存储器系统
计算机中的存储系统的构成
计算机中的存储系统的构成计算机中的存储系统主要由以下几个部分构成：1.主存储器（Main Memory）：主存储器是计算机硬件中最重要的部分之一，负责存储和检索程序运行所需的数据和指令。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）或SRAM（静态随机存取存储器）组成，容量从几GB到几十GB 不等。
2.辅助存储器（Secondary Memory）：辅助存储器主要包括硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
这些设备存储大量的数据和程序，虽然存取速度比主存储器慢，但容量大且价格低。
硬盘的容量通常在几百GB到几TB之间，而固态硬盘则具有更高的读写速度和耐用性。
3.三级存储器（Tertiary Memory）：这是更低一级的存储设备，通常包括光盘、U盘和SD卡等。
这些设备具有非常小的存储容量，通常用于存储小型的程序或数据文件。
4.高速缓存（Cache Memory）：高速缓存是主存和CPU之间的临时存储器，它保存了CPU最经常访问的数据和指令。
高速缓存的存取速度非常快，通常使用SRAM实现。
5.寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储部件，用于存储操作数和指令。
寄存器的存取速度比高速缓存还要快，但容量通常较小。
6.输入/输出设备（I/O Devices）：这些设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于在计算机和用户之间进行交互。
这些设备通常有自己的存储和处理能力，例如打印机的墨盒就包含了一种形式的内存，用于存储墨水浓度和打印质量等信息。
7.通信接口（Communication Interfaces）：这些接口包括USB、HDMI、Ethernet等，用于计算机与其他计算机或设备之间进行数据交换。
这些接口通常也包含自己的内存，用于临时存储传输的数据。
在以上这些组成部分中，主存储器、辅助存储器和高速缓存是计算机存储系统中的核心部分。
它们之间的协作关系直接影响了计算机的性能和效率。
例如，当CPU需要访问的数据或指令不在高速缓存中时，它会从主存储器中读取数据或指令。
存储器系统
存储器系统：概述：计算机中的存储系统是用来保存数据和程序的。
对存储器最基本的要求就是存储容量要大、存取速度快、成本价格低.为了满足这一要求,提出了多级存储体系结构。
一般可分为高速缓冲存储器、主存、外存3个层次,有时候还包括CPU内部的寄存器以及控制存储器.◆衡量存储器的主要因素：存储器访问速度、存储容量和存储器的价格;◆存储器的介质：半导体、磁介质和光存储器.◆存储器的组成：存储芯片+控制电路(存储体+地址寄存器+数据缓冲器+时序控制）;◆存储体系结构从上层到下层离CPU越来越远、存储量越来越大、每位的价格越来越便宜，而且访问的速度越来越慢存储器系统分布在计算机各个不同部件的多种存储设备组成，位于CPU内部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。
内部存储器是可以被处理器直接存取的存储器,又称为主存储器，外部存储器需要通过I/O模块与处理器交换数据,又称为辅助存储器，弥补CPU处理器速度之间的差异还设置了CACHE，容量小但速度极快,位于CPU和主存之间，用于存放CPU 正在执行的程序段和所需数据。
整个计算机的存储器体系结构：通用寄存器堆—指令和数据缓冲栈—Cache（静态随机存储器RAM）—主存储器(动态随机存储器DRAM）—联机外部存储器（磁盘存储器)—脱机外部存储器(磁带、光盘存储器) 通常衡量主存容量大小的单位是字节或者字,而外存的容量则用字节来表示。
字是存储器组织的基本单元,一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。
信息存取方式：信息的存取方式影响到存储信息的组织，常用的有4种，◆顺序存取存储器的数据是以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按特定的线性顺序进行.磁带存储器的存取方式就是顺序存取。
◆直接存取共享读写装置，但是每个记录都有一个唯一的地址标识，共享的读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。
因此存取时间也是可变的。
磁盘存储器采用的这种方式。
◆随机存取存储器的每一个可寻址单元都具有唯一地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。
微机原理-第6章(2)
四.扩展存储器设计
Note:8086 CPU同8088 CPU一样，也有20条地址总线，其寻 8086 CPU同 CPU一样 也有20条地址总线， 一样， 20条地址总线 址能力达1MB。不同之处是8086 数据总线是16位的， 16位的 址能力达1MB。不同之处是8086 CPU 数据总线是16位的， 与8086 CPU对应的1MB存储空间可分为两个512kB(524 288 CPU对应的1MB存储空间可分为两个512kB(524 对应的 存储空间可分为两个512 B)的存储体。其中一个存储体由奇地址的存储单元(高字节) B)的存储体。其中一个存储体由奇地址的存储单元(高字节) 的存储体 奇地址的存储单元 组成，另一个存储体由偶地址的存储单元(低字节)组成。 组成，另一个存储体由偶地址的存储单元(低字节)组成。 偶地址的存储单元 前者称为奇地址的存储体，后者称为偶地址的存储体。 前者称为奇地址的存储体，后者称为偶地址的存储体。
