计算机组成原理——存储系统（上）（存储器&&SRAM&&DRAM&&ROM）

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一、存储系统基本概念

1．存储器的层次结构

（1）注:有的教材把安装在电脑内部的磁盘称为“辅存”，把u盘、光盘等称为“外存”。也有的教材把磁盘、U盘、光盘等统称为“辅存”或“外存”
（2）主存-辅存:实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题
（3）Cache—主存:解决了主存与CPU速度不匹配的问题

2．存储器的分类

（1）按层次

（2）按存储介质（存储器用于存放二进制信息）
①半导体存储器（主存（RAM）、cache(ROM)）
②磁表面存储器（磁盘、磁带）
③光存储器（光盘）
④磁芯存储器（硬磁材料、环状元件）

（3）按存取方式
①随机存取存储器（RandomAccess Memory, RAM) :读写任何一个存储单元所需时间都相同，与存储单元所在的物理位置无关（随机访问）
②顺序存取存储器(SequentialAccess Memory，SAM) :读写一个存储单元所需时间取决于存储单元所在的物理位置（串行访问）
③直接存取存储器（Direct AccessMemory，DAM) :既有随机存取特性，也有顺序存取特性。先直接选取信息所在区域，然后按顺序方式存取。
④相联存储器(Associative Memory） ,即可以按内容访问的存储器(ContentAddressed Memory，CAM)可以按照内容检索到存储位置进行读写，“快表”就是一种相联存储器
⑤ ②③均为串行访问存储器:读写某个存储单元所需时间与存储单元的物理位置有关

（4）按信息的可更改性
①读写存储器（Read/Write Memory）—―即可读、也可写(如:磁盘、内存、Cache)
②只读存储器（Read Only Memory)—―只能读，不能写，也是随机访问(如:实体音乐专辑通常采用CD-ROM,实体电影采用蓝光光碟，BIOS通常写在ROM中),事实上很多ROM也可多次读写，只是比较麻烦

（5）信息的可保存性
①断电后，存储信息消失的存储器――易失性存储器（主存、Cache）
②断电后，存储信息依然保持的存储器――非易失性存储器（磁盘、光盘)
③信息读出后，原存储信息被破坏――破坏性读出（如DRAM芯片，读出数据后要进行重写
④信息读出后，原存储信息不被破坏――非破坏性读出（如SRAM芯片、磁盘、光盘)

3．存储器的性能指标

（1）存储容量:存储字数×字长（如1M×8位)。
（2）单位成本:每位价格=总成本/总容量。
（3）存储速度:数据传输率=数据的宽度（即存储字长）/存储周期。

①存取时间(Ta):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。
②存取周期（Tm）: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。比Ta大。（等于存取时间加上下一存取开始前要求的附加时间）
③主存带宽（Bm）:主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒（B/s）或位/秒(b/s） 。

二、主存储器的基本组成

1．基本的半导体元件及原理

（1）注: MOS管可理解为一种电控开关，输入电压达到某个阈值时，MOs管就可以接通

2．存储芯片的基本原理

（1）数据总线（宽度=存储字长）
（2）进行封装

①上图的每根线都会对应一个金属引脚（常考引脚数量），另外，还有供电引脚、接地引脚

3．如何实现不同的寻址方式

（1）总容量为1KB寻址:
①按字节寻址1K个单元，每个单元1B
②按字寻址:256个单元，每个单元4B
③按半字寻址:512个单元，每个单元2B
④按双字寻址: 128个单元，每个单元8B

三、SRAM和DRAM

1．概述

（1）Dynamic Random Access Memory，即动态RAM
（2）Static Random Access Memory，即静态RAM
（3）DRAM用于主存、SRAM用于cache
（4）高频考点: DRAM和SRAM的对比

2．DRAM芯片

（1）上图即为DRAM芯片构成
①DRAM芯片：使用栅极电容存储信息
②SRAM芯片：使用双稳态触发器存储信息
③核心区别：存储元不一样

3．存储元件不同导致的特性差异

（1）栅极电容VS双稳态触发器
①栅极电容

1）1:电容内存储了电荷
2）0:电容内未存储电荷
3）读出1:MOS管接通,电容放电，数据线上产生电流
4）读出0: MOS管接通后，数据线上无电流
②双稳态触发器

1）1：A高B低
2）0：A低B高

（2）区别
①前者电容放电信息被破坏，是破坏性读出。读出后应有重写操作，也称“再生”（读写速度更慢）
②后者读出数据，触发器状态保持稳定，是非破坏性读出,无需重写（读写速度更快）
③前者每个存储元制造成本更低，集成度高,功耗低
④后者每个存储元制造成本更高，集成度低,功耗大
⑤前者电容内的电荷只能维持2ms。即便不断电，2ms后信息也会消失，2ms之内必须‘”一次(给电容充电)
⑥后者只要不断电，触发器的状态就不会改变

