计算机组成原理 3：存储器

概述

存储器是计算机系统中最重要的部件之一，执行程序所需要的指令和数据都来自存储器，程序的执行结构也保存在存储器当中；另外，各种文档、音像资料也是保存在存储器当中

前面我们已经将以运算器为核心的冯·诺依曼计算机改进为以存储器为核心的冯·诺依曼计算机

存储器可分哪些类型

1.按存储介质分类

• 【易失】半导体存储器：TTL（晶体管-晶体管逻辑）（Transistor-Transisitor-Logic）——集成度低，功耗高，存取速度快；MOS（金属氧化半导体）（Metal-Oxide Semiconductor）——集成度高，功耗低，现在计算机的内存主要是MOS型的半导体存储器；也有非易失的半导体存储器
• 【非易失】磁表面存储器：如磁盘、磁带，要有磁头、载磁体
• 【非易失】磁芯存储器：Core Memory，硬磁材料、环状元件
  
  
• 【非易失】光盘存储器：激光、磁光材料

2.按存取方式分类

①存取时间与物理地址无关（随机访问）

• 随机存储器RAM（Random Access Memory）：在程序的执行过程中可读可写
• 只读存储器ROM（Read-Only Memory）：在程序的执行过程中只读，比如系统参数、系统程序

②存取时间与物理地址有关（串行访问）

• 顺序存取存储器：比如磁带
• 直接存取存储器：比如磁盘

3.按在计算机中的作用分类

①主存储器：

• RAM：静态RAM（SRAM）（static Random Access Memory）,动态RAM（DRAM）（Dynamic Random Access Memory）
• ROM：MROM、PROM、EPROM、EEPROM

②Flash Memory：比如U盘、SSD，是半导体存储器，速度比磁盘快，比主存慢

③高速缓冲存储器（Cache）：放在主存和CPU之间的，速度很快，比Flash Memory和主存速度快，通常是由SRAM来做的

③辅助存储器：磁盘、磁带、光盘

现代存储器的层次结构，为什么要分层

寄存器不仅仅CPU里有，有的I/O端口也有

• 体系结构寄存器：在指令集中可以使用，提供给机器语言程序员使用的，对机器语言程序员来说是非透明的
• 非体系结构寄存器：不需要机器语言程序员了解，对他们而言是透明的，指令不能直接对这些寄存器使用

由于任何一种单一的存储器都无法满足用户需求：高速度、大容量、低价格，所以采用这种层次结构从而形成存储体系

存储体系： 把两种或以上存储介质构成的存储器，用软件或硬件或软硬结合的方式把它连成一个整体，使得在某一级的程序员看来这个整体是具有高速、大容量、低价格的存储器

缓存——主存层次 和 主存——辅存层次

缓存—主存层次使用硬件方式

主存—辅存层次是软硬结合方式

局部性原理与多级存储器：

• 局部性原理: CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

• 时间局部性：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。

• 空间局部性：在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。

• 顺序局部性：在典型程序中，除小部分转移类指令外，大部分指令是顺序进行的。即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。

• 根据这一原理，多级存储器体系把主存储器中访问概率最高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取，然后同时送往Cache和CPU，主辅亦是。故可以按对所使用的指令和数据的急迫和频繁程度，将其存入容量、速度、价格不同的存储器中，增加了时间优化的命中率，取得更高的性能价格比

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？

• 存储系统层次结构主要体现在缓存——主存和主存——辅存这两个存储层次上。
• 缓存——主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的。
• 主存——辅存层次主要解决存储系统的容量问题。主存和辅存之间数据调用是由硬件和操作系统共同完成的。

主存储器

主存概述

1.主存的基本组成

2.主存与CPU之间的联系

3.主存中存储单元地址的分配

x86就是采用小尾方式的，大尾方式的机器和小尾方式的机器通讯时不能直接通讯，需要将数据转化

4.主存的技术指标

• 存储容量：主存存放二进制代码的总位数
• 存储速度：存取时间（存储器的访问时间：读入时间，写入时间）、存取周期（连续两次独立的存储器操作（读或写）所需要的最小间隔时间）（读周期、写周期）；一般存取周期大于存取时间
• 存储器的带宽：位/秒

半导体存储芯片简介

随机存取存储器（RAM）

只读存储器（ROM）

存储器与CPU的连接

存储器的校验

提高访存速度的措施