计算机组成原理——存储器

一. 概述

1. 定义：

存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据

2. 作用：

1. I/O设备要与存储器交换信息
2. 多处理机系统中，各处理机都要与主存交换信息，而且各处理机在相互通信中，也都需要共享存放在存储器中的数据

3. 存储器的分类：

(1). 按存储介质分类

存储介质是指能寄存0、1两种代码并能区别两种状态的物质或元器件

(2). 按存取方式分类

(3). 按在计算机中的作用分类

4. 存储器的层次结构

存储器有3个性能指标：速度、容量、每位价格
速度越高，位价越高
容量越大，位价越低
容量越大，速度越低

2. 这三者之间的关系



3. 各部件主要作用：

寄存器：制作在CPU中，其中数直接在CPU内部参与运算
 高速缓存cache：也制作在CPU中，速度快于内存，容量小于内存
 内存：存放将要参与运行的程序和数据，可以直接和CPU交换信息
 辅助存储器：用来存放暂时未用到的程序和数据文件，CPU不能直接访问辅存，辅存只能与主存交换信息

2. 存储系统的层次结构体现在：缓存-主存 、 主存-辅存

• 缓存-主存层次：主要解决CPU和主存速度不匹配的问题

缓存的速度比主存的速度高，只要将CPU近期需要的数据调入缓存，
  然后CPU在从缓存中取走数据，提高CPU的访存速度。
  但是缓存容量小，需要不断从主存中调入数据，使原来的信息被替换掉，这些都是由硬件自动完成。

• 主存-辅存层次：主要解决存储系统的容量问题

辅存的速度低，不能和CPU直接交换信息，但它的容量大，存放了许多暂时用不到的信息。
  当CPU需要的时候，将这些内容调入主存，供CPU直接访问，这两者之间的数据调动也是有硬件直接完成

> 通过分类：主存、缓存、辅存来分别介绍以下几种存储器

二. 主存储器

1. 概述

(1). 主存的基本结构

(2). 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的，而地址总线是用户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：

(3). 主存的技术指标

2. 半导体存储芯片简介

(1). 半导体存储芯片的基本结构

存储芯片片选线的作用：

(2). 半导体存储芯片的译码驱动方式

3. 主存储器分类

1. 随机存储器RAM

静态RAM

(1). 静态RAM的基本电路

存储器中用于寄存0、1代码的电路称为存储器的基本单元电路

1. 读操作

由于静态RAM是用触发器工作原理存储信息，因此即使信息读出后，它任保持其原状态，不需要再生。
 但掉电后原存信息丢失，故它属于易失性半导体存储器

2. 写操作

(2). 静态RAM芯片举例

(3). 静态RAM读/写时序

动态RAM

(1). 动态RAM的基本单元电路

(2). 动态RAM芯片举例

1. 三管动态RAM芯片
2. 单管动态RAM芯片

(3). 动态RAM时序

(4). 动态RAM刷新

刷新的过程实质上是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程

1. 为什么需要刷新

由于存储单元被访问是随机的，有可能某些存储单元长期得不到访问，不进行存储器的读/写操作，其存储单元内的原信息将会慢慢消失。
 所以必须采用定时刷新的方法，规定在一定时间内，对动态RAM全部基本单元电路必作一次刷新
 一般刷新周期为2ms
 刷新是一行一行的进行，必须在刷新周期内，用专门的刷新电路来完成对基本单元电路的逐行刷新

1. 刷新的方式

• 集中刷新



• 分散刷新



• 异步刷新

动态RAM与静态RAM的比较

2. 只读存储器ROM

对半导体ROM而言，基本器件为两种：MOS型和TTL型

(1). 用户的需求变化

(2). 只读存储器ROM的作用

只读存储器的特点是只能读出而不能写入信息，通常在电脑主板的ROM里面固化一个基本输入/输出系统，称为BIOS（基本输入输出系统）。其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。

(3). 只读存储器ROM的发展

注：闪存比较适合作为一种高密度、非易失的数据采集和存储器件
在便携计算机，工控系统及单片机系统中大量应用，近年来被用于微信计算机中存放输入输出驱动程序和参数（BIOS系统）

