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【结构】存储系统和结构

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【关键字】结构

第4章 存储系统和结构

4.1 基本内容摘要

1、保存系统的组成

◆ 保存器的分类

◆ 主存

半导体保存器

SRAM、DRAM、ROM的基本电路

◆ 辅存

2、主存的组织与操作

◆ 半导体保存器的基本结构

◆ 保存器中的数据组织

小端存放格式

大端存放格式

◆ 半导体保存器的主要技术指标

保存容量

保存速度

◆ 半导体保存器芯片的发展

DRAM芯片技术发展：

FPM DRAM ；EDO DRAM ；SDRAM ；DDR SDRAM

◆ 主保存器的组织

SRAM HM 6116

DRAM Intel 2164

芯片的互联：位扩展、字扩展、字位扩展

◆ 多体交叉保存技术

组成、工作原理

3、保存系统的层次结构

◆ 层次化保存系统

◆ Cache-主存保存层次

◆ 主存-辅存保存层次

4、高速缓冲保存器

◆ Cache的工作原理

Cache的结构

Cache的工作过程 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

◆ 主存与Cache之间的地址映像

Cache的基本结构

地址映像和地址映像表

◆ 直接映像

直接映像方式

主存地址

直接映像的访存过程

◆ 全相联映像

全相联映像方式

主存和Cache的地址结构

主存和Cache的地址结构

全相联映像下的访存过程

◆ 组相联映像

组相联映像方式

主存和Cache的地址结构

组相联映像下的访存过程

◆ 替换策略和更新策略

三种替换算法：随机法、先进先出法、LRU法

更新策略：写回法、全写法、写装入法、写不装入法

5、虚拟存储器

◆ 虚拟存储器的基本概念

虚拟存储器的工作原理

虚地址、实地址

◆ 页式虚拟存储器

页式虚拟存储器地址结构

页式虚拟存储器的地址映像

页式虚拟存储器的地址变换过程

◆ 段式虚拟存储器

段式虚拟存储器地址结构

段式虚拟存储器的地址映像

段式虚拟存储器的地址映像过程

◆ 段页式虚拟存储器

段页式虚拟存储器的地址结构

段页式虚拟存储器的地址映像 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

段页式虚拟存储器的地址映像过程

◆ 快表技术

快表的形成

“快表”和“慢表”实现地址转换

4. 2 知识点

一、主存储器

1、 分类

随机存取存储器RAM：SRAM、DRAM

只读存储器ROM

2、 半导体存储器基本结构

（1）随机存取存储器RAM

挥发性存储器，失电时信息丢失。

◆ SRAM基本电路及其读写工作原理；

存储单元电路是半导体触发器，典型的单极型SRAM基本电路是由6个MOS管组成的双稳态触发电路；

存储单元的内容可多次读出，读出时不破坏原存信息；功耗较大，容量较小，但存取速度较快。

◆ DRAM基本电路及其读写工作原理；

基本电路由一个晶体管和一个电容组成，利用MOS管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以储存电荷的多少(即电容端电压的高低)来表示“1”和“0”；

存储单元的内容读出时破坏原存信息，功耗小，容量较大，但存取速度较SRAM慢；

DRAM必须不断进行刷新，对存储单元中电容充电。

（2）只读存储器ROM

只能读取数据不能写入数据的存储器。一般由一个晶体管构成一个存储单元，存储单元构成阵列，用行选通和列选通信号选择存储单元。能长期保存信息，信息可随机被访问。

◆ 掩膜ROM

存储单元中的信息在生产中用掩膜形成两种存储单元，存储单元中有无晶体管代表数据0和1。

◆ PROM

可编程ROM，用户能够一次性烧入数据，在晶体管的发射极和列选通线之间用熔丝连接，可实现一次性可编程数据存储。

◆ EPROM

可擦除可编程ROM，一般指紫外线擦除可编程的ROM，用户能够多次烧入数据， 可多次擦除，多次改写。 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

