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1、第第5章存储系统章存储系统v5.1 5.1 存储器与存储体系概述存储器与存储体系概述 v5.2 5.2 主存储器主存储器v5.3 5.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器v5.4 5.4 虚拟存储器虚拟存储器v5.5 PC5.5 PC系列机中的主存储器系列机中的主存储器v本章小结本章小结 5.1 存储器与存储体系概述存储器与存储体系概述 v 存储器一般指存储信息的硬件器件。存存储器一般指存储信息的硬件器件。存储体系（系统）是指由各具特色、不同类型储体系（系统）是指由各具特色、不同类型的存储器构成相互依存、相互支持的多个层的存储器构成相互依存、相互支持的多个层次，以及与此相关的软、硬件。次，以及与此
2、相关的软、硬件。v 5.1.15.1.1存储器的分类存储器的分类v 1.按存储介质分按存储介质分 v 按存储介质可以将存储器分为三种：半按存储介质可以将存储器分为三种：半导体存储器、磁表面存储器和光存储器。导体存储器、磁表面存储器和光存储器。v v2.按存取方式分按存取方式分v 按照存储器的存取可方式分为随机存取按照存储器的存取可方式分为随机存取（读写）存储器、只读存储器、顺序存取存（读写）存储器、只读存储器、顺序存取存储器和直接存取存储器等。储器和直接存取存储器等。v 3按信息的可保护性分按信息的可保护性分v 根据存储器信息的可保护性可将存储根据存储器信息的可保护性可将存储器分为易失性存储器
3、和非易失性存储器。器分为易失性存储器和非易失性存储器。v 4.按所处位置及功能分按所处位置及功能分v 根据存储器所处的位置可分为内存和外根据存储器所处的位置可分为内存和外存。存。v 位于主机内部，具有总线地址，可以被位于主机内部，具有总线地址，可以被CPU直接访问的存储器，称为内存。直接访问的存储器，称为内存。v 计算机运行时，内存与计算机运行时，内存与CPU频繁交换数频繁交换数据，是存储器中的主力军，又称主存。据，是存储器中的主力军，又称主存。v 位于主机外部，被视为外设的存储器，位于主机外部，被视为外设的存储器，称为外存。由于外存的数据只有调入内存，称为外存。由于外存的数据只有调入内存，C
4、PU才能应用，起着后备支援的辅助任务，才能应用，起着后备支援的辅助任务，故又称为辅存。故又称为辅存。v 半导体半导体ROM、RAM用于主存，磁盘、用于主存，磁盘、光盘、磁带等存储器常用于外存。光盘、磁带等存储器常用于外存。v 5.1.2 5.1.2 存储体系与层次结构存储体系与层次结构v 1计算机对存储系统的要求计算机对存储系统的要求v 为了组成功能完善、高效运行、安全为了组成功能完善、高效运行、安全可靠、价格合理的机器，通用计算机一般可靠、价格合理的机器，通用计算机一般对存储系统提出如下要求：对存储系统提出如下要求：v 存储容量大。存储容量大。v 读写速度快。读写速度快。v 价格低。价格低。
5、v 有支持系统启动和开发的能力。有支持系统启动和开发的能力。v 具有后备存储能力。具有后备存储能力。v 安全可靠。安全可靠。v 2存储体系的形成存储体系的形成 v 5.1.3 5.1.3 存储器主要性能指标存储器主要性能指标v 1.存储容量存储容量v 存储容量是存储器可以存储的二进制信存储容量是存储器可以存储的二进制信息的数量。息的数量。v v2.存取时间与存取速度存取时间与存取速度 v 存储器存取时间是完成一次存储器读存储器存取时间是完成一次存储器读/写写操作所需要的时间，也称读写时间，对于内操作所需要的时间，也称读写时间，对于内存和外存其具体定义有很大的差异。存和外存其具体定义有很大的差异
