[计算机组成原理]—4.存储器(详细)

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思维导图：

一、存储器概述

1.存储器的分类

按存储介质：

• 半导体存储器
• 磁表面/磁芯存储器
• 光盘存储器

按存取方式：

• 存取时间与物理地址无关/随机访问
  • 随机存储器
  • 只读存储器
• 存取时间与物理地址有关/串行访问

按在计算机中的作用分类：

2.存储器的层次结构

三个主要特征：

到CPU的“距离”：

二、主存储器

1.概述

主存储器的基本组成：

主存和CPU关系：

主存中地址分配：

大端模式和小端模式

主存技术指标：

• 存储容量：存放二进制代码的总位数
• 存储速度：存取时间和存取周期
• 存储带宽：bit/s

2.半导体存储芯片

（1）半导体存储芯片的基本结构:

片选线： $\overline{CS}$ $\overline{CE}$ 可以通过片选线组成存储阵列

读/写控制线： $\overline{WE}$（低电平写，高电平读） $\overline{OE}$（允许读） $\overline{WE}$（允许写）

地址线（单向）	数据线（双向）	芯片容量
10	4	1K X 4 位
14	1	16K X 1 位
13	8	8K X 8 位

（2）半导体存储芯片的译码驱动方式：

线选法：

重合法：

3.随机存取存储器(RAM)

（1）静态 RAM (SRAM)：

（2）动态 RAM ( DRAM )：

基本电路：

动态RAM刷新：

刷新与行地址有关

• 集中刷新：

• 分散刷新：

• 分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）：

（3）动态 RAM 和静态 RAM 的比较

4.只读存储器(ROM)

1.掩模 ROM ( MROM )：Read only memory

2.PROM (一次性编程):

3.EPROM (多次性编程 ):

4.EEPROM (多次性编程 ):

• 电可擦写

• 局部擦写

• 全部擦写

5.Flash Memory (闪速型存储器):

• 比EEPROM快
• 介于EEPROM和RAM之间

5.存储器与CPU的连接

存储器容量的扩展：

1. 位扩展（增加存储字长）:用2片1K × 4位存储芯片组成1K × 8位的存储器(10根地址线，8根数据线)

2. 字扩展**（增加存储字的数量）:用2片1K × 8位 存储芯片组成2K × 8位的存储器(11根地址线，8根数据线)

3. 字、位扩展**:用8片1K × 4位 存储芯片组成4K × 8位的存储器 (12根地址线，8根数据线)

存储器与 CPU 的连接：

• 地址线的连接
• 数据线的连接
• 读/写命令线的连接
• 片选线的连接
• 合理选择存储芯片
• 其他时序、负载

6.存储器的校验

编码的最小距离:

任意两组合法代码之间二进制位数的最少差异

编码的纠错 、检错能力与编码的最小距离有关

汉明码的组成:

7.提高访存速度

• 采用高速器件
• 调整主存结构
• 采用层次结构:Cache – 主存

单体多字系统：

多体并行系统：

• 高位交叉
• 低位交叉：在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽

高性能存储芯片：

• SDRAM(同步DRAM)：在系统时钟的控制下进行读出和写入,CPU无须等待
• RDRAM：解决存储器带宽问题
• 带Cache的DRAM：在DRAM的芯片内集成了一个由SRAM组成的Cache有利于猝发式读取

三、高速缓冲存储器(Cache)

1.概述

问题的提出：

避免CPU“空等”现象
CPU和主存(DRAM)的速度差异

Cache工作原理：

1. 主存和缓存的编址 :主存和缓存按块存储，块的大小相同
2. 命中与未命中
3. Cache的命中率
4. Cache –主存系统的效率

Cache 的基本结构 :

Cache 的读写操作:

• 写直达法(Write through)：写操作时数据既写入Cache又写入主存，写操作s时间就是访问主存的时间，Cache块退出时，不需要对主存执行写操作，更新策略比较容易实
• 写回法(Write back)： 写操作时只把数据写入Cache而不写入主存, 写操作时间就是访问Cache的时间，Cache块退出时，被替换的块需写回主存，增加了Cache的复杂性

Cache 的改进 :

• 增加Cache的级数
• 统一缓存和分立缓存

2.Cache-主存的地址映射

直接映射:

某一主存块只能固定映射到某一缓存块

全相联映射：

某一主存块能映射到任一缓存块

组相联映射：

某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块

3.替换算法

• 先进先出 （ FIFO ） 算法
• 近期最少使用（ LRU） 算法

四、辅助存储器

1.概述

特点：

不直接与 CPU 交换信息

磁表面存储器的技术指标:

1. 记录密度
2. 存储容量
3. 平均寻址时间
4. 数据传输率
5. 误码率

2.磁记录

电生磁，磁生电

3.硬磁盘

硬磁盘存储器的类型：

• 固定磁头和移动磁头
• 可换盘和固定盘

硬磁盘存储器结构:

• 磁盘驱动器
• 磁盘控制器
• 盘片

4.软磁盘

	硬盘	软盘
速度	高	低
磁头	固定、活动、浮动	活动
盘片	固定盘、盘组大部分不可换	接触盘片
价格	高	可换盘片
环境	苛刻	低

5.磁带

6.光盘

采用光存储技术,利用激光写入和读出:

• 第一代光存储技术：采用非磁性介质；不可擦写
• 第二代光存储技术：采用磁性介质；可擦写

五、附加总结

1. ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据。
2. EEPROM(电子可擦除可编程ROM)，ROM的一种改进，可擦除重复使用，掉电数据不丢失
3. FLASH存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,具有EEPROM(电子可擦除可编程)特点，掉电不丢失，可以快速读取数据,用于嵌入式系统存储程序，有些用FLASH部分扇区充当EEPROM(ESP8266)
4. SRAM(静态RAM,Static RAM)，速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，而且不需要刷新，但是它也非常昂贵，用作一级缓冲，二级缓冲
5. DRAM(动态RAM,Dynamic RAM),DRAM保留数据的时间很短(电容存储，需要不断充电刷新)，速度也比SRAM慢，比任何的ROM都要快，价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多
6. SDRAM(同步动态随机存取存储器,Synchronous Dynamic RAM)，应用于代码大，算法复杂，带操作系统的应用，SDRAM独立于MPU，可以根据应用的情况选择RAM的大小，一般外接用SDRAM，容量比较大，一般MB~GB，DDR是SDRAM的一种
7. PSRAM(伪静态随机存储器,Pseudo static random access memory),内部的内存颗粒跟DRAM的颗粒相似，但外部的接口跟SRAM相似，不需要DRAM那样复杂的控制器和刷新机制,内部自带刷新机制。

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