第4，7章 主存储器与存储系统

概述

主存储器，又称内存储器，是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一，用于存储处在运行中的程序和相关数据, 其容量与读写速度等指标，对计算机总体性能有重大影响。因此, 在现代的计算机系统中，通常总是采用由三种运行原理不同，性能差异很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器，再将它们组成三级结构的统一管理、调度的一体化存储器系统。

在三级结构的体系中，由高速缓冲存储器缓解主存读写速度慢，不能满足CPU运行速度需要的矛盾；用虚拟存储器（快速磁盘上的一片存储区）更大的存储空间，解决主存容量小，存不下更大程序与更多数据的难题。显而易见，三级结构的存储器系统，是围绕主存储器来组织和运行的, 就是说，设计与运行程序是针对主存储器进行的，充分表明了主存储器在计算机系统中举足轻重的地位。

在高速缓冲存储器一节，主要介绍高速缓冲存储器的构成、功能，以及运行原理。此外，还应该了解它的3种基本映像构成方式的基本知识。

学习目标

1． 要求了解三级结构的存储器系统的基本概念

2． 掌握主存的组成与设计的基本知识

3． 掌握高速缓冲存储器CACHE的工作原理

学习指导

1． 对本章的学习主要了解为什么要使用多级结构来构建存储器系统，并以此为线索，了解主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本内容。

主存储器要求掌握容量与读写速度等指标的概念，存储器设计中的字、位扩展技术，存储器与CPU的连接关系等内容。

在了解高速缓冲存储器的功能和基本运行原理的基础上，重点应该从概念上比较、理解Cache的全相联映像、直接映像和多路组相联映像三种构成方式。而在了解虚拟存储器的功能和概念的基础上，仅需要了解段式和页式两种管理方案，虚拟存储器的硬件组成和把逻辑地址转换为内存实际地址的办法。对本节内容应在学习中强调学习掌握基本原理和概念。

2． 认真了解本章要求达到的学习目标有哪些。

单元1　三级结构的存储器系统

学习目标

　　1．了解三级结构存储器系统的基本组成

　　2．了解三级结构的存储器系统的工作原理

知识点1 采用多级结构的存储器系统的基本思想

随着计算机技术的发展，人们对计算机系统整体性能的要求越来越高。要求存储容量大，存取速度快。而且成本价格要低。但这些要求往往互相矛盾，彼此制约，很难在同一个存储器中同时满足它们。因此，在计算机系统中，常采用几种不同类型的存储器，构成多级存储体系，利用各级存储器的特点来适应不同层次的需要。

实现方法：采用多级存储器（三级）把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理。即采用高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器组成统一管理与调度的三级结构的存储器系统，如图5－1所示。

图5－1

在这种三级结构的存储器系统，主存储器读写速度尚可、存储容量适中，高速缓冲存储器读写速度快、存储容量小，它介于CPU与主存储器之间，缓解主存读写速度慢、不能满足CPU运行速度需要的矛盾。虚拟存储器存储空间大，读写速度慢，用它解决主存容量小、存不下规模更大的程序与更多数据的矛盾。从而使整个存储器系统形成有更高的读写速度、尽可能大的存储容量、相对较低的制造与运行成本。

高速缓冲存储器使用静态存储器芯片实现，主存储器通常使用动态存储器芯片实现，而虚拟存储器则使用快速磁盘设备上的一片存储区。前两者是半导体电路器件，以数字逻辑电路方式进行读写，后者则是在磁性介质层中通过电磁转换过程完成信息读写。

知识点2 程序运行的局部性原理

　　三级结构存储器的运行原理是建立在程序运行的局部性原理之上的。程序运行时的局部性原理主要表现在：

　　1．在一小段时间内：最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；

　　2．这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；

　　3．指令执行顺序上：指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约5:1 )。

这样就有可能把要使用的程序和数据，按其使用的急迫和频繁程度，分时间段、分批量、合理地调入存储容量不同、读写速度不同的存储器部件中，并由计算机硬件、软件自动地统一管理与调度。即是，把CPU最近一小段时间要频繁、高速使用的信息存储在高速缓冲存储器中，可以快速完成读写操作，不至于拖慢CPU的运行速度。把那些暂时可以先不使用的信息保存在容量非常大的虚拟存储器中，用到时再从那里以更大的批量读入主存储器。

单元2 主存储器部件的组成

学习目标

　　1．掌握主存储器组成的基本概念

知识点1 主存储器概述

1．主存储器组成

主存储器是计算机硬件系统中的五大功能部件之一，用于存放正在运行中的程序和相关数据。主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与计算机的CPU和外围设备连接在一起。如图5－2所示。

