计算机组成原理 存储器

1 概述

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。

从某种意义而言，存储器的性能已经成为计算机系统的核心。

从不同的角度对存储器可作不同的分类。

1.1.1 按存储介质分类

存储介质是指能寄存“0”、“1”两种代码并能区分两种状态的物质或元器件。

存储介质主要有半导体期间、磁性材料和光盘等。

1.1.1.1 半导体存储器

现代半导体存储器都用超大规模集成电路工艺制成芯片

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，所存储的信息也随即丢失，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。

故MOS半导体存储器被广泛应用。

1.1.1.2 磁表面存储器

磁表面存储器具有非易失性的特点。

1.1.1.3 磁芯存储器

不易失的永久记忆存储器。

1.1.1.4 光盘存储器

具有非易失的特点。

光盘具有记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强的特点。

1.1.2 按存取方式分类

1.1.2.1 随机存储器（Random Access Memory， RAM）

RAM是一种可读/写存储器

特点：存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。

计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。

由于存储信息的原理不同，RAM又分为静态RAM（以触发器原理寄存信息）和动态RAM（与电容充放电原理寄存信息）。

1.1.2.2 只读存储器（Read Only Memory， ROM）

ROM是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的寄存器。

通常用它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。

它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。

1.1.2.3 串行访问存储器

如果对存储单元进行读/写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址，则这种存储器称为串行访问存储器。

1.1.3 按在计算机中的作用分类

分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。

1.1.3.1 主存储器

主存储器（简称主存）的主要特点是它可以和CPU直接交换信息。

主存速度快、容量小、每位价格高。

1.1.3.2 辅助存储器

辅助存储器（简称辅存）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直接交换顺序。

辅存速度慢、容量大、每位价格低。

1.1.3.3 缓冲存储器

缓冲存储器（简称缓存）用在两个速度不同的部件之中，起到缓冲作用（例如CPU与主存之间）

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（简称位价）。

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。

实际上，存储系统体系结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个层次结构上

1.2.1 缓存-主存层次

缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题

从CPU角度来看，缓存-主存这一层次的速度接近于缓存，高于主存；其容量和位价却接近于主存，这就从速度和成本的矛盾中获得了理想的解决办法

1.2.2 主存-辅存层次

主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题

主存-辅存这一层次，从整体分析，其速度接近于主存，容量接近于辅存，平均为假也接近于低速、廉价的辅存位价，这有解决了速度、容量、成本这三者的矛盾

从主存-辅存这一层次的不断发展中，逐渐形成了虚拟存储系统

2 主存储器

2.1 概述

2.1.1 主存储器的基本结构

2.1.2 主存和CPU的联系

当要从存储器读出某一信息字时

1. 由CPU将该字的地址送到MAR，经地址总线送至主存，然后发出读命令
2. 主存接到读命令后，完成读操作，将该单元的内容读至数据总线上
3. CPU负责将该信息送至目标位置

若要向主存存入一个信息字

1. CPU将该字所在主存单元的地址经MAR送到地址总线，并将信息字送入MDR
2. CPU向主存发出写命令
3. 主存接到写命令后，便将数据线上的信息写入到对应地址线指出的主存单元中

2.1.3 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的

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

不同的机器存储字长也不同

常用8位二进制数表示一个字节

通常计算机系统即可按字寻址，也可按字节寻址

1. 字由地址连续的字节组成
2. 最小的地址为字的地址
3. 地址最好为一个字所含字节数的倍数

2.1.4 主存的技术指标

主存的主要技术指标是存储容量和存储速度

2.1.4.1 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

$$存储容量=存储单元个数\times 存储字长$$

它的容量也可用字节总数来表示，即

$$存储容量=存储单元个数\times 存储字长÷8$$

2.1.4.2 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（Memory Access Time），是指启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需的全部时间。

存取时间分读出时间和写入时间两种

存取周期（Memory Cycle Time）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

2.1.4.3 存储器带宽

与存取周期密切相关的指标为存储器带宽，它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

为提高存储器的带宽，可以采用以下措施：

1. 缩短存取周期
2. 增加存储字长，使每个存取周期可读/写更多的二进制位数
3. 增加存储体

2.2 半导体存储芯片简介

2.2.1 半导体存储芯片的基本结构

2.2.1.1 译码驱动

译码驱动能把地址总线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号，该信号在读/写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作

2.2.1.2 读/写电路

读/写电路包括读出放大器和写入电路，用来完成读/写操作。

2.2.1.3 存储芯片

存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部相连

2.2.1.4 地址线

地址线是单向输入的，其位数与芯片容量有关

2.2.1.5 数据线

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

地址线和控制线的位数共同反映存储芯片的容量

2.2.1.6 控制线

控制线主要有读/写控制线与片选线两种

读写控制线用来决定芯片进行读/写操作，片选线用来选择存储芯片