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  • 【笔记】存储器(一)

    千次阅读 2018-02-19 00:26:38
    存储器分类 按存储介质分类 按存取方式分类 按在计算机中的作用分类 存储器的层次结构 二主存储器 概述 主存中存储单元地址的分配 主存的技术指标 半导体存储芯片简介 半导体存储芯片的基本结构 半导体存储...

    一、概述

    1.存储器分类

    按存储介质分类

      半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。

    按存取方式分类

      1.随机存储器(RAM)
      RAM是一种可读/写存储器,特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关。RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。
      2.只读存储器(ROM)
      ROM是能对其存储的内容读出,而不能对其重新写入的存储器。
      3.串行访问存储器
      如果对存储单元进行读/写操作时,需按其物理位置的先后顺序寻找地址,则这种存储器称为串行访问存储器。不论信息处在哪个位置,读/写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找,故这类串行访问的存储器又称为顺序存取存储器。前段是直接访问,后段是串行访问,称为直接存取存储器

    按在计算机中的作用分类

      存储器主要分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。
      主存储器(简称主存)的主要特点是它可以和CPU直接交换信息。主存速度快、容量小、每位价格高;辅存速度慢、容量大、每位价格低。


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    存储器的层次结构

      存储器的3个主要性能指标:速度、容量、位价。
      CPU不能直接访问辅存,辅存只能和主存交换信息。
      存储系统层次结构主要体现在缓存-主存主存-辅存这两个存储层次上。CPU和缓存、主存都能直接交换信息;缓存能直接和CPU、主存交换信息;主存可以和CPU、缓存、辅存交换信息。


    这里写图片描述

      缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的。主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题。主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

    二、主存储器

    1.概述

    主存中存储单元地址的分配

      主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的,而地址总线是用来指出存储单元地址号的,根据该地址可读出或写入一个存储字。
      通常计算机系统的既可按字寻址,也可按字节寻址

    主存的技术指标

      主存的主要技术指标是存储容量存储速度

      1.存储容量
      指在主存能存放二进制代码的总位数,即

    存储容量=存储单元个数 × × 存储字长

      2.存储速度
      由存取时间和存取周期来表示。
      存取时间又称为存储器的访问时间,是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存取时间分读出时间和写入时间两种。
      存取周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间,通常存取周期大于存取时间。

      3.存储器带宽
      与存取周期密切相关的指标为存储器带宽,它表示单位时间内存储器存取的信息量,单位可用字/秒或字节/秒或位/秒表示。带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。
      为了提高存储器的带宽,可以采用一下措施:

    1. 缩短存取周期
    2. 增加存储字长,使每个存取周期可读/写更多的二进制位数。
    3. 增加存储体。

    2.半导体存储芯片简介

    半导体存储芯片的基本结构

      存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。
      地址线是单向输入的,其位数与芯片容量有关。
      数据线是双向的,其位数与芯片可读出或写入的数据位数有关。数据线的位数与芯片容量有关。
      地址线和数据线的位数共同反映存储芯片的容量。
      控制线主要有读/写控制线与片选线两种。读/写控制线决定芯片进行读/写操作,片选线用来选择存储芯片。

    半导体存储芯片的译码驱动方式

      半导体存储芯片的译码驱动方式有两种:线选法和重合法
      由于被选单元是由X、Y两个方向的地址决定的,故称为重合法。

    3.随机存取存储器

      按照存储信息的原理不同可分为静态RAM和动态RAM两大类。

    动态RAM的刷新

      刷新的过程实质上是先将原存信息读出,再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。
      必须采用定时刷新的方法,它规定在一定的时间内,对动态RAM的全部基本单元电路必做一次刷新,一般取2ms,这个时间称为刷新周期,又称再生周期。通常有三种方式刷新:集中刷新、分散刷新、异步刷新

      1.集中刷新
      集中刷新是在规定的一个刷新周期内,对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新,此刻必须停止读/写操作。不能进行读/写操作的时间称为“死时间”,又称访存“死区”,所占的比例称为死时间率


    这里写图片描述

      2.分散刷新
      分散刷新是指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。把机器的存取周期 tC t C 分成两段,前半段 tM t M 用来读/写或维持信息,后半段 tR t R 用来刷新,即 tC=tM+tR t C = t M + t R


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      3.异步刷新
      异步刷新是前两种方式的结合,它既可缩短“死时间”,又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。


