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計算機組成原理—存盤器

2023-04-17 08:20:31 軟體工程

計算機組成原理—硬體結構

二、存盤器

1.概述

存盤器是計算機系統中的記憶設備,用來存放程式和資料

1.1存盤器的層次結構

image

image

快取-主存層次主要解決CPU和主存速度不匹配的問題,速度接近快取

主存-輔存層次主要解決存盤系統的容量問題,容量接近與價位接近于主存

2.主存盤器

2.1概述

主存與CPU的聯系

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  • 主存中存盤單元地址的分配

主存各存盤單元的空間是由單元地址號來表示,

字地址使用該地址高位位元組的地址來表示,其字地址是4的整數倍,正好用地址碼的末兩位來區別

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高地址存高位資料

低地址存低位資料


設地址線24位

若字長8位,按位元組尋址的范圍是16M(2的24次方)

若字長16位,按位元組尋址的范圍是8M

若字32位,按位元組尋址的范圍是4M


  • 主存的計數指標

主要指標是存盤容量和存盤速度

存盤容量:存盤單元個數*存盤字長(注意單位,是否除以8)

存盤速度,分為存取時間和存取周期

存盤器帶寬:頻率*位數(1ns = 1MHz)

3.半導體存盤芯片

3.1基本結構

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3.2譯碼驅動方式

  • 線選法:在矩陣中每次選一行
  • 重合法:在矩陣中利用X/Y地址譯碼器找到1位

4.隨機存取器

4.1靜態RAM(SRAM)

靜態RAM是用觸發器作業原理存盤資訊的,存盤資訊會保持原狀態,不需要再生

4.1.1SRAM單元電路

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4.SRAM的舉例

以Intel 2144為例,1k*4(10根地址線,4根資料線)

其內部存盤矩陣如下圖所示

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此結構將列分為4個組,每組16列,存取時,正好在每組拿一列,4位輸出/輸入

4.2動態RAM(DRAM)

常見的動態RAM的基本單元電路有三管式和但管式兩種,都是靠電容存盤電荷原理來寄存資訊,需要重繪,一般間隔2ms(一次存取)

4.2.1三管式

單元電路

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其中的存盤的0/1與原存資訊是相反的

1k*1結構示意圖

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4.2.2單管式

單元電路

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16k*1結構示意圖
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注:此時用了地址線的復用,先行地址,在列地址

4.3重繪

重繪是一行一行的重繪

4.3.1集中重繪

在2ms內選一個時間段進行重繪,會存在"死區"(不能進行任何操作)

4.3.2分散重繪

每行都進行一次集中重繪,無"死區",但會使存取周期變長

4.3.3異步重繪

將上述兩種方法結合,在2ms內尋找完成每一行重繪需要的時間間隔,在這個間隔內做一次集中重繪

4.3.4指令譯碼階段重繪

不會出現"死區"

4.4靜態和動態的比較
動態RAM 靜態RAM
集成度
封裝性
功耗
價格
速度
重繪 需要 不需要

5.存盤器與CPU的連接

5.1存盤容量的擴展

  • 位擴展

位擴展是指增加字長,eg:1k * 4的芯片可以變成1k * 8的

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  • 字擴展

字擴展是指增加存盤器字的數量,eg:1k * 8的芯片可以變成2k * 8的

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  • 字,位擴展

將上面兩種擴展結合

5.2存盤器和CPU的連接

  • 選擇合適的芯片(種類,個數)
  • 資料線
  • 地址線
  • 控制線
  • 片選信號:位擴展:串聯(一起選用);字擴展:互斥(只用一個)
5.2.1資料線(2個為例)
  • 位擴展:一個芯片連高位,一個芯片連接低位
  • 字擴展:對應相連即可

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5.2.2地址線
  • 位擴展:對應相連即可
  • 字擴展:先連低位,如有剩余,則連片選等

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5.2.3控制
  • 若只有一個讀寫,則連接MAR
5.2.4片選信號

基本思想:位擴展:串聯(一起選用);字擴展:互斥(只用一個)

6.存盤器地校驗

6.1漢明碼地組成

漢明碼具有一位糾錯能力,默認偶檢驗(可以改為奇檢驗)

漢明碼 = 資訊碼 + 校驗碼

設資訊碼個數為n,校驗碼地個數為k,則要滿足n + k <= 2^k - 1

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  • 校驗碼的存放位置

從低到高位依次為,2^k(k從零開始...)

  • 校驗碼0/1的選擇

若是偶檢驗,使該位與其校驗位的1的個數為偶數;奇檢驗反之

  • 判斷與之對應的校驗位

將所有位數的二進制寫出,位數由校驗碼的個數而定,將1作為對應的標準


eg:4位資訊碼,3位校驗碼

image

C是校驗碼,b是資訊碼

C1的校驗位:3、5、7、(9)

C2的校驗位:3、6、7、(10)

C3的校驗位:5、6、7

(C4的校驗位:9、10)


6.2糾錯程序

由上述的規則來判斷是哪一位的0/1出錯

注:有的位置被多個校驗碼校驗,注意檢查

7.提高訪存速度的措施

7.1單體多字系統

如下圖,可以使主存寬帶提高4倍,提高了單體存盤器的作業速度

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7.2多體并行系統

  • 高位交叉編址的多體存盤器

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  • 低位交叉編址的多體存盤器

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若存期周期位T,總線傳輸速率為r

低位:t = T + (n-1) * r

高位:t = n * T

8.高速快取存盤器

8.1概述

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Cache-主存存盤空間的基本結構

CPU讀取主存某字時,有命中和不命中兩種

  • 命中:主存塊已調入快取塊
  • 不命中:欲訪問的主存塊沒有調入快取塊

有關命中率的計算

命中率 = 命中次數/總訪問次數

平均訪問時間 = 命中率 * 訪問Cache的時間 + 未命中率 * 訪問主存的時間

訪問效率 = 訪問Cache的時間 / 平均訪問時間 * 100%

8.2Cache-主存地址映射

計算主存地址時,從右往左算(2的多少次方)

  • 直接映射

每個主存塊只與一個快取塊對應

image

字塊內地址:判斷字字塊的存錯單元的個數

Cache字塊地址:判斷Cache的塊數

主存塊標記:判斷主存的塊數,并減去上述兩個位數的和

  • 全相聯映射

每個主存塊與任意快取塊對應

image

字塊內地址:判斷字字塊的存錯單元的個數

主存塊標記:判斷主存的塊數,并減去上述位數

  • 組相聯映射

主存塊只與一個快取組對應,每個主存塊與對應快取組的任意快取塊對應

image

字塊內地址:判斷字字塊的存錯單元的個數

組地址:判斷Cache的組數

主存塊標記:判斷主存的塊數,并減去上述兩個位數的和

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