计算机的存储器
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机的存储器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
计算机的存储器
一、概述
1、存储器的分类
(1) 按存储介质分类
- 半导体存储器----TTL、MOS-----易失
- 磁表面存储器----磁头、载磁体-----不易失
- 磁芯存储器----硬磁材料、环状元件-----不易失
- 光盘存储器----激光、磁光材料-----不易失
(2) 按存取方式分类
- 存取时间与物理地址无关（随机访问）：随机存储器（程序执行过程中可读可写）；只读存储器（程序执行过程中只读）
- 存取时间与物理地址有关（串行访问）：顺序存取存储器（磁带）；直接存取存储器（磁盘）
(3) 按在计算机中的作用分类
2、存储器的层次结构
缓存——主存层次和主存——辅存层次
- 缓存与主存之间主要解决速度问题（cpu和主存速度的不匹配），因此通过硬件方法实现（主存速度的更新换代远跟不上CPU的发展，速度差异存在“剪刀差”）。
- 主存与辅存之间主要解决容量问题，因此使用软硬件相结合的方法。
- 缓存与主存使用的是主存储器的地址，也就是实地址(也叫物理地址)；主存与辅存构成虚拟存储器，使用的是虚地址(也叫逻辑地址)。
二、主存储器
1、概述
(1) 主存的基本组成
(2)主存和CPU的联系
(3) 主存中存储单元地址的分配
2、半导体存储芯片
RAM 和 ROM 都属于半导体存储器，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，所以 RAM 是易失性半导体存储器，ROM 是非易失性半导体存储器。
(1) 半导体存储芯片的基本结构
- 地址线（单向）：由CPU或I/O设备的控制器指向存储器
- 数据线（双向）
- 芯片容量：如果地址线是10位，数据线是4位，则芯片容量=2的10次方×4
- 读/写控制线：
WE（低电平写、高电平读）
OE（允许读）WE（允许写） - 片选线用来选择存储芯片，由于半导体存储器是由许多芯片组成的，为此需用片选信号来确定哪个芯片被选中。
(2) 半导体存储芯片的译码驱动方式
译码驱动：如何找到给定存储单元，把地址总线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号，该信号在读/写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作。
-
线选法
-
重合法
3、随机存取存储器（RAM）
随机存取存储器按其存储信息的原理不同，可分为静态 RAM 和动态 RAM。静态 RAM 采用触发器原理来存储信息，动态 RAM 采用电容存储电荷原理来存储信息，都属于易失性半导体存储器。
(1) 静态RAM（SRAM）
静态 RAM 是用触发器工作原理存储信息，因此即使信息读出后，它仍然保持其原状态，不需要再生。
静态RAM基本电路
T1~T4：构成一个双稳态触发器，存放0，1
T5~T6：对存储元件读或写
静态RAM芯片举例
(2) 动态RAM（DRAM）
常见的动态 RAM 基本单元电路有三管式和单管式（MOS 管）两种，分别如下面左右两图所示，它们的共同特点都是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。若电容上有足够多的电荷表示存“1”，电容上无电荷表示存“0”。
动态RAM基本单元电路（左：三管式；右：单管式）
动态 RAM 芯片举例
动态RAM刷新
(3) 动态 RAM 和静态 RAM 的比较
4、只读存储器
(1) 掩模 ROM ( MROM )
只能读、不能擦除
行列选择线交叉处有 MOS 管为“1”
行列选择线交叉处无 MOS 管为“0”
(2) PROM (一次性编程)
如果保存“0”，用大的电流将熔丝烧断；破坏性编程
如果保存“1”，熔丝不烧断；
(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，具备 RAM 功能
5、存储器与CPU的连接
(1) 存储器容量的扩展
-
位扩展
-
字扩展
A10为两个芯片的片选信号，如果A10为0，选择第一个芯片；如果A10为1，选择第二个芯片。
-
字、位扩展
8个芯片分成4组，每组为 1K×8 位。
片选译码器：如果是00，选择第一组芯片；01选择第二组芯片；10选择第三组芯片；11选择第四组芯片。
(2) 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
示例一
示例二
6、存储器的校验
为什么要有校验码？
因为在数据存取和传送的过程中，由于元器件或者噪音的干扰等原因会出现错误，这个时候我们就需要采取相应的措施，发现并纠正错误，对于错误的检测和校正，大多采取“冗余校验”的思想，即除原数据外，额外增加若干位编码，这些新增的代码称为校验位。
(1) 编码的最小距离
任意两组合法代码之间二进制位数的最少差异
编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关。
汉明码是具有一位纠错能力的编码
(2) 奇偶校验码
奇偶校验码的实现方法是在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位“0”或“1”,若采用奇校验位,只需把每个编码中1的个数凑成奇数;若采用偶校验位,只要把每个编码中1的个数凑成偶数。
