计算机组成原理课件(八).ppt

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1、计算机组成原理（第八讲）主讲：谌兰樱2013年4月16日 2.存储器与存储器与 CPU 的连接的连接(1)地址线的连接地址线的连接(2)数据线的连接数据线的连接(3)读读/写命令线的连接写命令线的连接(4)片选线的连接片选线的连接(5)合理选择存储芯片合理选择存储芯片(6)其他其他 时序、负载时序、负载4.2例例4.1 解解:(1)写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码(2)确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2、1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2片片1K4位位ROM1片片 2K8位位4.2(3)分配地址线分配地址线A10 A0 接接 2K 8位位 ROM 的地址线的地址线A9 A0 接接 1K 4位位 RAM 的地址线的地址线(4)确定片选信号确定片选信号C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0

3、0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K 8位位1片片 ROM1K 4位位2片片RAM4.2 2K 8位位 ROM 1K 4位位 RAM1K 4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2AMREQA14A15A13A12A11A10A9A0D7D4D3D0WR例例 4.1 CPU 与存储器的连接图与存储器的连接图4.2(1)写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码例例4.2 假设同前，要求最小假设同前，要求最小 4K为系统为系统 程序区，相邻程序区，相邻 8K为用户程序区。为用户程序区。(2)确定芯片的数量及类型确定芯片的数量

4、及类型(3)分配地址线分配地址线(4)确定片选信号确定片选信号1片片 4K 8位位 ROM 2片片 4K 8位位 RAMA11 A0 接接 ROM 和和 RAM 的地址线的地址线4.2例例 4.3 设设 CPU 有有 20 根地址线，根地址线，8 根数据线。根数据线。并用并用 IO/M 作访存控制信号。作访存控制信号。RD 为读命令，为读命令，WR 为写命令。现有为写命令。现有 2764 EPROM(8K 8位位),外特性如下：外特性如下：用用 138 译码器及其他门电路（门电路自定）画出译码器及其他门电路（门电路自定）画出 CPU和和 2764 的连接图。要求地址为的连接图。要求地址为 F0

5、000HFFFFFH,并并写出每片写出每片 2764 的地址范围。的地址范围。4.2D7D0CEOECE片选信号片选信号OE允许输出允许输出PGM可编程端可编程端PGMA0A12六、存储器的校验六、存储器的校验编码的纠错编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关、检错能力与编码的最小距离有关L 编码的最小距离编码的最小距离D 检测错误的位数检测错误的位数C 纠正错误的位数纠正错误的位数汉明码是具有一位纠错能力的编码汉明码是具有一位纠错能力的编码4.2L 1=D+C(DC)1.编码的最小距离编码的最小距离任意两组合法代码之间任意两组合法代码之间 二进制位数二进制位数 的的 最少差异最少差异L=3

6、具有具有 一位一位 纠错能力纠错能力汉明码的组成需增添汉明码的组成需增添？位检测位位检测位检测位的位置检测位的位置？检测位的取值检测位的取值？2k n+k+1检测位的取值与该位所在的检测检测位的取值与该位所在的检测“小组小组”中中承担的奇偶校验任务有关承担的奇偶校验任务有关组成汉明码的三要素组成汉明码的三要素4.22.汉明码的组成汉明码的组成2i (i=0，1，2，3，)各检测位各检测位 Ci 所承担的检测小组为所承担的检测小组为gi 小组独占第小组独占第 2i1 位位gi 和和 gj 小组共同占第小组共同占第 2i1+2j1 位位gi、gj 和和 gl 小组共同占第小组共同占第 2i1+2j

7、1+2l1 位位 C1 检测的检测的 g1 小组包含第小组包含第 1，3，5，7，9，11，C2 检测的检测的 g2 小组包含第小组包含第 2，3，6，7，10，11，C4 检测的检测的 g3 小组包含第小组包含第 4，5，6，7，12，13，C8 检测的检测的 g4 小组包含第小组包含第 8，9，10，11，12，13，14，15，24，4.2例例4.4 求求 0101 按按“偶校验偶校验”配置的汉明码配置的汉明码解：解：n=4根据根据 2k n+k+1得得 k=3汉明码排序如下汉明码排序如下:二进制序号二进制序号名称名称1 2 3 4 5 6 7C1 C2 C40 0101 的汉明码为的汉