≈
0
≈ ≈
0 0
0
0
0
0
0
0
0 1…1
作片外寻址的高位不变地址线全部 参加了译码，这种译码方法称为全 参加了译码，这种译码方法称为全 地址译码方法 方法。 地址译码方法。
片外寻址
四.扩展存储器设计
A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9~A0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0…0
4KB 00000H 00FFFH
≈
●
模块1 模块
微型计算机原理与组成-第5章 储存系统
· 读取CMOS-SRAM中的设备配置，确 定硬件运行环境。
· 系统引导、启动。
· 基本的输入输出控制程序。 · 存储一些重要的数据参数。 · 部分机器还含有硬化的部分操作系统。
ROM-BIOS一般为几十KB的容量，并 有逐渐加大的趋势，常为掩膜式ROM。 目前高档PC机已采用快速擦写存储器， 使ROM BIOS 的功能由软盘软件支撑升级。
5.4.5 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器中的基本信息传送单 位为定长的页。
5.4.6 段页式虚拟存储器简介
段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有 其优缺点，段页式管理综合了两者的优点， 将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段， 以保证每个模块的独立性及便于用户公用； 每段又分成若干个页。 页面大小与实存页相同，虚存和实存之 间的信息调度以页为基本传送单位。
2．CMOS-RAM 用于记录设备配置参数，如内存容量， 显示器类型，软硬磁盘类型及时钟信息等。 CMOS-RAM采用CMOS工艺制成，功耗很 少。
3．ROM-BIOS
ROM-BIOS用于存放基本的输入输出 系统程序，是操作系统驻留在内存中的最 基本部分，其主要用于以下几个方面。
· 开机后的自检。检测对象涉及计算机 系统的各主要功能部件包括CPU、ROM、 RAM、系统接口电路和键盘、软、硬磁 盘等外设。
5.1.1存储器的分类
1. 按存储介质分 按存储介质可以将存储器分为三种：半 导体存储器、磁表面存储器和光存储器。
2. 按存取方式分
按照存储器的存取可方式分为随机存取 （读写）存储器、只读存储器、顺序存取存 储器和直接存取存储器等。
简述现代计算机常用的三级存储体系
简述现代计算机常用的三级存储体系现代计算机常用的三级存储体系是指计算机内存的三个层次，包括高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Auxiliary Storage），每个层次的存储器速度和容量不同，以及在计算机中的作用也不同。
下面将分别对这三个层次进行详细说明。
1. 高速缓存（Cache）高速缓存是位于中央处理器（CPU）和主存储器之间的一层存储器，其作用是临时存储处理器频繁使用的数据或指令，以提高处理器的访问速度。
高速缓存的特点是速度非常快，可以与CPU进行同步操作，并且容量较小。
高速缓存采用的是容量较小但速度非常快的SRAM（Static Random Access Memory）或DRAM（Dynamic Random Access Memory）来存储数据。
高速缓存采用了一种称为“局部性原理”的策略，根据程序访问数据和指令的局部性特征，预先将可能用到的数据和指令存储到高速缓存中，当CPU需要访问数据或指令时，首先在高速缓存中查找，如果找到则直接返回，从而避免了频繁访问主存储器的延迟。
2. 主存储器（Main Memory）主存储器是计算机中的主要存储器，通常是指随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），它可以直接被CPU访问。
主存的特点是速度相对较快（相比辅助存储器），容量较大。
主存储器存储的是当前运行的程序和数据，存储的内容会随着程序的加载和运行而不断变化。
主存储器一般采用的是DRAM，其存储单元是由电容和晶体管构成的。
DRAM的数据是以电容的充放电状态表示的，因此对DRAM的访问速度受限于电容的充放电时间，相对较慢。
3. 辅助存储器（Auxiliary Storage）辅助存储器能够永久保存数据，即使计算机断电也不会丢失数据。
它通常用于存储操作系统、应用程序和用户数据等，在程序需要执行或大量数据需要读写时，会从辅助存储器中加载到主存储器中进行处理。
存储系统原理
存储系统原理
存储系统原理的概述
存储系统是计算机系统中用于数据存储和访问的关键组成部分。
它包括了多种类型的存储介质和相应的硬件、软件，用于实现数据的持久性存储和高效的数据访问。
存储系统原理主要涉及以下几个方面：
1. 存储层次结构：存储系统根据存储介质的特性和成本，将存储空间划分为多个层次。
通常从高到低分为：高速缓存、内存、磁盘和磁带等。
不同层次的存储设备之间通过缓存和映射机制来实现数据的高效传输和访问。
2. 存储介质：常见的存储介质包括半导体存储器（如DRAM、SRAM、闪存等）和磁存储器（如硬盘、磁带等）。
不同的存
储介质具有不同的读写速度、容量、可靠性和成本等特点，应根据应用需求进行选择。
3. 存储管理：存储系统需要提供对数据的有组织的管理和保护。
这包括了文件系统的设计与实现、存储空间的分配和回收、数据的备份与恢复、数据的安全性和完整性保护等。