◆ E2PROM

电可擦除可编程的ROM，用户可用电信号在线进行擦除和改写的存储器。

◆ Flash Memory

闪速存储器，一种的快擦型E2PROM存储器，只能以块为单位擦写。

（3）存储器芯片

◆ 基本结构

组成：

存储体 — 是存储单元的集合体，存储单元阵列；

数据读写电路 — 驱动缓冲作用；

地址译码电路 — 将地址信号转换为选中某一存储单元的选通信号，如采用双译码方式的存储器，会将一部分地址信号转换为行选通信号、另一部分地址信号转换为列选通信号，行选通信号和列选通信号对行和列选择，对选中的单元进行读写。

控制电路 — 产生控制信号如片写信号、读信号、输出信号等等

◆ 典型存储器芯片

● HM6116

2K×8位（2KB）SRAM芯片：11条地址线、8条数据线、3条控制线

CE、OE、WE 3个控制信号的组合控制HM6116芯片的工作方式，

● Intel 2164

64K×1b的DRAM芯片：8条地址线、1条数据输出线、1条数据输入线、

写允许信号WE、行地址选通信号RAS、列地址选通信号CAS 。

64K存储体由4个128×128的存储矩阵组成，每个128×128的存储矩阵，由7条行地址和7条列地址进行选择。

刷新时，在送入7位行地址时选中4个存储矩阵的同一行，即对 4×128=512个存储单元进行刷新。

（4）新型存储器芯片

快页式动态存储器（FPM DRAM）

扩展数据输出动态存储器（ EDO DRAM）

同步型动态存储器（SDRAM）

双倍数据速率SDRAM （DDR SDRAM）

（5）半导体存储器的技术指标

◆ 存储容量

存储器可以容纳的二进制信息量 。

内存的最大容量： 计算机系统中CPU地址总线数目有限，决定系统能配备最大的内存容量。如CPU的地址线为n 条，则由该CPU组成的计算机系统的内存不超过2n个字，若字长为文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

8位，则为2n 字节。

计算机的实际装机容量：指一计算机系统根据系统的实际需要配置的内存容量，实际装机容量不能超过内存的最大容量。

存储器芯片的容量：指存储器芯片能存放的信息量，由存储器芯片地址线和数据线的数目决定。如 一存储器芯片有m 条地址线和n条数据线，则该芯片的存储容量为

2m×n位

存储容量单位有： 千字节（KB）、兆字节（MB）、 吉字节（GB) 、太字节（TB）

1KB= 210 B = 1024B ；1MB=220 B=1024KB ；1GB=230 B=1024 MB ；1TB= 240 B=1024 GB

◆ 存储速度

存储器的存储速度可以用两个时间参数表征：

存取时间TA：定义为从启动一次存储器操作，到完成访问操作所经历的时间。

存储周期TMC：从一次访问的开始到下一次访问开始的时间间隔。

通常存储周期TMC略大于存取时间TA。

3、 系统的存储器

（1）存储器的扩展

存储器芯片的容量有限，用多片存储器芯片互联可以扩大存储容量，构成系统所需的存储器。扩展存储器容量采用的方法有：

① 位扩展法

当主存的字数与单个存储芯片的字数相同(两者存储单元数相同)而位数不同时, 要采用位扩展的方式来组织多个存储芯片构成存储器。扩展芯片时, 字数不变, 位数增加。

位扩展的方式时,应

◆ 确定总芯片数

若芯片的容量为N×M位 ，构成系统的存储器容量为N×K位（K为M的若干倍），采用位扩展方式，需要芯片数为：

N×K位

N×M位

◆ 各存储器芯片采用相同的地址信号和控制信号，即各芯片的片选端CS（或CE）、地址线Ao—Ai、读/写控制信号都应分别并接在一起,连接到CPU相应的控制线、地址线上；