8、明码为 010010101 0 14.210按配偶原则配置按配偶原则配置 0011 的汉明码的汉明码 二进制序号二进制序号 名称名称1 2 3 4 5 6 7C1 C2 C41 0 000 1 1解：解：n=4 根据根据 2k n+k+1取取 k=3C1=3 5 7=1C2=3 6 7=0C4=5 6 7=0 0011 的汉明码为的汉明码为 1000011练习练习14.23.汉明码的纠错过程汉明码的纠错过程形成新的检测位形成新的检测位 Pi ，如增添如增添 3 位位（k=3），新的检测位为新的检测位为 P4 P2 P1 。以以 k=3 为例，为例，Pi 的取值为的取值为P1=1 3 5 7P2

9、=2 3 6 7P4=4 5 6 7对于按对于按“偶校验偶校验”配置的汉明码配置的汉明码 不出错时不出错时 P1=0，P2=0，P4=0C1C2C4其位数与增添的检测位有关，其位数与增添的检测位有关，4.2P1=1 3 5 7=0 无错无错P2=2 3 6 7=1 有错有错P4=4 5 6 7=1 有错有错P4P2P1=110第第 6 位出错，可纠正为位出错，可纠正为 0100101，故要求传送的信息为故要求传送的信息为 0101。纠错过程如下纠错过程如下例例4.5解：解：已知接收到的汉明码为已知接收到的汉明码为 0100111（按配偶原则配置）试问要求传送的信息是什么（按配偶原则配置）试问要

10、求传送的信息是什么?4.2 练习练习2P4=4 5 6 7=1P2=2 3 6 7=0P1=1 3 5 7=0 P4 P2 P1=100第第 4 位错，可不纠位错，可不纠写出按偶校验配置的汉明码写出按偶校验配置的汉明码0101101 的纠错过程的纠错过程练习练习3按配奇原则配置按配奇原则配置 0011 的汉明码的汉明码配奇的汉明码为配奇的汉明码为 01010114.2七、提高访存速度的措施七、提高访存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 调整主存结构调整主存结构1.单体多字系统单体多字系统 W位位W位位W位位W位位W位位 地址寄存器地址寄存器 主主存存控控制制器器.单字长寄存器单字长寄存器 数

11、据寄存器数据寄存器 存储体存储体 采用层次结构采用层次结构 Cache 主存主存 增加存储器的带宽增加存储器的带宽 4.22.多体并行系统多体并行系统(1)高位交叉高位交叉 M0M1M2M34.2体内地址体内地址体号体号体号体号地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011 000111 1111顺序编址顺序编址 各个体并行工作各个体并行工作4.2M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址译码地址译码体内地址体内地址体号体号体号体号(1)高位交叉

12、高位交叉 M0M1M2M34.2体号体号体内地址体内地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11(2)低位交叉低位交叉各个体轮流编址各个体轮流编址4.2M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址译码地址译码 体号体号体内地址体内地址 体号体号(2)低位交叉低位交叉 各个体轮流编址各个体轮流编址低位交叉的特点低位交叉的特点在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽时间时间 单体单体访存周期访存周

13、期 单体单体访存周期访存周期4.2启动存储体启动存储体 0启动存储体启动存储体 1启动存储体启动存储体 2启动存储体启动存储体 3 4.2设四体低位交叉存储器，存取周期为设四体低位交叉存储器，存取周期为T，总线传输周期，总线传输周期为为，为实现流水线方式存取，应满足，为实现流水线方式存取，应满足 T 4。连续读取连续读取 4 个字所需的时间为个字所需的时间为 T(4 1)(3)存储器控制部件（简称存控）存储器控制部件（简称存控）易发生代码易发生代码丢失的请求丢失的请求源，优先级源，优先级最高最高严重影响严重影响 CPU工作的请求源，工作的请求源，给予给予 次高次高 优先级优先级4.2控制线路控

14、制线路排队器排队器 节拍节拍发生器发生器QQCM来自各个请求源来自各个请求源 主脉冲主脉冲存控标记存控标记 触发器触发器4.23.高性能存储芯片高性能存储芯片(1)SDRAM(同步同步 DRAM)在系统时钟的控制下进行读出和写入在系统时钟的控制下进行读出和写入CPU 无须等待无须等待(2)RDRAM由由 Rambus 开发，主要解决开发，主要解决 存储器带宽存储器带宽 问题问题(3)带带 Cache 的的 DRAM 在在 DRAM 的芯片内的芯片内 集成集成 了一个由了一个由 SRAM 组成的组成的 Cache，有利于，有利于 猝发式读取猝发式读取 4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器一、概述