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    动态RAM和静态RAM的比较

      动态RAM的应用比静态RAM要广泛得多:

      1.在同样大小的芯片中,动态RAM的集成度远高于静态RAM。
      2.动态RAM行、列地址按先后顺序输送,减少了芯片引脚,封装尺寸也减少。
      3.动态RAM的功耗比静态RAM小。
      4.动态RAM的价格比静态RAM的价格便宜。

      动态RAM的缺点:

      1.由于使用动态元件(电容),因此它的速度比静态RAM低。
      2.动态RAM需要再生,故需配置再生电路,也需要消耗一部分功率。

    4.只读存储器

      对半导体ROM而言,基本器件为两种:MOS型和TTL型。

    1.掩膜ROM
      用行、列交叉处是否有耦合元件MOS管,便可区分原存“1”还是存“0”。

    2.PROM
      PROM是可以实现一次性编程的只读存储器。熔断丝断或未断可区别其所存信息是“1”或“0”。

    3.EPROM
      EPROM是一种可擦除可编程只读存储器。它可以由用户对其所存信息作任意次的改写。

    5.存储器与CPU的连接

    1.存储容量的扩展

      将若干存储芯片连在一起才能组成足够容量的存储器,称为存储容量的扩展,通常有位扩展字扩展

    1.位扩展
      位扩展是指增加存储字长。

    2.字扩展
      字扩展是指增加存储器字的数量。

    3.字、位扩展
      字、位扩展是指既增加存储字的数量,又增加存储字长。

    2.存储器与CPU的连接

    1.地址线的连接
      CPU的地址数往往比存储芯片的地址线数多。通常总是将CPU地址线的低位与存储字的地址线相连。CPU地址线的高位或在存储芯片扩充时用,或做其他用途,如片选信号等。

    2.数据线的连接
      CPU的数据线数与存储芯片的数据线数也不一定相等。此时必须对存储芯片扩位,使其数据位数CPU的数据线数相等。

    3.读/写命令线的连接
      CPU读/写命令线一般可直接与存储芯片的读/写控制端相连,通常高电平为读,低电平为写。

    4.片选线的连接
      片选线的连接CPU与存储芯片正确工作的关键。片选有效信号与CPU的访存控制信号 MREQ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ M R E Q ¯ (低电平有效)有关,因为只有当CPU要求访存时,才需选择存储芯片。片选有效信号还和地址有关,因为CPU的地址线往往多于存储芯片的地址线,故那些未与存储芯片连上的高位地址必须和访存控制信号共同产生存储芯片和片选信号。

    5.合理选择存储芯片
      主要是指存储芯片类型(RAM或ROM)和数量的选择。通常选用ROM存放系统程序、标准子程序和各类常数等。RAM则是为用户编程而设置的。

    6.存储器的校验

    汉明码的组成

      任何一种编码是否具有检测能力和纠错能力,都与编码的最小距离有关。所谓编码最小距离,是指在一种编码系统中,任意两组合法代码之间的最少二进制位数的差异。

      根据纠错理论得

    L1=D+C L − 1 = D + C
    DC D ≥ C ,即编码最小距离L越大,则其检测错误的位数D越大,纠正错误的位数C也越大,且纠错能力恒小于或等于检错能力。倘若能在信息编码中增加若干位检测位,增大L,显然便能提高检错和纠错能力。
      设欲检测的二进制代码为n位,为使其具有纠错能力,需增添k位检测位,组成n+k位的代码。为了能准确对错误定位以及指出代码没错,新增添的检测位数k应满足:
    2kn+k+1 2 k ≥ n + k + 1

      设n+k位代码自左至右一次编号为第1,2,…,n+k位,而将k为检测位记作 Ci(i=1,2,4,8,) C i ( i = 1 , 2 , 4 , 8 , … ) ,分别安插在n+k为代码编号的第 1,2,4,8,,2k1 1 , 2 , 4 , 8 , … , 2 k − 1 为上。这些检测位的位置设置是为了保证它们能分别承担n+k位信息中不同数位所组成的“小组”的奇偶检测任务,使检测位和它所负责检测的小组中1的个数为奇数或偶数。

      这种小组的划分有如下特点:

