第四讲 提高主存读写速度的技术
计算机组成原理课件 5.5 提高主存读写速度的技术
北京理工大学计算机学院
5.5 提高主存读写速度的技术
计算机组成原理
5.5.2 内存的发展 • FPM DRAM • EDO DRAM • SDRAM • DDR SDRAM • DDR2、DDR3 和DDR4 SDRAM • Rambus DRAM
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5.5 提高主存读写速度的技术
第5章
计算机组成原理
5.1 存储系统的组成 5.2 主存储器的组织 5.3 半导体随机存储器和只读存储器 5.4 主存储器的连接与控制 5.5 提高主存读写速度的技术 5.6 多体交叉存储技术 5.7 高速缓冲存储器 5.8 虚拟存储器
北京理工大学计算机学院5.5 提高主存读写度的技术计算机组成原理
5.5.1主存与CPU速度的匹配
过去，主存的速度通常以纳秒（ns）表 示，而CPU速度总是被表示为兆赫兹（MHz ），最近一些更快更新的主存也用MHz来表 示速度。
主存总线的速度与CPU总线速度相等， 那么主存的性能将是最优的。然而通常主存 的速度落后于CPU的速度，两者之间存在着 很大的差距，这就是为什么需要高速缓冲存 储器（Cache）的原因。
计算机组成原理
5.5.3 多通道内存技术
1. 双通道内存技术
双通道内存技术，就是在北桥芯片组里 制作两个内存控制器，这两个内存控制器是 可以相互独立工作的。在这两个内存通道上 ，CPU可以分别寻址、读取数据，从而可以 使内存的带宽增加一倍，理论上数据存取速 度也相应增加一倍。
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5.5 提高主存读写速度的技术
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计算机组成原理
2. 三通道内存技术
Core i7处理器抛弃了前端总线而采用QPI总 线，同时将内存控制器从北桥中成功转移到 CPU中，内存与处理器之间采用点对点连接设 计，内存里的数据可由内存总线直接传送给处 理器，使得内存读取延迟大幅减少。
提高主存读写速度
另外DRAM芯片的存储单元是一个电容性电 路，系统要定时对存储数据进行额外的刷 新，因此，DRAM芯片的存取速度低，一般 为70ns(毫微秒)或60ns,相当于16.7MHZ或 更慢的速度，儿而对于CPU300MHZ或更高 的速度，两者存在的差距很大。 DRAM芯片的访问方式决定着它的存取速度。 所以我们就从它的访问方式来下手，提高 他的存取速度。
一个突发访问通常限制为4次正常访问。 一个标准DRAM的典型突发模式访问表示为 x-y-y-y，x是第一次访问的时间，y表示后 面每个连续访问所需的周期数。 标准的FPM DRAM 可获得5-3-3-3的突发模 式周期。 FPM DRAM内存条主要采用72线的SIMM 封装，存取速度一般在60ns~100ns左右.
