4.1 存储器
4.2 存储器的分类
4.2.1 存储介质
半导体器件（半导体存储器）：随机存储器
磁性材料（磁表面存储器）：磁盘存储器和磁带存储器
4.2.2 存储方式
随机存储器RAM
只读存储器ROM
串行访问存储器
4.2.3 存储作用
主要分为主存储器、辅助存储器、缓存存储器
4.3 存储器层次结构
4.4 主存储器
4.4.1 主存的基本组成
4.4.2 主存和CPU的联系
备注：MDR、MAR在CPU里。
4.4.3 主存中存储单元地址的分配
4.4.4 主存的技术指标
- 存储容量：主存存放二进制代码的总位数，即存储单元个数* 存储字长
- 存储速度：存取时间是存储器的访问时间（读出时间、写入时间）；存取周期是连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的最小间隔时间。通常，存储周期>存取时间
- 存储器的带宽：位/秒
4.5 高速缓冲存储器
4.5.1 问题的提出
避免CPU“空等”现象
CPU和主存（DRAM）的速度差异
4.5.2 Cache的工作原理
4.5.3 Cache-主存地址映射
直接映射
某一主存块只能固定映射到某一缓存块
主存字块标记
Cache字块标记
字块内地址
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——————-
—————
全相联映射
主存中的任一块可以映射到缓存中的任一块
主存字块标记
字块内地址
——————
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组相连映射
某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块
主存字块标记
组地址
字块内地址
——————
———
—————
4.6 小结
- 在主存和CPU之间增加高速缓存的目的是解决主存和CPU速度不匹配问题。
- 存储器是计算机系统中的记忆设备，同来存放程序和数据。
- 存储器速度、容量、位价的关系：寄存器>缓存>主存>磁盘>磁带。
- 通常用8位二进制数表示一个字节。
- 储存容量是指主存能存放的二进制代码的总位数。
- 存储速度由存储时间和存储周期来表示。
- 提高存储器带宽的方法：缩短存储周期、增加存储字长、增加存储体。
- 静态RAM是用触发器工作原理存储信息，动态RAM是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。
- 集中刷新是在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读/写操作。
4.7 例题
4.5 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期位200ns，则存储器的带宽是多少？
存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。
存储器的带宽=时钟频率*总线宽度=1/200ns*32位=160M 位/秒=20MB/秒
注意：字长32位，不是16位。
4.6 某机字长为32位，其存储容量为64KB，按字编址其寻址范围是多少？若以主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。
存储容量为64KB时，按字编址其寻址范围就是64K，若以主存以字节编址，其寻址范围为64K/（32/8）=16K
主存字地址和字节地址的分配情况：如图
4.7 一个容量为16K*32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K*4位，2K*8位，4K*4位，16K*1位，4K*8位，8K*8位。
16K=2^14，所以地址线有14根，数据线有32根，一共46根。
选择不同芯片时，各需要的片数为：
1K*4位：（16K*32）/（ 1K*4）=16*8=128片
2K*8位：（16K*32）/（2K*8）=8*4=32片
4K*4位：（16K*32）/（4K*4）=4*8=32片
16K*1位：（16K*32）/（16K*1）=1*32=32片
4K*8位：（16K*32）/（4K*8）=4*4=16片
8K*8位：（16K*32）/（8K*8）=2*4=8片
4.9 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新的几种方法。
刷新指对DRAM定期进行的全部重写过程；
刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；
种类：
集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU访存死时间；
分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间；
异步式：是集中式和分散式的折衷。
4.15
4.18 已知接收到的汉明码（按配偶原则配置）为1100100、1100111、1100000、1100001、检查上述代码是否出错？第几位出错？
1100100:
p1 = C1 ^ 3 ^ 5 ^ 7 = 0; p2 = C2 ^ 3 ^ 6 ^ 7 = 1; p3 = C4 ^ 5 ^ 6 ^ 7 = 1
p3p2p1 = 110 即第6位出错，有效信息为0110
1100111：
p1 = C1 ^ 3 ^ 5 ^ 7 = 1; p2 = C2 ^ 3 ^ 6 ^ 7 = 1; p3 = C4 ^ 5 ^ 6 ^ 7 = 1
p3p2p1 = 111 即第7位出错，有效信息为0110
1100000:
p1 = C1 ^ 3 ^ 5 ^ 7 = 1; p2 = C2 ^ 3 ^ 6 ^ 7 = 1; p3 = C4 ^ 5 ^ 6 ^ 7 = 0
