存储器原理与接口(4)
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第四章-存储器04-高速缓冲存储器
Cache 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111
调入
4.1、地址映象——直接映像
例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为： 10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010， 求每次访问时Cache的内容。
硬件完成功能： 访存地址 转成 Cache地址 辅助存储器
Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。
4.1、地址映象
映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。
常见的映象方式主要有三种： 1）直接映象 2）全相联映象 3）组相联映象
CPU Cache 字 数据总线 字
2位 主存区号标记 00 主存块号 比较 3位 区内块号 100 Cache块号 未命中 访问内存 000 001 010 011 100 101 110 111 块内地址 块内地址
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111
调入
块表 000 001 010 011 100 101 110 111
4、高速缓冲存储器（Cache）
考研试题精选：
假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200 次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。
求：Cache—主存系统的平均存取时间和效率。 解： 系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111 调入
块表 000 10 001 010 11 011 100 101 110 10 111
计算机组成原理 第 4 章 存储器系统
2013-11-4 22
• 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
2013-11-4 27
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
2013-11-4
5
(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。
2013-11-4
6
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
2013-11-4
MFC
图 4-1
主存储器的基本组成 18
• 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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5
(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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6
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
《微型计算机原理与接口技术》(第三版)习题答案
习题11.1 冯·诺依曼型计算机的设计方案有哪些特点？【解答】冯·诺依曼型计算机的设计方案是“存储程序”和“程序控制”，有以下5方面特点：（1）用二进制数表示数据和指令；（2）指令和数据存储在内部存储器中，按顺序自动依次执行指令；（3）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成基本硬件系统；（4）由控制器来控制程序和数据的存取及程序的执行；（5）以运算器为核心。
1.3 微型计算机的特点和主要性能指标有那些?【解答】除具有运算速度快、计算精度高、有记忆能力和逻辑判断能力、可自动连续工作等基本特点以外，还具有功能强、可靠性高、价格低廉、结构灵活、适应性强、体积小、重量轻、功耗低、使用和维护方便等。
微型计算机的性能指标与系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配备等有关。
常用的微型计算机性能指标主要有：字长、主频、内存容量、指令数、基本指令执行时间、可靠性、兼容性、性能价格比等。
1.微机系统的硬件由哪几部分组成？答：三部分：微型计算机（微处理器，存储器，I/0接口，系统总线），外围设备，电源。
2.什么是微机的总线，分为哪三组？答：是传递信息的一组公用导线。
分三组：地址总线，数据总线，控制总线。
3.什么是总线，微机中的总线通常分为哪几类？答：是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路；有四类，片内总线，微处理器总线，系统总线，外总线。
4.8086/8088CPU的内部结构分为哪两大模块，各自的主要功能是什么？答：总线接口部件（BIU）功能：根据执行单元EU的请求完成CPU与存储器或IO设备之间的数据传送。
执行部件（EU），作用：从指令对列中取出指令，对指令进行译码，发出相应的传送数据或算术的控制信号接受由总线接口部件传送来的数据或把数据传送到总线接口部件进行算术运算。
5.8086指令队列的作用是什么？答：作用是：在执行指令的同时从内存中取了一条指令或下几条指令，取来的指令放在指令队列中这样它就不需要象以往的计算机那样让CPU轮番进行取指和执行的工作，从而提高CPU的利用率。
微型计算机系统原理及应用 第4章 半导体存储器
17
4．3 半导体只读存储器（ROM）
4.3.1 掩膜式只读存储器ROM ROM制造厂家按用户提供的数据，在芯片制造时
写定。用户无法修改。
18
4.3.2 可编程的只读存储器PROM 只能写入一次。
19
4.3.3 可编程、可擦除的只读存储器EPROM
1. 紫外线擦除的EPROM 进行照射10～20min，擦除原存信息，成为全1状态。
8
2．静态RAM的结构 将多个存储单元按一定方式排列起来，就组成了一个静 态RAM存储器。
9