    1. 每个小组 gi g i 有且仅有一位为它所独占,这一位是其他小组所没有的,即 gi g i 小组独占第 2i1 2 i − 1 位(i=1,2,3,…)。
    2. 每两个小组 gi g i gj g j 共同占有一位是其他小组没有的,即每两小组 gi g i gj g j 共同占有第 2i1+2j1 2 i − 1 + 2 j − 1 位(i,j=1,2,…)。
    3. 每3个小组 gi g i gj g j gl g l 共同占有第 2i1+2j1+2l1 2 i − 1 + 2 j − 1 + 2 l − 1 位。

    汉明码的纠错过程

    7.提高访存速度的措施

    单体多字系统

      在一个存取周期内,从同一地址取出4条指令,然后再逐条将指令送至CPU执行,即每隔1/4存取周期,主存向CPU送一条指令。
      采用这种办法的前提是:指令和数据在主存内必须是连续存放的,一旦遇到转移指令,或者操作数不能连续存放,这种方法的效果就不明显。

    多体并行系统

      采用多体模块组成的存储器。并行工作即同时访问N个模块,同时启动,同时读出,完全并行地工作。

    1.高位交叉编址的多体存储器
      程序按体内地址顺序存放,故又有顺序存储之称。高位地址可表示体号,低位地址为体内地址。按这种编址方式,只要合理调动,使不同的请求源同时访问不同的体,便可实现并行工作。

    2.地位交叉编址的多体存储器
      程序连续存放在相邻体中,故又有交叉存储之称。低位地址用来表示体号,高位地址为体内地址。这种编址方法又称为模M编址(M等于模块数)。一般模块数M取2的方幂,使硬件电路比较简单。
      多体模块结构的存储器采用交叉编址后,可以在不改变每个模块存取周期的前提下,提高存储器的带宽。假设每个体的存储字长和数据总线的宽度一致,并假设低位交叉的存储器模块数为n,存取周期为T,总线传输周期为 τ τ ,那么采用流水线方式存取时,应满足 T=nτ T = n τ
      对于低位交叉的存储器,连续读取n个字所需的时间 t1 t 1

    t1=T+(n1)τ t 1 = T + ( n − 1 ) τ
      若采用高位交叉编址,组连续读取n个字所需的时间 t2 t 2
    t2=nT t 2 = n T

    3.存控
      存控具有合理安排各部件请求访问的顺序以及控制主存读/写操作的功能。一个存控基本结构包括排队器、控制线路、节拍发生器、标记触发器

      (1)排队器
      为了防止两个以上的请求源同时占用同一个存储体,并防止将代码错送到另一个请求源等各种错误的发生,在存控内需设置一个排队器,由它来确定请求源的优先级别。

    确定原则:
      1.对易发生代码丢失的请求源,应列为最高优先级。
      2.对严重影响CPU工作的请求源,给予次高优先级,否则会导致CPU工作失常。

      (2)存控标记触发器
      它用来接受排队器的输出信号,一旦响应某请求源的请求, CM C M 被置为“1”,以便启动节拍发生器工作。

      (3)节拍发生器
      用来产生固定节拍,与机器主脉冲同步,使控制线路按一定时序发出信号。

      (4)控制线路
      由它将排队器给出的信号与节拍发生器提供的节拍信号配合,向存储器各部件发出各种控制信号,用以实现对总线控制及完成存储器读/写操作,并向请求源发出回答信号,表示存储器已响应了请求等。

    高性能存储芯片

      (1)SDRAM
      SDRAM与常用的DRAM不同,它与处理器的数据交换同步于系统的时钟信号,并且处理器-存储器总线的最高速度运行,而不需要插入等待状态。

      (2)RDRAM
      RDRAM采用专门的DRAM和高新能的芯片接口取代现有的存储器接口。

      (3)带Cache的DRAM(CDRAM)
      带cache的DRAM是在通常的DRAM芯片内又集成了一个小的SRAM,又称增强型的DRAM(EDRAM)。

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  • https://www.processon.com/view/link/5e6ca476e4b0f2f3bd1f89cd 存储系统 随机存储器、只读存储器、串行访问存储器特点 随机存储器RAM,任何一个单元都能随机存取,存取时间与存储单元的位置无关。主要用途是...