EDO DRAM
EDO DRAM( Extended Data Output DRAM, EDO DRAM)即扩展数据输出方式。 传统的DRAM和 FPMDRAM在存取每一个 数据时，输入行地址和列地址后必须等待 电路稳定，然后才能有效的读写数据，而 下一个地址必须等待这次读写周期完成才 能输出。 EDO不必等，它采用一种特殊的主存读出 控制逻辑，在读写一个存储单元时，同时 启动下一个连续存储单元的读写周期，从 而节省了重选地址的时间，提高了读写速 度。
FPM DRAM
快速页模式随机存储器（Fast Page Mode DRAM,FPM DRAM）它基于一个事实—— 计算机中大量的数据是连续存放的。它通 过保持行地址不变而只改变列地址，从而 加快对给定行的所有数据进行快速的访问。 FPM DRAM还支持突发模式访问。 突发访问模式就是指对一个给定的访问， 在建立行和列地址之后，可以访问后面3个 相邻的地址，而不需要额外的延迟和等待 状态。
如何提高电脑硬盘读写速度
如何提高电脑硬盘读写速度电脑磁盘被大量占用,剩余空间大大减少,这样容易导致电脑的负载过大,引起硬盘读写速度的减慢。
磁盘的碎片过多硬盘的碎片过多是会导致硬盘的读写速度过慢的，我们可以通过清除磁盘的碎片进行优化硬盘的速度。
怎样提高硬盘读写速度一：磁盘清理：电脑磁盘被大量占用，剩余空间大大减少，这样容易导致电脑的负载过大，引起硬盘读写速度的减慢，针对这个原因，我们只需要清理磁盘，删除多余的存储就能解决问题了。
在电脑上面找准C盘，对准C盘点击鼠标右键，在下拉菜单里选择“属性”，在“属性”对话框里选择“磁盘清理”，接着在“要删除的文件”和常规选项里选择没用，想要删去的文件和程序，接着在“工具”下面选择“立即进行碎片整理”，整个磁盘清理就完成了。
二：杀毒：电脑出现的很多问题中一部分是由自身部件原因造成的，另外一个重要原因就是病毒的侵害，硬盘读写速度变慢也有可能是病毒侵害了电脑磁盘造成的，因此，我们可以试着利用杀毒软件给磁盘进行检测，一旦发现病毒，立即杀毒，硬盘的运行就能恢复正常了三：检查硬盘是否完好：这个方法就是针对电脑硬盘自身出现问题的情况，如果上面两种方法不能解决问题，我们就要考虑对硬盘自身进项检测了，检测的主要目的是查看硬盘是否存在坏道，可以利用HD Tune软件来完成检测工作，首先，检测硬盘的读取速度，读取速度正常，硬盘就没有问题，读取速度过慢，硬盘很可能就存在坏道，接着进行“扫描错误”，软件就会将坏道检测出来，如果确实有坏道，建议大家维修硬盘或是直接更换硬盘。
硬盘正常读取速度硬盘分为固态硬盘、机械硬盘。
具体信息如下：1.机械硬盘读写速度平均60－80M每秒。
2.固态硬盘不同品牌型号之间，平均大约在150－300M每秒。
3.5400转的笔记本硬盘：50－90MB每秒。
4.7200转的台式机硬盘：90－190MB每秒。
5.固态硬盘的读写速度可以达到500MBs。
如何在计算机系统中提高数据处理速度
如何在计算机系统中提高数据处理速度在当今信息时代，数据处理速度成为了计算机系统重要的性能指标之一。
无论是个人使用电脑，还是企业运营服务器，我们都希望能够通过提高数据处理速度来提升工作效率和用户体验。
本文将探讨几种在计算机系统中提高数据处理速度的方法。
一、优化硬件设备1.升级处理器：处理器是计算机系统的核心组件之一，其性能直接影响数据处理速度。
因此，升级处理器是提高数据处理速度的有效方法。
选择性能更好的处理器，如多核处理器或超线程技术的处理器，可以提升系统的计算能力。
2.增加内存容量：内存是计算机存储数据的地方，足够的内存容量可以减少对硬盘的读写操作，从而提高数据处理速度。
通过增加内存容量，系统可以更快地访问和处理数据，提升计算效率。
3.采用SSD硬盘：传统的机械硬盘存在机械运动和磁头寻址延迟等问题，影响数据处理速度。
采用固态硬盘（SSD）可以大幅提升数据读写速度，从而加快数据处理速度。
二、优化软件程序1.编写高效的算法：在开发应用程序时，合理选择和编写高效的算法可以极大地提高数据处理速度。
通过优化算法，减少无效计算和重复操作，可以明显提升程序的运行效率。
2.并行计算：利用多线程或并行计算技术，将任务分解为多个子任务并行执行，可以充分利用多核处理器的计算能力，提高数据处理速度。
3.使用高效的数据结构：选择适合具体应用场景的数据结构，能够更快地查询和操作数据。
合理使用数组、链表、哈希表等数据结构，减少数据访问和处理的时间开销。