p3p2p1 = 011 即第3位出错，有效信息为1000
1100001:
p1 = C1 ^ 3 ^ 5 ^ 7 = 0; p2 = C2 ^ 3 ^ 6 ^ 7 = 0; p3 = C4 ^ 5 ^ 6 ^ 7 = 1
p3p2p1 = 100 即第4位出错，有效信息为0001
4.28 设主存容量为256K字，Cache容量为2K字，块长为4，
（1）设计Cache地址格式，设计主存地址格式 （2）在直接映射方式下，设计主存地址格式 （3）在四路组相连映射方式下，设计主存地址格式 （4）在全相连映射方式下，设计主存地址格式 （5）若存储字长为32位，是存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。
（1）Cache容量为2K字节，块长为4，Cache共有2K/4=2^11/2^2=2^9=512块
Cache字地址9位，字块内地址为2位
因此，Cache地址格式设计如下：
Cache字块地址（9位）字块内地址（2位）
（2）主存容量为256K字节=2^18字节，主存地址共18位，共分256K/4=2^16块
主存字块标记为18-9-2=7位
直接映射方式下主存地址格式如下：
主存字块标记（7位）Cache字块地址（9位）字块内地址（2位）
（3）根据四路组相联的条件，一组内共有4块，得Cache共分为512/4=2^7块
主存字块标记为18-7-2=9位
主存地址格式设计如下：
主存字块标记（9位）组地址（7位）字块内地址（2位）
（4）在全相联映射方式下，主存字块标记为18-2=16位，其地址格式如下：
主存字块标记（16位）字块内地址（2位）
（5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，则主存容量为256K*32/8=2^20B
Cache容量为2K*32/8=2^13B，块长为4*32/8=2^4B，字块内地址为4位。
在直接映射方式下，主存字块标记为20-9-4=7位，主存地址格式为：
主存字块标记（7位）Cache字块地址（9位）字块内地址（4位）
在四路组相联映射方式下，主存字块标记为20-7-4=9位，主存地址格式为：
主存字块标记（9位）组地址（7位）字块内地址（4位）
在全相联映射方式下，主存字块标记为20-4=16位，主存地址格式为：
主存字块标记（16位）字块内地址（4位）
4.29 假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少？
命中率=4800/(4800+200)=0.96
平均访问时间=0.96*30+(1-0.96)*150=34.8ns
效率=30/34.8*100%=86.2%
性能变为原来的150/34.8=4.31倍，即提高了3.31倍
4.31 设主存容量为1MB，采用直接映射方式的Cache容量为16KB，块长为4，每字32位。试问主存地址为ABCDEH的存储单元在Cache中的什么位置？
假设按照字节编址。
4*32/8=16B=2^4B 得字块内地址为4位
16KB/16B=2^10 得Cache字块地址为10位
1MB/16B=2^16 得直接映射下主存地址为6位
ABCDEH=1010 1011 1100 1101 1110 …
故该主存单元应映射到Cache的101010块的第1110字节，即第42块第14字节位置
4.38 磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分。
（1）共有多少存储面可用？
（2）共有多少柱面？
（3）盘组总存储容量是多少？
（4）数据传输率是多少？
（1）共有6*2=12个储存面可用
（2）有效存储区域=（33-22）/2=5.5cm，柱面数=40*5.5=220道
（3）内层道周长=PI*22=69.08cm
道容量=400位/cm*69.08cm=3454B
面容量=3454B*220道=759880B
盘组总容量=759880B*12面=9118560B
（4）转速=3600转/分=60转/秒
数据传输率=3454B*60转/秒 = 207240B/s
4.39 某磁盘存储器转速位3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12288字节，最小磁道直径位230mm，共有275道，求：
（1）磁盘存储器的存储容量。
（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密度。
（3）磁盘数据传输率。
（4）平均等待时间。
（1）存储容量=275*12288*4=13516800B
（2）最高位密度=12288B/（PI*230mm）=17B/mm
最大磁道直径=230+2*275/5=230+110=340mm
最低位密度=12288B/（PI*340）=11.5B/mm
（3）3000转/分=50转/秒
磁盘数据传输率=12288B*50转/秒=614400B/s
（4）平均等待时间=1/（2*50转/秒）=10ms
假设CPU执行某段程序时，共访问Cache命中20 00次，访问主存50次。已知Cache的存储周期为50ns，主存的存储周期为200ns。求Cache-主存系统的命中率、效率和平均访问时间。
（1）2000/（2000+50）*100%=97%
（2）设访问Cache的时间为t，访问主存时间为4t，则效率e = t/(0.97*t+(1-0.97)*4t)*100%=91.7%
（3）平均访问时间=50ns*0.97+200ns*(1-0.97)=54.5ns
本文作者：jujimeizuo
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