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存储系统
教案正页
课程名称:
计算机组成原理
任课教师
总课序
第次
授课
时间
第11周
第次课
撰写(修改)稿
2012年9月18日
讲课内容
第4章
课题
存储器
课时安排
4课时
授课方式
□理论课□讨论课□实践课□实验课□习题课□其他
教具
准备
黑板多媒体讲解
教学
目的
了解存储器的分类及层次结构、主存的基本组成和CPU的联系
教学
重点
1存储器的分类及层次结构
2主存的基本组成和CPU的联系
教学
难点
存储器的层次结构和主存的基本组成
教学基本内容
教学手段及时间分配
复习旧课:
回忆前节课所讲内容,提问:
计算机硬件系统由哪些组成?
引入新课:
计算机中所有的信息(数据)都存储在存储器中,所以存储器是计算机的记忆设备。
随着超大规模集成电路技术的发展,CPU技术的飞速发展,使得存储器与CPU之间还有I/O设备之间信息交换速度成为了关键,因此存储器的性能已成为计算机系统的核心。
新课内容:
4.1概述
4.2主存储器
4.2.1概述
4.2.2半导体存储器芯片简介
板书纲要:
见增加页
范例讲解
实验讲解
课堂讨论
本讲共2课时,
其中:
4.1概述1课时
4.2主存储器
4.2.1概述
4.2.2半导体存储器芯片简介1课时
教案中页
(一)存储器的分类
提高存储器带宽
缩短储存周期
增加存储字长,使每个周期可读/写更多的二进制数
增加存储体
内存
地址线n,数据线数k
芯片的容量为2k×k位
20位的地址可以访问1MB的存储空间,32位的地址可以访问4GB的内存空间,64位可以访问1800万TB
静态RAM和动态RAM之间的比较。
目前,动态RAM的应用比静态RAM要广泛的多:
1同样大小的芯片中,动态的RAM的集成度远高于静态RAM,DRAM的基本单元电路为一个MOS管,SRAM的基本单元电路可为4~6个MOS管
2DRAM行、列按先后顺序输送,减少了芯片引脚,封装尺寸也减少
3DRAM的功耗比SRAM小
4DRAM的价格比SRAM的价格便宜
DRAM也有缺点
1由于使用动态元件(电容),因此它的速度比SRAM低
2DRAM需再生,需配置再生电路,也消耗一部分功率.通常容量不大的Cache大多用SRAM实现存储器与CPU连接
对比项目
SRAM
DRAM
储存信息
触发器
电容
破坏性读出
非
是
需要刷新
非
是
行列地址
同时送
分两次
运行速度
快
慢
集成度
低
高
发热量
大
小
存储成本
高
低
(二)存储器的层次化结构
存储器有3个重要的指标:
速度,容量和每位价格,一般来说,速度越快,位价越高;容量越大,位价越低,容量大,速度就越低.上述三者的关系用下图表示:
存储系统层次结构主要体现在缓存-主存-辅存这两个存储层次上,如下图所示:
缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题
主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题
从CPU角度来看缓存-主存层次的速度接近于缓存,高于主存;其容量和价位却接近于主存,这就从速度和成本的矛盾中获得了理想的解决办法.
主存-辅存层次从整体分析,其速度接近于主存,容量接近于辅存,平均价位也接近于低速的、廉价的存储价位,这又解决了速度、容量、成本这三者之间的矛盾.
现代计算机系统几乎都具有这两个存储层次,构成了缓存、主存、辅存三级存储系统.
(三)半导体随机存取存储器
1.SRAM存储器的工作原理
SRAM静态存储单元的每个存储位需要四到六个晶体管组成.比较典型的是六管存储单元,即一个存储单元存储一位信息"0"或"1".静态存储单元保存的信息比较稳定,信息为非破坏性读出,故不需要重写或者刷新操作;另一方面,其结构简单,可靠性高,速度较快,但其占用元件较多,占硅片面积大,且功耗大,所以集成度不高.