4.缓存优化：在程序设计中，合理利用缓存可以减少对内存的频繁读写操作，提高数据的访问速度。
尽量避免缓存未命中的情况，提高数据处理效率。
三、优化系统设置1.关闭后台进程：关闭无关的后台进程和服务，能够释放系统资源，提升数据处理速度。
通过任务管理器或系统设置，可关闭不必要的自启动程序，减少系统负担。
2.定期清理垃圾文件：垃圾文件的堆积会占用硬盘空间，影响数据读写速度。
定期使用系统自带的磁盘清理工具或第三方软件清理垃圾文件，可以提高数据处理速度。
《计算机组成原理》电子课件第4章 多级结构的存储系统重庆
三.高速缓存 CACHE
用途：设置在 CPU 和 主存 储器之间，完成高速与 CPU 交换信息，尽量避免 CPU不 必要地多次直接访问慢速的 主存储器，从而提高计算机 系统的运行效率。
高速缓存 CACHE 实现：这是一个存储容量 很小，但读写速度更快的， 以关联存储器方式运行、 用静态存储器芯片实现的 高速静态存储器系统。
有 N个磁盘的容量 有更高的性能价格比 对阵列盘采用冗余技术提高信息的可靠性 有 1/N 的访问时间
RAID0：data Striping
RAID1: Drive Mirroring RAID4: Data Guarding RAID5: Distributed data Guarding
第四章作业
第四章习题中的 第1题， 第 2题，第 3题， 第6题， 第12题，第13题， 第27题，第31题。 （8个作业题均必做）
附：内存储器教学实验
(1) 教学实验计算机介绍
整机为 8位字长， 组合逻辑控制器方案， 内存储器为 8位字长， 使用 16位的地址， 按字节访问。
（2）教学实验内容
教学计算机已有 8KB 的ROM、 2KB 的RAM内存空间，在此基础上
《计算机组成原理》电子课件
第4章 多级结构的 存储系统
重庆电大网址：
计算机硬件系统
控 制 器
第3章
运 算 器 入 出 接 口 和 总 线
第2章
高速缓存
主存储器 外存设备
第4章
输入设备 输出设备
第5章
第四内容辅导
第四章的教学内容占全部教 学内容的 20% ， 涉及概念性的知识比较多， 原理性的内容一般理解即可； 实用性的知识较多，有些 线路或设备组成实例，勿背。
提高u盘读写速度的小诀窍
提高u盘读写速度的小诀窍
每个人都有需要使用u盘的时候，但是u盘(雨林木风U盘启动盘）读写速度的快慢也是大家关心的一个话题，因为这也直接影响到我们工作学习的效率，笔者在这分享给大家一个提高u盘(雨林木风U盘启动盘）读写速度的方法。
1、将u盘连接上电脑，然后双击打开计算机，在计算机窗口中右键选择自己的u盘(雨林木风U盘启动盘），在弹出的选项中选择“属性”，如图所示：
2、在u盘属性中选择“硬件”选项卡，然后在磁盘驱动器中选择自己的u盘，点击“属性”按钮，如图所示：
3、打开属性面板后，选择“策略”选项卡，将“更好的性能”勾选，最后点击“确定”按钮，如图所示：
此时我们安全删除硬件，将通知图标安全地断开设备连接，再次将u盘(雨林木风U盘启动盘）连接上电脑的时候上面的设置就可以生效。
关于提高u盘(雨林木风U盘启动盘）读写速度的方法就介绍到这，这种方法在一定的程序上可以提高我们的工作学习效率，需要的朋友赶紧动手设置下。
计算机组成原理(4.6提高存储系统性能的一些措施)
页256字节。
地址变换机构中存储的信息只需128×9位。
主存
CACHE
0
第0页 第1页
…… 第N-1页
1
…… N-1 …… (M-1)N (M-1)(N-1) …… 第MN-1块
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红
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一、Cache的工作原理
全相联映象 每个主存块允许放到Cache的任何一个槽中
该方式允许主存中的每一个页面映像到Cache中的任何一个页面 位置上，也允许采用某种置换算法从已占满的Cache中替换出任 何一个旧页面。
在这种地址空间随意安排的条件下，为了使之能对高速缓存准确 寻址，必须将调入页的页地址编码全部存入地址变换机构中。
该方式查找十分费时，对变换机构工作速度要求很快而使成本过 高，故该方法实用较困难。
例：两级存储系统
M1
访问时间TA1， 命中率H
M2
访问时间TA2
