3-1存储系统-存储器概述&主存储器

一.存储器概述

一存储器分类

1.按在计算机中的作用层次分类

1主存储器主存/内存储器/内存
用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据CPU可以直接对其进行访问。容量小、速度快、价格高。
2辅助存储器辅存/外存储器/外存
用来存放暂时不用的程序和数据以及一些需要永久保存的信息不能直接与CPU交换信息。容量大、速度慢、成本低。
3高速缓冲存储器Cache
介于主存和CPU之间用来存放正在执行的程序段和数据以便CPU能高速地使用它们。Cache和存取速度和CPU的速度相匹配。容量小价格高速度介于主存和CPU之间。现代计算机通常将其制作在CPU中。

主存一辅存实现虚拟存储系统解决了主存容量不够的问题
Cache一主存解决了主存与CPU速度不匹配的问题

• 什么是多级存储系统
  为了解决存储系统大容量、高速度和低成本3 个相互制约的矛盾在计算机系统中通常采用多级存储器结构。如上图
  实际上存储系统层次结构主要体现在"Cache-主存”层次和“主存-辅存”层次。前者主要解决CPU和主存速度不匹配的问题后者主要解决存储系统的容量问题。在存储体系中Cache、主存能与CPU直接交换信息辅存则要通过主存与CPU交换信息主存与CPU、Cache、辅存都能交换信息。
  存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。从CPU的角度看"Cache一主存"层次速度接近于Cache容量和价位却接近于主存。从"主存一辅存"层次分析其速度按近于主存容量和位价动接近于辅存。这就解决了速度、容量、成本这三者之间的矛盾。
  在“主存一辅存”这一层次的不断发展中逐渐形成了虚拟存储系统在这个系统中程序员编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应。对具有虚拟存储器的计算机系统而言编程时可用的地址空间远大于主存空间。
• 存储器的层次结构主要体现在什么地方为什么要分这些层次计算机如何管理这些层次
  ①存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
  Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用即从整体运行的效果分析CPU访存速度加快接近于Cache的速度而寻址空间和位价却接近于主存。
  主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用即从程序员的角度看他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存而速度接近于主存。
  ②综合上述两个存储层次的作用从整个存储系统来看就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。
  ③主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器程序员可使用这个比主存实际空间物理地址空间大得多的虚拟地址空间逻辑地址空间编程当程序运行时再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。

2.按存储介质分类

1磁表面存储器。如磁盘、磁带
2磁芯存储器
3半导体存储器。如MOS型存储器、双极型存储器主存、Cache
4光存储器。如光盘

• 计算机存储介质有哪些这些介质哪些属于内存哪些属于外存
  计算机存储介质有磁表面存储器、磁芯存储器、半导体存储器、光存储器。内存都属于半导体存储器而半导体存储器不一定是内存。磁表面存储器和光存储器属于外存。

3.按存取方式分类

1随机存储器RAM存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取读写任何一个存储单元所需时间都相同与存储单元所在的物理位置无关。断电后存储信息消失。读写方便、使用灵活主要作用于主存和高速缓冲存储器
2只读存储器ROM存储器的内容只能随机读出而不能写入。断电后存储信息不消失。和RAM可共同作为主存的一部分统一构成主存的地址域。
3串行访问存储器。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址。包括
①顺序存取存储器SAM
读写一个存储单元所需时间取决于存储单元所在的物理位置。如磁带
②直接存取存储器DAM
既有随机存取特性也有顺序存取特性。先直接选取信息所在区域然后按顺序方式存取。如磁盘、光盘
4相联存储器CAM
可以按内容访问的存储器。可以按照内容检索到存储位置进行读写。如“快表”

4.按信息的可保存性分类

1易失性存储器断电后存储信息消失如RAM、主存、Cache
2非易失性存储器断电后信息仍然保持如ROM、磁表面存储器、光存储器
3破坏性读出信息读出时被破坏。如DRAM芯片读出数据后要进行重写
4非破坏性读出信息读出时不被破坏。如SRAM芯片、磁盘、光盘

