第三章 存储器

存贮体中，为区分不同的存贮单元，对每一单元 给一个编号，这个编号叫地址，地址与存贮单元一一 对应。一个存贮单元可以放一个字—按字编址，也可 以放若干个字节—按字节编址，存贮体同周围的逻辑 线路一起组成存贮器。
主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、 I/O和读写电路组成。
地 址 译 码 驱 动 I/O 和 读 写 电 路
C P U
Cache
内 存
外 存
•从整体看，主－辅存层次的存取速度接近于主存的存取速度（小系统中最快 的速度） ，容量则接近于辅存的容量，（小系统中最大的容量），而每位平 均价格也接近于廉价的辅存平均价格，从而解决了大容量存在一定的辅助硬件和软件支持下， 构成了一个完整的存贮体系。 体系中引入Cache的目的，是想用来填补CPU和内存之间 速度上的差异，（为了追求高速度）故高速缓存控制用 硬件实现。 虚拟存贮器是为了填补内存和外存之间在容量上的差异， 所以主要用硬件、软件结合的方法实现。 高速缓存技术把高速缓存和内存构成一级存贮层次，虚 拟存贮技术把内存和外存构成二级存贮层次。 三种性能、水平不同的存贮器合在一起，采用了多层次 的存储结构，总的效果是：存取速度接近高速缓存水平， 存贮容量非常之大（为外存的容量），整个价格也比较 合理，以此满足用户对存贮器速度、容量和价格的要求 （最快的速度、最大的容量、最低的价格）。
四、可靠性 一般用平均无故障时间（两次故障之间的平均间 隔）来衡量。 为提高存储器的可靠性，必须对存储器中存在的 特殊问题，采取适当的方法。 （1）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器 （2）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用中断 的技术转储 （3）动态存储：定期刷新
五、性能/价格比
价格即成本，它是衡量经济性能的重要指标。设Ｃ 是存储容量为Ｓ位的整个存储器以元计算的价格，可定义 存储器成本ｃ为：c＝（Ｃ／Ｓ）元／位.
地址线
存储体
数据线
读/写控制线
3.1.2 存储器的主要技术指标
一.存储容量 存储容量是指主存所能容纳的二进制信息总量。
对于字节编址的计算机，以字节数来表示容量； 对于字编址的计算机，以（存储）字数与其（存储）字长的乘积来表 示容量 。 如某计算机的容量为64K×16，表示它有64K个字，每个字的字长为16 位，若用字节数表示，则可记为128K字节（128KB）。
3.1.4 存储器的系统层次结构
当前计算机系统中，采用三种运行原理不同、性 能差异很大的存储介质，高速缓冲存储器、主存 储器和辅助存储器
为了解决容量、速度和价格之间的矛盾，出现 了多层次的存储系统，即把各种不同存储容量，不 同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来 ，使所存放的程序和数据按层次分布在各存储器中 ，形成一个统一整体的存储系统。 由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构 成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓 冲存储器和主存之间称为Cache－主存层次，主存和 辅存间称为主－辅层次。
存贮系统：两个或两个以上速度，容量，价 格不同的存贮器，用硬件、软件或软硬结 合的方法联成一个系统，此系统对应用程 序是透明，且从应用程序员来看，系统的 速度接近最快的存贮器，容量接近容量最 大的存贮器，价格接近最便宜的存贮器。
从CPU的角度看n种不同的存储器(M1--Mn)在逻辑上是一 个整体。其中：M1速度最快、容量最小、位价格最高； Mn速 度最慢、容量最大、位价格最低； 从整体看，整个存储系统存取速度接近于M1的速度，容量 则接近于Mn的容量，而每位平均价格也接近于Mn位价格，从 而解决了大容量、高速度和低成本间的矛盾
第三章 存储器
存储器概述 存储器的系统层次结构 半导体随机存储器和只读存储器 静态、动态存储器的结构、特点、工作原理 主存储器与CPU的连接 提高存储系统性能的技术 外部存储器
3.1 存储器概述
3.1.1 基本概念
信息存贮的基本单位，叫做一个二进制位（bit）。 一位的值可以为0，也可以为1，因此，必须具有两个稳态的 元件来表示，如，半导体器件或者磁性材料，存贮一位二进 制数的器件称作一个存储位元(记忆单元)。 8个二进制位称作一个字节（Byte）,一个二进制数含 有多个二进制位. 当一个二进制数作为一个整体进行操作时,就称作一个 字（机器字）,一个字中的二进制位数叫字长（机器字长） 一个存储位元存贮一位二进制，若干位二进制可用若 干个存储位元存贮，这若干个存储位元就组成了一个存贮单 元，一个存贮单元可以存放一个字（这个字叫做一个存储字， 这一个存储字的长度叫做存储字长 ），多个存贮单元组成 了一个存贮体—存贮器的核心。
二.按存储内容可变性分类 1.随机存取存储器RAM 既能读出，又能写入的半导体存储器，主要用作主存。 2.只读存储器ROM ROM可以看作RAM的一种特殊方式，存储器的内容只能随机读出 而不能随机写入。