静态随机存储单元
2.DRAM存储器的工作原理
常见的DRAM存储单元有三管式和单管式两种,它们的共特点是靠电容存储电荷的原理来寄存信息.若电容上存有足够的电荷表示“”,电容上无电荷表示"0".电容上的电荷一般只能维持1-2ms,因此即使电源不掉电,电容上的电荷会自动消失.因此,为保证信息的不丢失,必须在2ms之内就要对存储单元进行一次恢复操作,这个过程称为再生或者刷新.与SRAM相比,DRAM具有集成度更高,功耗低等特点,目前被各类计算机广泛使用.
(四)只读存储器
前面介绍的DRAM和SRAM均为可任意读/写的随机存储器,当掉电时,所存储的内容消失,所以是易失性存储器.只读存储器,即使停电,存储内容也不丢失.根据半导体制造工艺不同,分为ROM,PROM,EPROM,E2ROM和FlashMemory
1.只读存储器(ROM)
掩模式ROM由芯片制造商在制造时写入内容,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”),可以用二极管或晶体管作为元件,显而易见,其存储内容是不会改变的.
2.可编程序的只读存储器(PROM)
PROM可由用户根据自己的需要来确定ROM中的内容,常见的熔丝式PROM是以熔丝的通和断开来表示所存的信息为“1”或“0”.刚出厂的产品,其熔丝是全部接通的.根据需要断开某些单元的熔丝(写入).显而易见,断开后的熔丝是不能再接通了,因而一次性写入的存储器.掉电后不会影响其所存储的内容.
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.利用浮动栅MOS电路保存信息,信息改写用紫外线照射即可擦除.
4.可电擦可编程序只读存储器(E2PROM)
E2PROM的编程序原理与EPROM相同,擦除原理完全不同,重复改写次数有限制(因氧化层被磨损),一般10万次.
其读写操作可按每个位或每个字节进行,类似SRAM,但每字节的写入周期要几毫秒,比SRAM长得多.E2PROM每个存储单元采则2个晶体管.其栅极氧化层比EPROM薄,因此具有电擦除功能.
5.快除读写存储器(FlashMemory)F1ashMemory是在EPROM与E2PROM基础上发展起来的,其读写过程和E2PROM不同,F1ashMemory的读写操作一般是以块为单位.
布置作业
(书面作业、电子版作业)
1P233:
1,6,8
②查看系2、4、5机房计算机的主存储器容量,硬盘大小及规格等相关信息
课后小结
①存储器是计算机系统中的记忆部件,也是核心部件,在计算机中按照不同的分类方法可以将存储器分成很多类型。
3存储系统结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存两个存储层次上
4主存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路。
④半导体存储器芯片举例
说明:
1.每项页面大小可自行添减;
2.教学手段如:
范例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、实验讲解等。
教案正页
课程名称:
计算机组成原理
任课教师
总课序
第次
授课
时间
第12周
第次课
撰写(修改)稿
2012年9月18日
讲课内容
第4章
课题
存储器
课时安排
4课时
授课方式
□理论课□讨论课□实践课□实验课□习题课□其他
教具
准备
黑板多媒体讲解
教学
目的
主存储器与CPU的连接
教学
重点
主存储器与CPU的连接
教学
难点
存储器与CPU的连接
教学基本内容
教学手段及时间分配
复习旧课:
回忆上节课所讲内容
引入新课:
从一台具体的计算组成上简单的介绍一下安装在主机箱上主板,以及主板之上内存,引出内存在主板中的物理位置和芯片组。
引出本节新的内容。
新课内容:
存储器与CPU的连接
板书纲要:
范例讲解
实验讲解
课堂讨论
本讲共4课时,其中:
存储器与CPU的连接
教案中页
(五)主存储器与CPU的连接
1个存储器的芯片的容量是有限的,它在字数或字长方面与实际存储器的要求都有很大差距,所以需要在字向和位向进行扩充才能满足需要.根据存储器所需的存储容量和所提供的芯片的实际容量,可以计算出总的芯片数.一个存储器的容量为M×N位,若使用L×K位存储器芯片,那么,这个存储器共需要M/L×N/K存储器芯片.
