计算机主-辅并联式存储体结构和信息存储方式的设计 存储器是计算机最重要的核心部件之一,如何以合理的价格、设计容量和速度满足计算机系统要求的存储系统,是计算机体系结构设计中最关键的问题之一。
计算机存储器分为内存和外存。内存即主存储器,主要由存储体、地址系统、读写系统、缓冲寄存器及存储控制线路组成。本设计的主要目的旨在改变计算机内存的数据信息存储和读写方式,以增加存储体容量,提高计算机存储体数据信息读写速率。
目前计算机存储体对数据信息的存放均是按字长进行的。计算机通过寄存器、外存等手段基本解决了存储器与中央处理器速度同步和外存容量后,对规模性数据处理,其内存容量和速度仍维持在一定水平内。
本设计在计算机存储器中,增设一个或数个辅助存储体,与原存储体并联。我们把原存储体称为主存储体,与辅助存储体组成主-辅并联式存储体结构。辅助存储体和主存储体具有相同的结构和容量。
目前,多数计算机一般以8个位为一个字节。通常讲8位、16位、32位机即指计算机字长为8位、16位(二个字节)、32位(4个字节),也就是分别用8位、16位、32位二进制数表示一条指令或数据信息。本设计以16位机为例,提出以下几种数据信息在并联存储体内的存储方式。
一、按“位”并联存储方式
该方式选用16个并联存储体,每条数据信息按位顺序分存于16个并联存储体内,16位则可并联存放16条数据信息,形成16位并联存储方阵结构。这里,主辅存储体之间的地址编码是完全相同的。在同一指令下,由一次读取一条16位信息增加到16条,即一次可读量为16位并联方阵,其读取速度将大为提高(见附图1)。
由于上述16位并联方阵结构可知,每条数据信息的写入在各并联存储体中实际中有一个位的地址,16条信息方式可占有16位字长。因此,上述设计必将带来数据信息读写通道(包括第二种设计方式在内)、寄存器等硬件变化。首先,数据信息的读写需设置特殊的分合流通道;其次,寻址方式上需设置按“位”和按“字”两种寻址方式;第三寄存器需与此相配套。这里,指令和数据信息的流通以指令串和数据串为主,如原来的16条指令由一条指令在并联储存体内一次读取完成,在寄存器内按分指令串执行,由分指令按编程顺序启动连续输出16组数据信息,而每条数据信息之间没有任何延迟时间。
理论上,亦可按8个存储体或4个存储体并联方式设计,即数据信息按字节并联存储并相应编址。
二、按“字”并联存储方式
该方式即数据信息按字长按顺序分别存储于每个存储体内,16个存储体则可并联存放16条数据信息。这里,主辅存储体编址是按信息存储顺序进行统一编址。采取按字长并联存储方式,同一指令下,对各并联存储内进行同时寻址,其寻址周期在原基础上提高16倍,(见附图2)。当然,根据需要并联存储体数量可适当增加或减少。
按“位”和按“字”并联存储方式地优势在于:按“位”并联存储方式在一个寻址周期内可一次性读取16条数据信息,按“字”并联存储方式在一个寻址周期内可分次寻址读取16条数据信息。上述两种方式无疑将大大加快信息读取速度,如将两种并联存储方式推广到并联寄存器、模块,处理部件等概念上,将为高效系统的开发提供方便。
理论上,按“字”并联存储方式如增加一套地址系统,即形成主辅存储体同一地址和主辅存储体按存储顺序统一地址两套系统,也可兼有两种设计方式的优势。
三、简化并联存储方式
依据上述原理,计算机位数和内存随并联体数量的增加,可获得倍数提高的效果。由此可见,如两个8位存储体简单并联,可获得16位效果;4个8位存储体并联,可获得32位效果;甚至两个16位存储体并联,亦可获得32位效果。反过来,特殊需要下,16位和32位机的存储器可分别通过使用2个、4个8位并联存储体来实现。
实践中,由于8位体电路设计简单,具有明显的性能价格比,如采用两个8位存储体并联结构,可简单实现在现有8位体工艺水平基础上发展16位机或微处理器的过渡。