嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用 課件 第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)第3章01020304存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介常用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)高速緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì)/01存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介存儲(chǔ)原理存儲(chǔ)器是利用存儲(chǔ)介質(zhì)的不同穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)介質(zhì)特點(diǎn)：①兩種穩(wěn)定狀態(tài)；②方便檢測(cè)；③容易相互轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)器分類1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類

(1)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：速度快，用作內(nèi)存。

◆記憶原理：觸發(fā)器、電容（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）

◆雙極型晶體管（ECL、TTL、I2L）

◆場(chǎng)效應(yīng)管型MOS（PMOS、NMOS、CMOS）

(2)磁表面存儲(chǔ)器：容量大，用作外存。

(3)光存儲(chǔ)器：可靠性高，保存時(shí)間長(zhǎng)。存儲(chǔ)器分類2.按存儲(chǔ)方式分類(1)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器RAM

存儲(chǔ)器的任意單元都可隨機(jī)訪問(wèn)。

訪問(wèn)時(shí)間與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)(2)只讀存儲(chǔ)器ROM

正常工作時(shí)只讀，能隨機(jī)讀出，不能隨機(jī)寫入。◆MROM：只讀◆PROM：一次寫◆可多次改寫ROM：EPROM、E2PROM存儲(chǔ)器分類2.按存儲(chǔ)方式分類(3)順序存取存儲(chǔ)器◆信息以文件形式組織，一個(gè)文件包含若干個(gè)塊，一個(gè)塊包含若干字節(jié)；◆存儲(chǔ)時(shí)以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間與數(shù)據(jù)物理位置關(guān)系極大；

◆速度慢，容量大，成本低；◆磁帶、電荷耦合器件CCD、VCD存儲(chǔ)器分類3.按存儲(chǔ)器信息的可保存性分(1)斷電后是否丟失數(shù)據(jù)◆易失性存儲(chǔ)器特點(diǎn)：斷電后，信息就丟失。如SRAM◆非易失性存儲(chǔ)器(永久性存儲(chǔ)器)特點(diǎn)：斷電后，信息不丟失。如磁盤(2)讀出后是否保持?jǐn)?shù)據(jù)

◆破壞性存儲(chǔ)器特點(diǎn)：讀出時(shí)，原存信息被破壞，需重寫。如：DRAM

◆非破壞性存儲(chǔ)器特點(diǎn)：讀出時(shí)，原存信息不被破壞。如：SRAM存儲(chǔ)器分類4.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類

(1)高速緩沖存儲(chǔ)器：位于主存和CPU之間

(2)主存儲(chǔ)器：一般存在于CPU主板上，常用DRAM構(gòu)建，用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算

機(jī)運(yùn)行期間較常用的大量的程序和數(shù)據(jù)。

(3)輔助存儲(chǔ)器：不能由CPU的指令直接訪問(wèn)，必須通過(guò)專門的程序或?qū)?/p>

門的通道把所需的信息與主存進(jìn)行成批交換，調(diào)入主存后才能使用。存儲(chǔ)器性能指標(biāo)

(1)存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。

(2)速度:主存的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)?！舸嫒r(shí)間：又稱訪問(wèn)時(shí)間，是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間?！舸鎯?chǔ)周期:指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)體操作所需的最小時(shí)間間隔。它包括存儲(chǔ)器的存取時(shí)間和自身恢復(fù)時(shí)間存儲(chǔ)器性能指標(biāo)(3)帶寬（存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸率、頻寬）:

存儲(chǔ)器單位時(shí)間所存取的二進(jìn)制信息的位數(shù)。帶寬＝存儲(chǔ)器總線寬度/存取周期(4)價(jià)格（每位價(jià)格）存儲(chǔ)容量越大，存取速度越快，存儲(chǔ)器的價(jià)格也就越高。