1.位扩展
位扩展指的是用多个存储器器件对字长进行扩充.位扩展的连接方式是将多片存储器的地址,片选己,读写控制端R/W可相应并联,数据端分别引出.
2)字扩展
字扩展指的是增加存储器中字的数量.
静态存储器进行字扩展时,将各芯片的地址线,数据线,读写控制线相应并联,而由片选信号来区分各芯片的地址范围.
3)字位扩展
实际存储器往往需要字向和位向同时扩充.
(六)双口RAM和多模块存储器
1.双端口存储器
双端口存储器是一种具有两个单独的读/写端口及控制电路的存储器,通过增加一个读/写端口,双端口存储器扩展了存储器的的信息交换能力.
2.多模块存储器
为了解决CPU与主存储器之间的速度匹配问题,在高速存储器中,普遍采用并行主存系统.即利用类似存储器扩展(位扩展,字扩展,字位扩展)的方法,将n个字长为W位的存储器并行连接,构建一个更大的存储器.并行主存有单体多字方式,多体并行方式和多体交叉方式.
布置作业
(书面作业、电子版作业)
①P233:
2~5
②上网查询现在市场流行的有哪些规格的内存和高速缓冲寄存器,主要采用了那些技术
课后小结
存储器按不同的方式分类、工作原理、组成方式与CPU的连接,主要学会高速缓冲存储器的存储原理,数据校验码校验过程。
说明:
1.每项页面大小可自行添减;
2.教学手段如:
范例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、实验讲解等。
教案正页
课程名称:
计算机组成原理
任课教师
总课序
第次
授课
时间
第12周
第次课
撰写(修改)稿
2012年9月18日
讲课内容
第4章
课题
存储器
课时安排
4课时
授课方式
□理论课□讨论课□实践课□实验课□习题课□其他
教具
准备
黑板多媒体讲解
教学
目的
掌握高速缓冲存储器、高速存储器、了解虚拟存储器、存储保护以及由各种存储器组成的多级存储系统的工作原理。
教学
重点
高速缓冲存储器
虚拟存储器
教学
难点
存储器与CPU的连接
替换策略
教学基本内容
教学手段及时间分配
复习旧课:
回忆上节课所讲内容
引入新课:
从一台具体的计算组成上简单的介绍一下安装在主机箱上主板,以及主板之上内存,引出内存在主板中的物理位置和芯片组。
引出本节新的内容。
新课内容:
存储器校验
高速缓冲存储器
cache__主存地址映射
替换策略
磁盘存储器
板书纲要:
范例讲解
实验讲解
课堂讨论
本讲共4课时,其中:
高速缓冲存储器
存储器校验2课时
cache_主存地址映射
替换策略2课时
教案中页
(七)高速缓冲存储器(Cache实际上,这是来自法文的一个单词,意思是隐蔽之所或藏东西的地方)
概述
1.问题的提出
避免CPU“空等”现象
CPU和主存(DRAM)的速度差异
1.程序访问的局部性
从大量的统计中得到的一个规律是,程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中,而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中.这就是通常说的局部性原理.访存的局部性规律包括两个方面:
时间局部性:
如果一个存储项被访问,则可能该项会很快被再次访问.
空间局部性:
如果一个存储项被访问,则该项及其邻近的项也可能很快被访问.
2.Cache的基本工作原理
Cache通常由两部分组成,块表和快速存储器.其工作原理是:
处理机按主存地址访问存储器,存储器地址的高段通过主存-Cache地址映象机构借助查表判定该地址的存储单元是否在Cache中,如果在,则Cache命中,按Cache地址访问Cache.否则,Cache不命中,则需要访问主存,并从主存中调入相应数据块到Cache中,若Cache中已写满,则要按某种算法将Cache中的某一块替换出去,并修改有关的地址映象关系.