(3) 汉明码的组成
汉明码采用分组的奇偶检验、分组校验
划分方式：
汉明码的分组是一种非划分方式。
汉明编码分组规则：
组成汉明码的三要素
汉明码的组成需增添 ？位检测位
检测位的位置 ？
检测位的取值 ？
(4) 汉明编码示例
依据汉明编码分组规则所得：
(5) 汉明码的纠错过程
形成新的检测位 Pi，如增添 3 位（k = 3）。新的检测位为 P4 P2 P1。以 k = 3 为例，Pi的取值为
对于按“偶校验”配置的汉明码不出错时，P1=0，P2=0，P4=0。
(6) 汉明编码纠错示例
示例：
汉明编码可检错1位，纠错1位，根据公式得：码距为3
7、提高访存速度的措施
- 采用高速器件
- 采用层次结构 Cache -主存
- 调整主存结构
(1) 单体多字系统
增加存储器的带宽
(2) 多体并行系统
高位前面2位对存储体进行编号
低位后面4位是对存储体内部地址编码
将M0存放满后再存放入M1
缺点：造成某一存储体（M0）繁忙，其他存储体空闲
依次存放至M0、M1、M2、M3的第一个存储单元，以此类推。
三、高速缓冲存储器
1、概述
(1) Cache 的工作原理
主存和缓存的编址
备注：
主存和缓存的块内地址完全一致。
缓存中的标记对应主存中的主存块号，像指针一样。
主存和缓存按块存储，块的大小相同，B 为块长。
(2) 命中与未命中
缓存共有 C 块，主存共有 M 块。其中，M >> C。
命中：主存块调入缓存，主存块与缓存块 建立 了对应关系。
未命中：主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系。
(3) Cache 的命中率
Cache 的命中率：CPU 欲访问的信息在 Cache 中的比率
命中率 与 Cache 的 容量 与 块长 有关
容量越大，命中率越大。容量越小，命中率越小。
块长越大，命中率越大。块长越小，命中率越小。
(4) Cache –主存系统的效率
访问效率 e 与 命中率 有关
设 Cache 命中率 为 h，访问 Cache 的时间为 tc ， 访问 主存 的时间为 tm。并行访问：同时访问主存和缓存。
(5) Cache 的基本结构
(6) Cache 的读写操作
读操作：
写操作：Cache 和主存的一致性
• 写直达法（Write – through）：写操作时数据既写入Cache又写入主。写操作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现。
• 写回法（Write – back）：写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存。当 Cache 数据被替换出去时才写回主存，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。
2、Cache-主存的地址映射
(1) 直接映射
主存储体划分成若干与Cache存储体相等的区，每个区的大小与Cache存储体的大小相同。在进行映射时，主存储体中任何一个区的第0号只能放入Cache存储体字块0中…以此类推。
每个缓存块 i 可以和 若干 个 主存块 对应
每个主存块 j 只能和 一 个 缓存块 对应
直接映射：硬件简单，成本低，地址变换速度快，而且不涉及替换算法问题。但是这种方式不够灵活，Cache的存储空间得不到充分利用，每个主存块只有一个固定位置可存放，容易产生冲突，使Cache效率下降，因此只适合大容量Cache采用。
(2) 全相联映射
主存 中的 任一块 可以映射到 缓存 中的 任一块。当寻找一个地址是否已经被cache时，需要遍历每一个cache line来寻找，这个代价很高。
全相联映射方式：比较灵活，主存的各块可以映射到Cache的任一块中，Cache的利用率高，块冲突概率低，只要淘汰Cache中的某一块，即可调入主存的任一块。
(3) 组相联映射
主存和Cache都分组，主存中一个组内的块数与Cache中的分组数相同，组间采用直接映射，组内采用全相联映射。即：将Cache分成2u组，每组包含2v块，主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一块则是灵活的。
如果组相联方式Cache中所有的块都分成一组，组相联的映射方式变为全相联；
如果组相联方式中每一组只有唯一的一块，组相联就变成直接相连。
靠近CPU的Cache层次，采用直接相连或者路数比较少的组相联；中间的层次采用组相联；距离CPU最远的采用全相联（Cache的利用率高）。
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。
2、磁记录原理
3、硬磁盘储存器
(1) 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
(2) 硬磁盘存储器结构
磁盘驱动器
磁盘控制器
接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令。
实现主机和驱动器之间的数据格式转换。并控制磁盘驱动器读写。
4、软磁盘存储器
5、 光盘存储器
以上是关于计算机的存储器的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章