二存储器的性能指标

1存储容量=存储字数MAR位数×字长MDR位数如1M×8位
2单位成本即每比特位价格=总成本价格/总容量
3存储速度即数据传输率、主存带宽=数据的宽度即存储字长、MDR位数/存储周期
注主存带宽指每秒从主存进出信息的最大数量

①存取时间Ta存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间分为读出时间和写入时间。
②存取周期Tm/读写周期/访问周期指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间即连续两次独立地访问存储器操作(读或写操作之间所需的最小时间间隔。

二.主存储器

一基本组成

主存由存储体、MAR、MDR组成。存储体由许多存储单元组成每个存储单元包含若干存储元件每个存储元件存储一位二进制代码

多个存储元连接形成存储体。存储单元可存储一串二进制代码这串代码称为存储字这串代码的位数称为存储字长

1.译码器

如何根据地址决定读写哪个存储字
给出n位二进制地址对应2ⁿ个存储单元。译码器根据MAR中的地址转变成某个选通线的高电平信号给指定的自选线高电平将MOS管导通电容中的电荷被导出通过监测是否有电流判断是1还是0即可读出存储字。通过数据线将每一位的二进制信息传送到MDR中CPU通过数据总线从MDR中取出存储字。

总容量=存储单元个数×存储字长
如 8K×8位
表示总共有8K=2¹³存储单元每个存储单元有8位13位地址每个地址对应一行存储元一行8个存储元

2.控制电路

用于控制译码器、MAR、MDR
MAR电信号后才能送到译码器控制电路用于控制。数据输出时电信号稳定后控制电路才允许MDR给数据总线输出数据

3.片选线

确定哪个芯片被选中
$\overline{\text{CS}}$芯片选择信号
$\overline{\text{CE}}$芯片使能信号
上划线表示低电平有效

4.读/写控制线

决定芯片是读还是写
1两根读/写线
$\overline{\text{WE}}$允许写
$\overline{\text{OE}}$允许读
2一根读/写线
$\overline{\text{WE}}$低电平写高电平读

5.存储矩阵

大量相同的位存储单元存储元阵列构成

6.译码驱动

译码器和驱动器加在译码器后面保证输出电信号有效。译码驱动负责将地址信号翻译成对应存储单元的选通信号

7.读写电路

完成读写操作。图中的线、控制电路都是读写电路

8.寻址

一个格子8bit一行表示一个存储字4B设总容量1KB则一共256行

1按字节编址每个字节对应一个地址。1K个单元每个单元1B则地址线10根地址范围0~1023

2按字寻址。设每个单元4B则有256个单元
字地址算数左移两位即可得到字节地址
如字地址为1将0000000001算数左移2位得到0000000100即字地址4

3按半字寻址每个单元2B512个单元
4按双字寻址每个单元8B128个单元

9.地址线与数据线

数据线数与地址线数共同反映存储芯片容量大小
1地址线单项输入位数与存储字的个数有关
2数据线双向的位数与读出或写入的数据位数有关

二SRAM和DRAM

根据存储原理的不同可以把半导体随机存储器分为静态随机存取存储器SRAMStatic Random-Access Memory和动态随机存取存储器DRAMDynamic Random Access Memory

DRAM因为电容所以是破坏性读出因此需要重写集成速度较慢所以用作主存成本低。DRAM较小结构简单因此集成度高发热量小。电容里的电荷容易消失刷新周期一般2ms因此需要刷新。DRAM通常存储容量大可以将行/列地址先分别放到行列缓冲区分两批送到行/列地址译码器

1.刷新

以行为单位每次刷新一行存储单元二维的一行。刷新有硬件支持读出一行的信息后重新写入占用1个读/写周期

①分散刷新每次读写完都刷新一行不会产生死区。存取周期变长降低整机速度
②集中刷新刷新时间固定快到达2ms时安排时间对所有行进行刷新。存取速度快。集中刷新时无法访问存储器称为访区“死区”
③异步刷新2ms内保证每行刷新一次刷新时同样会产生死区。缩短了死时间又提高了整机速度。
④透明刷新刷新安排在译码阶段不存在死时间

