# 存储系统

# 存储器的层次结构

# 存储器的分类

# 按作用分类

主存储器（主存、内存）
- 存放机损及运行期间所需的大量程序和数据
- cpu 可直接访问，也可以和高速缓冲存储器交换数据
- 容量较小、存取速度慢、每位价格较高
副助存储器（外存）
- 存放当前暂时用不到的程序和数据，永久性保存的信息
- 不能与 CPU 交换信息
- 容量极大、存取速度慢、单位成本高
高速缓冲存储器（Cache）
- 存放正在执行的程序段和数据
- 容量小，价格高

# 按存储介质分类

磁表面存储器
磁芯存储器半导体存储器
光存储器

# 按存取方式分类

随机存储器（RAM）
- 任何一个单元的内容可以随机存取，存取时间与存储器单元的物理位置无关
- 读写方便、使用灵活
- 用作主存或高速缓冲存储器
- 分为静态 RAM（触发器原理寄存信息）、动态 RAM（电容充电原理寄存器）
只读存储器（ROM）
- 存储器的内容只能随机读出而不能写入
- 信息一旦写入就固定不变
串行访问存储器
- 按照物理位置的先后顺序寻址（磁带、磁盘）

# 按信息的可保存性分类

易失性存储器（RAM）
非易失性存储器（ROM）

# 存储器的性能指标

存储容量：存储字长 x 字长
单位成本：每位成本 = 总成本 / 总容量
存储速度：数据传输率 = 数据的宽度 / 存储周期

# 存储器的层次化结构

# 多级存储系统

# 半导体随机存储器

# 半导体存储芯片

# 半导体存储芯片的基本结构

存储矩阵：大量相同的位存储单元组成
译码驱动电路：将地址总线的地址信号翻译成对应的存储单元的选通信号
读写电路：读写放大器 + 写入电路
读写控制线：决定芯片进行读 / 写操作
片选线：确定那个芯片被选中
地址线：单向输入，位数与存储字的个数有关
数据线：双向，位数与读出、写入的数据位数有关

# 74138 译码器

将二进制编码译码为 0~7 的十进制数值

# SRAM 和 DRAM

# SRAM 工作原理

双稳态触发器（六管 MOS）来记忆信息
只要电源被切断原来保存的信息就会丢失，属于易失性半导体存储器
存取速度快，集成度低，功耗大，一般用来组成高速缓冲存储器

# DRAM 工作原理

利用栅极电容上的电荷存储信息，分为三管式、单管式
采用地址复用技术，地址信号分行、列两次传送
容易集成、价位低、容量大、功耗低，存取速度比 SRAM 慢，组成大容量存储系统

# 刷新方式

集中刷新
在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对所有行进行逐一再生
- 优点：读写操作时不受刷新工作的影响，存取速度高
- 缺点：在集中刷新期间不能访问存储器
分散刷新
把每行的刷新分散到各个工作周期中，一个存储器的系统工作周期前半部分用于正常读、写、保持，后半部分用于刷新某一行，增加了系统的存取周期
- 优点：没有死区
- 缺点：加长了系统的存取周期，降低了整机的速度
异步刷新
将刷新周期除以行数，得到两次刷新之间的时间间隔 t，利用逻辑电路每隔 t 时间产生一次刷新请求
- 避免 CPU 等待过长的时间，减少刷新的次数，提高整机效率

注意：

刷新对 CPU 透明
动态 RAM 刷新单位是行，刷新操作只需要行地址

# 存储器的读写周期

# 只读存储器

# 只读存储器（ROM）的特点

结构简单，位密度比可读写存储器高
具有非易失性，可靠性高

# ROM 的类型

掩模式只读存储器（MROM）
可靠性高，集成度高，灵活性差
一次可编程只读存储器（PROM）
可擦除可编程只读存储器（EPROM）
编程次数有限。写入时间过长
闪速存储器（Flash Memory）
固态硬盘（SSD）

# 主存储器与 CPU 的连接

# 连接原理

主存储器通过数据总线、地址总线、控制总线与 CPU 连接
数据总线的位数与工作频率的乘积正比于数据传输率
地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间
控制总线（读 / 写）指出了总线的周期类型好而本次输入输出操作的完成时刻

# 主存容量的扩展

# 位扩展法

# 字扩展法

# 字位同时扩展法

# 存储芯片的地址分配和片选

# 线选法

芯片	$A_{14}$ ~ A_
1#	1110
2#	1101
3#	1011
4#	0111

优点：不需要译码器，线路简单
缺点：地址空间不连续，不能充分利用系统的存储器空间，造成地址资源的浪费

# 译码片选法

# 高速缓冲存储器

# 程序访问的局部性原理

空间局部性
时间局部性

# Cache 基本工作原理

通常由 SRAM 构成
Cache 和主存都被分成若干大小相等的块，每块由若干子街组成，块的长度称为块长（Cache 行长）
保留主存最活跃的若干块副本

# cache 和主存的映射方式

cache 要为每块增加一个标记，指明是主存那一块副本
设置一个有效位说明标记是否有效

# 直接映射

$j=i \% 2^c$

$j$ :cache 块号
$i$ : 主存块号
$2^c$ :Cache 总块数

地址结构：

主存字块标记	cache 字块地址	字块内地址

# 全相联映射

把主存数据块装入 cache 的任何位置

优点：灵活，冲突概率低，空间利用率高
缺点：地址变换速度慢，实现成本高

地址结构：

主存字块标记	字块内地址

# 组相联映射

$j=i\%Q$

$j$ : 缓存的组号
$i$ : 主存的块号
$Q$ :cache 的组数

# 地址结构

主存字块标记	组地址	字块内地址

# Cache 中主存块的替换算法

随机替换算法
先进先出算法
近期最少使用算法
最不经常使用算法

# Cache 写策略

# 写命中

全写法
把数据同时写入 cache 和主存
- 优点：实现简单，随时保持主存数据的正确性
- 缺点：增加了访存次数，降低了 cache 的效率
写回法
只有当此块被换出才写入主存
- 存在不一致的隐患，必须设置一个标志位反映此块是否被 CPU 修改过

# 写不命中

写分配法
加载主存中的块到 cache 中，更新这个 cache 块
- 缺点：每次不命中都需要从主存中读取一块
非写分配法
只写入主存，不进行调块

计算机组成原理