清华大学出版社：《计算机硬件技术基础》课程电子教案（PPT教学课件）第4章 存储系统

第4章 存储系统

目 录 4.1 存储系统概述 4.2 半导体存储器的组成 4.3 存储器与CPU的连接 4.4 高速缓冲存储器 Cache 4.5 虚拟存储器 本章小结 上一页

4.1.1 存储系统的概念 4.1.2 存储器的体系结构 4.1.3 存储器的分类 4.1.4 存储器的主要性能指标 4.1 存储系统概述 上一页

存储系统的定义是：由两个或两个以上速度、容量和价格 各不相同的存储器用软件、硬件或软硬件相结合的方法 连接起来所构成的一个存储器整体。该存储器的速度接 近其中速度最快的那个存储器，存储容量接近其中容量 最大的那个存储器，位价格接近其中最便宜的那个存储 器。 现代微型计算机通常有两种存储系统，一种是由Cache和主 存储器构成的Cache存储系统；另一种是由主存储器和硬 盘存储器构成的虚拟存储系统。这两种存储系统的作用 是不相同的，Cache存储系统的主要目标是提高存储器的 速度；而虚拟存储系统的主要目标是增加存储器的存储 容量。 4.1.1 存储系统的概念 上一页

⒈Cache存储系统：在CPU与主存之间增加一级容量不大， 速度很高的“高速缓冲存储器”（Cache，简称“高速缓 存”或“快存”），借助于辅助硬件把高速缓存与主存 构成一个整体。该整体具有接近于高速缓存的速度、主 存的容量和接近于主存的每位平均价格，解决了速度与 成本之间的矛盾。Cache存储系统的管理全部由硬件实现。 4.1.1 存储系统的概念（续1） 上一页

⒉虚拟存储系统：虚拟存储系统由主存储器与外存储器 （一般是硬磁盘存储器）构成 。虚拟存储系统在操作系 统的支持下，将主存和外存看作一个整体，用软硬件相 结合的方法进行管理。使得程序员能够对主存和辅存统 一编址,这就形成了一个很大的地址空间，称为虚拟地址 空间，比实际的主存的存储容量大得多，32位微型计算 机可访问的编址空间为4GB。 4.1.1 存储系统的概念（续2） 上一页 虚拟存储系统具有接近 主存的存取速度，又 有辅存的容量和接近 辅存的位平均价，较 好地解决了大容量和 低成本的矛盾

在虚拟存储系统中，辅存只与主存交换信息，CPU不直 接访问辅存，因此，辅存的存取速度可以慢些。 关于虚拟地址空间 对于虚拟存储系统，由于磁盘存储器实际上不像主存 储器那样可以随机访问，它的地址空间不能直接被一般指 令访问，而主存储器的地址空间对于使用较大规模程序的 用户来说又显太小。因此，虚拟地址空间既不是主存储器 的地址空间，也不是磁盘存储器的地址空间，它是为使用 者另外设计的。这个虚拟地址空间远大于主存储器的实际 地址空间，而且采用与主存储器同样的随机访问方式 。 4.1.1 存储系统的概念（续3） 上一页

采用由多级存储器组成的有层次结构的存储体系。存储器的 层次结构如下： 4.1.2 存储器的体系结构 上一页 最内层是指CPU中的通用寄存器，可以把CPU 中的通用寄存器看成是速度最快的存储器。 一级Cache设置在CPU和主存之间，安装在CPU 芯片内部，它的工作速度很快。可以很好地 与CPU的速度相匹配。二级Cache（有时还 有三级Cache）可以集成在CPU芯片中，也 可以安装在主板上。多级Cache的工作速度逐 级降低，存储容量逐级增大。 Cache的外层是主存储器，容量比二级Cache大， 速度比二级Cache低；最外层是外存储器，它 的存储容量更大，速度更慢

4.1.3 存储器的分类 ⒈按存取方式分类 ⑴随机存取存储器RAM（Random Access Memory） ⑵只读存储器ROM（Read-Only Memory） ⑶顺序存取存储器SRAM（Sequential Random Access Memory） ⑷直接存取存储器DAM（Direct Access Memory） 上一页

4.1.3 存储器的分类（续1） ⒉按存储介质分类 ⑴半导体存储器：又分为双极型半导体存储器 和MOS型半导体存储器。 ⑵磁表面存储器 ：根据记录介质的不同形状， 磁表面存储器有磁盘、磁带、磁鼓和磁卡片 等结构形式。 ⑶光盘存储器 上一页