计算机组成原理 存储器

一、概述

1.存储器分类

按 存储介质 分：

• 半导体器件：分双极型（TTL）和 MOS 管两种
• 磁表面存储器：非易失性
• 磁芯存储器：非易失性，已淘汰
• 光盘：非易失性

按 存储方式 分：

• RAM  随机存储器  Random Access Memory     随机访问   访问时间与物理地址无关
• ROM  只读存储器  Read Only Memory              随机访问   访问时间与物理地址无关
•            顺序存取存储器                                       串行访问   访问时间与物理地址有关
•            直接存取存储器                                       串行访问   访问时间与物理地址有关

按 在计算机中作用 分：

 

2.存储器结构层次

缓存-主存 ：解决 速度 需求

主存-辅存 ：解决 容量 需求

对存储器分层次，很好解决了性能与价格、容量的矛盾

二、主存储器

1.概述

（1）组成结构

（2）与 CPU 联系

（3）存储单元地址分配

1. 高位字节地址为字地址
2. 低位字节地址为字地址

（4）技术指标

1. 存储容量：存储二进制代码总位数                                                                                                                                                                              存储容量 = 存储单元个数 *存储字长                                                                                                                                        存储容量（字节表示） = 存储单元个数 *存储字长 / 8       
2. 存储速度：用存取时间、存取周期表示
3. 带宽：每秒从存储器进出信息的最大数量，单位 字/s 或 字节/s 或 位/s

提高带宽的方法：

• 缩短存取周期
• 增加存储字长，使每个周期可以访问更多数据
• 增加存储体

2.半导体存储芯片

（1）基本结构

（2）译码驱动方式

• 线选法
• 重合法

3.随机存取存储器（RAM）

• 静态 RAM （Static RAM 或 SRAM）
• 动态 RAM （Dynamic RAM 或 DRAM）

SRAM 与 DRAM 特性比较

	DRAM	SRAM
存储原理	电容	触发器
集成度	高	低
芯片引脚	少	多
价格	低	高
功耗	小	大
速度	慢	快
刷新	有	无

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• 只读存储器 （ROM)

1. 掩膜 ROM（MROM）：厂家写入，只读，不可擦除
2.         PROM ：一次性编程，熔丝烧断为 0
3. 可擦洗可编程只读存储器 (EPROM) ：擦除方法 紫外线照射或电气方法
4. 闪速存储器（Flash Memory）：较一般 EPROM 重写、擦除速度快，具备 RAM 功能。

4.存储器与 CPU 连接

（1）存储容量扩展

• 位扩展：增加存储字长，如 1K*4 位（10 根地址线 4 根数据线）扩展位 1K*8 位  （10 根地址线 8 根数据线）
• 字扩展：增加存储器字的数量，如 1K*4 位（10 根地址线 4 根数据线）扩展位 2K*8 位  （11 根地址线 8 根数据线）
• 字、位扩展：既增加存储字长又增加存储器字的数量

（2）与 CPU 连接（做两道题就明白了）

参考题目：https://blog.csdn.net/qq_41913072/article/details/85137196

或者 计算机组成原理 P93 （唐朔飞）

5.存储器校验

（1）编码最小距离

• L   编码最小距离
• D  检查错误位数
• C  纠错位数

若 L = 3，则这种编码最多检错 2 位 或 检错 1 位、纠错 1 位。

因此，对于 n 位二进制代码，要能检错并对错误定位，需要增加 k 位检测位，k 应满足：

(2)汉明码（Hanming)

具有 1 位纠错能力的编码，L = 3，采用奇偶校验、分组校验。

对于 k 位 检测位的位置：  

 分组 如下：

检测位 取值（看几道题就会了）：

纠错方式：

6.提高访存速度

• 用高速元件
• 层次结构
• 调整主存结构

（1）单体多字系统

按地址在一个存取周期可以读出 4 *W 位指令或数据，增加了存储器带宽。

条件：指令和数据在内存中必须连续存放

（2）多体并行系统

由多模块组成，各模块容量相同，存储速度相同，既能并行工作也可交叉工作。

• 高位交叉编址：高位地址表示模块号（体号），低位表示体内地址，各模块并行工作

• 低位交叉编址：低位地址表示表示模块号（体号），高位表示体内地址，各模块轮流工作，在不改变存取周期前提下，增加了存储器带宽。

（3）高性能存储芯片

三、高速缓存存储器（Cache）

1.概述

• 时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用
• 空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么它附近的位置也会被引用。

（1）Cache 工作原理

• 主存和 Cache 均按块存储，块大小相同（B个字）
• ，因此每个缓冲块有一个标记，做主存块的标号，表示存的是哪个主存块

（2）命中率

用命中率来衡量 Cache 效率，Cache 容量越大，命中率越高

定义：CPU 要访问的信息在 Cache 中的比率，若访问 Cache n次，主存 m 次，则命中率为 

命中率与 Cache 的 容量 和 块长 有关，增大容量或块长，命中率提高，但块长过长，会使缓存中块数减少，命中率下降，块长最好取一个存取周期从主存中取出的信息长度。

（3）Cache -主存系统效率（）

2.Cache 基本结构

3.Cache 读写

读操作如上图，写操作有两种： 写直达法 和 写回法

• 写直达法：Cache 数据与主存始终一致，每次向 Cache 写入，都向主存写入，写操作时间就是访问主存时间
• 写回法：只把 数据写入 Cache，直到 Cache 块中数据被替换时才写入主存，速度快，但数据可能失效，写操作时间就是访问 Cache 时间

4. Cache-主存地址映像

• 直接映象（固定）
• 全相联映象（灵活）
• 组相联映象（上两种折衷）
• 段相联映象

（1）直接映象

每个主存块固定对应某一个缓存块，一个缓存块可以对应多个主存块，缓存空间利用不充分。

（2）全相联映象

允许主存中每一个字块映象到 Cache 的任意块，成本太高。

（3) 组相联映象

将 Cache 分为 N 组，每组 L 块，每个主存块可以映象到固定的某一组的任一块。

（4) 段相联映象

将主存和 Cache 都分为若干段，每段块数相同，段间采用全相联映象，段内直接映象

5.替换算法

• 先进先出（FIFO）：容易实现，开锁小，但违反局部性原理
• 近期最少使用算法（LRU）

这里书上写的开锁小，但我没弄清楚什么意思，向各位大神请教一下，万分感谢！

四、辅助存储器

即外部存储器，不直接与 CPU 交换信息。

1.磁表面存储器主要技术指标

• 记录密度：磁盘沿半径方向单位长度磁道数
• 位密度（线密度）：单位长度磁道能记录的二进制信息位数
• 存储容量：盘面数 * 每盘面磁道数 * 每条磁道记录二进制代码数
• 数据传输率
• 误码率

2.软盘硬盘比较

	硬盘	软盘
速度	高	低
磁头	固定、活动	活动
盘片	固定	可换
价格	高	低
环境	苛刻	苛刻

 

 

 

 

 

 

 

本文中图片均为刘宏伟教授在中国大学MOOC上的课件截图