4. 存储与计算的接口：存储系统需要提供给计算机系统高效的存储访问接口，以实现数据的读写和操作。
这包括了存储器层次结构的映射、虚拟存储器的管理、存储器保护机制等。
5. 存储性能优化：存储系统需要通过各种性能优化技术，提高
数据的访问速度和存储利用率。
这包括了读写缓存、预取、数据压缩和去重、存储调度算法等。
6. 存储系统可靠性与容错：随着存储容量的不断增加，存储系统的可靠性和容错性变得越来越重要。
它包括对硬件故障的容错机制（如RAID）、数据冗余备份和快速恢复等。
总之，存储系统原理是研究存储介质、存储管理和存储性能等方面的基本原理和技术，旨在设计和实现高性能、高可靠性和高效能的存储系统。
计算机体系结构存储系统的认识理解
计算机体系结构存储系统的认识理解计算机存储系统主要分为主存储器和辅助存储器两种类型。
主存储器是计算机体系结构中的核心部分，也是计算机系统中最接近中央处理器（CPU）的存储器。
主存储器通常由高速随机访问存储器（RAM）组成，是计算机进行数据读取和写入的地方。
它具有较快的访问速度和读写能力，可以直接被CPU访问。
主存储器中存储的数据是临时存储的，当计算机断电时，其中的数据会被清除。
辅助存储器是计算机体系结构中的非易失性存储器，主要用于长期存储和备份数据。
常见的辅助存储设备包括硬盘驱动器、固态硬盘、光盘和闪存驱动器等。
辅助存储器的容量比主存储器大，可以存储大量的数据，并且数据不会因为断电而丢失。
然而，辅助存储器的访问速度较慢，需要较长的时间来读取和写入数据。
在计算机体系结构中，主存储器和辅助存储器之间通过缓存来进行数据的传输和管理。
缓存是一种临时存储器，用于存储CPU需要频繁访问的数据和指令。
缓存位于CPU和主存储器之间，并且具有较快的访问速度和容量，可以提高计算机系统的性能。
计算机存储系统的设计需要考虑多个方面的因素，包括存储容量、访问速度、数据可靠性和成本等。
存储容量是指存储系统可以存储数据的总量，它需要根据计算机系统的需求进行合理的配置。
访问速度是指存储系统能够读取和写入数据的速度，它通常取决于存储器的性能和传输通道的带宽。
数据可靠性是指数据在存储系统中的安全性和可靠程度，需要通过冗余备份和错误检测与纠正等技术来保证。
成本是指构建和维护存储系统所需的资源和费用，需要在满足其他需求的前提下尽量降低成本。
总之，计算机体系结构中的存储系统是计算机系统的重要组成部分，主要包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于临时存储和处理数据，具有较快的访问速度和读写能力；辅助存储器用于长期存储和备份数据，具有大容量和非易失性的特点。
存储系统的设计需要考虑存储容量、访问速度、数据可靠性和成本等多个方面的因素。
通过合理配置和管理存储系统，可以提高计算机系统的性能和可靠性。
存储器、存储系统以及操作方法与流程
存储器、存储系统以及操作方法与流程存储器是计算机系统中最基本、最重要的部件之一，用于存储程序、数据等信息，是计算机系统中重要的资源之一、存储器的主要功能是数据的存储和读取，在计算机系统中有着非常重要的地位。
存储器不同于处理器，处理器只能处理当前的数据信息，在不同的应用场景中不断运行，而存储器可以存储更多、更长时间的数据信息并保证数据的安全、可靠性和稳定性。
存储器主要分类存储器主要分为两大类：内存和外存。
内存包括随机存取内存（RAM）和只读存储器（ROM），其中RAM又包括动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM）两种；外存又称为辅助存储器，包括硬盘、软盘、光盘、闪存以及U盘等。
存储系统的架构存储系统包括计算机系统的内存与外存两个部分，主要分为主存储器、高速缓存、辅助存储器等三个层次。
其中主存储器一般是指DRAM和SRAM，常常直接集成在CPU中，是CPU和外部设备（如硬盘、光盘等）间信息交换的媒介；高速缓存是位于主存之外，但比主存存储更快、相应时间更短的存储器，用于加快主存储器与CPU之间的数据传输，同时也减轻了对内存访问的压力；辅助存储器则包括各种外存。
操作方法与流程存储器的操作包括存储和检索两个阶段，下面将分别解释存储器的操作方法与流程。
1. 存储操作流程存储操作是将数据写入存储器的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
（3）DRAM芯片从内存数组中选取对应的行，然后读取该行中所有的列，并将这些数据通过输出信号传给内存控制器。
（4）内存控制器接收到DRAM芯片输出的数据后，将其写入内存，同时向CPU发送写入成功的信号。
2. 检索操作流程检索操作是从存储器中读取数据的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
微机原理(存储器系统)
只读存储器是一种对其内容只能读出不能写入的存储器。
可擦除可编程只读存储器EPROM(Erasible Programmable
ROM)和电可擦除可编程只读存储器EEPROM(Electric Erasible Programmable ROM)以及近年来发展起来的快擦型 存储器(Flash Memory)具有EEPROM的特点。
C1
C2
2）写入时， T1.T2均导通，数 据线上的信息对C1进行充放电
2018年11月28日
11
(1) 单译码
单译码方式又称字结构，全部地址码只用一 个电路译码，译码输出的选择线直接选中对应 的存储单元。这一方式需要的选择线数较多， 只适用于容量较小的存储器。
(2) 双译码
在双译码结构中，将地址译码器分成行译码器
(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)两部分，