典型的SRAM 6116：2KB，A0~A10，D0~D7形成 128*16*8（每8列组成看作一个整体操作）的阵列
片选CS# 输出允许 OE#
读写控制 WE#
10
典型的SRAM芯片6264 (8KB)
29
存储器芯片的选用
RAM、ROM区别：
–ROM：ROM用来存放程序，为调试方便，多采用EPROM
–RAM：存储器容量不大，功耗较小时，可采用静态RAM；
系统较大，存储器容量很大，功能和价格成为主要矛盾， 要选择动态RAM，这时要考虑刷新问题。
组成存储器模块时，需要考虑的因素主要有：容
量、速度、负载等：
14
2. 双端口RAM举例
CY7C130/131/140/141 1K*8bit高速双端口SRAM A0~A9：地址线 I/O0~I/O7：数据线 CE#：片选 OE#：输出允许线 R/W#：读写控制 BUSY#： INT#：
15
存储器的基本组成 半导体存储器的内部结构为例
译码电路： 重合译码方式 存储体：核心。一个 基本存储电路可存入 一个二进制数码
A12 A7 A6 A5 A4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 Vcc WE CS 2 A8 A9 A 11 OE A 10 CS 1 D7 D6 D5 D4 D3
(完整word版)第四章存储器习题
第四章存储器一、填空题1. 计算机中的存储器是用来存放的,随机访问存储器的访问速度与无关.√2。
主存储器的性能指标主要是、存储周期和存储器带宽。
√3。
存储器中用来区分不同的存储单元，1GB= KB。
√4。
半导体存储器分为、、只读存储器(ROM)和相联存储器等。
√5. 地址译码分为方式和方式.√6。
双译码方式采用个地址译码器，分别产生和信号。
√7。
若RAM芯片内有1024个单元，用单译码方式，地址译码器将有条输出线；用双译码方式,地址译码器有条输出线。
√8. 静态存储单元是由晶体管构成的，保证记忆单元始终处于稳定状态，存储的信息不需要。
√9. 存储器芯片并联的目的是为了 ,串联的目的是为了。
10. 计算机的主存容量与有关，其容量为。
11。
要组成容量为4M×8位的存储器,需要片4M×1位的存储器芯片并联，或者需要片1M×8位的存储器芯片串联。
12. 内存储器容量为6K时，若首地址为00000H,那么末地址的十六进制表示是。
13 主存储器一般采用存储器件，它与外存比较存取速度、成本。
14 三级存储器系统是指这三级、、。
15 表示存储器容量时KB= ,MB= ;表示硬盘容量时,KB= ，MB= 。
16一个512KB的存储器，其地址线和数据线的总和是。
17 只读存储器ROM可分为、、和四种.18 SRAM是；DRAM是；ROM是；EPROM是。
19半导体SRAM靠存储信息，半导体DRAM则是靠存储信息。
20半导体动态RAM和静态RAM的主要区别是。
21MOS半导体存储器可分为、两种类型，其中需要刷新。
22 广泛使用的和都是半导体③存储器。
前者的速度比后者快，但不如后者高，它们的共同缺点是断电后保存信息.23 EPROM属于的可编程ROM，擦除时一般使用，写入时使用高压脉冲.24 单管动态MOS型半导体存储单元是由一个和一个构成的。
25 动态半导体存储器的刷新一般有、和三种方式。
计算机组成原理第4章主存储器(00001)资料讲解
CS
WE
DOUT
片选读时间 taCS
CPU必须在这段时 间内取走数据
片禁止到输出的传 输延迟tPLH CS→DOUT
15
1. 静态存储器（SRAM）（6）
(2) 开关特性
写周期时序 地址对写允许WE的保持时间 th Adr
地址对写允许WE的建立时间 tsu
Adr
Adr
CS
WE
最小写允许宽度tWWE
保持1，0 的双稳态 电路
存储单元
9
1. 静态存储器（SRAM）
MOS管是金属(Metal)—氧化物(Oxid)—半导体(Semiconductor) 场效应晶体管，或者称S管有三个极：源极S（Source）、漏极D（Drian）和栅极G（Gate）.
器
控制电路
0 … 31
读/写电路 Y地址译码
CS WE DIN H ×× LLL LLH L H×
DOUT H H H DOUT
操作方式
未选 写“0” 写“1”
读
WE CS
A5 … A9
14
1. 静态存储器（SRAM）（5）
(2) 开关特性
读周期时序
Adr
地址对片选的建立时间 tsu Adr→CS
27
4.6 非易失性半导体存储器（4）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 为了能修改ROM中的内容，出现了EPROM。其原理：
VPP(+12V)
控制栅 浮置栅
5～7V
源n+
漏n+
P型基片
28
4.6 非易失性半导体存储器（5）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 存储1，0的原理：
计算机组成原理——主存储器4
第4 章
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
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
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
的时间一样。
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
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13
5.3 主存储器及存储控制
5.3.2主存储器的基本组成
半导体存储器RAM可分为静态和动态两种。
静态存储器单元电路由双稳态触发器构成；
动态存储器单元电路由MOS开关管和电容器构成。
24.11.2020
医学ppt
14
5.3 主存储器及存储控制
5.3.2主存储器的基本组成
存储电路有规则地组合起来，构成了存储体；
24.11.2020
医学ppt
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5.3 主存储器及存储控制
5.3.1主存储器——主要指标
容量 存储容量
存储容量 = 单元数 X 数据线位数(bit)
例: 2764 EPROM的容量为 (8K X 8bit)
地址线根数为13， 2的13次方＝8K
6264 SRAM的容量为 (8K X 8bit)
1.不同模式下CPU的存储器接口
