计算机系统的组成分为两大范畴：硬件和软件。
书P4图1-1●计算机硬件分为主机和外设；●计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。
2计算机系统的组成：冯·诺依曼计算机基本特点：●采用二进制形式表示指令和数据；●计算机采用存储程序的工作方式；●计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。
了解主要部件功能。
3存储系统通常分为三级存储体系是指：Cache—内存—外存三层架构，通常内存（主存）和Cache由半导体存储器构成。
4总线概念●计算机中各个功能部件是通过总线连接的，它是各部件之间进行信息传输的公共线路。
●总线：一组公共信息传输线路，能为多个部件服务，可分时地发送与接收各个部件的信息。
●总线的数据通路宽度：指能够一次并行传送的数据位数。
●总线分为单向总线和双向总线。
（传送方向分）单向总线：挂在总线上的一些部件将信息有选择地传向另一些部件，却不能反向传送；双向总线：挂在总线上的任何一个部件或设备都可以从总线上有选择地接受其他部件或设备的信息，而且能通过总线有选择的向其他部件或设备发送信息。
●根据所传信息种类不同，通常系统总线可以分为三种：数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB5计算机系统的层次结构●从语言功能角度划分层次结构，一般地，计算机的语言由低到高可以分成机器语言、汇编语言、高级语言和专用语言等●计算机硬件的物理功能是执行机器语言，机器语言是能够被计算机硬件直接识别的语言。
汇编语言是一种面向机器结构的低级程序设计语言。
6计算机的主要指标●机器基本字长：参与计算机运算的操作数的基本位数。
●存储器容量：一般，以字节数表示存储器容量，例如：1KB=210B；1MB=220B；1GB=230B；1TB=240B第2章数据信息表示2.1数值数据的信息表示（掌握）1进位计数制之间的转换2数的小数点表示●根据小数点位置是否固定，数的格式分为两种表示形式，分别是定点数和浮点数。
存储器层次结构
存储器层次结构计算机存储器层次结构是指在计算机系统中用于存储和访问数据的不同层级的存储设备。
它按照速度、容量和成本的不同划分为多个层级，以达到高效地存取数据的目的。
存储器层次结构的设计影响着计算机系统的性能和运行速度。
本文将介绍计算机存储器层次结构的基本概念以及各个层级的特点。
1. 导言计算机存储器层次结构是指计算机系统中用于存储和访问数据的多个层级，其目的是提高计算机系统的性能和运行速度。
存储器层次结构由速度、容量和成本不同的存储设备组成，按照速度从快到慢排列，形成存储器层次结构。
2. 寄存器寄存器是存储器层次结构中最快的存储设备，位于CPU内部。
它可以快速存取数据，但容量有限。
寄存器是计算机处理数据时的临时存储空间，用于存储指令、操作数和中间结果等。
由于寄存器的高速度和小容量，它常用于存储最频繁使用的数据，以加快数据的存取速度。
3. 高速缓存高速缓存是存储器层次结构中位于寄存器和主存之间的一层存储设备。
它采用了高速存取的方式，能够快速响应CPU的读写请求。
高速缓存分为多个级别，通常分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2Cache）。
一级缓存一般与CPU集成在同一芯片上，速度更快但容量较小；而二级缓存则位于CPU和主存之间，速度较慢但容量更大。
4. 主存主存是存储器层次结构中容量最大的一层，用于存储程序和数据。
它是CPU直接与外部存储设备之间的桥梁，具有较高的读写速度。
主存通常由动态随机存取存储器（DRAM）构成，容量较大，但速度相对较慢。
主存以字节为单位进行寻址和存取，通过地址总线与CPU进行数据的传输。
5. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中速度最慢、容量最大、且相对便宜的存储设备。
它通常包括硬盘、光盘、闪存等。
辅助存储器主要用于长期存储大量的程序和数据。
相比于主存，辅助存储器的读写速度较慢，但容量大且价格低廉。
计算机在运行过程中，需要将辅助存储器中的数据加载到主存中进行处理，以提高运行效率。
存储器的层次结构及组成原理
存储器的层次结构及组成原理一、引言存储器是计算机中非常重要的组成部分，它用于存储和读取数据。
随着计算机技术的发展，存储器也在不断地升级和改进。
存储器的层次结构是指不同类型的存储器按照速度、容量和成本等方面的差异被组织成一种层次结构。
本文将介绍存储器的层次结构及其组成原理。
