计算机组成原理 - 4.存储器


思维导图:

一、存储器概述

1.存储器的分类

按存储介质:

  • 半导体存储器
  • 磁表面/磁芯存储器
  • 光盘存储器

按存取方式:

  • 存取时间与物理地址无关/随机访问
    • 随机存储器
    • 只读存储器
  • 存取时间与物理地址有关/串行访问

按在计算机中的作用分类:

2.存储器的层次结构

三个主要特征:

到CPU的“距离”:

二、主存储器

1.概述

主存储器的基本组成:

主存和CPU关系:

主存中地址分配:

大端模式小端模式

主存技术指标:

  • 存储容量:存放二进制代码的总位数
  • 存储速度:存取时间和存取周期
  • 存储带宽:bit/s

2.半导体存储芯片

(1)半导体存储芯片的基本结构:

片选线: $\overline{CS}$ $\overline{CE}$ 可以通过片选线组成存储阵列

读/写控制线: $\overline{WE}$(低电平写,高电平读) $\overline{OE}$(允许读) $\overline{WE}$(允许写)

地址线(单向) 数据线(双向) 芯片容量
10 4 1K X 4 位
14 1 16K X 1 位
13 8 8K X 8 位

(2)半导体存储芯片的译码驱动方式:

线选法:

重合法:

3.随机存取存储器(RAM)

(1)静态 RAM (SRAM):

(2)动态 RAM ( DRAM ):

基本电路:
动态RAM刷新:

刷新与行地址有关

  • 集中刷新:
  • 分散刷新:
  • 分散刷新与集中刷新相结合(异步刷新):

(3)动态 RAM 和静态 RAM 的比较

4.只读存储器(ROM)

1.掩模 ROM ( MROM ):Read only memory

2.PROM (一次性编程):

3.EPROM (多次性编程 ):

4.EEPROM (多次性编程 ):

  • 电可擦写

  • 局部擦写

  • 全部擦写

5.Flash Memory (闪速型存储器):

  • 比EEPROM快
  • 介于EEPROM和RAM之间

5.存储器与CPU的连接

存储器容量的扩展:

  1. 位扩展(增加存储字长):用21K × 4位存储芯片组成1K × 8位的存储器(10根地址线,8根数据线)
  1. 字扩展**(增加存储字的数量):用21K × 8位 存储芯片组成2K × 8位的存储器(11根地址线,8根数据线)
  1. 字、位扩展**:用81K × 4位 存储芯片组成4K × 8位的存储器 (12根地址线,8根数据线)

存储器与 CPU 的连接:

  • 地址线的连接
  • 数据线的连接
  • 读/写命令线的连接
  • 片选线的连接
  • 合理选择存储芯片
  • 其他时序、负载

6.存储器的校验

编码的最小距离:

任意两组合法代码之间二进制位数最少差异

编码纠错检错能力与编码的最小距离有关

汉明码的组成:

7.提高访存速度

  • 采用高速器件
  • 调整主存结构
  • 采用层次结构:Cache主存

单体多字系统:

多体并行系统:

  • 高位交叉
  • 低位交叉:在不改变存取周期的前提下,增加存储器的带宽

高性能存储芯片:

  • SDRAM(同步DRAM):在系统时钟的控制下进行读出和写入,CPU无须等待
  • RDRAM:解决存储器带宽问题
  • 带Cache的DRAM:DRAM的芯片内集成了一个由SRAM组成的Cache有利于猝发式读取

三、高速缓冲存储器(Cache)

1.概述

问题的提出:

避免CPU空等”现象
CPU和主存(DRAM)的速度差异

Cache工作原理:

  1. 主存和缓存的编址 :主存和缓存按块存储,块的大小相同
  2. 命中与未命中
  3. Cache的命中率
  4. Cache主存系统的效率

Cache 的基本结构 :

Cache 的读写操作:

  • 写直达法(Write through):写操作时数据既写入Cache又写入主存,写操作s时间就是访问主存的时间,Cache块退出时,不需要对主存执行写操作,更新策略比较容易实
  • 写回法(Write back): 写操作时只把数据写入Cache而不写入主存, 写操作时间就是访问Cache的时间,Cache块退出时,被替换的块需写回主存,增加了Cache的复杂性

Cache 的改进 :

  • 增加Cache的级数
  • 统一缓存和分立缓存

2.Cache-主存的地址映射

直接映射:

某一主存块只能固定映射到某一缓存块

全相联映射:

某一主存块能映射到任一缓存块

组相联映射

某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块

3.替换算法

  • 先进先出 ( FIFO ) 算法
  • 近期最少使用( LRU) 算法

四、辅助存储器

1.概述

特点:

不直接与 CPU 交换信息

磁表面存储器的技术指标:

  1. 记录密度
  2. 存储容量
  3. 平均寻址时间
  4. 数据传输率
  5. 误码率

2.磁记录

电生磁,磁生电

3.硬磁盘

硬磁盘存储器的类型:

  • 固定磁头和移动磁头
  • 可换盘和固定盘

硬磁盘存储器结构:

  • 磁盘驱动器
  • 磁盘控制器
  • 盘片

4.软磁盘

硬盘 软盘
速度
磁头 固定、活动、浮动 活动
盘片 固定盘、盘组大部分不可换 接触盘片
价格 可换盘片
环境 苛刻

5.磁带

6.光盘

采用光存储技术,利用激光写入和读出:

  • 第一代光存储技术:采用非磁性介质;不可擦写
  • 第二代光存储技术:采用磁性介质;可擦写

五、附加总结

  1. ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据

  2. EEPROM(电子可擦除可编程ROM),ROM的一种改进,可擦除重复使用,掉电数据不丢失

  3. FLASH存储器又称闪存,它结合了ROMRAM的长处,具有EEPROM(电子可擦除可编程)特点,掉电不丢失,可以快速读取数据,用于嵌入式系统存储程序,有些用FLASH部分扇区充当EEPROM(ESP8266)

  4. SRAM(静态RAM,Static RAM),速度非常快,是目前读写最快的存储设备了,而且不需要刷新,但是它也非常昂贵,用作一级缓冲,二级缓冲

  5. DRAM(动态RAM,

    Dynamic RAM),DRAM保留数据的时间很短(电容存储,需要不断充电刷新),速度也比SRAM慢,比任何的ROM都要快,价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多

  6. SDRAM(同步动态随机存取存储器,Synchronous Dynamic RAM),应用于代码大,算法复杂,带操作系统的应用,SDRAM独立于MPU,可以根据应用的情况选择RAM的大小,一般外接用SDRAM,容量比较大,一般MB~GBDDRSDRAM的一种

  7. PSRAM(伪静态随机存储器,Pseudo static random access memory),内部的内存颗粒跟DRAM的颗粒相似,但外部的接口跟SRAM相似,不需要DRAM那样复杂的控制器和刷新机制,内部自带刷新机制。

注:本篇除思维导图,其它图片均来自PPT课件


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文章作者: MengXin
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