计算机组织与结构课件 第4章 存储系统组织与结构.ppt

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1、第4章存储系统组织与结构本章结构14.1存储系统概述24.2半导体存储器34.3交叉存储技术54.5虚拟存储器44.4高速缓冲存储器4.1存储系统概述存储器的组织存储器的分类存储器的分层结构1.存储器的组织从物理上讲，存储器是由具有一定记忆功能的物理器件构成的。从逻辑上讲，存储器可以看成是由一个个存储单元构成的连续的地址空间。如图4-1是存储器的逻辑组织结构图。计算机CPU对存储器的操作主要有两种：一是读，二是写。所谓“读”，是指CPU将某个指定的存储单元的内容从存储器中取出，送入CPU或其它部件中处理；所谓“写”，是指CPU将其

2、它某个部件中的数据写入到指定的存储单元。CPU对存储器的读、写操作统称为CPU访存操作。一般来讲，CPU与存储器之间的物理连接主要包括三组信号线：地址线、数据线和控制线，如图4-2示。WRITEREAD地址线数据线CPUARDR存储器图4-2CPU与存储器的连接CPU对存储器的读操作过程如下：要访问的存储单元地址→AR↓AR内容送地址总线↓CPU发出读命令READ↓存储单元内容读出至数据总线↓数据总线→DRCPU对存储器的写操作过程如下：要访问的存储单元地址→AR↓要写入的数据→DR↓AR内容送地址总线↓DR内容送数据总线↓发出写

3、命令WRITE↓DR中的内容写入存储单元2.存储器的分类按照存储器在计算机中的作用划分，主要包括计算机主存、计算机辅存和高速缓存。主存（Memory）又称为计算机内存，就是冯·诺依曼结构中的存储器，用于存储要执行的程序和处理的数据辅存（Storage）又称为计算机外存，在现代冯·诺依曼机器中，程序在执行之前是以文件的方式存储在外存中，当要运行某程序时，由操作系统将该程序从外存调入内存中；高速缓存（Cache）是一种小容量、高速度的存储器，目前，在计算机的主板和CPU中均设置了高速缓存，设置高速缓存的目的是利用程序的局部性原理实现计

4、算机的存储层次，提高CPU的访存速度，以匹配CPU和主存之间在速度上的差异。按照存储器所使用的物理存储介质或材料划分，目前主流存储器主要有三种：半导体存储器；磁介质存储器；光存储器。在现代计算机中，半导体存储器主要用作计算机的主存，而磁介质存储器和光存储器则用作计算机辅存。按照存储器的读写功能划分，主要有两种：一是随机存取存储器RAM，可以对存储单元按地址随机存取；二是只读存储器ROM，在正常工作条件下，对单元内容只可读不可写。RAM和ROM均属于半导体存储器，是构成计算机主存的主要存储介质，而其中RAM在计算机中用于存储操作系统

5、的常驻内存部分和用户程序，ROM则用于存储操作系统的内核。用户程序空间操作系统常驻内存操作系统内核RAMROM图4-3计算机内存分布存储器还有易失性和非易失性之分。所谓易失性是指写入存储器中的内容在通电情况下能够保存，一掉电则全部丢失；非易失性则是指写入存储器中的内容在不通电情况下仍然能够保存。将以上类型的存储器总结如下图4-4所示。计算机存储器主存辅存随机存取存储器RAM只读存储器ROM磁介质存储器：磁盘、磁带等光介质存储器：CD-ROM、读写光盘等图4-4计算机存储器种类知识拓展：FlashMemoryFlashmemory称

6、为闪速存储器（简称闪存），是在EPROM的基础上发展起来的一种新型半导体存储器，于1983年推出，1988年逐渐商品化，进入90年代中后期开始逐步得到广泛应用。从功能特性上讲，它可以归属于ROM，因为它具有非易失性的特点。但从目前计算机的使用上讲，它是作为计算机外部存储器来使用的。3.存储器的分层结构用户对计算机存储器的要求：容量大速度快成本低为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构。片级cache主存辅存板级cacheCPU很小容量、最快速小容量、快速正常容量、正常速度大容量、慢速

7、存储器的层次中包括高速缓冲存储器Cache、主存和辅存，其中：Cache是由小容量（通常为几十KB到几十MB）、高速的半导体存储器件构成；主存一般使用动态半导体存储器件构成，在速度上比Cache慢，但容量更大，价格相对更低，现代机器根据应用要求的不同通常将主存配置到几百MB到几十GB甚至更大；辅存又称海量存储器，通常由磁介质存储器构成，其特点是容量大，速度慢，价格最便宜。Cache又可以进一步分为片上Cache和板上Cache。片上Cache是指CPU内部配置的Cache，又称为一级Cache，板上Cache是指计算机主板上配置的

8、Cache，又称为二级Cache。一级Cache比二级Cache的容量更小，但速度更快。在有些机器中，还进一步将指令和数据分开，分别存放在指令缓存和数据缓存中。4.2半导体存储器半导体存储器的种类半导体存储器的组成与工作原理主存储器的设计1.半导体