第3章 存储系统(1)

3.1 存储器概述

3.1.1 存储器分类

• 1.按照层次
  • 可以直接被CPU读写:
    • 1.主存: 【存放运行期间所需程序或数据】
      特点:容量较小,存取速度快,价格较高
      芯片组成:DRAM和ROM
    • 2.高速缓冲存储器: 【解决CPU与主存速度差距大】
      特点:速度快,容量低,价格高
      芯片组成:SRAM
  • 不能直接被CPU读写：
    • 3.辅助存储器:【存放暂时用不到的数据】
      特点:容量大,速度慢,成本低。
      芯片组成: ROM
• 2.按存储介质分类
  • 磁表面存储器:磁盘,磁带
  • 半导体存储器:
    • MOS型存储器:用于DRAM
    • 双极型存储器:用于SRAM
  • 光存储器:光盘
• 3.按存取方式:
  • 随机存储器(RAM):【任何存储单元都可以直接存取,断电易丢失】
    • DRAM:用于主存,需要刷新
    • SRAM:用于cache和快表,不需要刷新
  • 只读存储器(ROM):【只能写入数据,不能修改数据,断电不会失去数据,可以随机存储】
  • 串行访问存储器:【随机存储+顺序存储】
  • 按内存访问存储器:【用于全相联存储器】
• 4.按信息可保存性:
  • 断电易失性存储器:RAM
  • 断电不丢失存储器:ROM
  • 破坏性读出储存器:DRAM
  • 非破坏性读出存储器:SRAM,ROM,磁盘,光盘等

3.1.2 存储器的性能指标

• 存储容量=存储字长(MAR位数)*字长(MDR位数)
• 单位成本：单位价格=总成本/总容量
• 存储速度：速度传输率 = 数据宽度(存储字长)/存取周期

存取时间＜存储周期

3.1.3 多级层次的存储系统

主存和cache交换数据由硬件自动完成,解决主存和CPU速度怕不匹配的问题。对所有程序员透明

主存和辅存由硬件和操作系统实现。虚拟存储技术解决主存容量不足的问题。对系统程序员不透明。对应用程序员透明。

cache容量过小的原因是控制应硬件开发成本。

3.2 主存储器

主存储器由DRAM和ROM组成。cache由SRAM组成。

3.2.1 SRAM芯片和DRAM芯片

• 1.SRAM的工作原理
  SRAM由双稳态触发器存储信息,信息读出后不会丢失。
  特点:存储速度快,集成度低,功耗大,价格昂贵。用于高速缓冲存储器。

• 2.DRAM的工作原理
  DRAM由MOS管存储信息,读出会破坏数据,同时电荷也容易丢失,所以需要刷新再生。
  特点:集成度高,价位低,容量大,功耗低。用于主存储器。
  
  刷新方式:【每次刷新占用一个存取周期。以一行为刷新周期】

  • ①分散刷新:

    • 每次存取完后就刷新。存取周期变成了原来的2倍。
    • 优点:无死区
    • 缺点:延长系统存取周期
    • 

  • ②集中刷新

    • 设刷新周期为T,存取周期为t。刷新周期包含T/t个存储周期。设r为DRAM芯片的行数。前T-r个存储周期用于刷新操作,后r个存取周期用于正常存取操作。
    • 优点:读写操作不受刷新工作影响
    • 缺点:存在不能访问访存的死区
    • 

  • ③异步刷新

    • 设刷新周期为T,存取周期为t,r为DRAM的行数。以每T/r个存取周期刷新没有刷新的一行。
    • 优点:缩短死时间。
    • 

注意事项:①刷新对CPU透明 ②DRAM刷新单位是行 ③刷新占用一个存取周期

• 3.SRAM和DRAM对比

• 4.存储器芯片内部结构
  ①存储体
  ②地址译码器
  ③I/O控制器
  ④片选信号 【选择芯片】
  ⑤读写控制信号 【发出读写信号】
  

3.2.2只读存储器

• 1.只读存储器的特点 (重点内容)
  ①支持随机存储
  ②结构简单
  ③读写速度较慢
  ④断电不丢失信息

• 2.ROM类型

  • 1.掩模式只读存储器【写后不能修改】
    • 优点:可靠性高,集成度高,价格便宜
    • 缺点:灵活性差
  • 2.一次可编程只读存储器【允许写入一次后不能修改】
  • 3.可擦除可编程只读存储器【可以多次擦除重写,不能代替RAM(重写次数有限)】
  • 4.Flash存储器【断电不丢失,可以快速擦除重写】
  • 5.固态硬盘【基于Flash,比传统机械硬盘快】

3.2.3主存储器的基本组成

芯片引脚判断:

• DRAM:
  数据线+地址线(地址线复用)+读写线(1根/2根)+行通选线(1根)+列通选线(1根)
• SRAM:
  数据线+地址线+读写线(1根/2根)+片选线(1根)

3.2.4 多模块存储器

• 1.单体多字存储器
  一行包含多m个字,总线宽度也是m个字,一次并行读出m个字。
  
  缺点:不能读取单个字
  优点:读取同一个存储单元更快
• 2.多体并行存储器
  灵活性更高。
  (1) 高位交叉存储器(顺序方式)【使用高位表示存储模块编号】
  相当于仅仅扩容。
  相邻地址在同一个存储体中。
  
  (2) 低位交叉存储器(交叉)【使用低位表示存储模块编号】
  性能更高。扩容+读写速度提升
  相邻地址在不同的存储模块中,因此连续读取地址的数据不需要等待恢复时间。
  

设存取周期为T,存取时间为r,为了使流水线不间断,模块数m≥$\frac{T}{r}。$