除上述指標(biāo)外，影響存儲(chǔ)器性能的還有功耗、可靠性等因素。/02常用存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu)舉例：用三極管構(gòu)成4*4ROM存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器一次性編程只讀存儲(chǔ)器PROMPROM內(nèi)部是通過(guò)保險(xiǎn)絲一樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部連接，只能編程一次。存儲(chǔ)位元的基本結(jié)構(gòu)有兩種：全“1”熔斷絲型、全“0”肖特基二極管型，ROM存儲(chǔ)器光擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM可重復(fù)擦除和寫入，寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要過(guò)紫外線照射芯片上的石英玻璃窗口將原存儲(chǔ)內(nèi)容抹去FG浮空柵,CG為控制柵，當(dāng)FG有電子積累時(shí)，該MOS管的開啟電壓變得很高，即使CG為高電平，該管仍不能導(dǎo)通，這種狀態(tài)代表存儲(chǔ)0。反之，F(xiàn)G無(wú)電子積累時(shí)，MOS管的開啟電壓較低，當(dāng)CG為高電平時(shí)，該管可以導(dǎo)通，這種狀態(tài)代表存儲(chǔ)1用EPROM實(shí)現(xiàn)組合邏輯www.islide.cc17RAM存儲(chǔ)器SRAM利用觸發(fā)器來(lái)存儲(chǔ)信息T1通導(dǎo)，T2截止，為“1”狀態(tài)；T2通導(dǎo)，T1截止，為“0”狀態(tài)。RAM存儲(chǔ)器SRAM保持

字驅(qū)動(dòng)線W處于低電位時(shí)，T5、T6截止，切斷了兩根位線與觸發(fā)器之間的聯(lián)系。寫入操作

寫入“1”：位線D上加低電位，位線D上加高電位，即B點(diǎn)為高電位，A點(diǎn)為低電位，導(dǎo)致T1導(dǎo)通，T2截止，保存了信息“1”。

寫入“0”：位線D上加高電位，位線D上加低電位，即B點(diǎn)為低電位，A點(diǎn)為高電位，導(dǎo)致T2導(dǎo)通，T1截止，保存了信息“0”。RAM存儲(chǔ)器SRAM讀操作若原存信息為“1”，即T1導(dǎo)通，T2截止。這時(shí)B點(diǎn)為高電位，A點(diǎn)為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線D為低電位，位線D為高電位，表示讀出的信息為“1”。若原存信息為“0”，即T2導(dǎo)通，T1截止。這時(shí)A點(diǎn)為高電位，B點(diǎn)為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線D為高電位，位線D為低電位，表示讀出的信息為“0”。RAM存儲(chǔ)器DRAM利用和晶體管集電極相連的電容的充放電來(lái)存儲(chǔ)信息定義：C上有電荷—“1”

C無(wú)電荷—“0”保持：字線w低，T截止，切斷了C的通路，

C上電荷狀態(tài)保持不變。當(dāng)然由于

漏電存在，需刷新。RAM存儲(chǔ)器DRAM寫入操作寫入“1”，位線D上加高電位，對(duì)電容C充電。寫入“0”，位線D上加低電位，電容C通過(guò)T放電。讀操作當(dāng)T導(dǎo)通以后，若原存信息為“1”，電容C上的電荷通過(guò)T輸出到位線上，在位線上檢測(cè)到電流，表示所存信息為“1”。若原存信息為“0，電容C上幾乎無(wú)電荷，在位線上檢測(cè)不到電流，表示所存信息為“0”。RAM存儲(chǔ)器由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可能長(zhǎng)久保存，需要周期地對(duì)電容進(jìn)行充電，以補(bǔ)充泄漏的電荷，這個(gè)過(guò)程稱為DRAM刷新。從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍的時(shí)間間隔稱為刷新周期，刷新周期主要取決于電容的放電速度。集中式刷新，在刷新周期內(nèi)集中安排刷新時(shí)間，在刷新時(shí)間內(nèi)停止CPU的讀寫操作；分散式刷新，將系統(tǒng)的存取周期分成兩部分，前半期可用于正常讀寫或保持，后半期用于刷新；異步式刷新，把刷新操作平均分配到整個(gè)最大刷新間隔內(nèi)進(jìn)行。RAM存儲(chǔ)器由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可能長(zhǎng)久保存，需要周期地對(duì)電容進(jìn)行充電，以補(bǔ)充泄漏的電荷，這個(gè)過(guò)程稱為DRAM刷新。從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍的時(shí)間間隔稱為刷新周期，刷新周期主要取決于電容的放電速度。集中式刷新，在刷新周期內(nèi)集中安排刷新時(shí)間，在刷新時(shí)間內(nèi)停止CPU的讀寫操作；分散式刷新，將系統(tǒng)的存取周期分成兩部分，前半期可用于正常讀寫或保持，后半期用于刷新；異步式刷新，把刷新操作平均分配到整個(gè)最大刷新間隔內(nèi)進(jìn)行。RAM存儲(chǔ)器假定DRAM允許的刷新周期為2ms，存儲(chǔ)器的存取周期為0.5μs，容量為16K×1位，存儲(chǔ)矩陣為128×128，在2ms內(nèi)要對(duì)128行全部刷新一遍。集中式刷新需要在2ms的周期末尾，對(duì)整個(gè)DRAM的128行刷新一遍，所需時(shí)間為128×0.5μs=64μs。RAM存儲(chǔ)器分散式刷新將系統(tǒng)的存取周期分成兩部分，前半期可用于正常讀寫或保持，后半期用于刷新。存儲(chǔ)芯片的存取周期：0.5

