计算机组成原理 存储器概述，主存系统模型和RAM和ROM

存储器概述

基本概念

• 存储元: 即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
• 存储单元: 每个存储单元存放一串二进制代码
• 存储字: 存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长: 存储单元中二进制代码的位数
• 机器字长: 计算机能一次处理的二进制代码长度
• 指令字长: 指令的二进制长度
  

MAR位数对应着存储单元的个数
MDR位数和存储字长相等
$2^{10}=1024=1K$MAR位数=PC位数

存储器层次结构

现代计算机要求存储系统满足大容量、高速度和低成本三项基本要求
由干制造工艺限制，很难在同一种存储器中都达到这些要求，三者不可兼得，为此采用分层(级)存储体系
并通过管理软件和辅助硬件将不同性能的存储器组合成有机的整体，称为计算机的存储层次或存储体系

[概念] 高速缓存 (Cache)
又称快存，用速度较快的存储器构成，可在2ns内可完成一次数据存取，目前容量一般为几MB左右，用来临时存放指令和数据。
[概念] 主存
用来存放运行期间的大量程序和数据，目前容量在几GB左右，速度稍慢，可在10ns内完成一次存取
[概念] 辅存 (即辅助存储器，又称外存储器，简称外存)
一般由磁表面存储器、光存储器构成，用来存放系统程序、大型文件、数据库等，目前容量在数百GB左右
速度为ms级。
[概念] 虚拟存储器
现代计算机通常采用cache一主存一辅存层次结构。
在CPU和主存之间增加一个高速缓冲存储器，由纯硬件实现，提高CPU访问程序和数据的速度
主存一辅存采用虚拟存储器技术，由软件和硬件实现，扩充主存的容量。
[补充] 三种存储器构成三级存储器管理，各级职能和要求不同
Cache追求速度，以和CPU速度匹配
辅存追求容量大，
主存介于两者之间，对容量，速度都有一定要求

存储器分类

[概念] 按构成存储器的器件和存储介质分类
可分为磁介质存储器、电子介质存储器、纸介质存储器、光介质存储器等

[概念] 按存取方式分类
可分为随机存储器
(Random Access Memory， RAM)
只读存储器 (Read Only Memory， ROM)
串行访问存储器 (Sequential Access Memory，SAM)

[概念] 按在计算机中的作用分类
可分为主存储器 (简称主存，又称内存)
辅助存储器(简称外存或辅存)
缓冲存储器(简称缓存) 等。
[概念] 按信息的可保护性分类
可分为易失性存储器和非易失性存储器
RAM都是易失性存储器
ROM都是非易失性存储器

性能指标

[概念] 存储器存取时间
从存储器读出/写入一个存储单元信息，或从存储器读出/写入一次信息
(信息可能是一个字节或一个字) 所需要的平均时间，称为存储器的取数时间/存数时间
[概念] 存储器存取周期
存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，称为存取周期。具体地说，存取周期是连续启
动两个独立的存储器操作(如两个连续的读操作)之间所需要的最小时间间隔。一般大于存取时间
[概念]存储器存取带宽
单位时间可写入存储器或从存储器取出的信息的最大数量，称为数据传输率或称为存储器传输带宽
单位为字节/秒 (B/s，Bps) 或位/秒 (b/s，bps).

主存系统模型和结构

存储元结构

操作/状态	写1	读1	写0	读0
地址线和MOS管	高电压接通MOS管	高电压接通MOS管	高电压接通MOS管	高电压接通MOS管
数据线	高电压(主动)	高电压(被动)	低电压(主动)	低电压(被动)
电容	充电	放电	稳态	稳态

利用存储元构成存储体

主存结构: 包括存储体，MAR，MDR，时序控制逻辑

主存寻址

[概念] 寻址方式/编址方式: 前提每个存储单元有一个地址

• 按字节寻址: 每个存储单元里面有一个字节，相当于为每个字节分配一个地址
• 按字寻址: 一个字包含多个存储单元，为每个字分配一个地址
• 按半字寻址: 一个字包含多个存储单元，为半个字分配一个地址
• 按双字寻址: 一个字包含多个存储单元，为两个字分配一个地址

[概念] 数据存储方式

• 大端方式: 高位数据存放在低位地址上
• 小端方式: 低位数据存放在低位地址上

例子

总容量为1KB

• 按字节寻址: 1K个单元，每个单元1B
• 按字寻址: 256个单元，每个单元4B
• 按半字寻址: 512个单元，每个单元2B
• 按双字寻址: 128个单元，每个单元8B

数据存储方式
01234567H

RAM和ROM

RAM概念

RAM (Random Access Memory)
被称为随机存取存储器。可以向 RAM 写入数据，也可以从 RAM 读出数据
RAM 的一个明显的特点是: 它是易失性存储器
一般来说RAM有两种: SRAM、DRAM
SRAM
SRAM 存储1个位，需要 6 个晶体管，因此 SRAM 存储器的集成度低，但读写的速度快，所以价格贵。因为速度快SRAM 经常用作 Cache
DRAM
DRAM单个位的构成简单，集成度高，容量大，但需要刷新电路，读写速度比静态存储器慢，价格低廉。特别是价格低廉，使动态存储器成为计算机中使用最多的存储器