8086CPU在最小模式和最大模式下的配置是不同的。 所以8086CPU在最小模式和最大模式下的内存接口 配置也不相同。
最小模式下的配置见图5.8，最大模式下的配置见图5.9。
24.11.2020
医学ppt
18
5.4 8086系统的存储器组织
8086CPU在最小模式下的内存接口配置：
1KB=210B 8KB=213B 16KB=214B 32KB=215B 64KB=216B 128KB=217B 256KB=218B
1MB=220B
1GB=230B
1TB=240B
24.11.2020
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12
5.3 主存储器及存储控制
5.3.2主存储器的基本组成
24.11.2020
医学ppt
存储器是由大量的存储体构成。
一个存储器芯片除了存储体外，还有许多外围电路： 地址译码器；
I/O电路； 片选控制端；
集电极开路或三态输出缓冲器。
24.11.2020
医学ppt
15
5.3 主存储器及存储控制
5.3.2主存储器的基本组成
存储器的地址译码有两种方式： 单译码（字结构）； 双译码（复合译码结构）。
这种系统的不断发展和完善，就逐步形成了现在广泛使 用的虚拟存储系统。
24.11.2020
医学ppt
9
5.2 多层存储结构概念
在这个系统中，程序员可用机器指令地址码对整个程序 统一编址。
这种指令地址码称为虚拟地址、逻辑地址或程序地址等， 其对应的存储容量称为虚拟容量或程序空间。
主存的实际地址称为物理地址、实（存）地址，其对应 的存储容量称为主存容量、实存容量或实（主）存空间。
价格的矛盾。
24.11.2020
医学ppt
7
5.2 多层存储结构概念
采用四级存储的层次结构可以得到一个容量极大、 价格很低，而速度很高的存储系统，成为当今计算 机存储器的典型结构。
从整个微型计算机存储器分层结构来看，整个结 构主要是两个层次：
Cache——主存层次； 主存——辅存层次。
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存储器的性能一直是计算机性能的主要指标。
所谓存储器，是指许多存储器单元的集合。
24.11.2020
医学ppt
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5.1 存储器分类
存储器按作用分类
RAM
内存
存储器
外存
ROM
SRAM DRAM EPROM EEROM
高速缓存பைடு நூலகம்
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医学ppt
4
5.2 多层存储结构概念
由于内存的工作速度总是不能满足CPU的需要， 同时内存在容量上也总是落后于系统软件和应 用软件的需要。因此，要取得一个兼有大容量、 高速度和低成本的存储系统，应该在系统结构 的设计上综合利用各种存储器的特长，回避其 弱点，组成一个在性价比上最忧的存储系统， 为此，提出了多层存储器结构的概念。
第5章 半导体存储器
机械系统计算机控制 2008 机电学院
24.11.2020
医学ppt
1
存储器
存储器是计算机的重要组成部分，用来存储程序和 数据。
存储器的性能一直是计算机性能的主要指标。
所谓存储器，是指许多存储器存储器单元的集合。
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5.1 存储器分类
存储器是计算机的重要组成部分，用来存储程序和数据。
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5.2 多层存储结构概念
Cache——主存层次解决的是CPU与主存速度上的差距。
Cache——主存层次的速度接近于CPU，但容量却是主 存的。 主存——辅存层次解决了存储器的大容量与低成本之间 的矛盾。
程序员可以把主存、辅存看成统一的整体，可以利用比 主存实际容量大得多的逻辑地址编写程序。
如果A0=0，则字存放在偶地址开始的单元中，低8 位存放在偶地址的字节单元里，高8位存放在奇地址 的字节单元里；
5.4.1 8086CPU的存储器接口 实现接口包括三项工作： 存储器结构的确定； 存储器芯片的选择； 存储器接口设计。
其中，存储器接口设计实际上就是要解决存储器 与系统三大总线的正确连接与时序匹配问题。
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5.4 8086系统的存储器组织
5.4.1 8086CPU的存储器接口
字结构——n根地址线输入经全译码得到2n个输出， 用以选择2n个字。
复合译码结构——把n根地址线分成接近相等的两段，分别
译码，产生一组X地址线和一组Y地址线，然后让X地址线和一 组Y地址线在字存储单元列成矩阵的存储体中一一相“与”，选 择出相应的存储体。
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5.4 8086系统的存储器组织
主要目的在于解决速度与成本的问题。其容量呈 金字塔形分布，速度逐级下降但容。
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5.2 多层存储结构概念
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5.2 多层存储结构概念
高速缓存是计算机 提高整体性能的一 种技术。由于Cache只
占存储器的很少一部分，成 本增加不多，解决了速度与
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5.4 8086系统的存储器组织
8086CPU在最大模式下的内存接口配置：
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5.4 8086系统的存储器组织
为了有效地使用存储空间，一个字可以存储在以偶地 址或奇地址开始的连续两个字节单元中，地址的最低 有效位A0决定了字的边界。
地址线根数为13，2的13次方＝8K
速度(存储器访问时间)
低速在300 ns以上 , 中速在100 ns ~ 200 ns之间, 超高速小于20 ns。
6116 RAM为120 ns，2764 EPROM为200 ns
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5.3 主存储器及存储控制
5.3.1主存储器——主要指标