（3）总结

4．DRAM的刷新（“刷新”由存储器独立完成，不需:CPU控制）

（1）多久需要刷新一次?
刷新周期:一般为2ms
（2）每次刷新多少存储单元?
以行为单位，每次刷新一行存储单元
（3）为什么要用行列地址

例如：

可有效减少选通线根数

（4）如何刷新?
有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期

（5）在什么时刻刷新?
①假设DRAM内部结构排列成128×128的形式，读/写周期0.5us，存取周期2ms，共2ms/0.5us = 4000个周期
②思路一:分散刷新
1）每次读写完都刷新一行→系统的存取周期变为1us
2）前0.5us时间用于正常读写后0.5us时间用于刷新某行

③思路二:集中刷新
1）2ms内集中安排时间全部刷新→系统的存取周期还是0.5us
有一段时间专门用于刷新，无法访问存储器，称为访存“死区”

④思路三:异步刷新
1）2ms内每行刷新1次即可->2ms内需要产生128次刷新请求
2）每隔2ms/128= 15.6us一次每15.6us内有0.5us的“死时间”

注：刷新与再生（再生针对存储单元而言，刷新针对一行）

5．DRAM的地址线复用技术

（1）行、列地址分两次送，可使地址线更少、芯片引脚更少
（2）现在的主存通常采用SDRAM芯片

四、只读存储器ROM

1．概述

（1）RAM芯片―一易失性，断电后数据消失
（2）ROM芯片―一非易失性，断电后数据不会丢失

2．了解各种ROM

（1）MROM(Mask Read-Only Memory) ――掩模式只读存储器
①厂家按照客户需求，在芯片生产过程中直接写入信息，之后任何人不可重写（只能读出）
②可靠性高、灵活性差、生产周期长、只适合批量定制

（2）PROM (Programmable Read-Only Memory） ——可编程只读存储器
用户可用专门的PROM写入器写入信息，写一次之后就不可更改

（3）EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)——可擦除可编程只读存储器
①允许用户写入信息，之后用某种方法擦除数据，可进行多次重写
②两种分类
1）UVEPROM (ultraviolet rays）—―用紫外线照射8~20分钟，擦除所有信息
2）EEPROM（也常记为E^2PROM，第一个E是Electrically)“可用“电擦除”的方式，擦除特定的字

（4）Flash Memory ——闪速存储器（注:U盘、SD卡就是闪存)
①在EEPROM基础上发展而来，断电后也能保存信息，且可进行多次快速擦除重写
②注意:由于闪存需要先擦除在写入，因此闪存的“写”速度要比“读”速度更慢。
③每个存储元只需单个MOS管，位密度比RAM高

（5）SSD (Solid State Drives) ——固态硬盘
①由控制单元+存储单元（Flash 芯片）构成，与闪速存储器的核心区别在于控制单元不一样，但存储介质都类似，可进行多次快速擦除重写。
②SSD速度快、功耗低、价格高。目前个人电脑上常用sSD取代传统的机械硬盘

3．计算机内的重要ROM

（1）主板上的BIOS芯片(ROM）存储了“自举装入程序”，负责引导装入操作系统(开机）
（2）注:我们常说“内存条”就是“主存”，但事实上，主板上的ROM芯片也是“主存”的一部分
（3）逻辑上,主存由RAM+ROM组成,二者常统一编址

五、主存储器与CPU的连接

1．现在的计算机

（1）现在的计算机MAR、MDR通常集成在CPU内部。存储芯片内只需一个普通的寄存器（暂存输入、输出数据)

（2）主存包含多块存储芯片

2．存储芯片的输入输出信号

3．增加主存的存储字长——位扩展

（1）单块存储芯片与CPU的连接

（2）多块存储芯片与CPU的连接

（3）使用相同方法可继续增加，拓展存储字长为8bit

8片8K×1位的存储芯片->1个8K×8位的存储器，容量8KB

4．增加主存的存储字数——字扩展

（1）线选法：A14 A13只能为01或10，n条线->n个选片信号

（2）译码片选法（优化）:n条线->2^n个选片信号
①

②此处非门可看作1-2译码器
③
④最终优化

（3）

5．主存容量扩展——字位同时扩展

6．关于译码器知识的补充

注:CPU可使用译码器的使能端控制片选信号的生效时间

总结

在存储系统中，应重点记忆存储器的层次结构及性能指标，理解存储芯片的基本原理，了解如何实现不同的寻址方式，对SRAM/DRAM/ROM有基本的理解。
重点理解位/字扩展的过程，此为大题高频考点，也是本章重难点。
如有问题，欢迎指正！
下一篇将继续介绍——存储器（下）。