s系統(tǒng)存取周期應(yīng)：1

sRAM存儲(chǔ)器異步式刷新把刷新操作平均分配到整個(gè)最大刷新間隔內(nèi)進(jìn)行，相鄰兩行的刷新間隔為最大刷新間隔時(shí)間÷行數(shù)。在前述的128×128矩陣?yán)又校?ms內(nèi)分散地將128行刷新一遍，即每隔15.5μs（2000μs÷128≈15.5μs）刷新一行。閃存Flash閃存位元結(jié)構(gòu)與EPROM隧道氧化層的位元結(jié)構(gòu)類似。由兩個(gè)相互重疊的多晶硅柵組成，浮柵用來(lái)存儲(chǔ)電荷，以電荷多少來(lái)代表所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；控制柵作為選擇柵極起控制與選擇的作用。Flash和E2PROM的最大區(qū)別在于Flash按扇區(qū)操作，E2PROM則按字節(jié)操作，二者尋址方法不同。Flash的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，同樣容量占芯片面積較小，數(shù)據(jù)密度更高，降低了成本。閃存Flash分為NORFlash和NANDFlash。NOR表示或非門電路，NAND表示與非門電路。兩者主要存在以下幾點(diǎn)差異：(1)讀寫操作單位不同，NOR閃存以字節(jié)為單位，而NAND閃存以頁(yè)為單位(2)讀寫速度不同，NOR閃存隨機(jī)讀取速度快，NAND閃存編程和擦除速度更快。(3)存儲(chǔ)密度不同，NAND閃存單位面積的存儲(chǔ)密度更高。(4)接口復(fù)雜度及可靠性不同，NOR閃存接口簡(jiǎn)單，可靠性高，而NAND閃存需

要用一些信道糾錯(cuò)算法來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性。(5)耐久性方面，NAND閃存編程/擦除次數(shù)通常大于NOR閃存。磁表面存儲(chǔ)器1.磁表面存儲(chǔ)器把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上，形成厚度為0.3～5μm的磁層，將信息記錄在磁層上，構(gòu)成磁表面存儲(chǔ)器。2.磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的原理利用磁性材料在不同方向的磁場(chǎng)作用下，形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來(lái)記錄信息。磁表面存儲(chǔ)器3.磁表面存儲(chǔ)器信息編碼磁表面存儲(chǔ)器4.磁表面存儲(chǔ)器的讀寫操作◆磁頭：磁表面存儲(chǔ)器的讀寫元件。利用磁頭來(lái)形成和判

別磁層中的不同磁化狀態(tài)?！舸蓬^是由鐵氧化體或坡莫合金等高導(dǎo)磁率的材料制成的

電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以通過(guò)不同方向的電流?！魧懘蓬^：用于寫入信息的磁頭。讀磁頭：用于讀出信息的磁頭。復(fù)合磁頭：既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器的寫操作磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器的讀操作機(jī)械硬盤◆磁盤存儲(chǔ)器由驅(qū)動(dòng)器、控制器和盤片三部分組成◆磁盤驅(qū)動(dòng)器又稱磁盤機(jī)或磁盤子系統(tǒng)用于控制磁頭與