行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方 式的特点是译码输出线较少。
+5V WE* CS2 A8 A9 A11 OE* A10 CS1* D7 D6 D5 D4 D3
26
2018年11月28日
SRAM 6264的功能
工作方式 CS1* CS2 WE* OE* D7 ~ D0
未选中 未选中 写操作 读操作
1 × 0 0
× 0 1 1
× × 0 1
× × 1 0
高阻 高阻 输入 输出
2018年11月28日 2
4.1.1
存储器分类
1．按构成存储器的器件和存储介质分类
按构成存储器的器件和存储介质主要可分为： 磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、 磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。 从五十年代开始，磁芯存储器曾一度成为主 存储器的主要存储介质。但从七十年代起，半导 体存储器逐渐取代了磁芯存储器的地位。目前， 绝大多数计算机都使用的是半导体存储器。
存储器系统
位扩展例
• 用8片2164A芯片构成64KB存储器
DB D0 2164A D1 2164A A0~A7 LS158 A0~A7 A8~A15 D7 2164A
AB
位扩展方法：
• 将每片的地址线、控制线并联，数据线 分别引出
• 位扩展特点：
存储器的单元数不变，位数增加
字扩展
• 地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足， 但单元数不满足
• 扩展原则：
每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片 选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地 址范围
字扩展例
• 用两片64K×8位的SRAM芯片构成容量为128KB的存储器
数据总线DB
MEMW MEMR
D0～D7
D0～D7 MEMW MEMR Y3 OR WE 64Kx8 CS A0～A15
A7
×8片
B
S
RAS 0 CAS 0 WE
~
D0
~
D7
三、存储器扩展技术
用多片存储芯片构成一个需要的内存空间， 它们在整个内存中占据不同的地址范围，任 一时刻仅有一片（或一组）被选中——存储 器的扩展。
位扩展 字扩展 字位扩展
位扩展
• 存储器的存储容量等于： 单元数×每单元的位数
字节数 字长
• 当构成内存的存储器芯片的字长小于内 存单元的字长时，就要进行位扩展，使 每个单元的字长满足要求
第五章
存储器系统
1
5-1 概 述
一、存储器的分类 1、按工作性质分类 • 内部存储器 作用：用于存储当前运行所需要的程序和数据， 和CPU直接交换信息。 特点：容量小，工作速度高。 • 外部存储器 作用：用于存放当前不参加运行的程序和数据， 一般和内存交换信息。 特点：容量大，存取速度较慢。
第4章-嵌入式系统的存储器系统PPT课件
DRAM的体）电容存储电荷来储存信息， 必须通过不停的给电容充电来维持信息。
DRAM 的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。 DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何
的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机 内存就是DRAM的。
4.1.3 存储管理单元
MMU（Memory Manage Unit, 存储管理单元）
在CPU和物理内存之间进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到 物理空间，这个转换过程一般称为内存映射。
MMU主要完成以下工作： （1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。
采用了页式虚拟存储管理，它把虚拟地址空间分成一个个固定大 小的块，每一块称为一页，把物理内存的地址空间也分成同样大 小的页。MMU实现的就是从虚拟地址到物理地址的转换。 （2）存储器访问权限的控制。 （3）设置虚拟存储空间的缓冲特性。
（或旁路转换缓冲/页表缓冲/后援存储器）
当CPU访问内存时，首先在TLB中查找需要的地址变换条目，如果该 条目不存在，CPU再从位于内存中的页表中查询，并把相应的结果 添加到TLB中，更新它的内容。
当ARM处理器请求存储访问时，首先在TLB中查找虚拟地址。如果系 统中数据TLB和指令TLB是分开的，在取指令时，从指令TLB查找相应 的虚拟地址，对于内存访问操作，从数据TLB中查找相应的虚拟地址。
当进行数据写操作时，可以将cache分为读操作分配cache和写操 作分配cache两类。
对于读操作分配cache，当进行数据写操作时，如果cache未命中， 只是简单地将数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行 cache内容预取。
对于写操作分配cache，当进行数据写操作时，如果cache未命中， cache系统将会进行cache内容预取，从主存中将相应的块读取到 cache中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到cache中。对 于写通类型的cache，数据将会同时被写入到主存中，对于写回 类型的cache数据将在合适的时候写回到主存中。