则平均访问时间 TA=HTA1+(1-H)TA2
规定：访问时间比 r = TA2 TA1
访问效率 e = TA1
则 e=
1
TA
r + (1 − r)H
哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院 姚爱红
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程序运行的所有信息存放在主存储器内，而高速缓冲存储器中 存放的是当前使用最多的程序代码和数据，即主存中部分内容的 副本。CPU访问存储器时，首先在Cache中寻找，若寻找成功， 通常称为“命中”，则直接对Cache操作；若寻找失败，则对主 存储器进行操作，并将有关内容置入Cache。
引入Cache是存储器速度与价格折衷的最佳方法。
为实现上述功能需要解决： 9 Cache的内容与主存之间的映像关系 9 地址的转换—将访问主存的地址转换为访问Cache的地
了解电脑固态硬盘(SSD)加速你的电脑启动和文件读写速度
了解电脑固态硬盘（SSD）加速你的电脑启动和文件读写速度近年来，随着科技的不断进步，电脑的硬件配置也日益提升。
电脑固态硬盘（SSD）作为一种新型存储设备，相较于传统的机械硬盘，在提升电脑启动和文件读写速度方面拥有明显的优势。
本文旨在探讨电脑固态硬盘的工作原理以及如何正确使用SSD来加速电脑的启动和文件读写速度。
一、固态硬盘的工作原理固态硬盘（SSD）与传统的机械硬盘在存储数据的方式上存在着根本的区别。
传统的机械硬盘通过旋转磁盘和磁头的工作来实现数据的读写，而固态硬盘则采用了闪存芯片作为数据的存储介质。
这使得固态硬盘在读写速度上具有明显的优势，同时也提高了数据的稳定性和耐久性。
二、固态硬盘加速电脑启动和文件读写速度的方法1. 选择合适的SSD在购买SSD时，我们需要根据自己的需求和预算选择合适的固态硬盘。
市场上有多种容量和速度的SSD可供选择，我们可以根据自己的实际需求选择适合的型号。
2. 将操作系统安装在SSD上安装操作系统是电脑启动速度的重要因素之一。
将操作系统安装在SSD上可以显著提升电脑的启动速度。
在安装系统时，我们需要注意选择SSD作为安装目标，并将系统文件完全安装在固态硬盘中。
3. 设置SSD为启动盘将SSD设置为启动盘可以确保电脑在启动时优先加载固态硬盘中的系统文件。
具体的设置方法因操作系统的不同而有所差异，但通常可以在BIOS设置或者启动管理器中进行相应的调整。
4. 合理分配存储空间固态硬盘的读写速度虽然快，但容量相较于传统硬盘较小。
因此，在使用SSD时需要合理分配存储空间，将经常使用的文件和程序放在固态硬盘中，而将不常用的文件备份到其他存储介质中。
这样可以避免SSD容量不足的问题，同时也可以提高文件的读取速度。
5. 定期清理垃圾文件固态硬盘的性能会随着时间的推移而逐渐下降，主要原因之一是随着使用时间的增加，垃圾文件会逐渐积累并占用存储空间。
因此，我们需要定期清理垃圾文件，以保持固态硬盘的良好性能。
上位机如何提高读写速度的方法
上位机如何提高读写速度的方法1. 使用高速的硬盘驱动器：选择SSD固态硬盘，而不是传统的机械硬盘，可以大大提高上位机的读写速度。
SSD的读写速度更快，访问时间更短。
2. 增加内存容量：增加上位机的内存容量可以提高系统的缓存能力，减少对硬盘的频繁读写，从而提高读写速度。
3. 优化文件系统：可以选择更高效的文件系统，如NTFS或者exFAT，这些文件系统能够更好地管理和优化读写操作，提高上位机的读写速度。
4. 使用RAID阵列：通过使用RAID技术，可以将多个硬盘组合起来，提高数据的读写速度和容错能力，从而提高上位机的读写性能。
5. 定期清理磁盘碎片：磁盘碎片会影响数据的读写速度，定期使用磁盘碎片整理工具清理磁盘碎片，可以提高上位机的读写速度。
6. 升级硬件接口：如果使用的接口是老旧的SATA接口，考虑升级到更快的接口，如SATA 3.0或者PCIe接口，可以提高硬盘的传输速度。
7. 使用高速网络连接：如果上位机需要进行网络读写操作，选择高速的网络接口或者连接更快的网络可以提高数据传输速度。
8. 关闭后台不必要的进程：关闭不必要的后台进程可以释放系统资源，减少对硬盘的竞争，提高磁盘的读写速度。
9. 使用高效的数据压缩算法：当需要进行大量的数据读写时，可以选择高效的数据压缩算法，减少数据的传输量，从而提高读写速度。
