一些理解参考了华中科技大学的慕课

1、基本概念

2、存储器的分级结构

对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三个方面的要求是困难的。

为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中通常采用多级存储器体系结构，即高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

在计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器（cache）、主存储器（内存）、辅助存储器（外存）三级。

高速缓冲存储器用来改善主存储器与中央处理器的速度匹配问题。
辅助存储器用于扩大存储空间。

CPU 能直接访问高速缓冲存储器（英文：cache） 和内存；外存信息必须调入内存后才能为 CPU 进行处理。

• （1）高速缓冲存储器：高速小容量半导体存储器，强调快速存取指令和数据；
• （2）主存储器：介于 cache 与外存储器之间，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。要求选取适 当的存储容量和存取周期，使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程序；
• （3）外存储器：大容量辅助存储器，强调大的存储容量，以满足计算机的大容量存储要求，用来存放系 统程序、应用程序、数据文件、数据库等。

3、主存储器的逻辑设计

容量和地址线的换算：
128K的存储器 -> 2 ^ 7 * 1024 = 2 ^ 17 所以有 17根地址线

字长32位，则半字长16位，双字长64位。
按边界对齐方式的存储要求是：
双字数据起始地址的最末三位为000（8字节的整数容倍）；
单字数据起始地址的最末二位为00（4字节的整数倍）；
半字数据的起始地址的最末一位为0（2字节的整数倍）。
PS：可以不考虑，每个学校要求不一样

• 第一步：根据设计容量、提供的芯片容量构建地址空间分布图（类似搭积木） ，可能需要字、位扩展；
  
• 第二步：用二进制写出连续的地址空间范围；
  计算要多少个存储器，每个存储器地址空间范围 00000…(地址线位数) ~ 11111（地址线位数）
  由地址线位数从后往前，每四个为一位转化为16进制，参照例子2
• 第三步：写出各片组的片选逻辑表达式。
• 第四步：按三总线分析 CPU 和选用存储器芯片的数据线、地址线、控制线，以便设计 CPU 与存储器的连接。
• 第五步：设计 CPU 与存储器连接的逻辑结构图。

位扩展例子：

字扩展例子：

1、设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：
（1）该存储器能存储多少个字节的信息？

• 2²⁰ × 32 bits = 1M × 4B = 4MB

（2）如果存储器由512K * 8位SRAM芯片组成，需要多少片？

• (1024K * 32)/(512K * 8) = 8 片

（3）需要多少位地址做芯片选择？

• 存储器带 512k -> 19位地址
  所以1位做芯片选择，A0~A18接存储器，A19接片选译码器
  

5、要求用256K * 16位SRAM芯片设计1024K * 32位的存储器。SRAM芯片有两个控制端：当$\overline{CS}$ 有效时，该片选中。当$W/\overline{R}=1$时执行读操作，当$W/\overline{R}=0$时执行写操作。

• (1024K * 32) / (256K*16) = 8 片
  1024K —> 20根地址线
  256K —> 18根地址线
  2根接片选译码器
  

7、某机器中，已知配有一个地址空间为0000H–3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM芯片（8K * 8）形成40K * 16位的RAM区域，起始地址为6000H。假设RAM芯片有$\overline{CS}$和$\overline{WE}$信号控制端。CPU的地址总线为A15-A0，数据总线为D15-D0，控制信号为 $R/\overline{W}$（读/写），$\overline{MREQ}$（访存），要求：
（1）画出地址译码方案。

（2）将ROM与RAM同CPU连接。

4、顺序存储器和交叉存储器的定量分析

顺序方式：各存储体依次顺序定义地址空间，即字扩展方式，每个存储体中的地址是连续的。

地址范围：
M0：00 000-00 111
M1：01 000-01 111
M2：10 000 10 111
M3：11 000-11 111
特点：
（1）某模块进行存取时，其他模块不工作。
（2）某模块出现故障时，其他模块可以照常工作。
（3）增添模块扩充容量比较方便。
（4）各模块串行工作，无法采用流水线技术。

交叉方式：连续地址交叉分配在各个存储体中，每个存储体中的地址是不连续的。

地址范围：
M0：000 00-111 00
M1：000 01-111 01
M2：000 10-111 10
M3：000 11-111 11

特点：
（1）同一个模块内的地址都是不连续的。
（2）对连续的存储器访问可实现流水线并行存取，提高存储器的带宽。

计算：

顺序存储器：mT

交叉存储器：可以使用流水线存取，T+(m-1)τ

【例】设存储器容量为32字，字长64位，模块数m=4，分别用顺序方式和交

叉方式进行组织。存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期

τ=50ns。问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少?