二、存储器的层次结构1. 存储器分类根据存取速度不同，可将存储器分为主存（RAM）、高速缓存（Cache）、二级缓存、三级缓存等多级缓存以及辅助存储器（ROM、磁盘等）。
2. 层次结构主要分为三个层次：CPU内部高速缓冲寄存器（L1 Cache）、CPU外部高速缓冲寄存器（L2 Cache）和主内存（RAM）。
3. 层次结构优点层次结构能够充分利用各种类型的硬件设备，使得计算机系统能够更加高效地运行。
在执行指令时，CPU首先从最快的L1 Cache中查找数据，如果没有找到，则会查找L2 Cache，最后才会查找主内存。
这样的层次结构设计可以大大提高CPU访问数据的速度，减少CPU等待的时间。
三、存储器的组成原理1. 静态随机存取存储器（SRAM）SRAM是一种使用静电场来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个触发器和两个传输门组成。
SRAM的读写速度非常快，但是它比较昂贵，并且需要更多的电源。
2. 动态随机访问存储器（DRAM）DRAM是一种使用电容来存储数据的存储器。
它由多个存储单元组成，每个单元由一个电容和一个开关组成。
DRAM比SRAM更便宜，但是读写速度相对较慢。
3. 双倍数据率SDRAM（DDR SDRAM）DDR SDRAM是一种高速内存技术，可以在每个时钟周期传输两次数据。
这使得DDR SDRAM比普通SDRAM更快。
4. 图形双倍数据率SDRAM（GDDR SDRAM）GDDR SDRAM是一种专门为图形处理器设计的高速内存技术。
它具有更高的频率和带宽，适用于处理大量图像和视频数据。
5. 闪存闪存是一种非易失性存储器，可以在断电时保存数据。
第7章 存储器分层体体系结构
容量、存储周期
例：2GB 60ns
例： 200GB 7200转/分
电子科技大学计算机科学与工程学院
7.1 存储器概述
光盘存储器： 1. CD-ROM：只读性光盘
2. WORM：写入式（只能写一次）
3. CD-RW：可擦/写光盘 DVD - Digital Versatile Disc 4.7GB
命中时间
访问高层存储器所需的时间。
判断时间 + 数据传送时间
缺失代价 将数据块从低层搬到高层存储器并送到 处理器所需的时间。
电子科技大学计算机科学与工程学院
当前计算机的存储器结构
Processor L1 Cache L2 Cache Main Memory (DRAM)
Graphics Processor
按功能分类 高速缓冲存储器 主存储器 辅助存储器 海量后备存储器
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主存储器基本框图
数据线
地址线
地 址 寄 存 器
地 址 译 码
读写控制信号
读写控制电路
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7.1.3 存储器的主要性能指标 存储器的主要性能指标
存储容量 单位：Byte、KB、MB、GB 存取周期 CPU连续访存中平均一次存取操作所需的 时间。 存储器的带宽 单位时间内传输的最大数据率，字节/秒
Memory
Block 0 Block 1 … … … … … Block n-1
Cache
Tag … … … Tag Block 0 … … … Block m-1
电子科技大学计算机科学与工程学院
基本的Cache设计-全相联映射 地址结构设计
存储基础知识培训
存储基础知识培训一、存储概述存储是计算机系统中非常重要的组成部分，用于保持数据和程序的持久性。
在大数据时代的背景下，存储的重要性愈发凸显。
本文将介绍存储的基础知识，以帮助读者全面了解存储的相关概念和技术。
二、存储类型1.主存储器主存储器（Main Memory）是计算机系统中最直接与CPU交互的存储设备，也被称为内存。
主存储器的容量决定了系统同时存储的数据和程序大小。
2.辅助存储器辅助存储器（Secondary Storage）用于长期存储大量的数据和程序，例如硬盘、光盘、固态硬盘等。
辅助存储器的容量一般远大于主存储器，可用于大数据存储和备份。
三、存储技术1.磁盘存储磁盘存储是一种机械存储技术，通过将数据存储在旋转的磁盘上来实现数据的读写。
磁盘以扇区为单位进行数据的存储和访问，随机存取速度较慢，但容量较大。
2.固态存储固态存储（Solid State Storage）采用闪存芯片作为存储介质，相对于传统磁盘存储具有更快的读写速度和较好的耐用性。
固态硬盘（SSD）已逐渐取代传统机械硬盘成为存储系统的主力。