图5－2

地址总线用于选择主存储器的一个存储单元（字或字节），其位数决定了可以访问的存储单元的最大数目，称为最大可寻址空间。

数据总线用于在计算机各功能部件之间传送数据，数据总线的位数（总线的宽度），与总线时钟频率的乘积，正比于该总线所支持的最高数据吞吐（输入/输出）能力。

控制总线用于指明总线的工作周期类型和本次入/出完成的时刻。总线的工作周期可以包括主存储器读周期，主存储器写周期，I/O设备读周期，I/O设备写周期，即区分要用哪个部件（主存或I/O设备）和操作的性质（读或写）；还有直接存储器访问（DMA）总线周期等。

从实现的读写操作功能区分，主存储器可以由只读存储区（ROM）和读写存储区（RAM）两部分组成，是分别采用ROM和RAM存储器芯片实现的。ROM存储区用来储存内容固定不变的程序和数据，例如操作系统的内核部分，系统刚加电时运行的硬件诊断程序等。从所用的半导体生产工艺区分，存储器芯片又可以分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM两种类型。由于动态存储器集成度高，生产成本低，被广泛地用于实现要求更大容量的主存储器。静态存储器读写速度快，生产成本高，通常多用其实现容量可以较小的高速缓冲存储器。

2．主存储器性能指标

主存储器涉及的主要性能指标是：读写速度和存储容量。读写速度，通常用读、写一个存储单元必需的时间度量，例如60nS。连续两次读写必须的时间间隔被称为存储周期，考虑到线路恢复的延迟问题，它应略大于一次主存读、写所用的时间。存储容量，通常用构成存储器的字节（8 bits）数或字数表述，一个存储字通常由2、4、8个字节组成。多数计算机都能在逻辑上同时支持按字或字节读写主存储器。

3．主存储器的工作过程

主存储器的工作过程可以分成读出与写入两种操作。简要工作过程如图5－3所示。

图5－3

单元3　高速缓冲存储器Cache

学习目标

　　1．掌握高速缓冲存储器CACHE的工作原理

　　2．了解掌握高速缓存中的3种映像方式

知识点1 高速缓冲存储器的运行原理

高速缓冲存储器，是一个相对于主存来说容量很小、速度特快、用静态存储器器件实现的存储器系统。它的作用在于缓解主存速度慢、跟不上CPU读写速度要求的矛盾。它的实现原理，是把CPU最近最可能用到的少量信息（数据或指令）从主存复制到CACHE中，当CPU下次再用这些信息时，它就不必访问慢速的主存，而直接从快速的CACHE中得到，从而提高了得到这些信息的速度，使CPU有更高的运行效率。

高速缓冲存储器的运行原理，主要基于如何解决主存单元与CACHE单元的对应问题。通常使CACHE的每个存储单元由3部分内容组成。第一部分内容，是CACHE的数据字段，保存从主存某一单元复制过来的数据内容，这是在CPU第一次从主存读出内容传送到CPU的同时，顺便将该内容写进一个选中的CACHE单元的数据字段；第二部分内容，是CACHE的标志字段，保存相应主存单元的地址信息，用它指明该CACHE单元的数据字段部分保存的数据是从哪一个主存单元复制过来的。当程序中的一条指令要用一个主存地址读主存的某一单元时，就用这一地址来与CACHE中的各个标志字段的内容相比较，若找到某一标志字段的内容与该地址值相同，则同一CACHE单元的数据字段中的数据内容可能就是被读的数据；这表明，读CACHE时，是用CACHE单元内容的一部分（标志字段）的值（原本用于读主存的一个地址），来确定该CACHE单元另外一部分（数据字段）的内容是否就是要读的数据。以这种原理运行的存储器被称为关联（联想）存储器。第三部分内容，是CACHE单元的有效位字段，规定其值为1，表示该CACHE单元中的标志字段、数据字段的内容是有效的，为0，则说明该CACHE单元在此之前尚未使用，其标志字段、数据字段的内容是无效的。有效位字段的内容，应在CACHE刚投入使用时，清每个单元的有效位为0；在一个CACHE单元被选中，且数据字段、地址字段的内容完成写入操作之后，该单元的有效位亦被置为1，表明该单元已被占用，其标志字段、数据字段的内容是有效的。如图5－9所示。

图5－9

知识点2 高速缓冲存储器的3种映像方式

在把一主存单元的数据复制到CACHE中时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称为CACHE的地址映像。

CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像方式，3种映像方式有各自的优缺点。

全相联映像方式，是指主存的一个字（字块）可以映像到整个CACHE的任何一个字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻可能存放的是整个主存中的任何一个字（字块）中的内容，即二者的对应关系是完全随意的，没有任何强制性的限制条件。

直接映像方式，是指主存的一个字（字块）只能映像到CACHE的一个准确确定的字（字块）中，反过来说，CACHE的一个字（字块）中，在不同时刻存放的仅能是整个主存中确定的某些字（字块）中的一个字（字块）的内容，即二者的对应关系是完全硬性确定的，没有任何选择余地。

多路组相联映像方式，是对全相联映像和直接映想象的一种折衷的处理方案。它既不是在主存和CACHE之间实现字块（字）的完全地随意对应，也不是在主存和CACHE之间的实现字块（字）的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。

第4,7章主存储器与存储系统