15、一、概述1.问题的提出问题的提出避免避免 CPU“空等空等”现象现象CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差异的速度差异缓存缓存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理2.Cache 的工作原理的工作原理(1)主存和缓存的编址主存和缓存的编址主存和缓存按块存储主存和缓存按块存储 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长 主存块号主存块号主存储器主存储器012m1字块字块 0字块字块 1字块字块 M1主存块号主存块号块内地址块内地址m位位b位位n位位M块块B个字个字缓存块号缓存块号块内地址块内地址c位位b位位C块块B个字个字 字块字

16、块 0字块字块 1字块字块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号4.3(2)命中与未命中命中与未命中缓存共有缓存共有 C 块块主存共有主存共有 M 块块M C主存块主存块 调入调入 缓存缓存主存块与缓存块主存块与缓存块 建立建立 了对应关系了对应关系用用 标记记录标记记录 与某缓存块建立了对应关系的与某缓存块建立了对应关系的 主存块号主存块号命中命中未命中未命中主存块与缓存块主存块与缓存块 未建立未建立 对应关系对应关系主存块主存块 未调入未调入 缓存缓存4.3(3)Cache 的命中率的命中率CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与

17、Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 一般每块可取一般每块可取 4 8 个字个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉体交叉 块长取块长取 16 个存储字个存储字 IBM 370/168 4体交叉体交叉 块长取块长取 4 个存储字个存储字（64位位4 =256位）位）4.3(4)Cache 主存系统的效率主存系统的效率效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cache 的时间为的时间为 tc ，访问访问 主存主存 的时间为的时间为 tm 4.3则则 e=1

18、00%tc h tc+(1h)tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e=100%3.Cache 的基本结构的基本结构4.3Cache替换机构替换机构Cache存储体存储体主存主存Cache地址映射地址映射变换机构变换机构由由CPU完成完成4.Cache 的的 读写读写 操作操作 访问访问Cache取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存取出信息送取出信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中？命中？Cache满？满？CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始是是否否是是否否读读4.3Cach

19、e 和主存的一致性和主存的一致性 4.Cache 的的 读写读写 操作操作写写4.3 写直达法写直达法（Write through）写回法写回法（Write back）写操作时数据既写入写操作时数据既写入Cache又写入主存又写入主存 写操作时只把数据写入写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存而不写入主存当当 Cache 数据被替换出去时才写回主存数据被替换出去时才写回主存 写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问写操作时间就是访问 Cache 的时

20、间的时间，读操作读操作 Cache 失效发生数据替换时，失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了被替换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性的复杂性5.Cache 的改进的改进(1)增加增加 Cache 的级数的级数片载（片内）片载（片内）Cache片外片外 Cache(2)统一缓存和分立缓存统一缓存和分立缓存指令指令 Cache数据数据 Cache与主存结构有关与主存结构有关与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 数据数据 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 C

21、ache4.3 字块字块2m1 字块字块2c+1 字块字块2c+11 字块字块2c+1 字块字块2c 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0主存储体主存储体 字块字块 1 标记标记 字块字块 0 标记标记字块字块 2c1标记标记Cache存储体存储体t位位012c1 字块字块字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比较器（比较器（t位）位）=不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache内地址内地址否否是是命中命中二、二、Cache 主存的地址映射主存的地址映射1.直接映射直接映射每个缓存块每个缓存块 i 可以和可以和 若干若干 个个 主存块主

22、存块 对应对应每个主存块每个主存块 j 只能和只能和 一一 个个 缓存块缓存块 对应对应i=j mod C4.3 字块字块2c+1 字块字块2c 字块字块0 字块字块 02.全相联映射全相联映射主存主存 中的中的 任一块任一块 可以映射到可以映射到 缓存缓存 中的中的 任一块任一块字块字块2m1字块字块2c1字块字块1 字块字块0字块字块2c1字块字块1字块字块0标记标记标记标记标记标记主存字块标记主存字块标记 字块内地址字块内地址主存地址主存地址m=t+c 位位b位位m=t+cCache 存储器存储器主存储器主存储器 字块字块04.3字块字块2m1字块字块2c-r+1 字块字块2c-r+1

