1、第三章 存储系统,3.1 存储系统概述 3.2 主存储器 3.3 高速缓冲存储器（cache） 3.4 辅助存储器 3.5 虚拟存储器 3.6 相联存储器 3.7 存储保护,3.1 存储系统概述,目前我们使用的微型计算机都是以存储器为中心，这与传统的冯诺依曼计算机以运算器为中心不同。但是现在的计算机系统还是采用冯诺依曼的存储程序的工作方式。,3.1.1 存储器分类,存储器的作用是用来存储程序和数据。从存储器的作用、存储介质、存取方式、读写方式、保存信息时间的长短、访问类型六个方面来对存储器进行分类。按存储器在计算机系统中的作用分类（1）高速缓冲存储器（cache）：用来存放正在执行的程序段和数
2、据，以便CPU高速地使用它们。,（2）主存储器（简称主存或内存）：用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读写访问。（3）辅助存储器（简称辅存或外存）：用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，CPU不能直接访问它们。当需要这些信息时，要先把信息调入主存储器后CPU才能访问的到。,按存储器所使用的存储介质分类 （1）半导体存储器：如双稳态触发器、MOS半导体存储器等。 （2）磁存储器：如磁芯存储器、磁带和磁盘等。 （3）光存储器：如光盘存储器等。能用来作为存储器的器件和介质，其基本存储单元应有两个稳定的物理状态分别来存储二进制信息1和0。,按存
3、取方式分类 （1）随机读写存储器（Random Access Memory，RAM）：通过指令可以随机地、个别地对各个存储单元进行访问，一般访问所需要的时间基本固定，而与存储单元地关。 （2）顺序存储器（Serial Access Memory，SAM）：只能按照一定的顺序来读写存储器，比如磁带。,（3）直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM）：既不象随机读写存储器那样随机地根据地址来进行读写，也不象磁带那样严格按照一定的顺序进行读写，而是介于两者之间。存储器的任何部位没有实际的连线的寻址机构，需要存取信息时，先直接指向存储器的一个子区域，再对这一小区域顺序检索。即首
4、先用随机方式找到目标地址附近的范围，然后在此范围内用顺序读写的方式找到所要读写,按读写方式分类 （1）只读存储器（Read Only Memory，ROM）：只能把存储器里的信息读出来，不能把信息写入存储器中。 （2）读写存储器：既可以把存储器里的信息读出来，又可以把信息写入存储器中。 按信息的保存时间分类 （1）易失性存储器：断电后，存储器中的信息立即消失，如半导体随机读写存储器等。 （2）永久性存储器：断电后，存储器中的信息仍然可以存储，如磁带、磁盘和光盘等。,按访问类型分类 （1）按地址访问：根据存储器的地址来访问该地址里的信息。 （2）按内容访问：即相联存储器，访问时根据所要访问信息的
5、全部或部分来跟存储器中的全部信息进行比较，相等则对该地址中的信息进行读或者写的操作。,3.1.2 存储系统及设计目标,存储系统的功能是组织好容量、速度、价格等不同的存储器，使该存储系统的速度接近速度最大的、存储容量等于容量最大的存储器、价位比接近与最便宜的那个存储器，以解决存储器的速度、容量和价位比之间的矛盾，这就是存储系统的设计目标。,现代计算机采用典型的多层存储结构，即cache主存辅存，如图3.1所示。其中，cache的容量最小，但速度最快；辅存的容量最大，但速度最慢，主存的容量、速度则处于两者之间。,多层存储结构的层次之间应满足的以下两个原则： （1）一致性原则：处于不同层次存储器的同
6、一个信息应该保持相同的值。 （2）包含性原则：处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立。,3.2 主存储器,3.2.1 主存储器概述主存储器用于存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接地对主存储器进行读写访问，输入/输出设备也直接和主存储器交换数据。所以主储存器的容量和读写速度会影响计算机系统的整体性能。,3.2 主存储器,主存储器处于全机中心地位，原因有三点： （1）主存储器存放当前计算机正在执行的程序和数据，CPU直接从主存储器取指令或存取数据。 （2）利用DMA（直接存储器存取）技术和输入输出通道技术，在主存储器与输入输出系统之间直接传送数据。 （3）共享存储器
