计算机组成原理(第4版在线教学版21世纪大学本科计算机专业系列教材十二五普通高等教育

作者简介

蒋本珊 北京理工大学计算机学院教授。毕业于西安交通大学计算机专业，获得学士、硕士学位。研究方向：计算机系统结构，主要研究领域：嵌入式片上系统、软硬件协同设计。主讲“计算机组成原理”等课程三十余年，具有丰富的教学经验，多次获得北京市和北京理工大学教学**成果奖，被评为校三育人和师德**个人。正式出版教材和教学参考书二十余本，其中4本被评为北京市精品教材，3本入选***普通高等教育 “十一五”***规划教材，1本入选***普通高等教育“十二五”***规划教材。主持和参与科研项目多项，主持教改立项多项。

内容简介

第5章存储系统和结构存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统。设计一个容量大、速度快、成本低的存储系统是计算机发展的一个重要课题。本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，此外还将介绍高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理。 5.1存储系统的组成 存储系统和存储器是两个不同的概念。本节首先介绍各种不同用途的存储器，然后介绍它们是如何构成一个存储系统的。 5.1.1存储器分类 随着计算机系统结构和存储技术的发展，存储器的种类*益繁多，根据不同的特征可对存储器进行分类。 1. 按存储器在计算机系统中的作用分类 (1) 高速缓冲存储器 高速缓冲存储器（Cache）位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能高速地使用它们。高速缓冲存储器的存取速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容量较小，价格较高。目前的**微机通常将它们或它们的一部分制作在CPU芯片中。 (2) 主存储器 主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写访问。主存具有一定容量，存取速度较高。由于CPU要频繁地访问主存，所以主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能。 (3) 辅助存储器 辅助存储器又称外存储器或后援存储器，它用来存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要**性保存的信息。辅存设在主机外部，容量极大且成本很低，但存取速度较低，而且CPU不能直接访问它。辅存中的信息必须调入主存之后，CPU才能使用。2. 按存取方式分类 (1) 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 存储系统和结构第 5 章计算机组成原理(第4版)所谓随机存取是指CPU可以对存储器中的内容随机地存取，CPU对任何一个存储单元的写入和读出时间是一样的，即存取时间相同，与其所处的物理位置无关。RAM读/写方便，使用灵活，主要用作主存，也可用作高速缓冲存储器。 (2) 只读存储器（Read Only Memory，ROM） ROM可以看作RAM的一种特殊形式，其特点是: 存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用来存放那些不能改变的信息。由于信息一旦写入存储器就固化了，即使断电，其写入的内容也不会丢失，所以ROM又称为固定存储器。ROM除了存放某些系统程序（如BIOS程序）外，还用来存放专用的子程序，或用作函数发生器、字符发生器及微程序控制器中的控制存储器。 (3) 顺序存取存储器（Sequential Access Memory，SAM） SAM的存取方式与前两种存储器**不同。SAM的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，所以SAM只能用平均存取时间作为衡量存取速度的指标。磁带机就是这样一类存储器。 (4) 直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM） DAM既不像RAM那样能随机地访问任一个存储单元，也不像SAM那样**按顺序存取，而是介于两者之间。当要存取所需的信息时，**步直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道）；第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读/写*作。这种存储器的存取时间也是与信息所在的物理位置有关的，但比SAM的存取时间要短。磁盘机就属于这类存储器。 由于SAM和DAM的存取时间都与存储体的物理位置有关，所以又可以把它们统称为串行访问存储器。 3. 按存储介质分类 (1) 磁芯存储器 采用具有矩形磁滞回线的铁氧体磁性材料，利用两种不同的剩磁状态表示“1”或“0”。一颗磁芯存放一个二进制位，成千上万颗磁芯组成磁芯体。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器的读出是破坏性读出，即不论磁芯原存的内容为“0”还是“1”，读出之后磁芯的内容一律变为“0”，因此需要再重写一次，这就额外地增加了*作时间。从20世纪50年代开始，磁芯存储器曾一度成为主存的主要存储介质，但因磁芯存储器容量小、速度慢、体积大、可靠性低，从20世纪70年代开始，已经被半导体存储器逐渐取代。 (2) 半导体存储器 采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS型存储器和双极型（TTL电路或ECL电路）存储器两类。MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜、存取速度较慢等特点；双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点。半导体RAM存储的信息会因为断电而丢失。 (3) 磁表面存储器 在金属或塑料基体上，涂覆一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。由于它的容量大、价格低、存取速度慢，故多用作辅助存储器。 (4) 光存储器 采用激光技术控制访问的存储器，一般分为只读式、一次写入式、可改写式3种，它们的存储容量都很大，是目前使用**广泛的辅助存储器。 4. 按信息的可保存性分类 断电后存储信息即消失的存储器称为易失性存储器，例如半导体RAM。断电后信息仍然保存的存储器称为非易失性存储器，例如ROM、磁芯存储器、磁表面存储器和光存储器。 如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出；如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。具有破坏性读出性能的存储器，每当一次读出*作之后，必须紧接一个重写（再生）的*作，以便恢复被破坏的信息。 从原理上讲，只要具有两种明显稳定的物理状态的器件和介质都能用来存储二进制信息，但真正能用来做存储器的器件和介质还需要满足各类存储器技术指标的要求。 “计算机组成原理”是计算机类各专业学生的必修核心课程之一，主要讨论计算机各大部件的基本组成原理，各大部件互连构成整机系统的技术。全书共分9章, 介绍了计算机的基础知识和计算机各子系统的基本组成原理。各章内容相对独立，由浅入深，同时注意章节间内容的衔接，力求做到内容全面、概念清楚、通俗易懂，并注意处理好基本原理、基本概念与实用性、**性之间的关系。