23、字块字块2c-r字块字块2c-r 字块字块1 字块字块0 字块字块 3标记标记 字块字块 1标记标记字块字块 2c1标记标记 字块字块 2标记标记 字块字块 0标记标记字块字块 2c2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记s=t+r 位位q=cr 位位b 位位组组012c-r1主存地址主存地址Cache主存储器主存储器m 位位共共 Q 组组，每组内两块（，每组内两块（r=1)1某一主存块某一主存块 j 按模按模 Q 映射到映射到 缓存缓存 的第的第 i 组组中的中的 任一块任一块i=j mod Q直接映射直接映射全相联映射全相联映射3.组相联映射组相联映射4.3 字

24、块字块0 字块字块 1 字块字块 0 字块字块2c-r 字块字块2c-r+1三、替换算法三、替换算法1.先进先出先进先出（FIFO）算法算法 2.近期最少使用（近期最少使用（LRU）算法算法小结小结某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接全相联全相联组相联组相联某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓存块某一某一 主存块主存块 只能只能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一块任一块不灵活不灵活成本高成本高4.34.4 辅助存储器辅助存储器一、概述一、概述1.特点特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息2

25、.磁表面存储器的技术指标磁表面存储器的技术指标道密度道密度 Dt位密度位密度 DbC=n k s寻道时间寻道时间+等待时间等待时间(1)记录密度记录密度(2)存储容量存储容量(3)平均寻址时间平均寻址时间(4)数据传输率数据传输率(5)误码率误码率辅存的速度辅存的速度寻址时间寻址时间磁头读写时间磁头读写时间Dr =Db V出错信息位数与读出信息的总位数之比出错信息位数与读出信息的总位数之比二、磁记录原理和记录方式二、磁记录原理和记录方式1.磁记录原理磁记录原理写写4.4局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入

26、“0”写入写入“1”IN读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出“0”读出读出“1”4.4读读1.磁记录原理磁记录原理2.磁表面存储器的记录方式磁表面存储器的记录方式011100010数据序列数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期位周期4.4例例 NRZ1 的读出代码波形的读出代码波形0110010数据序列数据序列驱动电流驱动电流磁通变化磁通变化感应电势感应电势同步脉冲同步脉冲读出代码读出代码4.4三、硬磁盘存储器三、硬磁盘存储器1.硬磁盘存储器的类型硬磁盘存储器的类型(1)固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头(2

27、)可换盘和固定盘可换盘和固定盘2.硬磁盘存储器结构硬磁盘存储器结构磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机4.4磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制(1)磁盘驱动器磁盘驱动器4.4(2)磁盘控制器磁盘控制器 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令 实现主机和驱动

28、器之间的数据格式转换实现主机和驱动器之间的数据格式转换 控制磁盘驱动器读写控制磁盘驱动器读写通过总线通过总线(3)盘片盘片对主机对主机对硬盘（设备）对硬盘（设备）磁盘控制器磁盘控制器 是是主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成4.4四、软磁盘存储器四、软磁盘存储器1.概述概述速度速度磁头磁头盘片盘片价格价格环境环境硬盘硬盘软盘软盘高高低低固定、活动固定、活动活动活动固定盘、盘组固定盘、盘组大部分不可换大部分不可换可换盘片可换盘片苛刻苛刻浮动浮动接触盘片接触盘片高高低低4.42.软盘片软盘片由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成保护套保护套主轴孔主轴孔实际的软盘片实际的软盘片写保护口写保护口读读/写磁头访问槽写磁头访问槽衬里衬里/清洁材料清洁材料4.4五、光盘存储器五、光盘存储器1.概述概述采用光存储技术采用光存储技术采用非磁性介质采用非磁性介质采用磁性介质采用磁性介质第一代光存储技术第一代光存储技术第二代光存储技术第二代光存储技术不可擦写不可擦写可擦写可擦写2.光盘的存储原理光盘的存储原理只读型和只写一次型只读型和只写一次型可擦写光盘可擦写光盘热作用热作用（物理或化学变化）（物理或化学变化）热磁效应热磁效应4.4利用激光写入和读出利用激光写入和读出