计算机组成原理第4章 存储系统
第四章存储系统4.1概述4.1.1技术指标4.1.2层次结构4.1.3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。
构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。
一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。
这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为一个存储位或存储元。
由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。
根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法。
(1)按存储介质分作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。
另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。
目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。
用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。
用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。
(2)按存取方式分如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。
半导体存储器是随机存储器。
如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。
如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。
磁盘存储器是半顺序存储器。
(3)按存储器的读写功能分有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)。
既能读出又能写人的半导体存储器，称为随机读写存储器(RAM)。
(4)按信息的可保存性分断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。
断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。
磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写4.2 半导体随机读写存储器主存储器由半导体存储芯片构成，容量较小时可采用SRAM芯片，容量较大时一般采用DRAM芯片。
主存中的固化区采用ROM芯片，包括PROM、EPROM、EEPROM、等。
存储器系统(6116)
第4章存储器系统引入：电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。
随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。
特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。
计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能。
本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯片的结构、工作原理3）存储器的扩展方法4）高速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1 存储器概述4.1.1 存储器的分类在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。
存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。
存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。
一、按其用途分（1）内存储器内存储器又叫内存，是主存储器。
用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。
CPU可以对他直接访问，存取速度较快。
（2）外存储器外存储器又叫外存，是辅助存储器。
外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。
外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也可以保存。
存取速度较慢，要用专用的设备来管理。
计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。
二、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存储单元。
现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再由若干芯片组成大容量的存储器。
半导体存储器又分为双极型半导体存储器和MOS 型半导体存储器。
（2）磁表面存储器再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。
计算机体系结构存储系统的认识与理解