闪存经过不断的发展，大容量逐渐取代磁盘，不断升级的闪速存储器做成了固态硬盘（SSD）

4. 存储器与CPU的连接

CPU执行的指令和需要的数据都保存在主存储器当中，运行结果也需要保存在主存储器当中，因此必须实现CPU和主存储器的正确连接，才能实现CPU和主存储之间的信息交换

通常CPU的地址线条数比较多，寻址空间范围大，由于单个存储芯片的容量总是有限的，很难满足实际的需要，所以要构成一个主存储器需要多个存储芯片共同组成，称为存储容量的扩展。

(1). 存储容量的扩展

1. 位扩展

1. 目的
   增加存储字长
3. 如何进行位扩展

2. 字扩展

1. 目的
   增加存储字的数量
3. 如何进行位扩展

3. 字和位同时扩展

1. 目的
   既增加存储字的数量，又增加存储字长
3. 如何实现？

(2). 存储器与CPU的连接

1. 基本方法

1. 地址线的连接
2. 数据线的连接
3. 读写命令线的连接
4. 片选线的连接
5. 合理选择存储芯片
6. 时序、负载

2. 举例

5. 存储器的校验

在计算机运行过程中，由于种种原因致使数据在存储过程中可能出现差错，为了能及时发现错误并及时纠正错误，通常可将数据配成汉明编码

6. 提高访存速度的措施

(1). 采用高性能存储芯片

(2). 采用层次结构：Cache-主存

(3). 调整主存结构

方式一：单体多字系统

方式二：多体并行系统

三. 高速缓冲存储器

1. 概述

(1). 为什么需要用Cache

1. 在多体并行存储系统中，由于I/O设备向主存请求的级别高于CPU访存，这就出现了CPU等待I/O设备访存的现象，致使CPU空等一段时间，甚至可能等待几个主存周期，从而大大降低了CPU的工作效率
2. 主存的速度提高始终跟不上CPU的发展。
3. Cache的出现使CPU可以不直接访问主存，而与高速Cache交换信息

CPU从主存取指令或取数据，在一定时间内，只是对主存局部地址区域的访问
 原因是：指令和数据在主存中都是连续存放的，有些指令和数据往往会被多次调用（子程序、循环程序、一些常熟）
 这就使的程序访问具有局部性原理（CPU在执行程序时，访存具有相对局部性）

 由于这个原因我们就可以将CPU近期要使用的程序和数据提前放到Cache中，就可以使CPU在一定时间内只访问Cache

(2). Cache的工作原理

1. 主存和缓存的编址

2. 命中与未命中

CPU访问Cache命中：

CPU欲访问主存某个字时，所需的字已在缓存中，CPU可直接访问Cache（CPU和Cache之间通常一次传送一个字）

CPU访问Cache未命中

CPU所要访问的字不在Cache内，此时需将该字所在的主存整个字块一次调入Cache中（Cache与主存之间是字块传送）

3. 如何判断所读的信息是否已在缓存中

因为缓存块数C远小于主存块数M，因此一个缓存块可以不断的更新所对应的主存块，所以每个缓存块需要设一个标记，用来表示当前存放的是哪一个主存块

标记的内容对应于主存块的编号（也就是主存地址的高m位），来判断所读的信息是否在缓存中

4. Cache的命中率

定义：指CPU要访问的信息已在Cache内的比率

(3). Cache的基本结构

主要由：Cache存储体、地址映射变换机构、Cache替换机构等几大模块组成

1. Cache存储体
2. 地址映射变换机构
3. Cache替换机构

(4). Cache的读写操作

(5). Cache 的改进

2. Cache-主存地址映射

定义：由主存地址映射到Cache地址称为地址映射

方式：

1. 直接映射

2. 全相联映射

3. 组相联映射

3. 替换策略

产生的原因：当新的主存块需要调入Cache并且它的可用空间位置又被占满时，需要替换掉Cache的数据，这就产生了替换算法问题

直接映射的Cache中：由于某个主存块只与一个Cache字块有映射关系，因此替换策略简单

组相联和全相联映射的Cache中：主存块可以写入Cache中的若干位置，这就出现了替换掉哪一个字块的问题

(1). 先进先出（FIFO）算法

(2). 近期最少使用（LRU）算法

(3). 随机法

四. 辅助存储器

1. 概述

(1). 辅存存储器的特点

辅助存储器又称外存

它不直接与CPU交换信息

它与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次

与主存相比，辅存的特点：具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点，属于非易失性存储器

(2). 磁表面存储器的主要技术指标

2. 磁记录原理和记录方式

(1). 磁记录原理

(2). 磁表面存储器记录方式

3. 辅存存储器的分类

4. 辅存存储器的发展史