从这个工作原理我们可以看出,它已经涉及到了两个问题.首先是定位,然后是替换的问题.
Cache的存在对程序员是透明的.其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现.通常Cache被集成到CPU内以提高访问速度.
3.Cache和主存之间的映射方式
因为处理机访问都是按主存地址访问的,而Cache的空间远小于主存,如何知道这一次的访问内容是不是在Cache中,在Cache中的哪一个位置呢?
这就需要地址映象,即把主存中的地址映射成Cache中的地址.让Cache中一个存储块(空间)与主存中若干块相对应,如此,访问一个主存地址时,就可以对应地知道在cache中哪一个地址了.地址映象的方法有三种:
直接映象,全相联映象和组相联映象.
直接映象就是将主存地址映象到Cache中的一个指定地址.任何时候,主存中存储单元的数据只能调入到Cache中的一个位置,这是固定的,若这个位置已有数据,则产生冲突,原来的块将无条件地被替换出去.
全相联映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式.在这种方式下,主存中存储单元的数据可调入到Cache中的任意位置.只有在Cache中的块全部装满后才会出现块冲突.
组相联映象指的是将存储空间的页面分成若干组,各组之间的直接映象,而组内各块之间则是全相联映象.
4.Cache中主存块的替换算法
在直接映象方式下,不存在块替换的算法,因为每一块的位置映象是固定的,需要哪一块数据就可直接确定地将该块数据调入上层确定位置.而其他两种映象就存在替换策略的问题,就是要选择替换到哪一个Cache块.即替换算法.
思想
优点
缺点
随机算法RAND
用软的或硬的随机数产生器产生上层中要被替换的页号
简单,易于实现
没有利用上层存储器使用的"历史信息",没有反映等程序局部性,命中率低.
先进先出FIFO
选择最早装入上层的页作为被替换的页
实现方便,利用了主存历史的信息
不能正确反映程序局部性原理,命中率不高,可能出现一种异常现象.
近期最少使用法LRU
选择近期最少访问的页作为被替换的页
比较正确反映程序局部性,利用访存的历史信息,命中率较高
实现较复杂
优化替换算法OPT
将未来近期不用的页换出去
命中率最高,可作为衡量其他替换算法的标准
不现实,只是一种理想算法
5.Cache写策略
对Cache的写操作,情况比读操作要复杂一些.由于写入Cache时,并没有写入主存,因此就出现Cache和主存数据不一致的情况.如何处理Cache和主存不一致的方法就称为更新策略.
更新策略
思想
优点
缺点
写回法
是指在CPU执行写操作时,信息只写入Cache中,仅当需要替换时,才将改写过的Cache块先送回主存(写回),然后再调块(设置dirty位)
有利于省去许多将中间结果写入主存的无谓开销.
需设修改位增加Cache的复杂性
全写法(写直达法)
在写操作时,将数据同时写入Cache和主存
实现开销小,简单
为了写中间结果浪费了不少时间
另外,当写不命中时(也就是写Cache块时,这块早被人替换出去而在Cache中找不到时)是不是要把这块再取回Cache中,有两个解决方法:
◆不按写分配法,就是直接写到主存里,不再把该地址对应的块调回Cache中.
◆按写分配法,就是写到主存,而且把这一块从主存中调入到Cache.
一般写回法用按写分配法,全写法则采用不按写分配.
(八)虚拟存储器
1.虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器是主存的扩展,虚拟存储器的空间大小取决于计算机的访存能力而不是实际外存的大小,实际存储空间可以小于虚拟地址空间.从程序员的角度看,外存被看作逻辑存储空间,访问的地址是一个逻辑地址(虚地址),虚拟存储器使存储系统既具有相当于外存的容量又有接近于主存的访问速度.
虚拟存储器的访问也涉及到虚地址与实地址的映象,替换算法等,这与Cache中的类似,前面我们讲的地址映象以块为单位,而在虚拟存储器中,地址映象以页为单位.设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用率和主存的命中率.