盤片的運(yùn)動(dòng)及讀寫。是獨(dú)立于主機(jī)之外的完整裝置?！魴C(jī)械硬盤是最常

見(jiàn)的磁性存儲(chǔ)器機(jī)械硬盤◆磁盤控制器主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，通常是插在主機(jī)總線插槽中的一塊印刷電路板。磁盤控制器的作用：接受主機(jī)發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器的控制命令和數(shù)據(jù)格式，控制驅(qū)動(dòng)器的操作。

機(jī)械硬盤◆盤片：存儲(chǔ)信息的介質(zhì)盤片磁道扇間空隙扇區(qū)機(jī)械硬盤◆記錄面：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息?！舸诺溃河涗浢嫔弦幌盗型膱A。每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道。

磁道的編址：從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的

一個(gè)同心圓叫n磁道，n磁道里面的圓面積不用來(lái)記錄信息。◆扇區(qū)：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)的編號(hào)方法：

可以連續(xù)編號(hào)，也可間隔編號(hào)?！糁妫▓A柱面）：n個(gè)面上位于同一半徑的磁道形成一個(gè)圓柱面。磁盤

組的圓柱面數(shù)等于一個(gè)盤面的磁道數(shù)。機(jī)械硬盤◆磁盤地址的表示

例如，若某盤片組有8個(gè)記錄面，每個(gè)盤面分成256條磁道，8個(gè)扇區(qū)；當(dāng)主機(jī)要訪問(wèn)其中第5個(gè)記錄面上，第65條磁道，第7個(gè)扇區(qū)的信息時(shí)，則主機(jī)應(yīng)向磁盤控制器提供如下的地址信息：

0100000l101111磁道號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)機(jī)械硬盤【例3-1】某機(jī)械硬盤的磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為10ms。問(wèn)：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少？(3)數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4)平均尋址時(shí)間是多少？機(jī)械硬盤解：(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm)

因?yàn)榈烂芏?40道/cm，所以共有40×5.5=220道，即220個(gè)圓柱面。(2)內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為2πR=2×3.14×11=69.08（cm）

每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B

每面信息量＝3454B×220＝759880B

盤組總?cè)萘浚?59880B×l0＝7598800B＝7.25MB(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr＝r×N，N為每條磁道容量，r為磁盤轉(zhuǎn)速。

又N＝3454B，r＝2400轉(zhuǎn)/60秒＝40轉(zhuǎn)/秒，故

Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s。機(jī)械硬盤解：(4)磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為t=60/2400*1000=25ms平均尋址時(shí)間Ta=10ms+25/2ms=22.5ms固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤局限：1）閃存只提供讀、寫和擦除3種操作，且這三種操作性能不對(duì)稱，讀最快，寫次之，擦除最慢；2）閃存是按頁(yè)、塊、平面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織；頁(yè)是讀/寫的最小單位，一般為2/4/8KB；塊是擦除的最小單位，一個(gè)塊一般包含64/128個(gè)頁(yè)；3）閃存擦除后只能寫一次，即所謂的erase-before-write，這造成閃存不支持原地更新；4）閃存每個(gè)存儲(chǔ)單元的編程/擦除（P/E）次數(shù)有限，超過(guò)該P(yáng)/E次數(shù)后，閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不再可靠。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤優(yōu)點(diǎn)：(1)速度快。固態(tài)硬盤無(wú)需通過(guò)磁頭的機(jī)械旋轉(zhuǎn)來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)，是機(jī)械硬盤存取速度的數(shù)倍。(2)耐用防震。固態(tài)硬盤內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，由于碰撞震動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失