6、。v 3价格价格 v 4可靠性可靠性 5.2 主存储器主存储器v 主存储器又称内存，通常由半导体存储主存储器又称内存，通常由半导体存储器构成。通用微型计算机包含只读存储器器构成。通用微型计算机包含只读存储器ROM，支持基本的监控和输入，支持基本的监控和输入/输出管理；输出管理；随机存取存储器随机存取存储器RAM，面向用户。，面向用户。v 5.2.1 5.2.1 主存储器芯片的基本组成主存储器芯片的基本组成v v 存储器芯片由存储体，地址接口电路，存储器芯片由存储体，地址接口电路，读写控制接口电路和数据接口电路等部分读写控制接口电路和数据接口电路等部分组成。组成。v 5.2.2 5.2.2 只读
7、存储器只读存储器ROMROMv 只读存储器只读存储器ROM是主存的重要部分之是主存的重要部分之一，用于存放微程序、监控程序、固定程一，用于存放微程序、监控程序、固定程序、字母符号、汉字符号点阵等系统级信序、字母符号、汉字符号点阵等系统级信息。息。v 1.普通普通ROM v 2.可编程可编程ROM（PROM）v 3.光可擦可编程光可擦可编程ROM（EPROM）v v EPROM是在普通是在普通ROM型的型的MOS开关开关管源极下面，串接另一个由擦写操作控制管源极下面，串接另一个由擦写操作控制的特殊的的特殊的MOS开关管制成。开关管制成。v 4.电擦除可编程电擦除可编程ROM（E2PROM）v 5
8、快擦写存储器快擦写存储器Flash Memoryv 近年来，推出一种新型快擦写存储器近年来，推出一种新型快擦写存储器Flash Memory，又称闪速存储器，又称闪速存储器。v 5.2.3 5.2.3 随机存储器随机存储器RAMRAMv 1.静态静态RAM（SRAM）v 静态静态RAM可用双极型或可用双极型或MOS等不同工等不同工艺制成。艺制成。v 双极型静态双极型静态RAM的工作速度快、功耗的工作速度快、功耗大、价格高，而大、价格高，而MOS型静态型静态RAM集成度高、集成度高、价格低、功耗小、速度较慢。价格低、功耗小、速度较慢。v 两者的共同之处在于都使用两者的共同之处在于都使用“触发器触
9、发器”作为记忆元件。作为记忆元件。v 2.动态动态RAM（DRAM）v 动态动态RAM多由多由MOS工艺制造，特点是采工艺制造，特点是采用电容做记忆元件。用电容做记忆元件。5.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器v 5.3.1 Cache5.3.1 Cache工作原理工作原理v 5.3.2 Cache5.3.2 Cache工作过程工作过程v 5.3.35.3.3地址映象地址映象v 为了把信息放到为了把信息放到Cache中，必须应用中，必须应用某种函数把主存地址映象到某种函数把主存地址映象到Cache中定位，中定位，称作地址映象。称作地址映象。v 1直接映象直接映象v 每个主存地址映象到每个主存地址
10、映象到Cache中的一个中的一个指定地址的方式称为直接映象。指定地址的方式称为直接映象。v v2全相联映象全相联映象v 主存中的每一个字块可映象到主存中的每一个字块可映象到Cache任何任何一个字块位置上，这种方式称为全相联映象。一个字块位置上，这种方式称为全相联映象。v 3组相联映象组相联映象v 组相联映象方式是全相联映象和直接组相联映象方式是全相联映象和直接映象的一种折中方案。这种方法将存储空映象的一种折中方案。这种方法将存储空间分成若干组，各组之间是直接映象，而间分成若干组，各组之间是直接映象，而组内各块之间则是全相联映象。组内各块之间则是全相联映象。v 5.3.4 5.3.4 替换策略