10. 设置合理的页面文件大小：根据实际的内存使用情况，设置合理的页面文件大小，避免频繁的硬盘读写操作，提高上位机的读写速度。
11. 避免频繁的大容量文件读写：频繁的大容量文件读写会影响上位机的性能，可以尝试拆分文件或者优化读写操作，减少对硬盘的压力。
12. 使用高效的文件传输协议：选择高效的文件传输协议，如FTP或者SFTP，可以提高上位机与其他设备之间的读写速度。
13. 使用高速的外部存储设备：如果需要对外部存储设备进行读写操作，选择高速的外部存储设备，如USB 3.0或者Thunderbolt接口的设备，可以提高数据传输速度。
计算机组成与结构王爱英版第四讲
02
指令系统
2.1指令系统
计算机指令就是指挥计算机工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行 程序的过程就是计算机的工作过程。控制器靠指令指挥机器工作，人们用指令来表达自己的意图， 并交给控制器执行。一台计算机所能执行的各种不同指令的全体称为计算机的指令系统，不同型号 的计算机均有特定的指令系统，其指令形式和内容各不相同。
计算机组成 第四讲
第四讲 主存储器及指令系统
目录
CONTENTS
01 主存储器的技术指标及基本操作 02 指令系统
03 计算机语言
01
主存储器的技术指标及基本操作
4.1 主存储器
在现代计算机中，主存储器（简称主存或内存）处于全机中心地位，其原因是：
（1）当前计算机正在执行的程序和数据（除了暂存于CPU寄存器以外的所有原始数据、中间结果和最 后结果）均存放在存储器中。CPU直接从存储器取指令或存取数据
主存储器的速度和容量两项指标随着存储器件的发展得到了极大的提高。但是，具有合适价格的主存 储器能提供信息的速度总是跟不上CPU的处理指令和数据的速度。
4.2 主存储器的基本操作
当CPU需要从存储器中取一个信息字时，CPU必须指定存储器字地址， 并令存储器进行“读”操作。CPU需要把信息字的地址送到AR，经地址 总线送往主存储器。同时，CPU应用控制线（读写）发出一个“读”请求。
CPU
AR
此后，CPU等待从主存储器发来的回答信号，通知CPU“读”操作完成。
K
主存储器通过ready线做出回答，若ready信号为1，说明存储字的内容已 读/写
经读出，并放在数据总线上，送入DR,这是，“取”数操作完成。
DR
n 地址总线 数据总线
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二、 几种提高主存读写速度的技术（续）
4、双数据传输同步动态随机存储器（DDR SDRAM ）
不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据，还能在下降沿读出数 据，不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度。
5、Rambus DRAM
• 是一种窄通道系统，一次只传输16位数据，速度较宽通道 系统快的多。
• 引入了RISC技术，依靠其极高的工作频率，通过减少每个 周期的数据量来简化操作。
• Rambus结构的带宽视Rambus通路的个数而定。 • 采用全新设计，需要用RIMM插槽与芯片组配合。 • 行地址与列地址的寻址总线是各自分离的独立总线。
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三、 多体交叉存储技术
1、 并行访问存储器 1）、单体多字并行存储系统
MDR W位 W位
…
W位
单体指只有一套地址寄存 器和地址译码器;多字指有多 个容量相同的存储模块。 即多个并行工作的存储 器共有一套地址寄存器和地 址译码电路，按同一地址并 行地访问各自对应的单元。
• •
4
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二、 几种提高主存读写速度的技术（续）
3、同步动态随机存储器（SDRAM）
是一种与主存总线运行同步的DRAM,基本原理是将CPU和RAM 通过一个相同的时钟锁在一起，使RAM和CPU能够共享一个时钟 周期，以相同的速度同步工作。
• 在同步脉冲控制下工作，取消了主存等待时间，减少数据传 送延迟时间，加快系统速度。
MDR MDR
…
MDR
M0
M1
…
M n -1
地址译码 MAR
地址译码 MAR
…
地址译码 MAR
.
