计算机组成原理(存储器).ppt
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1、计算机组成原理,主讲:颜俊华 存储子系统,存储子系统,主要知识点: 掌握存储器的分类、存储系统的层次结构 掌握存储单元、存储容量、地址线、数据线的关系3. 掌握用半导体存储芯片组成主存储器的方法 了解辅助存储器的工作原理5. 掌握ache和虚拟存储器的工作原理,重点:半导体存储器,存储系统的层次结构、各类存储器的特点、主存储器的组织方法(与CPU的连接方法),cache,虚拟存储器,难点:主存储器的组织方法,ache、虚拟存储器的工作原理,存储系统层次结构,三级存储体系 存储系统:容量大、速度快、成本低,CPU,Cache,主存,外存,对某类存储器而言,这些要求往往是相互矛盾的,如容量大,速度
2、不能很快;速度快,成本不可能低;因此,在一个存储系统常采用几种不同的存储器,构成多级存储体系,满足系统的要求。,主存储器(内存)辅助存储器(外存)高速缓冲存储器Cache,存储系统层次结构,主要存放CPU当前使用的程序和数据。,速度快,容量有限,存放大量的后备程序和数据。,速度较慢,容量大,存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。,速度很快,容量小,物理存储器和虚拟存储器 主存-外存层次:增大容量 CPU 主存 外存:为虚拟存储器提供条件 虚拟存储器:将主存空间与部分外存空间组成逻辑地址空间 用户使用逻辑地址空间编程,操作系统进行有关程序调度、存储空间分配、地址转换等工作,存储系统层
3、次结构,存储器分类,按存储机制分类 半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器存储信息 动态存储器:依靠电容存储电荷存储信息 磁表面存储器:利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大,非破坏性读出,长期保存信息,速度慢。 光盘存储器 利用光斑的有无表示信息,存储器分类,按存取方式分类 随机存取存储器 随机存取:可按地址访问存储器中的任一单元,访问时间与地址单元无关,RAM:,MROM:,可读可写,ROM:,只读不写,PROM:,用户不能编程,用户可一次编程,EPROM:,用户可多次编程,EEPROM:,用户可多次编程,SRAM:,DRAM:,存储器分类,顺序存取存储器(SAM) 访问时按读/
4、写部件顺序查找目标地址,访问时间与数据位置有关,等待操作,平均等待时间,读/写操作,两步操作,速度指标,(ms),数据传输率,(字节/秒),存取周期或读/写周期,(ns),速度指标:,时钟周期的若干倍,作主存、高速缓存。,存储器分类,直接存取存储器(DM) 访问时读/写部件先直接指向一个小区域,再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关,三步操作,定位(寻道)操作,等待(旋转)操作,读/写操作,速度指标,平均定位(平均寻道)时间,平均等待(平均旋转)时间,数据传输率,(位/秒),存储器分类,相联存储器:是一种特殊存储器,是基于数据内容进行访问的存储设备。 写入数据时CAM能自动选择一个未用空
5、单元进行存储。 读取数据时CAM用所给数据同时对所有存储单元中的数据进行比较标记符合条件的数据。 比较是同时进行的,所以读取速度比基于地址进行读写的速度快。,主存储器分类,随机存取存储器RAM:可读可写、断电丢失 只读存储器ROM:正常情况下只读、断电不丢失,随机存取存储器,RAM(radom access memry,随机存取存储器)要求元件有如下记忆特性: 有两种稳定状态; 在外部信号的激励下,两种稳定状态能进行无限次相互转换; 在外部信号激励下,能读出两种稳定状态; 可靠地存储。半导体RAM元件可以分为两大类: SRAM:是利用开关特性进行记忆,只要电源有电,它总能保持两个稳定状态中的一
6、个状态。 DRAM:除要电源有电外,还必须动态地每隔一定的时间间隔对它进行一次刷新,否则信息就会丢失。,只读存储器,掩模型只读存储器MROM 可编程只读存储器PROM 可重编程只读存储器EPROM 电擦除可编程只读存储器EEPROM 闪速存储器flash,1.掩模型只读存储器MROM以有无元器件表示0和1,MROM芯片出厂时,已经写入信息,不能改写用于需要量大且不需要改写的场合,只读存储器,2. 可编程只读存储器PROMPROM芯片出厂时,内容为全1,用户可用专用PROM写入器将信息写入,一旦写入不能改写(即只能写入一次),所以又称一次型可编程只读存储器。,熔丝型PROM,只读存储器,3. E
7、PROM:可擦除可编程ROMUVEPROM (ultraviolet erasable programmable ROM) 紫外线擦除(有一石英窗口,改写时要将其置于一定波长的紫外线灯下,照射一定时间全部擦除,时间长大约1025分钟) EPROM存在两个问题:A. 用紫外线灯的擦除时间长.B. 只能整片擦除,不能改写个别单元或个别位,只读存储器,4.电可擦除只读存储器EEPROM(electronically EPROM) 可在联机情况下,通过专用写入器加高压擦除 可多次,支持数据块擦除 5. 闪速存储器(Flash E2PROM)又称快擦存储器 是在EEPROM基础上发展起来的新型电可擦可编
8、程的非易失性存储器特点:高密度/非易失性/读/在线改写;兼有RAM和 ROM的特点,可代替软盘和硬盘。 擦写次数可达10万次以上。读取时间小于10ns。,存储器性能指标,存取时间TA(Memory Access Time):是存储器收到读或写的地址到从存储器读出(写入)信息所需的时间 存取周期TM(Memory Circle Time):指连续启动二次独立的存储器操作(例连续2次读)所需间隔的最小时间.一般TM TA,存储器性能指标,存取宽度(W):也称存取总线宽度,一次访问可存取的数据位数或字节数. 存储器带宽:也叫数据传输率,每秒从存储器读取信息量,常用字节/秒表示。,带宽BM:指每秒访问
9、二进制位的数目。 BM=W/ TM 若TM=500ns,W=16位, BM=16/0.5=32Mbps则 要提高BM:使TM 使W 增加存储体,存储器性能指标,容量:指计算机存储信息的能力,即最大的二进制信息量,以b或B表示 信息的可靠保存性、非易失性、可更换性 有源存储器:例半导体存储器靠电源才能存信息 无源存储器:磁盘、磁带等辅存中的信息关电后不丢失 非易失性:掉电时,信息不会丢失 结论:评价存储器的三个基本指标:C(Capacity)+ C(Cost)+ A(Access Speed),主存储器的组成,半导体存储器结构, 存储体 存储器芯片的主要部分,用来存储信息 地址译码电路 根据输入
10、的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元 片选和读写控制逻辑 选中存储芯片,控制读写操作,存储体,每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储1位(位片结构)或多位(字片结构)二进制数据 芯片存储容量与地址、数据线个数有关:芯片的存储容量2MN存储单元数存储单元的位数M:芯片的地址线根数N:芯片的数据线根数,存储体,23,单元地址,0000 0001 . . . . . . . . XXXX,存储单元,存储元,存储容量,存储体,地址线:决定了存储器的存储容量 数据线:一次访问存储器所得到数据位数,地址译码电路,1、译码器(decoder): 将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号,地址译
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