三.按读写顺序分类 1.SAM(sequential)：顺序存取，存取时间与存贮单元的物理 位臵有关，如磁带。 2.RAM：随机存取，存取时间与存贮单元的物理位臵无关， CPU对任何一个存储单元的读写时间是一样的，即存取时间 是相同的 。如半导体存储器， 3.DAM(Director)：直接存取，介于上述二者之间，如磁盘。
四.按存储介质分类 1.磁芯存储器：采用具有矩形磁滞回线的铁氧体磁性材料，利用 两种不同的剩磁状态表示“1”和“0”。 特点：信息可以长期存放，但，是破坏性读出。 2.半导体存储器：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS型存 储器和双极性存储器。 特点：存取速度快，但断电后所存信息丢失。 3.磁表面存储器：在金属或塑料基体上，涂敷一层磁性材料，用 磁层存储信息，如磁盘、磁带等。 特点：存储用量大，价格低，但存取速度慢，多用作辅存。 4.光存储器：采用激光技术控制访问的存储器，可分为只读式， 一次写入式，可读写式三种。 特点：存储容量大，携带方便，可永久存放。
1K（一千）=210=1,024个存储单元 1M（一百万）=220=1,048,576个存储单元 1G（十亿）=230=1,073,741,824个存储单元 1T（一万亿）=240=1,099,511,627,776个存储单元
二.存取速度 1.存取时间Ta 存取时间又称为访问时间或读/写时间，它是指从启 动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。 2.存取周期Tm 存取周期又可称作读写周期、访内周期，它是存贮 器从接受读/写命令信号始，将信息读出或写入后，到接到下一 个读/写命令为止所需的时间 。 显然，一般情况下，TmTa 为什么？ 。 这是因为对任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一 段恢复内部状态的复原时间（意思就是存取时间之后还需要一 段的复原时间）。 对于破坏性读出的（对存储器的读取会擦除其存储的数据） 存储器，这个复原时间会变得更长：因为存储器中的信息读出 后需要马上进行重写（再生）。存取周期往往比存取时间要大 得多，甚至可以达到Tm＝2Ta。
存储系统
CPU M1 M2 Mn
3.2 半导体存储器 3.2.1 分类
3.2.2 SRAM存储器 3.2.2.1 单译码SRAM结构图
1、存储位元 2、三组信号线 地址线 数据线 控制线
行线=1（行线上的输 出为高电平），存储 单元（存储位元）被 选中，可读写，行线 =0，存储单元（存储 位元）处于保持状态
一.
Cache－主存层次
CPU和主存之间的速度大约相差一个数量级，为了弥补主存速度 的不足，在CPU和主存之间设臵了一级容量不大，但速度很高的高速缓冲 存储器（Cache），简称高速缓存或快存。CPU在某一小段时间内所要访问 的程序和数据被事先从主存中调入Cache中，当CPU需要这些程序和数据时 ，就直接去Cache中读取，这样将大大提高存取速度。Cache和主存借助于 辅助硬件构成一个整体。
五、按寻址方式分类 1.地址寻址： 2.内容寻址：联想存贮器，以关键字来找所需信息。
六.按信息的可保存性分类 1.易失性存储器:断电后信息将消失的存储器是易失性存储 器，如半导体存储器，可以分为动态（DRAM）和静态（SRAM） 两种。动态存储器需要在使用过程中经常刷新以保持存储单元 内电荷的稳定性，静态存储器由于有电源的支持，不需要。 2.非易失性存储器:断电后仍保持信息的存储器称为非易失 性存储器。如磁带和磁盘等磁表面存储器。非易失性存储器的 内容可以不依赖于计算机的运行而存在，因此，这类磁表面存 储器一般作外存使用。除磁表面存储器外，ROM也是一种特殊 的非易失性存储器。
辅助硬件
C P U
Cache
内 存
外 存
•从整体看，Cache－主存层次的存取速度接近于Cache的存取速度（小系统 中最快的速度），但容量接近于主存（小系统中最大的容量），每位价格也 接近于主存的每位平均价格。因此，解决了高速度和低成本之间的矛盾。由 于这个层次完全由硬件实现，不用系统辅助软件干预，所以对用户是透明的 。（原来存在的一些事情、一些属性从某一个角度来看，仿佛不存在）
1.存贮体：一般呈矩阵式，以便于译码 2.数据线（双向）、地址线（单向） 3.地址译码器：通过地址信号,选中存储单元 单译码(线选法)：一个译码器，一次就能选中一个存贮单元 双译码（重合法）：二个译码器，由X、Y双向决定被选单元 采用双译码结构，不能节省地址线的数目，但可以节省地址选 择线的数目，现一般都采用这种结构。 4.读/写电路 控制选中的存贮单元的读/写 5.控制电路 片选线CS：一个存贮器由多片芯片组成，读/写前先选片 读/写控线R/W：片选好后，对片中的某个地址进行读/写
二、主－辅存层次（称之为虚拟存储器）
辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据，当需 要时，再调到主存中去。主－辅存层次通过附加的硬件及存储管理软件来 控制，主－辅存形成一个整体，称之为虚拟存储器。虚拟空间可以比实际 空间大得多。 辅存只与主存交换信息，CPU不能直接访问辅存。
辅助软硬件
六、功耗
是一个不容忽视的问题，它反映了存贮器件耗电 的多少，同时也反映了器件的发热程序。（因温度高会限 制集成度的提高）功耗小，也有利于存贮器的稳定工作。