的可能性很小。(3)無(wú)噪聲。得益于無(wú)機(jī)械部件，固態(tài)存儲(chǔ)器工作噪聲值為0分貝。(4)重量輕。同樣存儲(chǔ)容量的固態(tài)硬盤體積要更小，便于攜帶。(5)功耗低。固態(tài)硬盤無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)，功耗來(lái)源主要是內(nèi)部芯片，因此功耗低。(6)工作環(huán)境要求低。傳統(tǒng)硬盤受限于其機(jī)械結(jié)構(gòu)，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致金屬的鈍化，

溫度過(guò)高會(huì)引起機(jī)械部件膨脹，這限制了傳統(tǒng)硬盤的工作環(huán)境溫度。/03存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主存儲(chǔ)器的讀寫主存數(shù)據(jù)傳輸示意圖主存儲(chǔ)器的讀寫主存和CPU之間的連接示意圖主存儲(chǔ)器的讀寫主存的基本讀寫操作示意圖存儲(chǔ)系統(tǒng)的大小端1.兩種多字節(jié)數(shù)據(jù)排列順序◆高端優(yōu)先（bigendian）

數(shù)值的最高字節(jié)存儲(chǔ)在單元X中，次高字節(jié)存儲(chǔ)在單元X+1中◆低端優(yōu)先（littleendian）

最低字節(jié)存儲(chǔ)在單元X中，次低字節(jié)存儲(chǔ)在X+1中存儲(chǔ)系統(tǒng)的大小端1.兩種多字節(jié)數(shù)據(jù)排列順序多字節(jié)存儲(chǔ)的另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是對(duì)齊問(wèn)題。例如，摩托羅拉68040CPU能同時(shí)讀入4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然而，這4個(gè)字節(jié)必須在連續(xù)的單元中，它們的地址除了最低兩位不同之外，其余的位均相同。這也就是說(shuō)，該CPU可以同時(shí)讀單元100、101、102和103，但不能同時(shí)讀單元101、102、103和104。后者需要兩個(gè)讀操作，一個(gè)操作讀100、101、102和103，另一個(gè)操作讀104、105、106和107；其中100、105、106和107都是不需要的讀操作，這浪費(fèi)了CPU的性能。www.islide.cc52存儲(chǔ)器字位擴(kuò)展位擴(kuò)展【例3-2】用4K×2位的RAM存儲(chǔ)芯片構(gòu)成4K×8位的存儲(chǔ)器。需要四個(gè)4K×2位芯片。12位地址A0~A11、片選線CS和讀寫使能線R/W都連接到各個(gè)芯片對(duì)應(yīng)線上。8位數(shù)據(jù)總線D0~D7分成4組，每組包括2跟線存儲(chǔ)器字位擴(kuò)展字?jǐn)U展【例3-2】用4K×2位的RAM存儲(chǔ)芯片構(gòu)成4K×8位的存儲(chǔ)器。需要16K×8位的芯片4個(gè)。用16位地址線中的低14位A13～A0進(jìn)行存儲(chǔ)芯片片內(nèi)尋址，高兩位地址A15、A14用于選擇芯片。存儲(chǔ)器從0000H開始連續(xù)編址第一片地址：0000H～3FFFH第二片地址：4000H～7FFFH第三片地址：8000H～BFFFH第四片地址：C000H～FFFFH存儲(chǔ)器字位擴(kuò)展字位擴(kuò)展字位擴(kuò)展的一般方法為：選擇芯片現(xiàn)進(jìn)行位擴(kuò)展，擴(kuò)展成組，使得組的位數(shù)達(dá)到要求；再用組進(jìn)行字?jǐn)U展，按照字?jǐn)U展的方法將將字?jǐn)?shù)加到目標(biāo)字?jǐn)?shù)。擴(kuò)展為

M>m，N>n）容量的存儲(chǔ)器，進(jìn)行字位擴(kuò)展共需要的芯片數(shù)量為：存儲(chǔ)器字位擴(kuò)展【例3-4】用2K×4位的RAM存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成4K×8位的存儲(chǔ)器。4K×8位存儲(chǔ)器需要4個(gè)2K×4位的存儲(chǔ)芯片構(gòu)成。先將4個(gè)芯片兩兩組合進(jìn)行位擴(kuò)展組成2K×8位的存儲(chǔ)組。當(dāng)A11地址線為0時(shí)，選擇前兩個(gè)芯片構(gòu)成的2K×8位存儲(chǔ)器組，A11地址線為0時(shí)，選擇后兩個(gè)芯片構(gòu)成的2K×8位存儲(chǔ)器組。地址線的A10～A0為片內(nèi)地址，同時(shí)接在4個(gè)芯片上。數(shù)據(jù)輸出8位數(shù)據(jù)，D0~D7整體連接如圖所示。設(shè)存儲(chǔ)器從0000H開始連續(xù)編址，則四塊芯片的地址分配為：