计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念,涉及到计算机硬件和软件之间的关系、计算机的逻辑结构和功能等方面。
存储系统是计算机体系结构中的重要组成部分,负责存储和管理系统的数据和程序。
本文将介绍计算机体系结构存储系统的认识与理解,并探讨其重要性和实现方法。
一、计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机存储系统是指为计算机提供存储数据和程序的地方,通常包括主存储器、辅助存储器和输入输出设备等组成部分。
其中,主存储器是计算机中最重要的存储系统之一,用于存储计算机程序和数据。
主存储器通常分为三种类型:随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存。
RAM是随机访问的存储器,可以在任何时候进行读写操作,但是其容量有限。
ROM是一种只读存储器,只能读取其编程内容,因此其容量非常大,但不可修改。
闪存是一种非易失性存储器,具有快速读写速度和大容量等优点,但是较为昂贵。
辅助存储器包括外置存储器和内置存储器。
外置存储器通常包括硬盘、软盘、USB存储器等,用于存储临时数据和文件。
内置存储器则包括内存、EEPROM、FRAM等,用于存储系统配置文件、程序代码等。
输入输出设备用于将数据和程序传输到计算机外部,例如显示器、键盘、鼠标等。
计算机存储系统的重要性不言而喻。
存储系统的配置和优化对计算机的性能、可靠性和安全性都有着重要的影响。
合理的存储系统可以提高计算机的运行效率,减少存储空间的占用,提高数据传输速度,降低系统出错率。
二、计算机体系结构存储系统的实现方法计算机体系结构存储系统的实现方法可以分为以下几种:1. 基于硬件的存储系统:这种存储系统直接将存储芯片嵌入到计算机系统中,通过硬件连接实现数据的存储和读取。
2. 基于软件的存储系统:这种存储系统使用操作系统提供的软件存储功能,通过操作系统的存储管理功能实现数据的存储和读取。
3. 基于网络的存储系统:这种存储系统通过网络进行数据存储和传输,可以通过分布式存储技术实现数据的大容量存储和高效性访问。
计算机组成原理 第 4 章 存储器系统(修改版)
磁芯存储器
2013-11-14
10
3.5英寸软盘
2013-11-14
11
硬盘
2013-11-14
12
(2)半导体存储器
• 半导体存储器是用半导体器件组成的存储器。 • 根据制造工艺不同，可分为双极型和MOS型。
2013-11-14
13
U盘
2013-11-14
14
(3) 光存储器
• 利用光学原理制成的存储器，它是通过 能量高度集中的激光束照在基体表面引 起物理的或化学的变化，记忆二进制信 息。如光盘存储器。
2013-11-14
3
4.1.1
存储器分类
• 1．按与CPU的连接和功能分类
• (1) 主存储器 CPU能够直接访问的存储器。用于存 放当前运行的程序和数据。主存储器设在 主机内部，所以又称内存储器。简称内存 或主存。
2013-11-14
4
(2) 辅助存储器
• 为解决主存容量不足而设置的存储器， 用于存放当前不参加运行的程序和数据。 当需要运行程序和数据时，将它们成批 调入内存供CPU使用。CPU不能直接访问 辅助存储器。 • 辅助存储器属于外部设备，所以又称为 外存储器，简称外存或辅存。
写操作（存操作） 地址 （MAR） AB
MEM
CPU MEM MDR
MEM
CPU
CB 读命令 （Read）
MEM
存储单 元内容 （M）
DB
MEM
CB 写命令 MEM （Write） DB 存储单元 MDR M
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CPU与主存之间的数据传送控制方式
• 同步控制方式：数据传送在固定的时间间隔内 完成，即在一个存取周期内完成。 • 异步控制方式：数据传送的时间不固定，存储 器在完成读/写操作后，需向CPU回送“存储器 功能完成”信号（MFC），表示一次数据传送完 成。 • 目前多数计算机采用同步方式控制CPU与主存之 间的数据传送。 • 由于异步控制方式允许不同速度的设备进行信 息交换，所以多用于CPU与外设的数据传送中。
计算机组成原理(第三版)第 3 章 存储器及存储系统
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3.2 主存储器
• 主存储器按其功能可分为RAM和 ROM。
一 二 随机存取存储器RAM 只读存储器ROM
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一、随机存取存储器RAM
MM
Y0
Bm-1
Y1
……
B0
An-1…A0
M A R
M A D
…
Y2n-2
Y2n-1
…
CS
WE
R/W读写 控制电路
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三、存储器的层次结构
1.分级原理： 根据程序执行的集中性和局部性原理而构建的分层结构。信 息流动分规律为从低速、大容量层次向高速、小容量层次流动 ，解决速度、价格、价格这三者之间的矛盾，层次间信息块的 调度由硬件和软件自动完成，其过程对用户透明。 2.三级存储管理系统： • Cache： • ·采用TTL工艺的SRAM，哈佛结构； • ·采用MOS工艺的SRAM，指令与数据混存，其与内存之间信息块 的调度（几十字节）全由Cache控制器硬件完成。 • 主存： • ·ROM常用FROM，E2PROM等构成； • ·RAM常用DRAM构成，RAM和ROM采用统一编码。 • 虚存： • 采用磁盘存储器，主存+OS中的存储器管理软件联合构成，其 信息块常用页、段表示，其间的信息块调度由管理软件完成。
