组成原理之存储器(一)

                                                                                                                                                                                         存储器

         存储器,是计算机系统当中最重要的部件之一。执行程序时,我们所需要的指令,数据都来自于存储器,程序的执行结果,各种文档,影像资料都是保存在存储器中。传统的冯诺依曼机器是以运算器为核心,这也导致运算器成为系统的性能瓶颈。我们对以运算器为核心的机器进行了改进,给出了以存储器为核心的冯诺依曼机器。这也说明了存储器在计算机中的重要作用。

       下面从四个方面介绍存储器:

         1.概述

         2.主存储器(核心)

         3高速缓冲存储器(核心)

         4.辅助存储器

概述:

    1.存储器可分哪些类型?

    2.现代存储器的层次结构,为什么要分层?

一,存储器分类

    1.按存储介质分类

    (1)半导体存储器        TTL(集成度低,功耗比较高),MOS(功耗低,集成度高)       易失

    注:尤其是计算机的内存,主要由MOS的半导体构成

    (2)磁表面的存储器      磁头,磁载体

    (3)磁芯存储器(core memory)     硬磁材料,环状元件

    (4)光盘存储器          激光,磁光材料                                                        (2)(3)(4)非易失


    总的分为三种:半导体存储器,磁,光存储

    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     在程序的执行过程中可读可写

      只读存储器     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     磁带

      直接存取存储器     磁盘

     3.按在计算机中的作用分类


     二.存储器的层次结构

    1.存储器的三个重要特性的关系


    2.缓存-主存层次和主存-辅存层次


      利用了程序的局部性原理。

      缓存-主存      硬件的方法,直接结合为一个整体(利用的是主存储器的地址,实地址)

      主存-辅存      软硬件结合的方法(使用的是逻辑地址,虚地址)




      

注:若有什么错误,望友友们指出,大家一起进步呀!


在计算机组成原理中,存储器是用于存储程序和数据的核心组件,其结构和分类在计算机系统中具有重要作用。存储器的分类可以从多个角度进行,例如按介质、存取方式以及在计算机中的作用等。 存储器的层次结构是计算机系统设计中的关键概念,通常分为三级:高速缓冲存储器(Cache)、主存储器(主存)和辅助存储器(外存)。高速缓冲存储器位于CPU和主存之间,速度最快但容量较小,用于存储频繁访问的数据[^1]。主存储器通常由RAM和ROM组成,其中RAM用于临时存储可读写的数据,而ROM用于存储固定的、不可修改的数据[^3]。辅助存储器如硬盘和固态硬盘则用于长期存储大量数据,其特点是容量大但速度较慢。 RAM(随机存取存储器)是易失性存储器,断电后数据会丢失,而ROM(只读存储器)是非易失性存储器,断电后数据仍能保留。RAM又分为静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM),前者速度更快但成本较高,后者容量更大但需要定期刷新。 Cache(高速缓冲存储器)是为了解决CPU和主存之间的速度差异而设计的,它利用程序的局部性原理,将最近或即将访问的数据存储在速度更快的Cache中,从而减少CPU等待时间[^1]。 存储器的层次结构通过合理分配不同类型的存储器,使得计算机在性能和成本之间取得平衡。高速缓存的访问速度最快,其次是主存,最后是外存。这种结构确保了计算机能够在满足速度需求的同时,兼顾存储容量和成本控制[^1]。 ### 存储器分类 存储器可以按照在计算机中的作用进行分类,包括主存储器(内存)、辅助存储器(外存)和缓冲存储器(缓存)。主存储器直接与CPU交互,用于存储当前运行的程序和数据;辅助存储器用于长期存储大量数据;缓冲存储器则用于临时存储数据以平衡速度差异[^2]。 ### RAM和ROM的工作原理 RAM允许数据的随机读写,其工作原理基于电子存储单元的状态变化。DRAM使用电容存储电荷来表示数据位,需要定期刷新以维持数据;而SRAM使用触发器电路来存储数据,不需要刷新,因此速度更快。ROM的工作原理则基于预设的电路连接,数据在制造时就被写入,之后只能读取,不能更改。 ### Cache的工作原理 Cache的工作原理基于程序的局部性原理,即程序倾向于访问最近使用过的数据或其附近的地址。当CPU需要访问数据时,首先检查Cache中是否有该数据。如果有,则直接从Cache中读取,否则从主存中读取,并将该数据加载到Cache中以供后续访问。 ### 存储层次结构 存储层次结构的设计目的是为了提高整体系统的性能,通过将高速但昂贵的存储器用于关键数据,同时使用低速但便宜的存储器处理大量数据,从而达到性能和成本的最佳平衡。这种结构利用了局部性原理,使得大多数数据访问可以在高速存储器中完成。 ```python # 示例代码:模拟简单的Cache机制 class SimpleCache: def __init__(self, size): self.cache = {} self.size = size def get(self, key): return self.cache.get(key, None) def put(self, key, value): if len(self.cache) >= self.size: # 简单的FIFO替换策略 self.cache.pop(next(iter(self.cache))) self.cache[key] = value # 使用示例 cache = SimpleCache(3) cache.put('a', 1) cache.put('b', 2) cache.put('c', 3) print(cache.get('a')) # 输出: 1 cache.put('d', 4) # 'a' 将被移除 print(cache.get('a')) # 输出: None ```
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