【计算机组成原理】主存储器

目录

一、存储体系基本概念

二、主存储器的基本组成

三、SRAM和DRAM

四、只读存储器ROM

五、主存储器与CPU的连接

六、双端口RAM和多模块存储器

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一、存储体系基本概念

一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位；字节（8bit）是数据存储的基本单位。

单元地址是内存单元的唯一标识。

存储器的层次结构

主存——辅存：实现了虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题

主存——cache：解决了主存与CPU速度不匹配的问题

存储器的分类

按存储介质分类

半导体器件：半导体存储器（RAM、ROM，用作主存）

磁性材料：磁表面存储器（磁盘、磁带，用作辅存）

光介质：光盘存储器（用作辅存）

按存取方式分类

随机存取存储器 RAM：Random Access Memory，主存

顺序存取存储器 SAM：Sequential Addressed Storage，磁带

直接存取存储器 DAS：Direct Access Storage，磁盘、机械硬盘

相联存储器 CAM：Content Addressed Memory，按照内容检索存储位置进行读写

只读存储器 ROM：Read-Only Memory，事实上很多ROM也可以写入数据，只是比较麻烦

按信息的可保存性分类

易失性存储器：断电后，存储信息消失，如主存、Cache

非易失性存储器：断电后，存储信息保持，如光盘、磁盘

破坏性读出：信息读出后，原存储信息被破坏，如DRAM芯片，读出数据后要进行重写

非破坏性读出：信息读出后，原存储信息不被破坏，如SRAM芯片

主存的地位：在现代计算机中，主存储器处于全机的中心地位。

主存的类型：要求为随机存取（RAM、ROM）

二、主存储器的基本组成

 

主存储器的性能指标

• 存取时间：从启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间，单位 ns
• 存储周期：存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小时间，通常为 2ms
• 存储器带宽：单位时间里存储器所能存取的最大信息量，单位 bit/s 或 B/s

存储器的性能指标不仅与存储器的存取速度有关，还与价格和耗电量有关。

三、SRAM和DRAM

SRAM：Static Random Access Memory

DRAM：Dynamic Random Access Memory

DRAM用于主存，SRAM用于Cache

DRAM芯片：使用栅极电容存储信息

SRAM芯片：使用双稳态触发器存储信息

栅极电容与双稳态触发器

栅极电容：通过电容放电读出信息，是破坏性读出，读出后应有重写操作，也称“再生”

双稳态触发器：读出数据，触发器状态保持稳定，是非破坏性读出，无需重写

一个栅极电容读写1bit位需要1个MOS管，一个双稳态触发器读写1bit位需要6个MOS管，故栅极电容成本更低、功耗更低，即SRAM芯片成本更高

DRAM和SRAM都是易失性存储器，即断电后信息消失。

DRAM芯片需要刷新，SRAM芯片不需要刷新。

DRAM芯片采用栅极电容存储电荷，但是电荷会流失，电容内的电荷只能维持2ms，即便不断电，2ms后电荷信息也会消失，故栅极电容2ms内必须给电容充一次电，即“刷新”。

SRAM芯片采用双稳态触发器保存信息，只要不断电，触发器的状态就不会改变，故不需要“刷新”。

DRAM存储器的组成

DRAM存储器的地址以矩阵方式排列，分为行地址和列地址，目的是减少选通线的数量。

先传行地址，再传列地址。

DRAM的刷新

刷新周期：一般为2ms

刷新单位：以行为单位，每次刷新一行存储单元

刷新方式：读出一行信息后重新写入，占用1个读/写周期

刷新策略

①分散式刷新：每次读写玩都刷新一次

②集中式刷新：2ms内集中安排时间全部刷新，有一段时间专门用于刷新，无法访问存储器，称为访存“死区”

③异步式刷新：2ms内每行刷新一次即可，在CPU不访问存储器阶段刷新，如译码阶段

DRAM的地址线复用技术

DRAM与SRAM对比

四、只读存储器ROM

RAM芯片：易失性，断电后数据消失

ROM芯片：非易失性，断电后数据不消失

ROM芯片类型

MROM——掩模式只读存储器：在芯片生产过程中直接写入数据，任何人不可重写（只能读出），可靠性高，灵活性差

PROM——可编程只读存储器：用户可用专门的PROM写入器写入数据，写一次后不可修改

EPROM——可擦除可编程只读存储器：用户写入信息后，可用某种方法擦除数据，可进行多次重写

UVEPROM——ultraviolet rays，紫外线照射，擦除全部信息

EEPROM——electrically，电擦除，擦除特定的字

Falsh Memory——闪存，如U盘、SD卡，可进行多次快速擦除重写，写入需要先擦除再写入，故写数据速度慢于读数据

SSD——固态硬盘：可进行多次快速擦除重写

五、主存储器与CPU的连接

传统计算机的MAR和MDR集成在主存储器上，现代计算机大多是将MAR和MDR集成在CPU上

增加主存的存储字长——位扩展

增加主存的存储字长——字扩展

主存容量扩展——字位同时扩展

DRAM芯片地址空间范围

六、双端口RAM和多模块存储器

多体并行存储器

采用“流水线”的方式并行存取（宏观上并行，微观上串行）。

宏观上，一个存储周期内，m体交叉存储器可以提供的数据量是单个模块的m倍。

存取周期T，存取时间为r，为了使流水线不间断，应保证模块数 m≥T/r

存取周期 = 存取时间 + 恢复时间