3.网络存储网络存储（Network Storage）指的是通过网络连接远程存储设备的存储技术。
常见的网络存储技术有网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN），可实现数据的共享和备份。
四、存储管理1.存储器层次结构计算机系统的存储器层次结构由多级存储构成，层次结构越高，存取速度越快，成本越高。
常见的存储器层次结构包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
2.存储系统管理存储系统管理涉及存储资源的分配和管理，包括存储容量的规划、文件系统的设计与管理、数据备份与还原等。
合理的存储系统管理能够提高存储系统的效率和可靠性。
五、存储安全1.数据安全存储安全是指对存储中的数据进行保护和控制，以防止非法访问、损坏或泄露。
常见的数据安全措施包括数据加密、访问权限控制和备份恢复。
2.存储设备安全存储设备安全涉及到存储设备的管理和防护。
计算机系统中的存储器层次结构与缓存技术
计算机系统中的存储器层次结构与缓存技术计算机系统的存储器层次结构与缓存技术是提高计算机性能和效率的关键因素。
存储器层次结构指的是由快速但昂贵的存储设备和廉价但较慢的存储设备组成的层次结构。
缓存技术是一种通过在处理器和主存之间插入高速存储器来提高性能的方法。
本文将详细介绍计算机系统的存储器层次结构和缓存技术，并分点列出相关内容。
一、存储器层次结构1. 存储器层次结构的定义- 存储器层次结构是一种由多种存储设备组成的层次结构，每一层次在速度、容量和成本等方面都有差异。
- 存储器层次结构按照存储设备的访问速度由快到慢排列，包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
2. 存储器层次结构的组成- 寄存器：位于处理器内部，速度最快、容量最小、成本最高。
- 高速缓存：位于处理器和主存之间，容量适中、速度较快、成本较高。
- 主存储器：存放程序和数据，容量较大、速度较慢、成本适中。
- 辅助存储器：存储大容量的数据和程序，速度最慢、成本最低。
3. 存储器层次结构的工作原理- 缓存命中：当处理器需要访问数据时，首先在高速缓存中查找，如果找到则为缓存命中，不需要访问主存，提高效率。
- 缓存不命中：如果在高速缓存中未找到数据，则需要访问主存，并将数据从主存加载到高速缓存中，同时可能需要替换高速缓存中的一部分数据。
二、缓存技术1. 缓存的定义和作用- 缓存是指在处理器和主存之间插入的高速存储器。
- 缓存的作用是提高数据访问的速度和效率，减少对主存的访问次数。
2. 缓存的工作原理- 缓存分为多个缓存块，每个缓存块可以存储一个数据块，同时也包含一个标记字段用于标识数据块的地址。
- 当处理器需要访问一个数据时，先在缓存中查找，如果找到则为缓存命中，直接取用数据；如果未找到则为缓存不命中，需要访问主存取出数据。
3. 缓存的替换策略- 最常见的替换策略是使用LRU（Least Recently Used）算法，即最近最少使用的数据块被替换。
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解计算机体系结构存储器层次结构是计算机系统中重要的组成部分，它通过不同层次的存储器来提供有效的数据存取方式，以满足计算机执行指令和运算的需求。
本文将详细介绍计算机体系结构存储器层次结构的基础知识，包括存储器的分类、层次结构和操作原理等方面。
一、存储器的分类存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，根据存储介质的不同可分为内存和外存。
内存存储器又可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是一种易失性存储器，用于存储程序和数据的临时信息，通电时可以读写数据，断电后数据就会丢失；ROM是一种非易失性存储器，用于存储程序和数据的固定信息，通电时只能读取数据。
外存储器包括硬盘、固态硬盘（SSD）和光盘等，主要用于长期存储大量数据和程序。
二、存储器的层次结构计算机体系结构存储器层次结构按照存取速度和成本的不同，可分为若干层次，由快到慢、由贵到廉排列为：寄存器、高速缓存、主存和外存。
寄存器是存储器层次结构中速度最快、容量最小的存储器，通常嵌入在中央处理器（CPU）中，用于存储最常用的数据和指令；高速缓存是位于CPU和主存之间的一层存储器，容量较小但速度快，用于缓存CPU频繁访问的数据块；主存是计算机中容量较大、速度较慢的存储器，用于存储程序和数据；外存是计算机中容量最大、速度最慢的存储器，用于长期存储大量数据和程序。
