第五章存储体系5_1

5.1存储体系概述

5.1.1存储器分类

1. 按存储介质分类：半导体存储器、磁存储器、纸带存储器和光存储器。
2. 按存取方式分类：可以分为随机存储器、只读存储器、相联存储器、顺序存储器和直接存储器。
   1. 随机存储器（RAM），可以读取也可以写入，但是在断电后不能继续保存。
   2. 只读存储器（ROM），一种只能读出不能写入的存储器，即预先一次性写入的存储器，在断电后也能够保存。
3. 按信息的可保存性分类：断电后还可以保存的就是永久记忆的存储器；反之称为非永久存储器。
4. 按在计算机系中的作用分类：分为寄存器、主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器。

5.1.2存储器的层次

1. 考虑的容量、速度和价格是在设计存储器的重要因素。
2. 有四层，分别是寄存器、高速缓存（Cache）、主存、辅助。
3. 任何程序需要在计算机中执行，都要首先将其调入主存中，才能由CPU执行。
4. 存储系统中有两个层次；高速缓冲存储器和主存之间主要解决的问题是速度不匹配的问题，解决办法：一个是提高主存储器的速度，采用多模块交叉存储技术；另一种是在CPU和主存储器之间增加高速缓冲存储器。
5. 主存和辅存主要解决存储体系的容量问题：解决办法，采用虚拟存储技术。
6. 高速缓存和主存之间通过辅助硬件来进行，主存和辅存之间通过辅助硬件和操作系统之间来完成。

5.2主存储器

通常把8个二进制位称为一个字节，若干个字节再组成一个字，一个字包含的二进制位数称为字长。

5.2.1主存储器性能指标

1. 存储容量 = 存储字数 * 字长
2. 存储器地址码的位数决定了主存课直接寻址的最大空间。
3. 存储器的速度一般用存储器的存取时间、存储周期和存储器带宽来衡量。
   1. 取数时间：存储器接到读命令信号到其数据输出端有信号输出为止的时间，它取决于存储介质和访问机构的类型。
   2. 存储周期：存储器进行一次完整的读/写操作所需要的全部时间。
   3. 存储器带宽：单位时间内可以写入存储器或从存储器中取出信息的最大数量。**存储器带宽和数据总线的宽度是两个概念。

5.2.2存储器的工作原理

1. 计算机中任何操作都是按照时间节拍有序进行的，由于各器件操作都存在延时，为保证可靠性，在地址输入端和数据端分别安排一个寄存器，用来存放地址信号和数据信号。存储器地址寄存器（MAR）和存储器缓冲寄存器（MBR）或存储器数据寄存器（MDR）

5.2.3随机存储器

随机存储器一般为半导体存储器。半导体存储器又分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器。TTL比MOS存储速度快，但是MOS的集成度高随意一般MOS用于大容量的存储器，TTL用于容量的高速存储器。

1. 静态MOS存储器：存储单元是存储器的基础，每个存储单元能够存储一位二进制信息“0”或“1”。
   1. SRAM的组成：有存储体、读写电路、地址译码电路和控制电路等。
   2. 地址译码有两种方式：线性译码和双向译码，线性译码的优点是结构简单，缺点是所用的选择线太多了。双向译码适用于大容量的存储器。
2. 动态MOS存储器：存储单元有多种方式，其中单管结构的存储单元所占用的芯片面积最小，且小号功率也是极小的，得到了广泛应用。
   1. DRAM存储器集成度高、功耗小、成本低。同时处于刷新的需要，必须增加相应的电路，还需要解决读写操作和刷新操作的冲突问题。
   2. DRAM的存储器组成：4M * 4位的DRAM常用结构，这种情况下一次只能够读或是写4位。
   3. 并且只有被行和列同时选中的位元才能被激活。
   4. DRAM的刷新：DRAM采用“读出”的方式进行刷新，从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM全部刷新一次为止，称为刷新周期。
      1. 刷新行数：单个芯片的单个矩阵的行数。
      2. 通常DRAM的刷新的允许的单元间隔是2ms，采用的刷新的方式有：集中式刷新、分散式刷新和异步式刷新
      3. 集中式刷新：就是指在一个刷新周期里面，利用一段固定的时间进行刷新。缺点：“死区”时间过长，不利于系统的并行设计。但是硬件电路简单，设计处理容易。把存储周期乘以行数，就是死区的时间。
      4. 分散式刷新：就是把存储周期分为两个阶段，前一个阶段正常访问，后一个阶段用于刷新，这样刷新周期就会变成行数乘以存储周期，**注意是两个阶段的时间和。缺点是没有充分利用允许最大的刷新周期，降低了计算机系统的运算速度。
      5. 异步式刷新；采用折中的办法，在2ms中分散的把各行刷新一遍。2ms/行数，就是产生刷新一行的信号周期。这样即解决了死区时间过长的问题，也解决了不必要的刷新次数的问题。