1,计算机组成原理 The Principle of Computer,主讲 陈付龙,西北工业大学计算机学院 （2007年4月）,第4章 存储器系统,4.1 存储器概述 4.2 半导体存储器 4.3 辅助存储器 4.4 高速缓冲存储器 4.5 并行存储器系统,计算机组成原理,2,西北工业大学计算机学院,4.1 存储器概述,一、存储器的两大功能： 1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read） 二、三项基本要求： 1、大容量 2、高速度 3、低成本,计算机组成原理,3,西北工业大学计算机学院,4.1.0 基本概念 一、 概念 1、基本存储单元：存储一位（bit）二进制代码的存储元件称为基本存储单元（或存储元） 2、存储单元：主存中最小可编址的单位，是对主存可访问操作的最小单位。 3、地址：每个存储单元的编号。 4、编址单位：可寻址的最小单位。 5、存储体：多个存储单元按一定规则组成一个整体。 6、存储器分辩率：指存储器能被区分、识别与操作的精细程度。 7、存储器字：由若干个存储单元组成，可一次性存取。,计算机组成原理,4,西北工业大学计算机学院,二、存储器的特性： 1、存储器是计算机中信息存储的核心。 程序存储功能由存储器来承担。 2、内存是CPU与外界进行数据交换的窗口，CPU所执行的程序和所涉及的数据都由内存直接提供。CPU可以对内存进行直接读操作和写操作 3、外存可以保存大量的程序和数据。,4.1.0 基本概念,计算机组成原理,5,西北工业大学计算机学院,1.按构成存储器的器件和存储介质分类 （1） 磁存储器： 磁表面存储器： 磁带 软磁盘 硬磁盘,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,6,西北工业大学计算机学院,磁芯存储器(1948年）：直径不到1毫米磁芯里可穿进一根极细的导线，只要有代表“1”或“0”的讯号电流流经导线，就能使磁芯按两种不同方向磁化，信息便以磁场形式被储存,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,7,西北工业大学计算机学院,（2） 电子介质：半导体存储器,MOS管,FOX (field-oxide) 用于分离CMOS器件,Drain,Source,Gate,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,8,西北工业大学计算机学院,（3） 纸介质存储器：纸带 （4） 光介质：激光存储器,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,9,西北工业大学计算机学院,2按存取方式分类 随机存储器（Random Access Memory）：读/写 只读存储器（Read Only Memory）：读 串行访问存储器 访问指定信息所花费的时间和信息所在的地址或位置有关。 （1） 顺序存储器：完全串行访问存储器，信息以顺序的方式从存储介质的始端开始写入（或读出），其读写时间是顺序与位置的函数，不同位置的单元，其读写时间是不同的，一般只能用平均读写时间作为参数，如磁带； （2） 直接存取存储器：是部分串行访问存储器，它介于顺序存取和随机存取之间。对信息的存取包括两个逻辑操作：指向整个存储器的一个区域（磁道或磁头），接着对这一小部分区域顺序存取，如磁盘存储器。,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,10,西北工业大学计算机学院,3.按在计算机中的作用分类 （1） 主存储器（内存） （2） 辅助存储器（外存） （3） 缓冲存储器：高速小容量，用在两个不同工作速度的部件（CPU和内存）之间，在交换信息过程中起缓冲作用。,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,11,西北工业大学计算机学院,4.按信息的可保护性分类 （1） 易失性存储器 断电后信息将消失的存储器是易失性存储器，如半导体存储器，可以分为动态（DRAM）和静态（SRAM）两种。动态存储器需要在使用过程中经常刷新以保持存储单元内电荷的稳定性，静态存储器由于有电源的支持，不需要。 （2） 非易失性存储器。 断电后仍保持信息的存储器称为非易失性存储器。如磁带和磁盘等磁表面存储器。非易失性存储器的内容可以不依赖于计算机的运行而存在，因此，这类磁表面存储器一般作外存使用。除磁表面存储器外，ROM也是一种特殊的非易失性存储器。,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,12,西北工业大学计算机学院,存储器比较,4.1.1 存储器的历史和分类,计算机组成原理,13,西北工业大学计算机学院,这是在第一代电子计算机中使用的磁鼓。磁鼓被用来作为电子计算机中数据与指令的存储器,存储器历史（1）,1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件，及快速磁芯存储器，计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千提高到10万以上。1，,旋风机与磁芯存储器,计算机组成原理,14,西北工业大学计算机学院,50年代初，美苏两国冷战日趋加剧，美国政府希望把计算机优势用于军事目的，计划建立一个能使国家边境免遭空袭的半自动地面防御系统（SAGE）。 SAGE是以最早的由人工操作的实时控制计算机系统，它能接收各侦察站雷达传来的信息，识别来袭飞行物，由操作者指挥地面防御武器瞄准敌对飞行器。 当时，麻省理工学院（MIT）林肯实验室在杰弗雷斯特（J.Forrester）博士和艾佛雷特（B. Everett）领导下，正在研制一台高速计算机，为海军提供飞机座舱飞行模拟。 1950年， 这台被命名为“旋风”（Whirlwind）的电脑投入运行，由5000个电子管组成全新的结构，使它成为速度最高的计算机，其技术先进程度大大超过了模拟的需要。美国空军向麻省理工学院求援， 许以每年100万美元的巨额研制经费，让旋风电脑充当SAGE的主要部件。