7、的多处理机结构中利用主存储器存放共享数据，并实现处理机之间的通信。,主存储器的性能指标主存储器的主要性能指标为存储容量和存取速度。 存储容量:是指一个存储器所能容纳的二进制信息总量。 Moore定律:每个存储芯片中集成的晶体管数量每18个月翻一番。 容量单位：位（bit）和字节（Byte），现在多数机器把一个字节定为8位。,容量表示方法:直接给出总容量或用存储字的个数乘以字长（一个存储字所包括的二进制位数称为字长）来表示容量。 比如某存储器的容量为64M16位，表示它有64M个存储字，存储字的字长为16位，若用字节数表示，则可记为128M字节（128MB）。 常用的存储容量的计量单位有K、M、
8、G和T，1K=210，1M=220，1G=230，1T=240。,主存储器的存取速度一般用主存储器的存取时间和存储周期来描述。 存取时间:是指从启动一次存储器操作到完成该操作所需要的时间。 存储周期:是指连续启动两次独立的存储器操作所需要的最小时间间隔。 一般情况下，存储周期大于存取时间。,主存储器的基本操作主存储器是各种信息存储和交换的中心，如CPU和外设直接跟主存储器进行数据交换。主存储器是通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）跟CPU以及外设相连，CPU通过地址寄存器（AR）和数据寄存器（DR）跟主存储器进行数据交换。如图3.2所示。,图3.2 主存储器与CPU及外设的
9、连接,主存储器与CPU之间的基本操作是读和写 （1）读CPU先把信息字的地址送到AR，经过地址总线送往主存，同时CPU通过控制总线发出一个读的请求信号，然后CPU等待从主存储器发来的信号，通知CPU读操作已经完成。主存储器通过ready线回答，如果ready线反馈给CPU的信号为1，说明CPU要读出的信息已经读出，并放在数据总线上，送往CPU的DR。,（2）写CPU先将要写入的信息在主存中的地址经AR送往地址总线，并把要写入的信息送往DR，同时通过控制总线发出写的控制信号，然后CPU等待写操作完成信号。主存把收到的信息写入CPU指定的地址后通过ready线发出完成信号1。通过上面两个操作，可以
10、看出CPU与主存之间采用异步工作方式，即一方工作时，另一方必须处于等待状态。数据总线上传送的是数据，地址总线上传送的是地址，而控制总线上传送的是控制信号或反馈信息。,3.2.2 ROM,ROM存储器里的内容一旦写入后，在正常使用的情况下就只能读，不能修改。即使断电，ROM所存储的内容也不会丢失。根据半导体制造工艺的不同，可分为Mask ROM，PROM，EPROM，E2PROM和Flash Memory。,掩模式只读存储器(Mask ROM)掩模式ROM由芯片制造商在制造时写入内容，出厂以后只能读而不能再写入。其基本存储原理是以元件的有/无来表示该存储单元的信息(1或0)。掩模式ROM常用二极
11、管或晶体管作为存储元件。所以，掩模式ROM的存储内容写入后是不会改变的。,可编程序的只读存储器(PROM)可编程序的只读存储器和掩模式ROM不同的是出厂时厂家并没有写入数据，而是保留里面的内容为全0或全1，由用户来编程，即一次性写入数据，也就是改变部分数据为1或0，即用户根据自己的需要来确定ROM中的内容。 常见的熔丝式PROM是以熔丝的接通和断开来表示所存的信息为1或0。如图3.3所示。,图3.3 熔丝式PROM,可擦除可编程序的只读存储器(EPROM)为了能多次修改ROM中的内容，便产生了EPROM。其基本存储单元如图3.4所示。在源极S与漏极N之间有一个浮栅，当浮栅上充满负电荷时，源极S
12、与漏极N之间导通，存储数据0，否则不导通，存储数据1。由于浮栅的绝缘性能特别好，电荷不易消失，因此能够长期保存信息。出厂时EPROM的浮栅上没有负电荷，因此，所有存储单元均保存1。,图3.4 EPROM存储单元,写入方法：在专用的EPROM编程器上，在需要写0的位置，在源极与漏极之间加上高电压，把电荷加到浮栅上，于是，S极与N极之间就能够导通。 擦除方法：打开EPROM芯片顶部的石英玻璃窗口，放入专用的EPROM擦除器中5到20分钟，擦除器中的紫外线能够使浮栅上的电荷逐渐消失，使其恢复到全1状态。EPROM即使在125度的高温下，浮栅上的电荷仍然能够保持原来的70，因此，EPROM能够长时间使