• 什么叫刷新为什么要刷新说明刷新有几种方法。
  ①刷新是对DRAM定期进行的全部重写过程
  ②刷新原因因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充因此安排了定期刷新操作
  ③常用的刷新方法有三种集中刷新、分散刷新、异步刷新、透明刷新。
  集中刷新在最大刷新间隔时间内集中安排一段时间进行刷新存在CPU访存死时间。
  分散刷新在每个读/写周期之后插入一个刷新周期无CPU访存死时间。
  异步刷新是集中式和分散式的结合在刷新周期内保证每行刷新一次缩短了死时间提高了整机速度
  透明刷新刷新安排在译码阶段不存在死时间

2.减少选通线数量

n位的地址信息需要2ⁿ根选通线若将一维改二维一半行地址一半列地址即行/列分别2ⁿ/2根

通过使用行列地址可以减少选通线的数量

地址的高4位指定行低4位指定列。行列选通信号都被选通才可以进行读写操作

三ROM

随机存取非易失性存储器结构简单位密度比可读写存储器高
分类
1.掩膜式只读存储器MROM
Mask Read-Only Memory
芯片生产过程中直接写入无法改变。可靠性高集成度高价格便宜灵活性差生产周期长、只适合批量定制

2.一次性可编程只读存储器PROM
Programmable Read-Only Memory
允许用户利用专门的设备写入自己的程序一旦写入无法改变

3.可擦除可编程只读存储器EPROM
Erasable Programmable Read-Only Memory
可写入可多次改写。修改时要先擦除全部内容然后再编程。分为紫外线擦除UVEPROM可擦除全部信息和电擦除EEPROM可擦除特定的字。EPROM编程次数有限写入时间过长无法取代RAM

4.闪速存储器
可以在不加电的情况下长期保存信息也可以在线进行快速擦除与重写。价格便宜集成度高位密度高每个存储元只需要单个MOS管擦除重写速度快。写的速度比读的速度慢。如U盘、SD卡

5.固态硬盘SSD
可以长期保存信息快速擦除重写。相对于传统硬盘读写速度快低功耗价格高

• 简述半导体随机存储器
  主存储器由DRAM实现靠处理器的那一层Cache)则由SRAM实现它们都属于易失性存储器只要电源被切断原来保存的信息便会丢失。DRAM的每比特成本低干SRAM速度也慢于SRAM。价格差异主要是因为制造DRAM需要更多的硅。ROM属于非易失性存储器。
  ①静态随机存储器SRAM的工作原理通常把存放一个二进制位的物理器件称为存储元它是存储器的最基本的构件。地址码相同时多个存储元构成一个存储单元。若干存储单元的集合构成存储体。SRAM的存储元是用双稳态触发器来记忆信息的因此即使信息被读出后它仍保持其原状态而不需要再生非破坏性牍出。SRAM的存取速度快但集成度低功耗较大所以一般用来组成高速缓冲存储器。
  ②动态随机存取存储器DRAM的工作原理DRAM是利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息的DRAM的基本存储元通常只使用一个晶体管所以它比SRAM的密度要高很多。DRAM采用地址复用技术地址线是原来的1/2且地址信号分行、列两次传送。相对于SRAM来说DRAM具有容易集成、位价低、容量大和功耗低等优点但DRAM的存取速度比SRAM的慢一般用来组成大容量主存系统。DRAM电容上的电荷一般只能维持1~2ms因此即使电源不断电信息也会自动消失。为此每隔一定时间必须刷新这个时间称为刷新周期。常用的刷新方式有3种集中刷新、分散刷新和异步刷新。
  ③只读存储器ROM的特点ROM和RAM都是支持随机存取的存储器其中SRAM和DRAM均为易失性半导体存储器。而ROM中一旦有了信息就不能轻易改变即使掉电也不会丢失它在计算机系统中是只供读出的存储器。ROM器件有两个显著的优点结构简单所以位密度比可读写存储器的高具有非易失性所以可靠性高。