    写作目的:为了应对考研复试中的面试,我整理了导师可能提问的地方,力求用口语化的语言描述出来。

    这只是一部分,陆续还有计算机组成原理的其它章节,还会推出操作系统、数据结构、计算机网络、数据库的复试题整理

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    https://www.processon.com/view/link/5e6ca476e4b0f2f3bd1f89cd

    目录

    存储系统

    随机存储器、只读存储器、串行访问存储器的特点

    直接存取存储器的特点

    存储器的三个性能指标

    存取时间 存取周期 主存带宽

    存取时间就是存储周期吗

    多级存储系统结构以及成本速度容量

    SRAM和DRAM的工作原理和比较

    三种刷新方式

    DRAM刷新需要注意的问题

    ROM的特点

    时间局部性和空间局部性

    Cache中主存块的替换算法

    描述Cache写策略

    Cache行大小和命中率之间的关系

    Cache处理缺失时都发生了什么?

    段式存储器和页式存储器的区别

    段页式存储器的特点

    虚拟存储器和Cache的相同点和不同点


    存储系统

    随机存储器、只读存储器、串行访问存储器的特点

    随机存储器RAM,任何一个单元都能随机存取,存取时间与存储单元的位置无关。主要用途是高速缓存或主存。分为静态RAM和动态RAM,前者以触发器原理寄存信息,后者以电容充电原理寄存信息。

    只读存储器ROM,数据一次写入存储器后不能修改,只能读取,断电不易失。通常用来存储不变的常数、程序。它和RAM一起作为主存的一部分。由ROM派生出的存储器,有的是可读可写的,但写的速度比读的速度要慢得多。

    串行访问存储器,对存储单元的读写要按照物理位置的先后顺序寻址。它包括顺序存取存储器和直接存取存储器。前者的代表是磁带,后者的代表是磁盘。

    直接存取存储器的特点

    存取信息时先寻找整个存储器中的某个小区域,再在小区域内顺序查找。

    存储器的三个性能指标

    存储容量、单位成本、存取速度

    存储容量等于存储字数乘以字长。

    单位成本等于总成本除以总容量

    存储速度中的数据传输率等于数据的宽度除以存储周期

    存取时间 存取周期 主存带宽

    存取时间:启动一次存储器操作到完成该操作所需要的时间。

    存取周期:存储器完成一次完整的读写操作所用的时间,即两次独立访问存储器操作之间所需的最小时间间隔

    主存带宽:主存的数据传输率,每秒从主存进出信息的最大数量

    存取时间就是存储周期吗

    很显然,不是。通常存取周期大于存取时间,对任何存储器来说,在读写过后,都有一段内部状态的复原的时间。对于破坏性的存储器,存取周期往往比存取时间大得多。

    多级存储系统结构以及成本速度容量

    多级存储系统,为了解决存储系统大容量、高速度、低成本三者的矛盾。

    从上到下为寄存器、cache、主存、辅存。从上到下,速度越来越慢、单位成本越来越小、存储容量越来越高。

    SRAM和DRAM的工作原理和比较

    静态随机存储器SRAM的存储元是双稳态触发器,非破坏读出不用再生。存取速度快,集成密度低,功耗大,一般用来组成高速缓存。

    动态随机存储器DRAM存储元是栅极电容,采用地址复用技术,地址线是原来的1/2,地址信号分行列两次传送。相比SRAM而言它容易集成价格低、容量大、功耗低,但存储速度比SRAM慢,一般用来做主存系统。

    三种刷新方式

    集中刷新、分散刷新、异步刷新

    DRAM刷新需要注意的问题

    刷新对cpu是透明的,刷新不依赖于外部的访问,DRAM的刷新是以行为单位的,刷新仅需要行地址。刷新操作类似读操作,但不需要读取信息,只需要给电容补充电荷;刷新时不需要片选,整个存储器的芯片同时被刷新。

    ROM的特点

    ROM非易失存储器,不通电也不会丢失信息;结构简单,存储密度比可读写存储器高。

    非易失性,可靠性高。

    时间局部性和空间局部性

    时间局部性:程序当前运行的指令或用到的数据,在不久也可能会用到。因为程序有循环结构

    空间局部性:某个存储单元被访问,接下来它临近的存储单元也可能被访问。因为指令是顺序存放的,数组等数据结构所占的存储空间也是连续的。

    Cache中主存块的替换算法

    随机替换算法、先进先出替换算法、近期最少使用替换算法、最不经常使用替换算法。

    近期最少使用算法:依据程序访问的局部性原理选择近期内长久未用的行作为替换行,平均命中率比先进先出算法高。LRU算法对每一行设置一个计数器,cache每命中一次,计数器清零,其它的行加1,需要替换时,将计数值最大的换出。

