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1、第5章 多级结构的存储器系统,5.1 三级结构的存储器系统概述5.2 主存储器的组成原理与设计5.3 外存储器设备与磁盘阵列技术5.4 高速缓冲存储器5.5 虚拟存储器部件,由静态存储器构成。又称为 Cache，L2特点:读写速度最快,成本高,不需要刷新。,由动态存储器构成。又称为随机存储器(内存条)。特点：读写速度快（低于缓存），成本低，容量大，需要刷新。,由硬盘上的一块存储空间构成。又称虚盘。特点：读写速度慢，容量最大。,CPU首先到缓存中读取数据，如果没有，就到内存中去读取数据，再没有，就到硬盘中去找数据。,这样的存储方式，就称为三级结构的存储器系统。,5.1 三级结构的存储器系统概述,
2、5.2 主存储器的组成原理与设计,1、主存储器概述：主存储器就是人们通常所说的内存。主存储器用来存放正在运行中的的程序和相关数据。主存储器的读写速度和存储容量，直接影响到计算机系统的速度。读写速度：读写一个存储单元必须的时间，例如：60ns.存储周期：连续 两次读写时间间隔。存储容量：一般以字节来表示，1Byte(字节)=8bit(位)。,主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机的CPU和外围设备连在一起。,寻址空间：地址总线的位数决定了存储器的最大可寻址空间。I/O能力：数据总线的位数时钟频率异步方式：主存时钟与CPU时钟频率不同时，要求主存要有读写“完成”信号。,数据总线：用于在计
3、算机各部件之间传送数据。数据总线的位数（总线宽度）与总线时钟频率的乘积(输出能力)成正比。,控制总线：用来传送控制命令。控制总线的工作周期可以包括：主存储器读周期、主存储器写周期、I/O设备读周期、I/O设备写周期。,如果计算机系统中使用了不同读写速度的主存储器，在CPU发出读写主存储器的命令后，CPU不知道读写操作完成的时刻，可以由主存储器本身提供读写完成的回答信号。称异步运行方式。,地址总线：用于选择主存储器的一个存储单元，地址总线的 位数决定了可以访问的存储器的容量。20位的地址可以访问1MB的存储空间，11111111111111111111。32位的地址可访问4GB的存储空间。,数据
4、总线DB(Data Bus)：用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。,地址总线AB：是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或输入输出端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为21664KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。,控制总线：ControlBus，简称：CB。控
5、制总线主要用来传送控制信号和时序信号。,控制总线的控制信号中，有的是微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。,控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。,主存储器的分类：按照读写操作功能分类：可以分为只读(ROM)和读写(RAM)两种。按照生产工艺分类：可以分为静态(SRAM)和动态(DRAM)两种。,存储器的传输标准：传输标准是内存的规范，只有完全符合该规范，才能说
6、该内存采用了此传输标准。代表着内存的读写速度。例如：传输标准 PC3200 内存，代表着此内存工作频率为200MHz。等效频率为 400MHz 的 DDR 内存，也就是常说的 DDR-400内存。如：SDRAM 的 PC100、PC133；还有 DDR SDRAM 的 PC1600、PC2100、PC2700、PC3200、PC3500、PC3700；以及 RDRAM 的 PC600、PC800 和 PC1066 等。,一、SDRAM 传输标准 1)PC100 PC100 是 JEDEC 和英特尔共同制订的一个 SDRAM 内存条的标准，符合该标准的内存都称为 PC100，其中的 100 代表
7、该内存工作频率可达 100MHz。2)PC133PC133 是威盛公司联合了三星、现代、日立、西门子、和 NEC 等数家著名 IT 厂商联合推出的内存标准，其中的 133 指的是该内存工作频率可达 133MHz。PC133 SDRAM 的数据传输速率，可以达到 1.06GB/s。二、DDR 传输标准传统习惯是按照内存工作频率来命名，而 DDR 内存则以内存传输速率命名。因此，才有了今天的 PC1600、PC2100、PC2700、PC3200、PC3500 等。PC1600 的实际工作频率是 100 MHz，而等效工作频率是 200 MHz，那么，它的数据传输率就为“数据传输率频率每次传输的数
