【计算机组成原理】考纲第三章 存储器的层次结构

考纲(三)、存储器层次结构

（1）存储器的层次化结构

（2）主存储器与CPU的连接

（3）高速缓冲存储器(Cache)

• Cache的基本工作原理

• Cache和主存之间的映射方式

• Cache中主存块的替换算法与写策略

• 多层次Cache性能计算

（4）虚拟存储器

• 虚拟存储器的基本概念
• 页式虚拟存储器
• TLB(快表)

3.1 存储器的层次化结构

3.1.1 存储器的分类与性能指标

3.1.3 存储器的层次结构

• Reg - Cache - MM - 2ndS - 3rdS

  

• 二级存储系统：高速缓冲存储器（Cache）+ 主存储器

• 三级存储系统：Cache + 主存储器 + 辅存储器（虚拟存储器）

3.2 主存储器与CPU的连接

3.2.1 主存储器的存储单元电路

• *SRAM、DRAM、ROM存储器的工作原理

• SRAM 与 DRAM 的对比

  

3.2.2 主存储器存储芯片的内部结构

(1) 芯片容量的基本描述

存储位元 = 字单元数 X 每个字单元的位数：$2^n×m$

• 单位：$K=2^{10}$，$M=2{20}$，$G=2^{30}$，$T=2{40}$
• 【例】容量标识为 1K×2 的存储芯片：
  • 意义：任意时刻可以（且只能）访问1024个独立字单元中的任一个；
  • 有多少个存储位元：2048个（每个存储位元可存储 1 位二进制代码）；
  • 有多少条地址线：1024个（按字单元寻址，地址线数 = 字单元数）
  • 需要多少条数据线：2条（一次访问一个字单元，数据线数 = 每个字单元的位数​）

(2) 存储芯片的基本结构

(3) 存储芯片的地址结构

一维地址结构（线选法）	二维地址结构（重合法）
矩阵 $2^n×m$ ，选择线(W) $2^n$，数据线(D) $m$	矩阵 $2{\frac{n}{2}}×(2{\frac{n}{2}}×m)$，选择线 $2{\frac{n}{2}}+2{\frac{n}{2}}$，数据线 $m$

(4) 存储芯片实例 —— SRAM

SRAM 2114（1K×4）芯片结构图

(5) 存储芯片实例 —— DRAM

DRAM 4M×4 芯片结构图（内部包含刷新电路）

3.2.3 存储器的扩展

单片存储芯片不能满足存储系统的需求时，需进行存储扩展

(1) 位扩展 2$^n$×m

• 原因：存储字单元数量够（地址空间满足），但每个字的位数不够。

• 方法：多个存储器芯片的数据位空间拼在一起。

• 实例：1K×4的SRAM芯片构成1K×8的存储器

  

(2) 字扩展 2$^n$×m

• 原因：每个字的位数够，存储字单元数量不够（地址空间不满足）。

• 方法：多个存储器芯片的字空间（地址空间）拼在一起。

• 实例：1K×8的SRAM芯片构成4K×8的存储器

  

(3) 混合扩展 2$^n$×m

• 实例：4K×4的SRAM芯片构成16K×8的存储器

  

(4) 扩展方法总结与示例

• 基本思路

  1. 确定每个芯片的地址管脚数、数据管脚数。
  2. 确定整个存储空间所需的地址总线和数据总线的数量。
  3. 计算所需芯片的数量，确定每个芯片在整个存储空间中的地址空间范围、位空间范围。
  4. 所有芯片的地址管脚全部连接到地址总线对应的地址线上。
  5. 同一字空间的芯片CS信号连在一起。
  6. 同一位空间的数据线连在一起，并连接到对应的数据总线上。
  7. 根据每个芯片的地址空间范围，设计芯片所需的片选信号逻辑，CS逻辑电路的输入一定是地址总线中，没有连接到芯片地址管脚上的那部分地址线。
  8. 统一读写控制。

• 示例 1：用3片16K×4的SRAM芯片和若干8K×4的SRAM芯片组成一个64K×8的按字节编址的存储器。

  点击显示详细步骤

• 示例 2

3.2.4 DRAM的刷新

(1) 为什么需要刷新？

• DRAM存储单元电路采用电容结构存储状态，在保护状态下，两级间存在漏电流，导致电容上的电荷出现变化，故必须在一个时间内重写数据，这个时间称为单元电路的刷新时间。（一般为4ms、8ms等。）
• 同时，由于读出操作是一种破坏性操作，读1时，Cs放电；读0时，Cs充电；所以读出操作后，原保存在Cs上的数据（电荷）被破坏，应该立即进行恢复（重写或刷新）。

(2) 刷新的原理是什么？

• 刷新由传感放大器在读出过程中同时完成，即读过程实际上就是一次刷新过程；
• DRAM的刷新，就是通过这样的读操作来实现的。
• 特点：①按行刷新，所有芯片同时进行；②刷新操作与CPU访问内存分开进行。

(3) 刷新的方式是什么？

	集中刷新方式	分散刷新方式	分布式 (异步) 刷新方式
原理	将刷新周期分成两部分：在一个时间段内，刷新存储器所有行，此时CPU停止访问内存；另一个时间段内，CPU可以访问内存，刷新电路不工作。	CPU与刷新电路交替访问内存，一个存储周期刷新1行，下一个存储周期刷新另一行，直至最后1行后，又开始刷新第1行。	保证在一个刷新周期内将存储芯片内的所有行刷新一遍，可能等时间间距，也可能不等。
刷新间隔	刷新周期	刷新行数 × 存储周期 ≤ 刷新周期	刷新周期
示意图
特点	存在不能进行读写操作的死区时间	①不存在停止读写操作的死时间； ②但使得系统速度降低	①前两种方式的结合； ②可减少死时间，同时保证性能

3.3 高速缓冲存储器（Cache）