◆ 将各存储器芯片的数据线单独列出作D0、D1 …… Dm 分别连接到CPU的数据线D0 …… Dm不同的位。

② 字扩展法

当主存的位数与采用存储芯片的位数相同，但字数不同（存储单元数不同）, 要采用字扩展的方式来组织多个存储芯片扩展存储单元构成主存储器。

字扩展的方式时, 应 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

◆ 确定总芯片数

若芯片的容量为N×M位 ，构成系统的存储器容量为K×M位（K为N的若干倍），采用字扩展方式，需要芯片数为：

K×M位

N×M位

◆ 各存储器芯片地址范围不同, CPU地址线分为两部分，低位部分地址线和各芯片的地址线连接，CPU的高位地址总线经片选译码器译码得到多条控制信号线分别接到各存储器芯片的片选端CS（或CE），使每次访问时只能选中一片芯片工作。

◆各存储器芯片的数据线、读写控制线并联后, 再与CPU数据线、读写控制线相连接。

③ 字位扩展法

当存储器芯片的字数和字长均不能满足主存储器要求时, 需要在字数和位数上同时扩展，以构成主存储器。

字位扩展的方式时, 应

◆ 确定总芯片数

若主存储器容量为M× N位，采用容量为L×K的存储器芯片，则用 N/K片 L×K的存储器芯片组成一组 ，实现位扩展构成L×N位的存储器，再采用M/L组的L×N位的存储器组进行字扩展构成M× N位的存储器，共需 要M/L × N/K 片芯片。

◆ 各存储器组地址范围不同, CPU地址线分为两部分，低位部分地址线和所有存储器芯片的地址线连接，CPU的高位地址总线经片选译码器译码得到多条控制信号线分别接到各存储器芯片组，每个控制信号和一组中的所有芯片的片选端CS（或CE）相连接，使每次访问时只能选中一组芯片工作。

◆ 每组中各存储器芯片的数据线单独列出分别CPU的数据线D0-Dn-1 相连，但每组中对应的芯片应并联接同样数据线。

◆ 所有存储器芯片的读写控制线并联后, 再与CPU的读写控制线相连接。

（2）存储器中的数据组织

◆ 存储字： 作为一个整体一次存放或取出内存储器的数据

◆ 字节编址：对存储器的每一个字节进行编址，一个地址对应一个存放8位二进制数的存储单元，存储单元的地址称为字节地址。表示字节地址的二进制位数取决于存储器的总字节数。在现代计算机系统中，特别是在微机系统中，内存储器一般都以字节编址。

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计算机系统结构_知识点测评

计算机系统结构_知识点测评

【例题】下列对应用程序员不透明的是(B )（2012年单选题）

A．标志符数据表示中的标志符

B．输入输出系统硬件的功能

C．虚拟地址到主存实地址的变换

D．"执行"指令

1．（单选题）以下不属于计算机系统结构的属性为（ ）。

 A． 寻址种类

 B． 主存的最小编址单位

 C． 中断的分类

 D． 加法采用行波进位还是先行进位

【答案】D

【解析】根据计算机系统结构的定义，系统结构主要对软、硬件之间的功能分配进行定义，确定系统设计有关的计算机属性，选项A、B、C均属于计算机系统结构的属性。而选项D属于计算机组成，即逻辑实现的属性，故答案为D。

【知识点】计算机系统结构的定义

【例题】主存的逻辑结构属于( ) （2012年单选题）

A．计算机实现

B．计算机组成

C．计算机系统结构

D．计算机应用

隐藏答案

【答案】B

【解析】根据计算机系统结构的属性，主存的容量、编址方式、容量等属于计算机系统结构，为达到性能价格要求，主存速度为多少或者逻辑结构是否采用多体交叉属于计算机组成。所以B选项正确。

2．（单选题）以下不属于计算机组成范畴的为（ ）。

 A． 是否具有浮点乘法运算

 B．取指令的具体操作

 C． 是否采用多体交叉存储的逻辑结构

 D．乘法指令是否采用专门的乘法器实现

【答案】A 【解析】根据计算机组成的定义，计算机组成主要定义了计算机的逻辑实现，包括数据流和控制流的组成及逻辑设计等，选项B、C、D均属于计算机组成，而选项A是否具有浮点运算，是计算机系统结构的范畴。

