《计算机组成原理》考研真题及典型题详解-存储器层次结构【圣才出品】

第3章存储器层次结构

3.1知识要点总结

一、存储器分类

存储器是计算机中的记忆设备，用来存放计算机中的程序与数据。存储器的分类方法有很多种，比较常用的有以下几种：

1．按照存储介质分类

可以分为半导体存储器，磁表面存储器，光存储器。

2．按照存储方式分类

可以分为随机存储器，顺序存储器以及只读存储器。

（1）随机存储器（RAM）

存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。

（2）只读存储器（ROM）

一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变。

（3）顺序存储器

存储器内容只能按照某种顺序存储，典型的是磁带，磁盘是半顺序型。

3．按照信息的可保存性

可分为：（1）永久性存储器，在断电后信息还被保存。

（2）非永久性存储器，断电后，信息丢失。

一般磁性材料，光存储器以及ROM是永久性的，RAM是非永久性的。

4．按照在计算机系统的作用

分为缓冲存储器，控制存储器，主存储器，辅存储器。

二、存储器的层次化结构

1．存储器的结构

在计算机系统中，对存储器的要求是：容量大，速度快，成本低。但是在计算机中同时满足这三个需求，是存在矛盾的。为了解决这个矛盾，现代计算机中一般采用多级存储器结构，来尽可能的达到这个要求。

实际上，存储器的结构主要体现在“Cache—主存”与“主存—辅存”上。

（1）相对于CPU的运行速度来说，主存显得很缓慢，为了解决速度不匹配，这之间加上Cache作为缓冲，为了进一步提高CPU效率，可以使用两级Cache。

（2）对于主存来说，其存储容量有限，速度相对于辅存来说也快了很多，所以辅存通过主存来与CPU交换数据。

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。

图3-1存储器层次结构图

“CPU-主存”层次速度接近于CPU中的Cache，容量和位价却接近于主存。从“主存-辅存”层次分析，其速度接近于主存，容量和位价却接近于辅存。这就解决了速度、容量、成本这三者之间的矛盾，这就是为什么现代计算机都采用这种存储系统的原因。主存和Cache之间的数据交换是由硬件自动完成的，但主存和辅存之间的数据调动则是由硬件和操作系统一起完成的。这些对应用程序员是透明的。

2．存储器的技术指标

存储器技术指标主要有三项：存储容量，存储器存取时间和存储周期。

（1）存储容量：一个存储器所能容纳的存储单元总数。存储容量＝存储字数×字长。

（2）存取时间：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。

（3）存储周期：存取周期又称为读写周期或访问周期。它是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。

存取时间与存储周期反应存储器速度指标。存取时间不等于存储周期，通常存储周期大于存取时间。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。

三、半导体随机存储器

对于半导体存储器而言，一般有以下几个部件，地址线，数据线，片选线，读写控制线，译码驱动，存储矩阵，读写电路。其结构图如下所示：

图3-2半导体存储器结构图

（1）地址线：单向传输线，向存储器输入地址信息以选择存储单元，其位数与存储单元个数有关。

（2）数据线：双向传输线，向存储器写入或读出数据，地址线与数据线共同反映存储器大小。

（3）片选线：确定哪个存储芯片被选中。

（4）读／写控制线：决定芯片进行读操作还是写操作。

（5）译码驱动：将来自地址总线的地址信号翻译成对应存储单元的选通信号，选择存储单元。

（6）读写电路：用来完成读／写操作，包括读出放大器和写入电路。

半导体存储器按照使用介质不同分为SRAM与DRAM。

1．SRAM存储器与DRAM存储器

（1）SRAM存储器

SRAM即静态RAM.它也由晶体管组成。接通代表1，断开表示0，并且状态会保持到接收了一个改变信号为止。这些晶体管不需要刷新，但停机或断电时，会丢掉信息。SRAM的速度非常快，通常能以20ns或更快的速度工作。

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）DRAM存储器

动态随机存储器（DRAM）利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息，电容上的电荷一般只能维持很短的时间，因此即使电源不掉电，信息也会自动消失，为此，每隔一定时间必须刷新。

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，但是DRAM 的存取速度比SRAM慢，一般用来组成大容量主存系统。

DRAM常用的刷新方式有3种：

①集中刷新：在整个刷新间隔内，前一段时间用来进行读/写周期或维持周期，等到需要进行刷新操作时，便暂停读/写或维持周期，而逐行进行刷新整个存储器。它适用于高速存储器。集中刷新的优点是读写操作时不受刷新工作的影响，因此系统的存取速度比较高；缺点是在集中刷新期问不能访问存储器。

②分散刷新：把一个存储系统周期分为两半，周期前半段时间tM用来读/写操作或维持信息，周期后半段时间作为刷新操作时间。这样，每经过一段时间，整个存储器便全部刷新一遍。分散刷新的优点是没有死区；缺点是加长了系统的存取周期，降低了整机的速度。

③异步刷新：异步刷新是前两种方法的结合，它既可缩短不能访问存储器的时间，又充分利用最大刷新间隔。利用最长刷新间隔与存储器行数求出每行的刷新间隔t，利用逻辑电