【计算机系统组成】存储器知识要点

我不是计算机专业的，所以这门课我以前上学的时候没有学过，但是又非常重要，所以需要在这里写一下笔记总结，之前了解过一点单片机的东西，知道芯片的地址线、数据线、片选、中断等知识，本科也学过模拟电路和数字电路，所以基本的电路知识、半导体、三极管、MOS管等的知识也了解一些。所以在存储器里的具体的芯片如何连接的内容我就省去了，毕竟工作也不是做这个，就省略掉，以后再接触吧。

存储器的本质还是将数据按照电平高低来存储二进制数据，这些数据有的是可以掉电保持的，比如外存，磁盘等等，之所以能保存是因为即便掉电，磁并不会消失，根据电磁的作用，通上电之后就可以通过磁来恢复电平高低。有的数据是掉电消失的，比如各种三极管中存储的电平，一般都用作内存。

一个概念必须说明：DMA直接存取方式，是指IO设备和存储器之间的数据直接存储，不经过CPU。这是现在计算机广泛采用的方式，经过CPU的存储方式已经被放弃了。

一、存储器的分类

1、内存、外存、缓存；
2、半导体存储器（掉电失去信息，但是近几年已经克服了，内存）、磁表面存储器（掉电保存，外存）、磁芯存储器（掉电保存，外存）、光盘存储器（掉电保存，外存）；
3、静态RAM（主存的一部分，可擦写，高速缓存中使用）、动态RAM（主存的一部分，可擦写，主存的主体部分）、ROM（主存的固定部分，不可擦写）

寄存器非常小，速度最快，但是价格最贵；高速缓存次之，主存再次，磁盘和磁带等东西最慢，是影响计算机性能的主要原因。

二、主存

主存是核心，半导体材料制成，速度很快，芯片主要由地址和数据组成，每次读取数据都是首先找到对应的地址，然后从地址对应的数据中读出数据。

主存可以按照字节来寻址，也可以按照字来寻址，字节即4位二进制数为一个字节，但是字的长度不固定，现在流行的包括32位和64位，当然也包括16位等的存储器。每一个字的字首都是地址，如果一个主存的容量为256MB，则其按字节寻址的话，地址线的位数是28位，但是如果按字寻址的话，需要知道其字长是多少，然后即可确定地址线数。

如果要扩展存储器的容量，主要方式就是扩展存储器中的地址位数，以便存储更多的字，再一个就是扩展字长，用不变的地址线寻找更多的每一个字的数据。

静态RAM：半导体中的三极管没有电容，所以没有充放电的过程，相比动态RAM速度更快，耗费的半导体数量在存储相同大小的数据的时候比动态的要多，也比动态RAM更贵，所以用于高速缓存。
动态RAM：电容上有电荷为1，无电荷表示0，由于电容并不能够保持电荷，所以在过了一定时间后，电荷就消失了，数据也就改变了。在电容上的电荷消失了之后，需要再次加载电荷，这个过程叫做再生、刷新。
静态动态RAM如何存储读取数据、写入数据具体就不具体总结了，因为这在单片机里有体现。

ROM：包括几种类型，主要原理是利用掩模，具体掩模MOS管如何存取数据我真的忘了，涉及到什么沟道之类的，这得翻翻模拟电路的书了。

三、主存与CPU连接

主要包括数据线相连、地址线相连、读写控制线连接、片选线相连接等几个注意事项。具体芯片连接图还是需要好好翻翻单片机的代码和例子。

四、存储数据校验

汉明码的使用，纠错理论。不细说了，似乎这个纠错也经常用于网络通信当中，数据链路层要纠错、网络层的头部纠错、传输层纠错、应用层也有自己的数据纠错。

在外存中，也就是磁盘中，纠错方法是循环冗余码，这个也是提了很多次的东西了。

五、提高访存速度的方法

现在的计算机发展方向是CPU的计算速度远远把存储读取速度甩在了后面，而CPU速度其实相比起人类的欲望来说其实也还是慢，所以有了GPU，FPGA等等。

1、单体多字系统：主要是利用了数据在存储器中是连续存放的特点，每次读取的指令或者数据都变味了原来的N倍，这样加快向CPU输送数据的速度，即可实现访存速度的提高。
2、多体多字系统：把主存分成多个模块，同时进行访存，实际上就是并行，自然可以提高速度，并且可以克服单体多字系统的缺点。
多体系统的复杂在于不仅仅要与CPU交换数据，而且还要与辅存、IO处理机交换信息，所以就会有另外几个部分的组件来构成多体系统：排队器、节拍发生器、存控标及触发器。

六、高速缓存Cache

高速缓存介于CPU和主存之间，目的是方便主存被IO处理机占用的时候，能够不影响主存和CPU的信息交换。
高速缓存中的数据是从主存中取过来的，所以，CPU在访问主存之前，首先要检查主存是否被占用，高速缓存中是否有需要的数据，如果命中，则直接取高速缓存中的数据，这样的话速度会更快，毕竟静态RAM的速度要比动态RAM高好多倍。当然为了提高访问效率，希望命中率接近1。

Cache的基本结构，包括Cache存储体、地址映射变换机构、替换机构、Cache读写等等。
在此基础上，又出现了一些改进，包括制作两层Cache，统一缓存和分立缓存，目的是将地址线和数据分开存放。

Cache和主存的地址映射：直接映射，全相连映射，组相连映射等方法。也就是说Cache中的数据在主存中一定是有的。

Cache替换策略：当高速缓存中的数据使用完毕之后不能一直占用空间，毕竟这叫做缓存，用来缓存访问频繁的数据。所以访问完成之后需要被替换掉。替换的方法主要包括先进先出、近期最少使用、随机方法等等，这个都很好理解，不多说了。

七、辅助存储器

当前流行的存储介质还是磁盘，磁盘的原理图我也明白，就是利用电磁感应，通过固定的磁来产生感应电流，记录方式也是多种多样，调频、调相等等，仿佛又回到了通信原理，主要速度限制就是寻找沟道和磁盘转速。这几年流行起来的固态硬盘我却不太懂。

软盘和光盘不想说了。

综上，我只是提了一下基本概念，对于存储器在计算机中的功能和作用，存储方式，有哪些构件简单总结了一下，至于教材中，讲述了大篇幅如何使用两个存储器芯片进行CPU相连、如何拼接扩展两个存储器芯片等等，我都没有提，毕竟这已经是实验的内容了，这部分我已经在单片机中接触过了。当然，单片机我已经基本上忘了好多了。