考纲(三)、存储器层次结构
（1）存储器的层次化结构
（2）主存储器与CPU的连接
（3）高速缓冲存储器(Cache)
- Cache的基本工作原理
- Cache和主存之间的映射方式
- Cache中主存块的替换算法与写策略
- 多层次Cache性能计算
（4）虚拟存储器
- 虚拟存储器的基本概念
- 页式虚拟存储器
- TLB(快表)
3.1 存储器的层次化结构
3.1.1 存储器的分类与性能指标
3.1.3 存储器的层次结构
- Reg - Cache - MM - 2ndS - 3rdS
- 二级存储系统：高速缓冲存储器（Cache）+ 主存储器
- 三级存储系统：Cache + 主存储器 + 辅存储器（虚拟存储器）
3.2 主存储器与CPU的连接
3.2.1 主存储器的存储单元电路
- *SRAM、DRAM、ROM存储器的工作原理
- SRAM 与 DRAM 的对比
3.2.2 主存储器存储芯片的内部结构
(1) 芯片容量的基本描述
存储位元 = 字单元数 X 每个字单元的位数：$2^n×m$
- 单位：$K=2{10}$，$M=2$，$G=2{30}$，$T=2$
- 【例】容量标识为 1K×2 的存储芯片：
- 意义：任意时刻可以（且只能）访问1024个独立字单元中的任一个；
- 有多少个存储位元：2048个（每个存储位元可存储 1 位二进制代码）；
- 有多少条地址线：1024个（按字单元寻址，地址线数 = 字单元数）
- 需要多少条数据线：2条（一次访问一个字单元，数据线数 = 每个字单元的位数）
(2) 存储芯片的基本结构
(3) 存储芯片的地址结构
一维地址结构（线选法） | 二维地址结构（重合法） |
矩阵 $2^n×m$ ，选择线(W) $2^n$，数据线(D) $m$ | 矩阵 $2{\frac{n}{2}}×(2{2}}×m)$，选择线 $2{\frac{n}{2}}+2{2}}$，数据线 $m$ |
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(4) 存储芯片实例 —— SRAM
SRAM 2114（1K×4）芯片结构图
(5) 存储芯片实例 —— DRAM
DRAM 4M×4 芯片结构图（内部包含刷新电路）
3.2.3 存储器的扩展
单片存储芯片不能满足存储系统的需求时，需进行存储扩展
(1) 位扩展 2$^n$×m
- 原因：存储字单元数量够（地址空间满足），但每个字的位数不够。
- 方法：多个存储器芯片的数据位空间拼在一起。
- 实例：
1K×4的SRAM芯片构成1K×8的存储器
(2) 字扩展 2$^n$×m
- 原因：每个字的位数够，存储字单元数量不够（地址空间不满足）。
- 方法：多个存储器芯片的字空间（地址空间）拼在一起。
- 实例：
1K×8的SRAM芯片构成4K×8的存储器
(3) 混合扩展 2$^n$×m
- 实例：
4K×4的SRAM芯片构成16K×8的存储器
(4) 扩展方法总结与示例
- 基本思路
- 确定每个芯片的地址管脚数、数据管脚数。
- 确定整个存储空间所需的地址总线和数据总线的数量。
- 计算所需芯片的数量，确定每个芯片在整个存储空间中的地址空间范围、位空间范围。
- 所有芯片的地址管脚全部连接到地址总线对应的地址线上。
- 同一字空间的芯片CS信号连在一起。
- 同一位空间的数据线连在一起，并连接到对应的数据总线上。
- 根据每个芯片的地址空间范围，设计芯片所需的片选信号逻辑，CS逻辑电路的输入一定是地址总线中，没有连接到芯片地址管脚上的那部分地址线。
- 统一读写控制。
- 示例 1：用3片16K×4的SRAM芯片和若干8K×4的SRAM芯片组成一个64K×8的按字节编址的存储器。点击显示详细步骤
- 示例 2
3.2.4 DRAM的刷新
(1) 为什么需要刷新？
- DRAM存储单元电路采用电容结构存储状态，在保护状态下，两级间存在漏电流，导致电容上的电荷出现变化，故必须在一个时间内重写数据，这个时间称为单元电路的刷新时间。（一般为4ms、8ms等。）
- 同时，由于读出操作是一种破坏性操作，读1时，Cs放电；读0时，Cs充电；所以读出操作后，原保存在Cs上的数据（电荷）被破坏，应该立即进行恢复（重写或刷新）。
(2) 刷新的原理是什么？
- 刷新由传感放大器在读出过程中同时完成，即读过程实际上就是一次刷新过程；
- DRAM的刷新，就是通过这样的读操作来实现的。
- 特点：①按行刷新，所有芯片同时进行；②刷新操作与CPU访问内存分开进行。
(3) 刷新的方式是什么？
集中刷新方式 | 分散刷新方式 | 分布式 (异步) 刷新方式 | |
原理 | 将刷新周期分成两部分：在一个时间段内，刷新存储器所有行，此时CPU停止访问内存；另一个时间段内，CPU可以访问内存，刷新电路不工作。 | CPU与刷新电路交替访问内存，一个存储周期刷新1行，下一个存储周期刷新另一行，直至最后1行后，又开始刷新第1行。 | 保证在一个刷新周期内将存储芯片内的所有行刷新一遍，可能等时间间距，也可能不等。 |
刷新间隔 | 刷新周期 | 刷新行数 × 存储周期 ≤ 刷新周期 | 刷新周期 |
示意图 |
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特点 | 存在不能进行读写操作的死区时间 | ①不存在停止读写操作的死时间； ②但使得系统速度降低 | ①前两种方式的结合； ②可减少死时间，同时保证性能 |
3.3 高速缓冲存储器（Cache）
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