RAM对比

Dynamid Random Access Memory

MOS管接通

• 写入1: 数据线高压，电容存储电荷
• 写入0:数据线OV，电容不会存储电荷
• 读出1:电容放电，数据线上有电
• 读出0: 电容不放电，所以数据线上没有电

Static Random Access Memory

• 读/写1: 左高右低
• 读/写0: 左低右高

SRAM和DRAM的对比

类型	SRAM	DRAM
用途	Cache	内存
破坏性读出	否	是
数据是否再生	否	是
运行速度	快	慢
集成度	低	高
发热量	大	小
存储成本	高	低
是否易失	断电易失	断电易失
是否需要刷新送行列地址	不需要同时	需要异步

DRAM刷新

DRAM的地址复用技术

对n位行地址、m位列地址，仅需要2+2m根选择线，适合容量大的存储芯片
引入位片式结构之后如何刷新? 在什么时候刷新?

刷新方式
利用硬件重新写入电容，占用1个存取周期
刷新周期: 2ms(每2ms之内重新写入)
刷新方式: 按行刷新! 每次刷新一行存储单元

集中刷新

假设DRAM内部结构排列成128x128的形式，存取周期0.5us，那么2ms内共 2ms/0.5us = 4000 个周期

是在信息保存允许的时间范围内，集中一段时间对所有基本存储单元一行一行地顺序进行刷新，这段时间称为刷新时间。刷新时间=存储矩阵行数x存取周期 (刷新一行所需要的时间)

分散刷新

假设DRAM内部结构排列成128x128的形式，存取周期0.5us，，那么2ms内共 2ms/0.5us = 4000 个周期

分散刷新是每隔一段时间刷新一次，把刷新操作分散到每个存取周期内进行，此时系统的存取周期$t_C$。被分为两段，前半段时间$t_A$,进行读写操作或保持，后半段时间$t_R$,进行刷新操作，即$t_C=t_A+t_R$，刷新操作与CPU操作无关。在一个系统存取周期内刷新存储矩阵中的一行。

异步刷新

假设DRAM内部结构排列成128x128的形式，存取周期0.5us，那么2ms内共 2ms/0.5us = 4000 个周期

异步刷新则是结合前两种刷新方式，在一个指令周期中，利用CPU不进行访问存储器操作时进行刷新。先根据
刷新的行数对刷新间隔(如2ms) 进行分割，分割后的每段时间中，再分成两部分，前一段时间用于读/写或保持，后一段时间用于刷新。

ROM

ROM (Read Olny Memory)
ROM 是非易失型存储器，工作时需要电源，当电源消失，存储的信息不会丢失，所以 ROM 可以保存需要长久保存的信息，如程序代码。

1. MROM
   狭义的ROM单指**掩膜型只读存储器 (MROM，Mask ROM)**在制造ROM存储知阵时，如果生产量较大，一般要根据对存储内容的要求设计掩膜版，用这种工艺制作出来的ROM就叫作掩膜POM。这是中生产一家按一定的信息模式生产的存有固定信息的ROM，用户只能选用而无法修改原有的信息。

2. PROM
   **可编程式只读存储器(PROM，Programmable ROM)**是一种每个比特都由熔丝或反熔丝的状态决定数据内容的ROM这种存储器用作永久存放程序之用。常用于电子游戏机、电子词典等预存固定数据或程序的各式电子产品之上。

3. EPROM
   可擦除可编程式只读存储器(EPROM，Erasable Programmable ROM) 由以色列工程师多夫·弗罗曼发明，允许用户写入信息，之后用某种方法擦除数据，可进行多次重写
   UVEPROM (ultraviolet rays)–用紫外线照射8~20分钟，擦除所有信息
   EEPROM(也常记为E2PROM，第一个E是Electricaly，第二个E是Erasable) --可用"电擦除"的方式，擦除特定的字

4. FPROM
   **闪速存储器(FPROM，Flash PROM)**是冈富士雄在东艺公司工作时发明的，也称快闪存储器或闪存，是一种电可擦除的非易失性只读存储器，允许在操作中被多次擦或写。这种技术主要用于一般性数据存储，以及在电脑与其他数字产品间交换传输数据，如储存卡与闪存盘闪存是一种特殊的、以宏模块擦写的EPROM。比较起来，EPROM价格便宜、集成度高，E2PROM电可擦洗重写，FPROM较E2PROM快，且具备RAM的功能。

5. SSD
   固态硬盘 (Solid State Drives)
   由控制单元+存储单元(Flash芯片)构成，与闪速存储器的核心区别在于控制单元不一样，但存储介质都类似，可进行多次快速擦除重写。SSD速度快、功耗低、价格高。目前个人电脑上常用SSD取代传统的机械硬盘