    最不经常使用算法,将一段时间内被访问最少的存储行换出。每行设置一个计数器,都从0开始计数,每访问一次,被访问行的计数器加1,需要替换时比较各行特定计数器的值,将计数值最小的换出。

    描述Cache写策略

    根据写命中和写不命中,各有两种策略。

    写命中时:1、全写法:把修改写入内存也写入cache。优点是可以保持内存的数据正确,缺点是增加了访存次数。可以加一个写缓冲,减少写入内存的时间损耗。2、写回法:把修改只写入cache。优点是速度快,缺点是会造成主存和cache不一致。因此需要cache需要设置一个标记位(脏位),表示CPU是否被修改过。

    写不命中时:1、写分配法:加载主存的块到cache,然后再修改数据(数据写回哪里要看写命中策略)。它想利用程序的空间局部性,缺点是每次写不命中都要从主存中读取一块。2、非写分配法:只写入主存,不进行调块。

    写分配法常和写回法一起使用;非写分配法常和全写法一块使用。可以在保持主存中数据正确性和减少访存次数之间做一个折中。

    Cache行大小和命中率之间的关系

    行的长度较大,可以充分利用程序的空间局部性,使一个较大的局部空间进入cache,因而可以增加命中机会。但是行长也不能太大,主要原因有两个:

    行长太大,失效损失变大。也就是说,如果没有命中就需要花跟多时间从主存块读数据。

    行长太大cache项数变少,命中可能性变小。

    Cache处理缺失时都发生了什么?

    首先PC恢复发生缺页的指令的值;然后对主存进行读操作;将读取的数据块写入Cache,更改有效位和标记位;最后重新执行PC中的指令。

    段式存储器和页式存储器的区别

    页式存储器是以为基本单位的虚拟存储器,页大小都是相等的,主存的页被称为实页,虚存的页被称为虚页。虚拟地址分为两个字段:虚页号和页内地址。虚地址到实地址的转换是页表实现的。页表也变成就存放在主存中。

    页式虚拟存储器的优点是页面长度固定,页表简单。缺点是有最后一个块有内部碎片。页不是逻辑上独立实体,比起段式虚拟存储器,处理、保护、共享都不如虚拟存储器方便。

    段式虚拟存储器的段式按照程序的逻辑结构划分的,各个段的长度因程序而不同。虚拟地址分为:段号和段内地址两个部分。虚拟地址到实地址之间的变换是由段表实现的,由于段长可变,所以段表中要记录段的起始地址和段的长度

    段式虚拟存储器的优点是段的分界就是程序的分界,逻辑独立性强,便于多道程序共享缺点是因为段长度可变,分配空间不便,可能产生外部碎片。

    段页式存储器的特点

    结合两者的特点,先把按照程序之间的逻辑结构分段,每一段再划分固定大小的页,主存空间也划分为大小相等的页,页仍然是基本单位。每个程序对应一个段表,每个段对应一个页表。虚拟地址分为段号、段内页号、页内地址三个部分。

    段页式的优点是兼具页式和段氏的优点,可以实现共享和保护。缺点是地址变换中需要两次查表,开销极大。

    虚拟存储器和Cache的相同点和不同点

    相同点:

    1、它们的目的是为了提升系统性能。

    2、把整个存储器,划分为小的数据块,作为基本的交换单位,虚拟系统信息块更大。

    3、都有地址映射、替换算法、更新策略等问题。

    4、都是依据局部性原理,将使用频率高的数据放入高速部件中。

    不同点:

    1、Cache主要解决访问速度问题,虚拟存储解决主存容量问题。

    2、Cache全部由硬件实现,对程序员是透明的;虚拟存储器由操作系统和硬件共同实现,对系统程序员不透明、对应用程序员透明。

    3、不命中时,虚拟存储器不命中时对系统效率影响更大。

    4、CPU和cache,Cpu和主存都有直接访问通路,而CPU和辅助存储器没有直接通路。当虚拟存储器不命中时,需要先把辅助存储器数据块调入主存中,CPU才能对它访问。

     

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  • 存储器存储器分类按介质分类按存取...  RAM是一种可读/写存储器特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关。RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RA