虚拟存储器与Cache存储器的管理方法有许多相同之处,它们都需要地址映象表和地址变换机构.但是二者也是不同的.
虚拟存储器的三种不同管理方式:
按存储映象算法,分为段式,页式和段页式等,这些管理方式的基本原理是类似的.
2.页式虚拟存储器
页式管理:
是把虚拟存储空间和实际空间等分成固定大小的页,各虚拟页可装入主存中的不同实际页面位置.页式存储中,处理机逻辑地址由虚页号和页内地址两部分组成,实际地址也分为页号和页内地址两部分,由地址映象机构将虚页号转换成主存的实际页号.
页式管理用一个页表,包括页号,每页在主存中起始位置,装入位等.页表是虚拟页号与物理页号的映射表.页式管理由操作系统进行,对应用程序员的透明的.
3.段式虚拟存储器
段式管理:
把主存按段分配的存储管理方式.它是一种模块化的存储管理方式,每个用户程序模块可分到一个段,该程序模块只能访问分配给该模块的段所对应的主存空间.段长可以任意设定,并可放大和缩小.
系统中通过一个段表指明各段在主存中的位置.段表中包括段名(段号),段起点,装入位和段长等.段表本身也是一个段.段一般是按程序模块分的.
4.段页式虚拟存储器
段页式管理:
是上述两种方法的结合,它将存储空间按逻辑模块分成段,每段又分成若干个页,访存通过一个段表和若干个页表进行.段的长度必须是页长的整数倍,段的起点必须是某一页的起点.
5.TLB(快表)
在虚拟存储器中进行地址变换时,需要虚页号变换成主存中实页号的内部地址变换,这一般通过查内页表实现.当表中该页对应的装入位为真时,表示该页在主存中,可按主存地址问主存;如果装入位为假时,表示该页不在存储器中,就产生页失效中断,需从外存调入页.
中断处理时先通过外部地址变换,一般通过查外页表,将虚地址变换为外存中的实际地址,到外存中去选页,然后通过I/0通道调入内存.当外存页面调入主存中时还存在一个页面替换略的问题.
提高页表的访问速度是提高地址变换速度的关键.因为,每次访存都要读页表,如果页存放在主存中,就意味着访存时间至少是两次访问主存的时间,这样查表的代价大大.只有内部地址变换速度提高到使访问主存的速度接近于不采用虚拟存储器时的访主存速度时,虚拟存储器才能实用.
根据访存的局部性,表内各项的使用的概率不是均匀分布的.在一段时间内,可能只用表中的很少几项,因此应重点提高使用概率高的这部分页表的访问速度,可用快速硬件构成全表小得多的部分表格,而将整个表格放在主存中,这就引出了快表和慢表的概念和技术.这样,虚地址到实地址的变换方法如后图所示.
查表时,根据虚页表同时查找快表和慢表,当在快表中查到该虚页号时,就能很快找到对应的实页号,将其送入主存实地址寄存器,同时使慢表的查找作废,这时主存的访问速度没降低多少.
如果在快表中查不到,则经过一个访主存的时间延迟后,将从慢表中查到的实页送入实地址寄存器,同时将此虚页号和对应的实页号送入快表,这里也涉及到用一个替换算法从快表中替换出一行.
快表的存在对所有的程序员都是透明的.
软磁盘存储器
硬盘
软盘
速度
高
低
磁头
固定、活动、浮动
活动、接触盘片
盘片
固定盘、盘组大部分不可换
可换盘片
价格
高
低
环境
苛刻
布置作业
(书面作业、电子版作业)
①P234:
10~28
②上网查询现在市场流行的有哪些规格的内存和高速缓冲寄存器,主要采用了那些技术
课后小结
存储器按不同的方式分类、工作原理、组成方式与CPU的连接,主要学会高速缓冲存储器的存储原理,数据校验码校验过程。
说明:
1.每项页面大小可自行添减;
2.教学手段如:
范例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解、实验讲解等。
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