杰弗雷斯特是位 富于创造的思想家，他还首创了用打字机键盘与电脑“对话”方式，为此，麻省理工学院的工程师们戏称“旋风”是一台“昂贵的打字机”。 杰弗雷斯特最大的贡献，是率先为“旋风”电脑配置了磁芯存储器阵列。第一代电脑的存储器，用的几乎都是水银 延迟线装置，这是一种声电转换设备，由埃克特博士从军用雷达里“移植”过来的。1948年，哈佛大学刚毕业的华裔王安博士，接受Mark发明者艾肯下达的研究课题，在不到一个月的时间里，发明了一种新型的存储装置磁芯存储器。直径不到1毫米磁芯里可穿进一根极细的导线，只要有代表“1”或“0”的讯号电流流经导线，就能使磁芯按两种不同方向磁化，信息便以磁场形式被储存。1949年10月，王安为磁芯申请了专利，他后来在磁芯存储器领域的发明专利共有34项。1988年，美国发明家纪念馆将王安列为第69位发明家，纪念他发明存储磁芯的贡献。 王安发明的磁芯存储器是一种单线式的装置，杰弗雷斯特又向前发展了一步，他巧妙地把磁芯排列为可以寻址的磁芯阵列，以便形成高性能的随机存储器。英国剑桥大学威尔克斯教授那时正在麻省理工学院访问，他激动地说：“几乎一夜之间就使得存储器变得稳定而可靠。”磁芯阵列后来统治了电脑存储器领域将近20余年。,旋风机与磁芯存储器,计算机组成原理,15,西北工业大学计算机学院,王安生平,1920年2月7日出生于上海，6岁入读三年级。 13岁那年，王安考取了极负盛名的省立上海中学；16岁又以入学考试第一名的成绩，走进了上海交通大学的大门 1945年留学哈佛大学，16个月后取得硕士和博士学位 1948年夏，王安设计出一种电脑，能迅速存取数据的方法和元件，这就是电脑的记忆系统。他发明的这个存储器磁芯。 1949年10月21日向美国专利局提交了包含存储器磁芯结构及其各种用途，共计有34项要求的专利申请，直到1955年5月17日才批准。 1951年6月，他向哈佛递交了辞呈，怀揣着仅有的600美元成立王安公司。 1955年，王安与IBM公司签署了协议，把存储器磁芯技术专利权以50万美元(后来实得40万)卖给了IBM公司。 1971年11月，王安公司推出了他们研制的第一代文字处理机1200型全自动打字机。 1990年3月24日，王安在美国麻省总医院病逝,计算机组成原理,16,西北工业大学计算机学院,1964年4月IBM360系统问世。它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表,存储器历史（2）,著名的IBM 360型电子计算机系统带有一个中央存储器和几个外围存储器,计算机组成原理,17,西北工业大学计算机学院,随着半导体集成技术的快速发展，美国开始研究军用大规模集成电路计算机。1967年，美国无线电有限公司制成了领航用的机载计算机LIMAC，其逻辑部件采用双极性大规模集成电路，缓冲存储器用MOS大规模集成电路。1969年，美国自动化公司制成计算机D200，采用了MOS场效应晶体管大规模集成电路，中央处理器由24块大规模集成电路做成；得克萨斯仪器公司也制成机载大规模集成电路计算机。军用机载大规模集成电路试验的成功，为过渡到民用大规模集成电路通用机积累了丰富的经验。1971年，IBM公司开始生产IBM 370系列机，它采用大规模集成电路做存储器，小规模集成电路做逻辑元件，被称为“第三代半电子计算机”，与IBM 360一样著名。,存储器历史（3）,计算机组成原理,18,西北工业大学计算机学院,存储器历史（4）,超大规模集成电路的存储器,金士顿高端DDR433,金士顿DDR400-512MB,双倍速率SDRAM（Dual Date Rate SDRSM，DDR SDRAM）：又简称DDR，由于它在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输，所以即使在133MHz的总线频率下的带宽也能达到2.128GB/s。,计算机组成原理,19,西北工业大学计算机学院,DDR2（Double Data Rate 2） SDRAM是由JEDEC（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力（即：4bit数据读预取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。,超大规模集成电路的存储器,计算机组成原理,20,西北工业大学计算机学院,存储器历史（5）,外存储器,计算机组成原理,21,西北工业大学计算机学院,金士顿SD-1GB,爱国者月光宝盒录音笔+MP3,存储器历史（6）,新型可移动存储器,三星Voicepen SVR-P220录音笔,京华电子JW-DVR820,金士顿CF-4GB,计算机组成原理,22,西北工业大学计算机学院,4.1.2 主存储器基本组成和基本操作,地 址 寄 存 器,地 址 译 码 与 驱 动 电 路,存储 阵列 2kn 位,读 写 电 路,数 据 寄 存 器,时序控制电路,CPU,k 位,n 位,地 址 总 线,数 据 总 线,R/W,MFC,计算机组成原理,23,西北工业大学计算机学院,贮存信息的存储体。 信息的寻址机构，即读出和写入信息的地址选择机构。这包括：地址寄存器（）和地址译码器。 存储器数据寄存器。 写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。 读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和读出放大器。 存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制线路，写或重写逻辑控制线路以及动态存储器的定时刷新线路等，这些线路总称为存储器控制部件。,4.1.2 主存储器基本组成和基本操作,计算机组成原理,24,西北工业大学计算机学院,1存储容量： （1）存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳的二进制信息总量，即可存储多少位二进制信息代码。 （2）存储容量存储字数字长 （3）要求：大容量。,4.1.3 存储器性能指标,计算机组成原理,25,西北工业大学计算机学院,