    存储器分类

    按介质分类

    半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。

    按存取方式分类

    1.随机存储器(RAM)
      RAM是一种可读/写存储器,特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关。RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。
      
      2.只读存储器(ROM)
      ROM是能对其存储的内容读出,而不能对其重新写入的存储器。
      
      3.串行访问存储器
            如果对存储单元进行读/写操作时,需按其物理位置的先后顺序寻找地址,则这种存储器称为串行访问存储器。不论信息处在哪个位置,读/写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找,故这类串行访问的存储器又称为顺序存取存储器。前段直接访问,后段是串行访问,称为直接存取存储器

    按在计算机中的作用分类

    存储器主要分为主存储器辅助存储器缓冲存储器

    在这里插入图片描述

    存储器的结构及性能

           存储器有3个主要的性能指标:速度容量每位价格。速度:cpu>cache>主存>辅存;容量:cache<主存<辅存;价格:cache>主存>辅存。所以一般情况下,速度越高,位价越高;容量越大,位价越低;容量越大,速度越慢。
           储存系统层次结构主要体现在缓存(cache)-主存,主存-辅存这两个存储层次。缓存-主存主要解决cpu与主存速度不匹配的问题,主存-辅存主要增加可用空间。
    在这里插入图片描述

    主存的技术指标

    主存的中的存储单元地址的分配:按字节寻址和按字寻址
        八位二进制表示一个字节

    主存的技术指标有存储容量存储速度
        1.存储容量:指在主存能存放二进制代码的总位数,即存储容量=存储单元个数×存储字长

      2.存储速度:由存取时间和存取周期来表示。
      存取时间又称为存储器的访问时间,是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存取时间分读出时间和写入时间两种。
      存取周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间,通常存取周期大于存取时间。
      
      3.存储器带宽:与存取周期密切相关的指标为存储器带宽,它表示单位时间内存储器存取的信息量,单位可用字/秒或字节/秒或位/秒表示。带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。
    为了提高存储器的带宽,可以采用一下措施

    • 缩短存取周期
    • 增加存储字长,使每个存取周期可读/写更多的二进制位数。
    • 增加存储体

    存储器与cpu的连接

    存储器容量的扩展

    • 位扩展:增加存储字长
    • 字扩展:增加存储字的数量
    • 字,位扩展:既增加存储字的数量又增加存储字长

    例子:1M x 16位中:1M=220=106表示20根地址线,字扩展增加的是这个位置;16:表示16根数据线,位扩展增加的是这个位置。
    4片1Mx16位的存储器可以通过位扩展组成1Mx64位的存储器,也可以通过字扩展组成4Mx16位的存储器,还可以通过字位扩展组成2Mx32位的存储器。

    存储器与cpu的连接

    • 地址线连接:cpu的地址线比存储芯片多,故cpu的地位与存储芯片相连
    • 数据线的连接:数据线不相等时,对存储芯片扩位。
    • 读取命令的连接:高电平为读,低电平为写
    • 片选线连接
    • 合理选择芯片:类型的选择(ROM或RAM)和数量的选择。

    提高缓存速度

           提高缓存的方法有:采取高效器件,采取层次结构cache-主存,调整主存结构。其中调整主存结构有以下两种方式:

    • 单体多字系统
      在一个存取周期内,从同一地址取出4条指令,然后再逐条将指令送至CPU执行,即每隔1/4存取周期,主存向CPU送一条指令。
      采用这种办法的前提是:指令和数据在主存内必须是连续存放的,一旦遇到转移指令,或者操作数不能连续存放,这种方法的效果就不明显。
    • 多体并行系统
      1.高位交叉编址的多体存储器:程序按体内地址顺序存放,故又有顺序存储之称。高位地址可表示体号,低位地址为体内地址。按这种编址方式,只要合理调动,使不同的请求源同时访问不同的体,便可实现并行工作。
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      2.地位交叉编址的多体存储器:程序连续存放在相邻体中,故又有交叉存储之称。低位地址用来表示体号,高位地址为体内地址。这种编址方法又称为模M编址(M等于模块数)。一般模块数M取2的方幂,使硬件电路比较简单。
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    高速缓冲存储器(cache)