字线
数 据 线 Cd
T
C
单管MOS动态存储器结构
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（2）DRAM存储器
RAS CAS WE OE 定时和控制
4M×4位的DRAM
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§6.2常用存储器
Flash
存储器
RAM
ROM
§6.2.1 RAM随机存储器 1、静态随机存储器（SRAM）
静态RAM的存储元由双稳电路构成，存储 信息稳定。 由于静态RAM的基本存储电路中管子数目 较多，故集成度较低。
位线1 字选择线 Q3 Vcc
Q4
位线2
掩膜式的 ROM（不可写入） 只读存储器（ ROM ） 可编程的 PROM （只可写入一次）
可擦除可编程ROM
光擦除的EPROM 电擦除的 EEPROM
§6.1.3存储器的基本组成
一般情况下，一个存储器系统由存储体、地址译码电路、 控制电路等组成
典型RAM结构示意图
右图是一个6管结构的静态存储器 的存储单元电路。 工作原理
Q5 I/O Q1 Q2
Q6 I/O
图6.4 SRAM的存储单元
图中，Q1和Q3、Q2和Q4分别组成1个反相器， 它们的输入、输出交叉耦合组成1位触发器，用于 记录1位二进制信息。 当Q1导通时，Q2一定截止，这时，触发器的输 出端为低电平，表示存储1信号；反之，Q1截止 时，Q2导通，触发器输出高电平，表示存储0信 号。Q5和Q6用于完成对该存储元的读写操作， 位线1、2用来传递读写数据信号，字线用来提供 将触发器与位线连通或断开的控制信号。
⑤功耗
半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，但是散热不容易， 因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗。 使用功耗低的存储器芯片构成存储器系统，不仅可以减少对电源容量的要 求，而且还可以提高存贮系统的可靠性。
一般而言，MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。
§6.1.2半导体存储器的分类
按构成存储器的器件和存储介质可分为：
磁芯存储器 半导体存储器 光电存储器 磁膜 磁泡 其它磁表面存储器 光盘存储器等 双极型 MOS型 静态RAM（SRAM） 动态RAM（DRAM）
半导体存储器的分类
随机读写存储器（ RAM ） 半导体存储器
2114 读写操作
①当器件要进行读操作时，首 先输入要读出单元的地址码 （A0～A9），并使＝1，如果 ＝0，则所选存储单元内容（4 位）就会通过三态输出缓冲器， 送到数据输入输出引脚 （I/O0～I/O3）上。 ②当器件要进行写操作时， 在I/O0～I/O3端输入要写入 的数据，在A0～A9加载地址 码，使控制信号＝0，＝0， 则会完成一次写入操作。
CAS WE
3、常用DRAM芯片
DRAM的型号主要有：2164(64K×1位)、4116 （16K×1）、4464（64K×4）等。
NC
1 2 3 4 5 6 7 8 Intel 2164 16 15 14 13 12 11 10 VSS CAS DOUT A6 A3 A4 A5
在一般情况下，存取周期越短，计算机运行的速度才能越快。 半导体双极型存储器的存取周期一般为几至几百纳秒，MOS型存储器的存取 周期一般为十几至几百纳秒，例如常用的HM62256（32 K×8）的存取周期 为120ns～200 ns。
§6.1.4存储器的主要技术指标
本章难点
存储器扩展 存储器与CPU的连接
本章主要内容
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算 机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结 果都保存在存储器中。 本章主要介绍计算机存储器系统的结构、类型，给出一些常用基本存储元件的 电路结构，重点介绍一些常用存储器芯片的扩展，以及怎样与CPU进行连接。
§6.1 概述 §6.2 常用存储器 §6.3 存储器扩展技术 §6.4 存储器与CPU的连接
§ 6.1 概述
层次结构
存储器系统 基本概念
性能指标
分类
组成结构
§6.1.1存储系统的层次结构
计算机系统中，根据各种存储器的存储容量、存取速度和 价格比的不同，将它们按照一定的体系结构组织起来，使 所存放的程序和数据按照一定的层次分布在各种存储器中， 构成多级存储体系。 三层存储体系结构
CPU Cache 主存储器
外存储器
§6.1.1存储系统的层次结构
整体而言，存储系统主要有两个层次，即Cache-主存层 次和主存-外存层次
Cache-主存层次 Cache-主存层次主要解决CPU和主存之间的速度差异问题。在CPU 和主存之间设置存取速度最快、容量小的高速缓冲存储器(Cache)， 就能较好地解决存取速度问题，提高整机的运算速度。 主存-外存层次 主存-辅存层次解决的是存储器的大容量要求和低成本之间的矛盾。 现代操作系统的形成和发展使得程序员摆脱了主存、辅存之间的地 址人工定位，通过软件、硬件结合，把主存和辅存统一成了一个整 体，程序员可以利用比主存实际容量大得多的逻辑地址编写程序。 随着这种系统的发展和完善，逐渐形成了现在广泛使用的虚拟存储 系统。
§6.1.4存储器的主要技术指标
