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计算机组成原理课程教案（第5次课）章节名称第4章存储器（4.1~4.2.2）课时安排第3周2学时授课方式理论课教学环境及教具准备有投影仪的教室PPT多媒体教学课件教学目的了解存储器的分类方法，掌握存储系统层次结构、主存中存储单元地址分配、主存的技术指标；了解半导体存储芯片的基本结构，掌握其译码驱动方式教学重点存储系统多级层次结构；半导体存储芯片的基本结构和译码驱动方式教学难点半导体存储芯片的片选和译码驱动教学基本内容是否重、难点方法及手段4.1存储器概述4.1.1存储器分类4.1.2存储器的层次结构4.2主存储器4.2.1概述4.2.2半导体存储芯片简介了解重点了解重点&难点多媒体讲解多媒体讲解多媒体讲解举例讲解教学过程与设计复习旧课：计算机中的数据经总线传输，但数据从哪里来？到哪里去？中途又怎么保存不丢失呢？引入新课：计算机能够处理的数据是怎样保存、怎样取用、怎样删除的呢？4.1概述4.1.1存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。随着计算机发展，存储器在系统的地位越来越重要。当今，存储器的种类繁多，从不同的角度对存储器可作不同的分类。（1）按存储介质分类1）半导体存储器存储元件由半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电源消失时，所存信息也随即丢失，它是一种易失性存储器。半导体存储器又可按其材料的不同，分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器两种。前者具有高速的特点；后者具有高集成度的特点，并且制造简单，成本低廉，功耗小。2）磁表面存储器磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载磁体高速运转，用磁头在磁层上进行读/写操作。这类存储器具有非易失性的特点。按载磁体形状的不同，可分为磁盘、磁带和磁鼓。3）磁芯存储器磁芯是由硬磁材料做成的环状元件，在磁芯中穿有驱动线和读出线，这样便可进行读/写操作。磁芯属磁性材料，故它也是不易失的永久存储器。4）光盘存储器光盘存储器是应用激光在记录介质上进行读/写的存储器，具有非易失性的特点。（2）按存取方式分类1）存取时间与物理地址无关（随机访问）随机存储器（RAM）：在程序的执行过程中可读可写。RAM又可分为静态RAM（以触发器原理寄存信息）和动态RAM（以电容充放电原理寄存信息）只读存储器（ROM）：在程序的执行过程中只读。2）存取时间与物理地址有关（串行访问）顺序存取存储器（串行访问存储器）如磁带直接存取存储器如磁盘（3）按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用不同，存储器主要分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。主存储器的主要特点是它可以和CPU直接交换信息。辅助存储器是主存储器的后援存储器，用来存放当前暂时不用的程序和数据，它不能与CPU直接交换信息。缓冲存储器用在两个速度不同的部件之中，起到缓冲作用。4.1.2存储器的层次结构存储器有3个主要性能指标：速度、容量和每位价格。一般来说，速度越高，位价就越高；容量越大，位价就越低，而且容量越大，速度必越低。动画演示P71图4.2形象地反映了这三者的关系。存储系统层次结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个存储层次上，动画演示P71图4.3所示。CPU和缓存、主存都能直接交换信息；缓存能直接和CPU、主存交换信息；主存可以和CPU、缓存、辅存交换信息。缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题。主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。这一层的不断发展中，逐渐形成了虚拟存储系统。主存的实际地址称为物理地址或实地址。4.2主存储器4.2.1概述（1）主存的基本组成现代计算机的主存都有由半导体集成电路构成，驱动器、译码器和读写电路均制作在存储芯片中，而MAR和MDR制作在CPU芯片内，如P72页图4.4所示。问题1：存储容量如何表示？地址线与数据线根数如何推算？FLASH动画演示主存的实际结构。（2）存储芯片和CPU芯片的联系可通过总线连接，见P73图4.5。（3）主存中存储单元地址的分配主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示，而地址总线是用来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出或写入一个存储字。举例：设地址线24根，按字节寻址的范围是16M若字长为16位，按字寻址的范围是8M若字长为32位，按字寻址的范围是4M问题2：存储单元按字节寻址、按字寻址？寻址范围?（4）主存的技术指标主存的主要技术指标是主存容量和存储速度。1）存储容量存储容量是指主存能存放二进制代码的总位数，即：存储容量=存储单元个数×存储字长2）存储速度存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。存取时间又称为存储器的访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存取周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间，通常存取周期大于存取时间。3）存储器带宽表示单位时间内存储器存取的信息量，单位可用字/秒或字节/秒或位/秒表示。4.2.2半导体存储芯片的基本简介（1）半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工艺，在一个芯片内集成具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读/写电路等，动画演示P75图4.7所示。问题3：存储芯片片选线的作用？地址线是单向输入的，地位线与芯片容量有关。数据线是双向的，其位数与芯片可读出或写入的数据位数有关。数据线的位数与芯片容量有关。地址线和数据线的位数共同反映存储芯片的容量。控制线主要有读/写控制线与片选线两种。动画演示P75图4.8片选线的作用。（2）半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合法，线选法的特点是用一根字选择线，直接选中一个存储单元的各位。这种方式结构较简单，但只适于容量不大的存储芯片。动画演示P75图4.9重合法需X、Y两个方向的地址决定被选单元，适合容量大的存储芯片。动画演示P75图4.10实验内容实验五掌握静态随机存取存储器RAM工作特性及数据的读写方法课内练习PPT多媒体教学课件后的课堂练习题课外作业P150页教材课后练习题4.7、4.12考核要求1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题2.本章主要考核存储器的层次结构和半导体随机存取存储器的工作原理、动态RAM刷新和存储器的校验、Cache和虚存概念、存储器与CPU的连接和Cache—主存地址映射参考资料[1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版),自编,2013教学后记学生通过存储器章节的学习，能够更加体会冯·诺依曼体系结构计算机以存储器为中心的思想，但本章内容抽象，需要配合大量动画和图片达到较好的教学效果