【解】

• 顺序存储器和交叉存储器连续读出m=4个字的信息总量都是：
  q=64位×4=256位。
  顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需的时间分别是：
  t2=mT=4×200ns=800ns=8×10-7s
  t1=T+(m-1)τ=200ns+3×50ns=350ns=3.5×10-7s
  顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是：
  W2=q/t2=256÷(8×10-7)=320 Mbps
  W1=q/t1=256÷(3.5×10-7)=730 Mbps

作业题：
8、设存储容量为64M，字长为64位，模块数m=8，分别用顺序和交叉方式进行组织。存储周期T=100ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期t=50ns。求：顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？

• 【解】顺序存储器和交叉存储器连续读出m=8个字的信息总量都是：
  q=64位×8=512位。
  顺序存储器和交叉存储器连续读出8个字所需的时间分别是：
  t2=mT=8×100ns=800ns=8×10-7s
  t1=T+(m-1)τ=100ns+7×50ns=450ns=4.5×10-7s
  顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是：
  W2=q/t2=512÷(8×10-7)=640 Mbps
  W1=q/t1=512÷(4.5×10-7)=1140 Mbps

5、高速缓冲存储器 cache 的基本原理，cache 命中率相关计算

Cache 的基本原理：

cache 是一种高速缓冲存储器，为了解决 CPU 和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。

• 主存和cache均按照约定长度划分为若干块，存储单元物理地址=块地址（块编号）+ 块内地址。
• 主存中一个数据块调入到 cache 中，则将数据块地址（块编号）存放到相联存储器 CAM 中，将 数据块内容存放在 cache 中。
• 当 CPU 访问主存时，同时输出物理地址给主存、相联存储器 CAM，控制逻辑判断所访问的块是否在 cache 中：
  若在，则命中，CPU 直接访问 cache。
  若不在，则未命中，CPU 直接访问主存，并将该单元所在数据块交换到 cache 中， 后续对该存储块的访问则在cache命中。
• 通过 cache 和主存之间的动态数据块交换，尽量争取 CPU 访 存操作在 cache 命中，从而总体提高访存速度。
• 基于程序和数据的局部性访问原理，cache实际上是主存的当前最活跃部分，即主存的一个子集。

cache 命中率相关计算：

• （1）命中率
  增加cache以后，就应该尽量争取在cache中命中越多越好。
  在一个程序执行期间，设Nc表示cache命中完成存取的总次数，Nm表示未命中、主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有：
  

• （2）主存/cache 系统平均访问时间
  设tc表示命中时的cache访问时间，tm表示未命中时的主存访问时间，1-h表示未命中率，则cache/主存系统的平均访问时间ta为:
  

• （3）访问效率
  设r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率，e表示访问效率，则有：
  

【例】CPU执行一段程序时，cache完成存取次数为1900次，主存完成存取

次数为100次，已知cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求

cache/主存系统的效率和平均访问时间。

【解】

• h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)= 0.95
• r=tm/tc=250ns/50ns= 5
• e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)×0.95)= 83.3%
• ta=tc/e=50ns/0.833=60ns

作业题：
9、CPU执行一段程序时，cache完成存取的总次数为2420次，主存完成存取的总次数为80次，已知cache存储周期为40ns，主存存储周期为240ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。

• 【解】
  h=Nc/(Nc+Nm)=2420/(2420+80) = 0.968
  r=tm/tc=240ns/40ns = 6
  e=1/(r+(1-r)h)=1/(6+(1-6)×0.968) = 86.2%
  ta=tc/e=40ns/0.862= 46 ns