8、据位数”，也就是 200MHz64bit=12800Mbit/s，再除以 8(1字节=8位)就换算为 MB 为单位，就是 1600MB/s，从而命名为 PC1600。三、DDR2 传输标准DDR2 采用“4 bit Prefetch(4 位预取)”机制，即核心频率还在 200MHz的DDR2 内存的数据频率也能达到 800MHz，也就是所谓的 DDR2800。,四、常用存储器类型:1).RAM:随机存取存储器。2).DRAM:动态随机存取存储器 Dynamic Random Access Memory。3).SRAM:静态随机存取内存（Static Random Access Memory。4
9、).FRAM:铁电存储器,非易性数据存储性能。.5).SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory。同步动态随机存取存储器。6).RDRAM:是Ram bus Dynamic Random Access Memory。总线式动态随机存储器。7).EDORAM:extended data output RAM。扩展数据输出内存。是通过取消两个存储周期之间的时间间隔,来提高存取速率的。可将RAM速度提高约30%。仅适用于总线速度小于或等于66MHz的情况,是97年最为流行的内存.8).DDR SDRAM:双通道同步动态随机存储器。9).DDR2 SD
10、RAM:第二代双倍数据率同步动态随机存取内存。Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory。,存储器的基本原理:,存储器的基本原理:,主存储器简介:,动态存储器是用金属氧化物半导体管和电容构成，用来存储一个二进制位（bit）,见下图：T 三极管，Cs 电容,2、动态存储器的记忆原理和读写过程,MOS管的源极接一个电容Cs，Cs中存有电荷，表示为“1”；Cs中没有电荷，表示为“0”；所以，一个MOS管和一个电容就构成了一个二进制的存储单元：位。,写数据过程如下：,写“1”：使字线为“1”，T管导通，当数据线为“0”时，
11、电源向电容Cs冲电，Cs冲满电时，为写“1”。,写“0”：使字线为“1”，T管导通，当数据线为“1”时，电容Cs经T管、数据线、电源进行放电，Cs放完电时，为写“0”。,为“1”,为“0”,T导通,电容充电,为“1”,T导通,为“1”,Cs放电,读数据过程如下：,读“1”：使字线为“1”，T管导通，当数据线为“1”时，如果Cs已充满电，放大器检测到电容两端的电压，为读“1”。读数据的同时电容Cs经电源、位线、T管放电，所以称破坏性读出，需要进行再充电，既刷新。,为“1”,导通,为“1”,已充电,读“0”：使字线为“1”，T管导通，当数据线为“1”时，如果Cs未充电，放大器检测到电容两端的电压为
12、0，则读出“0”。,为“1”,导通,为“1”,未充电,内存写：,内存读：,由于动态存储器的读出信号很小，所以在位线上必须使用高灵敏放大器对读出的信号进行放大。,见191页图5.4 高灵敏放大器,放大器工作原理：,在读数据前，2=1，T5导通，使T3、T4的输出短接，是为了提高放大器的灵敏度。,=1,=1,读数据前：,电路中，VDD为正电源，T1管、T2管用来做电阻，T5管用来控制灵敏度，T3、T4管为放大器。1接字线，D端是放大器的输出。,读数据时：,假如电容CS已经充满电，为“1”状态，就使 D端为“1”，T4导通，D1=0。,2=0，T5截止，位线上的一个很小的信号就使触发器翻转产生输出。
13、,=1,=0,CS=1,D=1,1,假如电容CS未充电，为“0”状态，就使 D端为“0”，T4截止，D1=1。,导通,=0,CS=0,D=0,0,截止,=1,动态存储器的读写线路,触发器的输出端,触发器的输出端,预充电放大器：在读写数据之前,为CS/2电容先充电,电荷量是CS电容的一半，使读写更可靠。,3、静态存储器的原理和内部结构,静态存储器(SROM)，是用触发器线路来记忆和读写数据。见右图。,右图中，T1、T2构成触发器，T3、T4用做电阻，将VDD正电源引入。T5、T6用来做字选控制，T7、T8用来做位选控制。A端和B端是触发器的输出。,静态存储器工作原理：,读数据：,该电流在位线1上产生一个负脉冲，检测到该负脉冲，就是读出“1”，,反之，如果A=1，T2导通，在位线2上产生负脉冲，检测到该负脉冲，就是读出“0”，,=1,=1,导通,静态存储器工作原理：,写操作，通过两条位线写入数据。,送1,送0,1,0,1,=1,=1,=1,写1,送0,送1,=1,1,0,=0,写0,静态存储器的特点:,静态存储器是由触发器构成，靠触发器的翻转来存储数据。所以，静态存储器的读写速度最快，是非破坏性读出，不需要刷新。缺点是成本高。所以，静态存储器一般用来做CPU内部的一级缓冲存储器L1和二级缓冲存储器L2。,