三、存储器的操作原理计算机体系结构存储器层次结构中的各层次存储器之间通过地址和数据进行交互。
当CPU需要访问某个数据或者指令时，首先会将相应的地址发给内存控制器，内存控制器会根据地址将数据从内存中读取出来并送达给CPU。
在这个过程中，CPU通常会先访问最快的寄存器，若寄存器中没有所需数据，则会在高速缓存中进行查找，如果高速缓存中也没有，则会继续在主存和外存中进行查找。
存储器的操作原理涉及到存储器的访问速度和命中率。
存储器的访问速度是指CPU从发送地址到接收到数据所需的时间，在不同层次存储器中，访问速度逐级变慢；命中率是指CPU在某个层次存储器中找到所需数据的概率，高速缓存的命中率通常较高，而主存和外存的命中率较低。
计算机存储器层次结构基础知识详解
计算机存储器层次结构基础知识详解计算机存储器层次结构是指计算机内部存储器的层级结构，主要由寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等组成。
每一层存储器都有其独特的特点和作用，在计算机运行过程中发挥不同的作用。
本文将对计算机存储器层次结构的基础知识进行详解。
一、寄存器寄存器是计算机存储器层次结构中最高速的存储器，位于CPU内部，用于存放指令和数据。
寄存器拥有极快的读写速度，可以在一个CPU周期内完成读写操作。
常用的寄存器有通用寄存器、指令寄存器、程序计数器等。
寄存器的容量有限，通常只能存储少量的数据。
但是由于其速度快、响应时间低，因此经常被用于存放频繁使用的数据和指令，以提高计算机的执行效率。
二、高速缓存高速缓存是位于CPU和主存之间的一层存储器，用于存放最近经常访问的数据和指令。
高速缓存的容量较小，但读取速度非常快，可以减少CPU等待数据的时间，提高计算机的运行速度。
高速缓存采用了一种称为缓存替换算法的方法来管理数据的存储和替换。
常见的缓存替换算法有最近最少使用（LRU）算法和先进先出（FIFO）算法等。
这些算法能够根据数据的访问模式，选择性地保留和替换缓存中的数据，以提高缓存的命中率。
三、主存主存是计算机存储器层次结构中容量最大的存储器，用于存放程序和数据。
主存的容量通常以GB（千兆字节）为单位，可以存储大量的数据和指令。
主存中的数据和指令需要经过CPU的请求来进行读写操作。
由于主存的读写速度较慢，因此常常需要高速缓存来缓解CPU等待数据的时间。
同时，主存采用了一种称为虚拟内存的技术，能够将部分主存的内容存储到磁盘等辅助存储器中，以扩大主存的容量。
四、辅助存储器辅助存储器是计算机存储器层次结构中容量最大，但读写速度较慢的一层存储器。
辅助存储器包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、磁带等。
辅助存储器主要用于长期存储计算机的程序和数据，可以存储大量的信息。
但与主存相比，辅助存储器的读写速度较慢，需要较长的时间来读取或写入数据。
第七章 存储器层次结构
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VCC A8 A9 VPP CS A10 PD/Progr DO7
…
…
…
PD/Progr 功率下降 / 编程输入端
… …
… …
…
12
13
DO3
读出时 为 低电平
4. EEPROM (多次性编程 )
电可擦写
局部擦写
全部擦写
5. Flash Memory (闪速型存储器)
EPROM EEPROM 价格便宜 集成度高 电可擦洗重写
32片
8片 8片 8片 16K × 1位 16K × 1位 16K × 1 位
8片 16K × 1位
当地址为 65 535 时，此 8 片的片选有效
2. 半导体存储芯片的译码驱动方式
(1) 线选法
A3 A2 A1 A0
0
地 0 址 译 0 码 器 0
字线
0,0
…
16×8矩阵
0,7
0
…
15,0
…
…
15 0 D0
11根地址线
2片 1K × 8位 存储芯片组成 2K × 8位 的存储器 用 ？片
8根数据线
A10 A9
1
D0 WE
•••
A1 A0
•••
1K× 8位
CS0
•••
1K× 8位
CS1
D7
•••
•••
•••
(3) 字、位扩展
8片 1K × 4位 存储芯片组成 4K × 8位 的存储器 用？片
12根地址线
D
3、 静态 RAM 芯片举例 （1）Intel 2114 外特性
WE A9 A8 CS I/O 1 I/O 2 I/O 3 I/O 4 存储容量 1K×4 位 VCC GND