计算机组成原理：存储系统【一】

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系列专栏：计算机组成与原理基础

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1 主存的模型、寻址

1.1 总览

1.2 存储器的层次化结构

1.3 存储器的分类

1.3.1 按层次

1.3.2 按照介质

（1）半导体存储器：主存、Cache
（2）以磁性材料存储信息（磁表面存储器）

1.3.3 按照访问方式

①随机存取存储器（RAM）

②顺序存取存储器（SAM）

③直接存取存储器

其中，②和③在读写某个存储单元所需时间与存储单元的物理位置有关，可以归为串行访问存储器
④相联存储器

它是按照内容检索，而之前的几种都是按照地址检索

1.3.4 按照信息的可更改性

1.3.5 按照信息的可保存性

1.4 存储器的性能指标

存储周期的概念

1.5 总结

2 主存储器的基本构成

2.1 总览

2.2 基本的半导体元件

2.2.1 构成

电容可以存储电荷，将电容有电荷视为1，无电荷视为0，mos管可以理解为一种电控开关，当输入电压达到某个阈值时，MOS管就可以接通

2.2.2 读出数据

假设现在电容状态为1，那么只要发出一个读出信号（MOS管接入一个阈值电压），MOS管接通，最右边检测到电流，于是认为二进制1被读出

2.2.3 写入数据

将元件右边的电路与MOS管都接入一个高电平，MOS管被接通同时电容上下两侧产生电压差，于是电荷开始移动，达到存储电荷的效果。于是二进制1被写入，同时将MOS管断开，这样电荷就跑不出去了。

2.2.4 示例

将多个元件组合起来，图中红色的线连接了元件的MOS管，每个元件都存储了比特1或比特0。

图中的八个元件构成了一个存储单元（也就是一个存储字），图中的两个存储单元构成了一个存储体（存储矩阵）。

一次可以读出的字节代表了计算机的存储字长（MOS管被同时接通，所以存储单元是一次性被全部读出的，同时被读出、同时被写入），也被称为字

存储单元的字节数代表机器的存储字长，图中为八个比特，如果同时连接16个元件，则存储字长为16位。

注意字节（Byte）与字的区别。一个字节一定是八个比特，但是字在不同的计算机中可能是不同的。

2.2.5 对存储体的复习

这几个元件就构成了主存，它们通过时序逻辑电路连接，如图。

2.3 存储器芯片的基本原理

2.3.1 译码的原理

如何根据地址找到数据？
当CPU通过地址总线向MAR传送了地址，MAR将此地址输送到译码器，译码器根据地址决定要接通哪一条字选线（接通了存储单元的MOS管），比如图中地址000对应十进制的第0条字选线。字选线被接通后，通过数据线（图中绿色的线）将每一位的数据传送到MDR中，CPU再通过数据总线从MDR中读出数据。

此时也可以推断出数据总线的宽度与存储字长是相同的

2.3.2 控制电路

（1）控制信号传输
芯片数据传输是以电信号为媒介，在传输过程中难免会有损失，比如将地址信号传入到MAR中。此时控制电路在MAR中的信号稳定之后才会让MAR将地址传送给译码器。同样的，在数据输出时只有当MDR中的电信号稳定后才会控制MDR将输入传给数据总线
（2）对外提供接口
① 片选线。即选择哪块芯片进行工作。芯片选择（chip-select，CS），芯片使能（chip-enable，CE）

②读写控制线。
1. 将读控制线、写控制线分开。当读控制线是低电平时说明此时应该进行读操作。

2. 将读控制线、写控制线作为同一根线

2.3.3 芯片的简单构成

2.3.4 芯片的逻辑构成

驱动器：保证译码器输出的电信号是稳定的

2.3.5 关于一个芯片有多少个引脚的题目

结合芯片的逻辑构成理解引脚。其中片选线、读/写控制线通常来说是固定的。只需求解地址线、数据线

2.4 寻址

假设下图中字长为4B（一个存储单元有4个元件)，且总容量为1KB（该存储体有1024个元件或256个字，地址线为2^10=1024，共10条地址线）。寻址方式有以下几种，如果是按字寻址，则1KB总共有256个单元，每个单元占4B。

2.5 总结

3 SRAM和DRAM

3.1 总览

3.2 栅极电容、双稳态触发器

3.2.1 基本组成

3.2.2 两者的不同

（1）栅极电容

因为需要重写，所以读写速度更慢。且每个元件的面积较小，所以它的集成度高，结构简单所以成本低，功耗低

（2）双稳态触发器

无须重写，所以读写速度更快。且每个元件的面积较大，所以它的集成度小，结构复杂所以成本高、功耗高

3.3 DRAM的刷新

3.3.1 原因

电容中的电荷即使不断电，在2ms内也会自动流失。而双稳态电路只要不断电其电荷就不会流失。所以在2ms内必须刷新电容，使其恢复之前的电荷

3.3.2 在刷新中为什么要使用行列地址？

（1）原因
在之前的介绍中，一个存储单元占一行，一行存储单元需要使用一根自选线，很容易使译码器上接入的线路过多。而如果使用行列地址，如下图所示，这样，当地址位数为20时，行地址译码器、列地址译码器只需要接入2^{10根线。而如果不采用行列地址，则译码器要接入2}20根线。

（2）根据地址寻找存储单元
假如地址码为00000000，则前四位0000作为行地址，后四位0000作为列地址，分别进行寻址，当行地址寻找到时其对应的选通线连通，当列地址寻找到时其对应的选通线连通，此时可以将该存储单元中的数据输出。

3.3.3 刷新的过程

（1）过程
以行为单位，每次刷新一行的存储单元，刷新是由硬件完成的，硬件在读出一行的信息后重新写入，占用一个读/写周期。
该过程是由存储器自动完成的，无须CPU的介入
（2）刷新的时间点
假设：

①分散刷新

②集中刷新

③异步刷新

可在CPU无须访问主存的时候进行刷新，比如译码阶段。集中刷新、异步刷新都是有”死时间“的

3.4 DRAM地址线的复用

正常来说行地址、列地址分别需要有行地址线、列地址线。也可以将它们和为一条线，并另外接一个地址缓冲器，第一次先将行地址送入，第二次再将列地址送入。如图

这样做可以使地址线减半，同时芯片的引脚数也要减半

3.5 总结

SRAM常用作Cache，DRAM常用作主存。DRAM采用的是地址线复用技术，因此送行列地址只需要一次。

4 总结

计算机组成原理如一座精密的交响乐团，微观中展现着电子的舞蹈，宏观中奏响着科技的交响曲。

它拆解复杂问题为简单指令，通过微处理器的默契协作，创造出无尽可能。

存储单元如记忆的灯塔，指引信息的航程。

总线是信息的大道，连接着各个功能模块，使计算机成为无比高效的智慧之器。

在计算机组成原理的魔法指导下，世界逐渐变得更加智能、便捷、创新。

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