【知识点】计算机组成的定义

3．（单选题）目前一般通用计算机系统的设计方法为（ ）。

 A． 从上自下，从如何满足应用要求出发

 B． 从中间开始向两边设计

 C． 由下往上，从目前已有的器件出发

 D． 乘法指令是否采用专门的乘法器实现

【答案】B

【解析】"从中间向两边"的设计：这是目前通用机一般采用的方法。它可以克服"自上而下"和"自下而上"两种设计方法中，软、硬件设计分离和脱节的致命缺点，故答案为B。

系统结构期末复习

系统结构期末复习

第一章

1.计算机系统结构的定义：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定

3.透明性概念：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在

4.计算机系统的多层次模型：

第6级 专用应用语言机器 特定应用用户（使用特定应用语言）

（经应用程序翻译成高级语言）

第5级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言）

（经编译程序翻译成汇编语言）

第4级 汇编语言机器 汇编语言程序员（使用汇编语言）

（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）

第3级 操作系统语言机器 操作系统用户（使用操作系统原语）

（经原语解释子程序翻译成机器语言）

第2级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）

（由微程序解释成微指令序列）

第1级 微指令语言机器 微指令程序员（使用微指令语言）

（由硬件译码器解释成控制信号序列）

第0级 硬联逻辑 硬件设计员

第0级由硬件实现，第1级由微程序实现，第2级至第6级由软件实现，由软件实现的机器称为：虚拟机

从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。它们之间仍有交叉。第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。

5.计算机运算速度评价的主要方法：1）时钟频率（2）指令执行速度MIPS及KIPS、GIPS、TIPS 书P15-16（3）等效指令速度。（CPI (Cycles Per Instruction) 为每条指令所需的平均时钟周期数，IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数。）

例子：如果浮点开平方操作FPSQR的比例为2%，它的CPI为100 ，其他浮点操作的比例为23% ，它的CPI＝4.0，其余指令的CPI＝1.33 ，计算该处理机的 等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。

计算机系统结构复习题

计算机系统结构复习题

1

【简答题】

传统的存储程序计算机的主要特征是什么？存在的主要问题是什么？目前计算机系统是如何改进的?

正确答案：

解：

主要特征：

(1)机器以运算器为中心；

(2）采用存储程序原理；

（3)存储器是按地址访问的、线性编址的空间；

(4)控制流由指令流产生；

（5）指令由操作码和地址码组成；

（6)数据以二进制编码表示,采用二进制运算。

主要问题和改进：

（1)问题：以运算器为中心,所有部件的操作都由控制器集中控制，导致慢速输入输出操作占用快速运算器矛盾,影响运算器效率发挥。

改进：各种分布式的I/O处理或输入输出方式如程序控制、DMA(直接存储器访问)方式、 I/O处理机等。

（2）问题:数据和指令存放在同一存储器中，自我修改程序是难以编制、调试和使用的，不利于指令执行的重叠和流水。

改进:通过存储管理硬件的支持，由操作系统控制在程序执行过程中不准修改程序.

(3)问题:访问存储器次数较多影响计算机系统性能。

改进：按内容访问的相联存储器CAM，大量使用通用寄存器,在CPU和主存之间设置高速缓冲存储器cache。

(4)问题：受程序计数器控制，程序执行只能串行、顺序执行.

改进：改进CPU的组成，如采用重叠方式、先行控制、多操作部件甚至流水方式把若干条指令的操作重叠起来；采用向量处理技术、多机并行处理，总之通过并行处理技术进一步提升计算机系统速度。

（5）问题：需要指令功能更加丰富，但实现困难;计算机存储器容量大增，采用直接寻址方式指令中地址码位数不够.