存储器的类型不同，其性能指标也不相同，在构成微机系统时需要全 面考虑。通常衡量一个存储器的性能指标主要有存储容量、存取时间、 可靠性、集成度和功耗等。
①存储容量
存储器的容量指的是存储器所能容纳的最大字节数，存储器容量越大，存储 的信息量也就越大，计算机运行的速度也就越快。
2）地址译码器
地址译码器的作用就是用来接收 CPU 送来的地址信号并对它进行译码， 选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。
存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。
单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。 在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器 (又叫 X 译码器) 和
DRAM的价格比较便宜，大约只有SRAM 的1/4，由于使用动 态元件，DRAM功耗也只有SRAM的1/6。因此，DRAM得到了 广泛的使用，它的存取速度和存储容量正在不断地改进提 高。
3、常用SRAM芯片
SRAM的型号主要有：2114(1K×4位)、6116(2K×8位)、 6264（8K×8）、62256（32K×8）等。 Intel 2114 SRAM
地 址 输 入 缓 冲 器 X 地 址 译 码 器 控制电路 片选 读/写 地址输入缓冲器
行 地 址
存储单元阵列
数据
数据驱动
I/O电路 Y地址译码器
列地址
§6.1.3存储器的基本组成
1）存储体 存储体是存储器系统的主体，存储体由基本存储单元组成。 一个基本存储单元可以保存一位二进制信息 存储体的容量，一般用M×N来表示 M通常指存储单元的个数，M的大小决定了地址线的条数L N表示每一个存储单元所能保存的二进制位数，通常决定 了存储器数据线的位数。
列译码器 (又叫 Y 译码器) 。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址 选择信号。行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码 输出线较少。
3）控制电路
主要用于选中存储器芯片，执行读写操作。 片选信号用以实现芯片 的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进 行读/写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来 形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。
2、动态随机存储器（DRAM）
字选择线
动态RAM有4管动态RAM，3管动态 RAM和单管动态RAM。
Ts
图6.5是单管DRAM的存储单元的线路。 它由一个晶体管和一个电容组成。
Cd
Cs
数据线
为了节省面积，单管存储器电荷的电容 不可能做得很大，一般比数据线上的分 布电容Cd小，因此每次读出后，存储内 容就被破坏，必须采取刷新技术恢复原 来的信息。
第六章 存储器系统ຫໍສະໝຸດ 教学目的和要求 通过本章的学习，使学生掌握存储器的基本概念，掌握存 储器的结构、分类及常用的存储器芯片的扩展，并掌握存 储器与CPU的连接方法。
重点与难点
本章重点
存储器的基本概念 存储器系统的层次结构 存储器的分类及主要评价指标 常用RAM存储器及其扩展技术 常用ROM存储器及其扩展技术 存储器与CPU的连接
采用18引脚封装，其容量为 1K×4位，+5V电源。
A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 CS GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Intel 2114 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Vcc A7 A8 A9 I/O 1 I/O 2 I/O 3 I/O 4 WE
Intel 2164 DRAM
Intel 2164 DRAM 芯片采用16引脚 封装，其容量为64K×1位，+5V电 源，芯片引脚图如图6.8所示。 Intel 2164 DRAM 芯片主要引脚有： 8根地址线（A7～A0）、数据输入 线（Din）、数据输出线（Dout）、 WE 读写允许信号 、行地址选通信号 （ ）和列选通信号（ ）。 RAS
不同的存储器芯片，其容量不一样。通常用多少个存储单元，每个存储单元 存储多少位来表示。例如，静态RAM6264的容量为8KB×8bit。
常用的计量存储空间的单位有GB、KB、MB。
②存取周期
存储器的存取周期是指从接收到地址，到实现一次完整的读出和写入数据的 时间称为存取周期，是存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。
主要引脚有：10根地址线 （A9～A0），4根数据线 （I/O4～I/O1），写允许信号 和选片信号。
Intel 2114 SRAM
其内部结构如右图所示，主要包括存 储矩阵、地址译码器、I/O 控制电路、 片选及读/写控制电路等组成。 存储矩阵是数据存储主体，Intel 2114内部共有 4096个存储电路，排 成 64×64 的短阵形式。 地址译码器的输入为10根线，采用两 级译码方式，其中6根用于行译码， 4根用于列译码。I/O 控制电路分为 输入数据控制电路和列I/O电路，用 于对信息的输入／输出进行缓冲和控 制。 片选及读/写控制电路用于实现对芯 片的选择及读／写控制。