11、替换策略v 当从主存读出新字块调入当从主存读出新字块调入Cache时，时，如果遇到如果遇到 Cache中相应位置已被字块占满，中相应位置已被字块占满，那么就必须去掉旧的字块。这个过程由替那么就必须去掉旧的字块。这个过程由替换控制部件来控制完成。换控制部件来控制完成。v 1.先进先出策略先进先出策略FIFO策略策略v FIFO（Fist In Fist Out）策略总是把）策略总是把最先调入最先调入Cache的字块替换出去。它不需的字块替换出去。它不需要随时记录各个字块的使用情况，实现容要随时记录各个字块的使用情况，实现容易。缺点是经常使用的块，例如一个包含易。缺点是经常使用的块，例如一个包含程
12、序循环的块，也可能由于它是最早的块程序循环的块，也可能由于它是最早的块而被替换掉。而被替换掉。v 2.近期最少使用策略近期最少使用策略LRU策略策略v LRU（Least Recently Used）策略是）策略是把当前把当前Cache中近期使用次数最少的那块中近期使用次数最少的那块信息替换出去。信息替换出去。5.4 虚拟存储器虚拟存储器v 5.4.1 5.4.1 主辅存存储层次主辅存存储层次v 5.4.2 5.4.2 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念v 采用硬件和软件的综合技术采用硬件和软件的综合技术虚拟存虚拟存储器，它将主存和辅存的地址空间统一编储器，它将主存和辅存的地址空间统一编
13、址，形成一个庞大的存储空间。址，形成一个庞大的存储空间。v 5.4.3 5.4.3 实地址和虚地址实地址和虚地址v 虚拟存储器的辅存部分也能像内存一样让用户虚拟存储器的辅存部分也能像内存一样让用户使用，用户编程时指令地址允许涉及辅存大小的使用，用户编程时指令地址允许涉及辅存大小的空间范围，这种指令地址称为虚地址（即虚拟地空间范围，这种指令地址称为虚地址（即虚拟地址）或称为逻辑地址。址）或称为逻辑地址。v 虚地址对应的存储空间称为虚存空间或称为逻虚地址对应的存储空间称为虚存空间或称为逻辑空间。辑空间。v 5.4.4 5.4.4 段式虚拟存储器段式虚拟存储器v 段式虚拟存储器就是适应模块化程序的段
14、式虚拟存储器就是适应模块化程序的一种虚拟存储器。一种虚拟存储器。v 5.4.5 5.4.5 页式虚拟存储器页式虚拟存储器v 页式虚拟存储器中的基本信息传送单页式虚拟存储器中的基本信息传送单位为定长的页。位为定长的页。v 5.4.6 5.4.6 段页式虚拟存储器简介段页式虚拟存储器简介v 段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有其优缺点，段页式管理综合了两者的优点，其优缺点，段页式管理综合了两者的优点，将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段，将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段，以保证每个模块的独立性及便于用户公用；以保证每个模块的独立性及便于用户公用；每段又分成若干个页。
15、每段又分成若干个页。v 页面大小与实存页相同，虚存和实存之页面大小与实存页相同，虚存和实存之间的信息调度以页为基本传送单位。间的信息调度以页为基本传送单位。5.5 PC系列机中的主存储器系列机中的主存储器v 5.5.1 PC5.5.1 PC系列机中主存基本情况系列机中主存基本情况v 主存采用动态主存采用动态RAM，Cache采用静态采用静态RAM。v v作为通用微型计算机，主存仅有少量的作为通用微型计算机，主存仅有少量的ROM（约几十（约几十KB），留有一定的用户），留有一定的用户ROM空间，大量的是空间，大量的是RAM器件，供多用户多任务器件，供多用户多任务使用。使用。v 机器的理论主存容量