第一組芯片地址范圍為：0000H～07FFH第二組芯片地址范圍為：0800H～0FFFH存儲(chǔ)器字位擴(kuò)展分層存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器分層結(jié)構(gòu)分層存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)分層存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)（1）命中率H命中率為CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，在M1中找到所需數(shù)據(jù)的概率。若在程序執(zhí)行過(guò)程中，訪問(wèn)M1和M2的次數(shù)分別為N1和N2，則命中率H定義為：分層存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)分層存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)（2）平均訪問(wèn)時(shí)間TA假設(shè)訪問(wèn)在M1命中需要的訪問(wèn)時(shí)間為TA1；當(dāng)訪問(wèn)在M1不命中，則需向M2發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求。此時(shí)，需要把M2中包含請(qǐng)求數(shù)據(jù)的信息塊傳送到M1，CPU才能得到需要的數(shù)據(jù)。假設(shè)M2的訪問(wèn)時(shí)間是TA2，把一個(gè)信息塊從M2傳送到M1的時(shí)間為TB，則M1不命中時(shí)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間為：其中

稱為失效開銷，平均訪問(wèn)時(shí)間為：分層存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)分層存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)（3）存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均位價(jià)格C上式中，S1和C1是M1的容量和每位價(jià)格，S2和C2是M2的容量和每位價(jià)格。/04高速緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì)緩存基本原理1.Cache設(shè)計(jì)的依據(jù)Cache設(shè)計(jì)的依據(jù)是程序執(zhí)行時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器具有局部性特點(diǎn)，簡(jiǎn)稱局部性。局部性又分為時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性是指正在訪問(wèn)的指令和數(shù)據(jù)，很有可能不久以后該指令和數(shù)據(jù)可能再次被訪問(wèn)?？臻g局部性是指正在訪問(wèn)的指令和數(shù)據(jù)的臨近存儲(chǔ)單元在不久以后很有可能被訪問(wèn)。緩存基本原理2.有Cache下的主存讀訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)交換的大小CPU與Cache：字節(jié)/半字/字?jǐn)?shù)據(jù)交換大?。簤K（通常4~256個(gè)字）緩存基本原理3.Cache的關(guān)鍵性能指標(biāo)Cache性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)是Cache命中率，它是指CPU要訪問(wèn)的內(nèi)容在Cache中的比率。具體計(jì)算方法如下，設(shè)程序執(zhí)行期間訪問(wèn)Cache的命中次數(shù)為Nc，失配次數(shù)為Nm，則Cache的命中率H為：主存與Cache的地址映像規(guī)則直接映像直接映像：將主存塊號(hào)除以Cache塊數(shù)，余數(shù)即為該主存塊在Cache中的位置；也就是說(shuō)，映射到同一個(gè)Cache塊的主存塊號(hào)相對(duì)Cache塊數(shù)“同余”主存地址分成三段：標(biāo)識(shí)、塊號(hào)、塊內(nèi)偏移量標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)主存與Cache的地址映像規(guī)則全相聯(lián)映像主存的任意塊可以映像到Cache的任意塊，即無(wú)論是主存塊到Cache塊，還是Cache塊到主存塊，都是