13、用。,可电擦除可编程序只读存储器(E2PROM)E2PROM的编程序原理与EPROM相同，但擦除原理完全不同，重复改写的次数有限制(因氧化层被磨损)，一般为10万次。其读写操作可按每个位或每个字节进行，类似于SRAM，但每字节的写入周期要几毫秒，比SRAM长得多。E2PROM每个存储单元采用两个晶体管。其栅极氧化层比EPROM薄，因此具有电擦除功能。,快擦除读写存储器(Flash Memory)20世纪90年代，Intel公司发明了快擦除读写存储器。快擦除读写存储器也被称为闪存，是在EPROM与E2PROM基础上发展起来的，它与EPROM一样，用单管来存储一位二进制信息；它与E2PROM相同之
14、处是用电来擦除，也可重复改写10万次。,图3.5 Flash Memory的写入原理,图3.6 Flash Memory的擦除原理,3.2.3 RAM,按照存储元件在运行中能否长时间保存信息，半导体随机读/写存储器可分为静态半导体随机读/写存储器（SRAM）和动态半导体随机读/写存储器（DRAM）。其中SRAM利用双稳态触发器来保存信息，而且只要不断电，信息不会丢失，DRAM使用MOS电容来保存信息，使用时需要不断给电容充电。静态半导体随机读/写存储器的集成度低，生产成本高，速度快，常被用于实现速度高的高速缓冲存储器。动态半导体随机读/写存储器集成度高，生产成本低，主要用于实现要求容量大的主存
15、储器。,SRAM静态半导体随机读/写存储器是利用触发器线路记忆来读写信息的。通常用六个MOS管组成一个存储单元来存储一位二进制信息。存储单元中的T1和T2、T3和T4，4个MOS管分别组成两个反相器，这两个反相器的输入和输出交叉耦合连接成一个触发器，用来存储一位二进制信息。如图3.7所示。,图3.7 SRAM的存储单元,T5和T6两个MOS管用来完成读和写操作的控制，它们的栅极和字选择线相连，存储单元未被选中时，字选择线保持低电位，两位线保持高电位；单元被选中时，字选择线保持高电位。T5和T6MOS管另外一个极分别与两条位线相连，用来传送读写信号。存储单元的读写过程如下：,写信息的过程：写1时
16、，位线1送低电平，位线2送高电平，当字选择线来高电平，T5和T6导通，位线2通过T6向T1的栅极充电，使得T1导通，而T2的栅极通过T5和位线1放电，使得T2截止，该存储单元存储的便是信息1。写0时，位线1送高电平，位线2送低电平，当字选择线来高电平，T5和T6导通，位线1通过T5向T2的栅极充电，使得T2导通，而T1的栅极通过T6和位线2放电，使得T1截止，该存储单元存储的便是信息0。,读信息的过程：两条位线先充电到高电平，当字选择线送高电平时，T5和T6导通。若该存储单元存储的信息是1，即T1导通，T2截止，位线1就会经过T5产生流向T1的电流，从而位线1上出现一个负脉冲，位线2上则没有负
17、脉冲。若该存储单元存储的信息是0，即T2导通，T1截止，位线2就会经过T6产生流向T2的电流，从而位线2上出现一个负脉冲，位线1上则没有负脉冲。所以，读出时通过检查哪条位线上出现一个负脉冲来判断读出来的是1还是0。,图3.8中是一个161位的SRAM。16个存储单元排成一个44的矩阵，写入电路和读出电路都经过T7，T8和位线1，2相连。161位的地址码共4条，分成两部分，A0，A1以及A2，A3分别作为X、Y译码器的输入，X译码器的每一个输出和一条字选择线相连，去选择矩阵中的一个字。Y译码器的每个输出去控制每一列单元的T7和T8，所以Y译码器的输出被称为列选择线。当某个存储单元被选中时，字选择
18、线把该单元的T5和T6打开，列选择线使得T7和T8导通。如果写允许信号=0，电路执行写的操作，要写入的数据DIN经过T7，T8以及T5，T6进入所选中的存储单。,图3.8 161位的SRAM组成框图,DRAM动态半导体随机读/写存储器用四个、三个或一个MOS管来存储一位二进制信息。下面以单管DRAM为例来介绍DRAM的读写原理。单管DRAM的存储单元由一个晶体管和一个与晶体管的源极相连接的电容CS组成。信息就被存储在电容CS里，CS上有电荷则表示信息1，CS上无电荷则表示信息0。如图3.9所示。,图3.9 单管存储单元组成框图,写信息的过程：写1时，字线来高电平，使得T导通，位线来低电平，如果电容Cs中无电荷，VDD通过T对Cs充电，使得Cs中存储一定数量的电荷。若电容Cs中有电荷则VDD不通过T对Cs充电，Cs的电荷保持不变。写0时，字线来高电平，使得T导通，位线为高电平，若Cs中有电荷，则Cs通过T放电，电容Cs中无电荷则保持不变。读信息的过程：位线先预充电至高电平，当字线出现高电平后，T导通，若原来Cs中充有电荷，则Cs放电，使位线电位下降，经放大后，读出为1；若原来Cs中无电荷，则位线无电位变化，放大器无输出，读出为0。,