16、与实际装机容量有机器的理论主存容量与实际装机容量有很大的不同。很大的不同。v 486机地址线为机地址线为32根，理论容量达根，理论容量达4GB。v 由于机器尺寸，电源功耗和成本价格由于机器尺寸，电源功耗和成本价格等因素的考虑，生产厂家只安排了几十等因素的考虑，生产厂家只安排了几十MB，而供贷商却只配置几，而供贷商却只配置几MB。v 同样同样586以上机理论容量可达以上机理论容量可达64GB或或更高，但实际装配机也只有几十更高，但实际装配机也只有几十MB到几百到几百MB。v 主存采用程序和数据统一的空间，这主存采用程序和数据统一的空间，这样有时未被激励的程序可作为数据处理，样有时未被激励的程序可
17、作为数据处理，而被程序计数据器错误指向的数据，可被而被程序计数据器错误指向的数据，可被作为程序执行。作为程序执行。v v上电复位时，机器自动进行实址方式，只上电复位时，机器自动进行实址方式，只能使用低地址的能使用低地址的1MB+64KB内容。机器转向内容。机器转向虚拟保护方式时，可使用全部理论存储空间。虚拟保护方式时，可使用全部理论存储空间。v 5.5.2 5.5.2 实址方式下内存扩展实址方式下内存扩展v 5.5.3 5.5.3 内存条、存储器扩展板基本结构内存条、存储器扩展板基本结构v 1存储器芯片组存储器芯片组v 2动态刷新电路动态刷新电路 v 3奇偶校验电路奇偶校验电路 v 4总线接口
18、电路总线接口电路v 5.5.4 5.5.4 特殊存储器特殊存储器v 1显示存储器（显示存储器（VRAM）v 显示存储器是用于支持显示存储器是用于支持CRT显示用的存储器，显示用的存储器，又称又称VRAM。v 它置于它置于PC机存储空间中，具有确定的地址范机存储空间中，具有确定的地址范围。在实址方式时，其保留空间为围。在实址方式时，其保留空间为A0000HBFFFFH共共128KB。v 目前高档目前高档PC机机VRAM配置可高达配置可高达1M2MB。v 2CMOS-RAM v 用于记录设备配置参数，如内存容量，用于记录设备配置参数，如内存容量，显示器类型，软硬磁盘类型及时钟信息等。显示器类型，软
19、硬磁盘类型及时钟信息等。CMOS-RAM采用采用CMOS工艺制成，功耗很工艺制成，功耗很少。少。v 3ROM-BIOSv ROM-BIOS用于存放基本的输入输出用于存放基本的输入输出系统程序，是操作系统驻留在内存中的最系统程序，是操作系统驻留在内存中的最基本部分，其主要用于以下几个方面。基本部分，其主要用于以下几个方面。v 开机后的自检。检测对象涉及计算开机后的自检。检测对象涉及计算机系统的各主要功能部件包括机系统的各主要功能部件包括CPU、ROM、RAM、系统接口电路和键盘、软、系统接口电路和键盘、软、硬磁盘等外设。硬磁盘等外设。v 读取读取CMOS-SRAM中的设备配置，中的设备配置，确定
20、硬件运行环境。确定硬件运行环境。v 系统引导、启动系统引导、启动。v 基本的输入输出控制程序。基本的输入输出控制程序。v 存储一些重要的数据参数。存储一些重要的数据参数。v 部分机器还含有硬化的部分操作系统。部分机器还含有硬化的部分操作系统。v ROM-BIOS一般为几十一般为几十KB的容量，并的容量，并有逐渐加大的趋势，常为掩膜式有逐渐加大的趋势，常为掩膜式ROM。v 目前高档目前高档PC机已采用快速擦写存储器，机已采用快速擦写存储器，使使ROM BIOS 的功能由软盘软件支撑升级。的功能由软盘软件支撑升级。本章小结本章小结 v 本章明确了存储器在当前计算机结构本章明确了存储器在当前计算机结构中的中心地位。中的中心地位。v 多种类型、多个品种的存储器只有组多种类型、多个品种的存储器只有组成相互支持、相互依存的多层次结构，才成相互支持、相互依存的多层次结构，才能发挥整体优势兼顾计算机对存储器提出能发挥整体优势兼顾计算机对存储器提出的多种要求。的多种要求。