多對(duì)多的映射主存地址分成兩段：標(biāo)識(shí)、塊內(nèi)偏移量主存與Cache的地址映像規(guī)則組相聯(lián)映像組相聯(lián)映像方式是先將Cache塊分為若干組，每組中有相同數(shù)量的Cache塊，再將主存塊按與Cache的組數(shù)進(jìn)行分組，主存中的任何一組只能映像到Cache中的某一固定組（類似直接映像），但同一組中的主存塊可放置在Cache中指定組內(nèi)的任意塊中（類似全相聯(lián)映像）主存與Cache的地址映像規(guī)則采用組相聯(lián)映像方式時(shí)，主存地址分成三段：標(biāo)識(shí)、組號(hào)、塊內(nèi)偏移量，與直接映像的標(biāo)識(shí)、塊號(hào)、塊內(nèi)偏移量作用類似設(shè)主存有2n塊，Cache有2m塊，包括G＝2g個(gè)組，可以看到：若g=0、G=1，即Cache只有1個(gè)組，共包含2m個(gè)塊，此時(shí)為全相聯(lián)映像Cache。若g=m、G=2m,即Cache有2m個(gè)組，每個(gè)組只有1個(gè)塊，此時(shí)為直接映像Cache。若0<g<m，即Cache有2g個(gè)組，每個(gè)組里有k=2m-g個(gè)塊，此時(shí)稱這種組相聯(lián)映像方式為k路組相聯(lián)Cache。主存與Cache的地址映像規(guī)則【例3-5】某采用組相聯(lián)映像的主存-Cache系統(tǒng)中，主存容量為1MB，Cache的容量為16KB，按256B分塊，Cache采用4路組相聯(lián)。請(qǐng)確定主存、Cache的地址結(jié)構(gòu)。∵主存容量1MB＝220B，∴主存地址長(zhǎng)度為20位；∵Cache塊大小為256B＝28B，∴主存可分為220/28＝212個(gè)塊，塊內(nèi)偏移地址長(zhǎng)8位?！逤ache容量16KB＝214B，∴Cache地址長(zhǎng)度為14位；∵Cache塊大小為256B＝28B，∴Cache可分為214/28＝26個(gè)塊，塊內(nèi)偏移地址長(zhǎng)8位。∵Cache每組包含4塊，∴Cache共分為26/4＝24=16組，組地址長(zhǎng)度為4位。進(jìn)一步，主存20位地址的從高到低的構(gòu)成為：8位標(biāo)識(shí)位、4位組號(hào)位，8位塊內(nèi)偏移地址位。續(xù)：訪問(wèn)流程www.islide.cc711.用主存地址的4位組號(hào)位訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的Cache組2.檢查對(duì)應(yīng)組包含的塊的標(biāo)識(shí)位與地址碼的標(biāo)識(shí)位是否相等3.若相等，則繼續(xù)檢查有效位為14.若第2/3步的結(jié)果都為真，判斷命中，根據(jù)主存塊內(nèi)偏移地址訪問(wèn)命中的cache塊5.否則，cache訪問(wèn)不命中（失配），用主存塊號(hào)（標(biāo)識(shí)+組號(hào)）訪問(wèn)主存

Cache的替換算法與寫策略1.當(dāng)訪存Cache不命中時(shí)，必須從主存中調(diào)入所需塊。此時(shí)，若Cache已滿，則必須按一定算法從Cache中選擇一個(gè)塊將其替換出去，然后才能調(diào)入新塊。隨機(jī)替換法為均勻使用一組中的各塊，隨機(jī)替換法隨機(jī)地選擇被替換的塊。隨機(jī)替換策略實(shí)際上是不要什么算法，只需要隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)符合映像規(guī)則的塊號(hào)，然后將此塊從Cache中替換出去即可。Cache的替換算法與寫策略先進(jìn)先出法先進(jìn)先出法（FirstInFirstOut,FIFO）是按塊調(diào)入Cache的先后決定替換順序，即需要替換時(shí)，總是淘汰最先調(diào)入Cache的塊。最近最少使用法最近最少使用法（Least

Recently

Used,LRU）是把近期最少使用的Cache塊替換出去。對(duì)Cache的每個(gè)塊設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)塊命中后，其對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器清零，其它塊計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí)，比較符合映像規(guī)則的塊的計(jì)數(shù)器值，將計(jì)數(shù)值最大的塊替換出。Cache的替換算法與寫策略最不經(jīng)常使用法最不經(jīng)常使用法（LeastFrequentlyU