块内地址
.
模块号
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三、 多体交叉存储技术（续）
以4体为例，其地址编排如下表所示
模块号 M0 M1 M2 M3 地址编址序列 0，4，8，12，…，4i+0，… 1，5，9，13，…，4i+1，… 2，6，10，14，…，4i+2，… 3，7，11，15，…，4i+3，… 对应二进制地址的最低两 位 00 01 10 11
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5.2.4、提高主存读写速度的技术
一、主存与CPU速度的匹配 二、几种提高主存读写速度的技术 三、多体交叉存储技术
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5.2.4、提高主存读写速度的技术
为了提高计算机系统的工作效率，需要提高主存储器的读 写速度。为此可以实现能够独立地执行读写的多个主存储器 体，以便提高多个存储体之间并行读写的能力。 多体结构同时适用于静态和动态的存储器。 考虑到程序运行的局部性原理，多个存储体应按低位地 址交叉编址的方式加以组织，即相邻的存储字依此存储在不 同的存储体中。 类似的也可按一体多字的方式设计存储器。
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5.2.4、提高主存读写速度的技术
一、 主存与CPU速度的匹配
问题的提出 CPU需频繁和主存交换数据，主存速度将直接影响系 统性能。而主存速度落后于CPU速度，使CPU速度降低至主 存速度。
二、 几种提高主存读写速度的技术
1、 快速页模式动态随机存储器（FPM DRAM）
• 保持行地址不变而只改变列地址，可对给定行的所有数据进 行更快的访问。
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数据总线
W
W
W
W
主存储器存储体
一体 4 字结构
10
地址寄存器
15:05:37
数据总线
0字
1字
2字
3字
单字 4 体结构
11
地址寄存器
小结：
本节课主要讲解了以下内容：
一、主存与CPU速度的匹配
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二、几种提高主存读写速度的技术
三、多体交叉存储技术 重点掌握：提高主存读写速度的技术和多体 交叉存储技术 。
• 标准的FPM DRAM支持5-3-3-3的突发模式周期。
• 内存条主要采用72线的SIMM封装，其存取速度一般在60～ 100ns左右。
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二、 几种提高主存读写速度的技术（续）
2、扩展数据输出DRAM（EDO DRAM）
• 采用一种特殊的主存读出控制逻辑，不必等待当前的读 写周期完成即可启动下一个读写周期，节省了重选地址 的时间，提高了读写速度。 可获得5-2-2-2的突发模式周期，性能与FPM DRAM相比 改善了22％，而制造成本与FPM DRAM相近。 内存条目前主要采用72线的SIMM形式封装，也有少部分 采用168线的DIMM封装，存取时间约为50～70ns。
M0
M1
…
M n -1
.
地址译码 MAR
地址
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三、多体交叉存储技术（续）
2、多体交叉访问存储器
多体单字指存储体内有多个容 量相同的存储模块，且各存储体有 自己独立的地址寄存器、译码电路 和数据寄存器，任何时间允许对多 个存储体独立访问。
交叉存取指各个模块的存储单 元的地址是交叉编排，且存取时间 均匀分布在一个存取周期内。CPU 在一个存储周期内分时访问每个。
• SDRAM突发模式可达到5-1-1-1，比EDO快将近20%。
• SDRAM采用新的双存储体结构，内含两个交错的存储矩阵，允 许两个主存页面同时打开。
• SDRAM普遍采用168线的DIMM封装，目前SDRAM的工作频率已达 100MHz、133MHz，能与当前的CPU同步运行。
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