改进：出现了CISC和RISC指令系统，CISC用硬件实现大量丰富功能,RISC只包含使用频率高的少量指令；采用多种灵活的寻址方式,如间接寻址、相对寻址、变址寻址、基址寻址、页式寻址等。

2

【简答题】

通用寄存器型指令系统结构在灵活性和提高性能方面的优势主要体现在哪几个方面？

正确答案:

(1）寄存器的访问速度比存储器快很多;

(2）对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。在表达式求值方面，通用寄存器型结构具有更大的灵活性和更高的效率。

大规模分布式存储系统：原理解析与架构实战

大规模分布式存储系统：原理解析与架构实战

工业技术　中国科技信息２０１３年第１　９期－ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏｃｔ．２ｏｉ３　（ｂ）近似静力分析应力结果　图１Ｏ近似静力分析结果　６结语　通过对电动轮椅站立机构的刚柔耦合分析得到其站立　过程中最大应力出现在初始时刻，为１．４０５８１　Ｘ　１０　Ｐａ。又　通过对推杆２在站立初始时刻的近似静力分析得到其最大　变形值为：０．４３４ｍｍ，最大应力为１．６　Ｘ　１０７Ｐａ。因此两者　结果保持了一致。另外其变形量与最大应力都在许用范围　以内，满足使用要求，机构安全。　参考文献　［１】任怡，张骏霞，张建国，胡军．立卧两用电动轮椅车的设计　［Ｊ】．天津科技大学学报，２００９，２４（１）：４７　５０　［２】谢龙昌等．新型多功能轮椅之回顾与分析［Ｊ］．５５　６２　【ｊ】胡仁喜，徐东升，李亚东等．ＡＮＳＹＳ１　，Ｏ机械与结构有限元分　析从入门到精通［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２０１　１．０７．　『４］贾长冶，殷军辉，薛文星．ＭＤ　ＡＤＡＭＳ虚拟样机从入门到精通　［Ｍ］．北京：机械工业出版祉，２０１　１．０８．　【５】郭应征，周志红．理论力　Ｍ］．北京：清华大学出版社，　２００５．１　２．　［６】曹惟庆．连杆机构的分析与综合［ＭＪ．北京：科学出版社，　２０Ｏ２　Ｏ５　——１４０　田　篓兰釉　｛搿　嚣　慧　…～…　．Ｖ　凡燃校分　式　系绒　■—　精毒鞭桷赛奠　＃●　０＿．　＿．　＂　Ｉ！　大规模分布式存储系统：原理解析与架构实战　作　者：杨传辉著　出版社：机械工业出版社　出版时间：２Ｏ１　３一Ｏ９一Ｏ１　Ｉ　Ｓ　Ｂ　Ｎ：９７８７１　１　１４５０５２０　所属分类：　图书＞计算机与互联网＞计算机理论、基础知识　《大规模分布式存储系统：原理解析与架构实战》是分　布式系统领域的经典著作理论方面，不仅讲解了大规模分布式　存储系统的核心技术和基本原理　而且对谷歌、亚马逊、微软　和阿里巴巴等国际型大互联网公司的大规模分布式存储系统进　行了分析　实战方面．首先通过对阿里巴巴的分布式数据库　ＯｃｅａｎＢａｓｅ的实现细节的深入剖析完整地展示了大规模分布式存　储系统的架构与设计过程．然后讲解了大规模分布式存储技术　在云计算和大数据领域的实践与应用。　《大规模分布式存储系统：原理解析与架构实战》内容　分为四个部分：基础篇——分布式存储系统的基础知识　包含　单机存储系统的知识．如数据模型、事务与并发控制、故障恢　复、存储引擎、压缩／解压缩等：分布式系统的数据分布、复　制、一致性、容错、可扩展性等。范型篇——介绍谷歌、亚马　逊、微软、阿里巴巴等著名互联网公司的大规模分布式存储系　统架构，涉及分布式文件系统、分布式键值系统、分布式表格　系统以及分布式数据库技术等。实践篇——以阿里巴巴的分布　式数据库０ＣｅａｎＢａＳｅ为例，详细介绍分布式数据库内部实现　以及实践过程中的经验。专题篇——介绍分布式系统的主要应　用：云存储和大数据。这些是近年来的热门领域　本书介绍了　云存储平台、技术与安全，以及大数据的概念、流式计算、实　时分析等。