           由于I/O设备向主存请求级别高于cpu访存,就出现了cpu等待主存的现象,降低了cpu的工作效率。为了避免cpu与I/O设备强访存,就在cpu与主存间加一级缓存,主存将cpu需要的信息提前送至缓存,一旦主存在与I/O设备交换时,cpu可以直接从缓存中读取数据,不必空等。
           cache主要由cache存储器,地址映射变换机构,cache替换机构组成

    cache的读写操作

           向cpu发出主存地址时,先要判断该存储字是否在cache中,若命中,直接送入cpu,若未命中,需一一边访问主存,一边写入cache。写入cache的方式有以下两种

    • 写直达法:写操作时数据既写入cache又写入主存。保证数据的一直性。优点是数据始终一致,并且操作简单;缺点是既要写入cache又要写入主存,写操作的时间是访问主存的时间,速度较慢。
    • 写回法:写操作时只把数据写入cache而不写入主存,但当cache数据被替换出去时才写入主存。优点写操作的时间就是访问cache的时间,速度快,而且对cache中的一个数据块多次写操作时只需一次写入主存,减少了主存的写操作次数;缺点时在读操作cache失效时发生数据替换,引起被替换的块写回主存的操作,增加了cache的复杂性。

    cache的改进

    • 单一缓存和二级缓存:随着集成电路逻辑密度的提高,把缓存直接与cpu制作在一个芯片内,称为片内缓存。这样可以提高外部总线的利用率以及存取速度。但是其容量不大,导致cpu访问的信息不在缓存内,所以在主存与片内缓存内再加一级缓存,称为片外缓存。片内缓存为第一级,片外缓存为第二级。
    • 统一缓存和分立缓存:统一缓存放在同一缓存内的cahce,分立缓存是指指令和数据分别存放在一个指令cache和一个数据cache中。

    cache映射

           cache映射变换机制是指将cpu送来的主存地址转换为cache地址。有以下三种方式:

    • 直接映射:主存数据块只能装入Cache中的唯一位置。若这个位置已有内容,则产生块冲突,原来的块将无条件地被替换出去(无须使用替换算法)。直接映射实现简单,但不够灵活,即使 Cache 存储器的其他许多地址空着也不能占用,这使得直接映射的块冲突概率最高,空间利用率最低。
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    • 全相联映射:可以把主存数据块装入 Cache 中的任何位置。全相联映射方式的优点是比较灵活,Cache 块的冲突概率低,空间利用率高,命中率也高,缺点是地址变换速度慢,实现成本高。
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    • 组相联映射:采取直接映射,主存数据块只能装入Cache中的唯一的组;组内采取全相联映射,主存数据块能装入组内的任意位置。
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    替换策略

           当新的主存块需要调入cache并且它的可用空间位置又被占满时,需要替换cache数据,这样就产生了替换算法,以下就是三种替换算法:

    • 先进先出算法(FIFO):选择最早调用的cache字块进行替换
    • 近期最少使用算法(LRU):利用局部性原理,替换出近期用的最少的字块
    • 随机法
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    千次阅读 2021-09-27 15:52:05
    文章目录一、存储器的分类1、按介质分类2、按存取方式分类3、按在计算机中的作用分类二、存储器的层次结构三、主存1、半导体存储芯片2、随机存取存储器3、只读存储器4、存储器与CPU的连接5、提高访存速度的措施四、...


    存储器是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据,当今,存储器的种类繁多,从不同的角度对存储器可作不同的分类。

    一、存储器的分类

    1、按介质分类

    • 半导体存储器:存储元件由半导体器件组成,现代半导体存储器都用超大规模集成电路工艺制成芯片,体积小、功耗低、存取时间短,但当电源消失时,所存信息也随即丢失,不过近年来已经研制出用非挥发性材料制成的半导体存储器,克服了信息易丢失的弊病;
    • 磁表面存储器:磁表面存储器是在金属或塑料基体表面上涂一层磁性材料作为记录介质,工作时磁层随磁体高速运转,用磁头在磁层上进行读/写操作,且信息不易丢失;
    • 磁芯存储器:磁芯是由硬磁材料做成的环状元件,在磁芯中穿有驱动线和读出线,目前已不被采用;
    • 光盘存储器:光盘存储器是采用激光在介质上进行读写的存储器,具有非易失性的特点,且光盘记录密度高、耐用性好、可靠性和可互换性强。

    2、按存取方式分类

    • 随机存储器(RAM,Random Access Memory):随机存储器是一种可读/写存储器,其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关,计算机主存都采用这种随机存储器
    • 只读存储器(ROM,Read Only Memory):只读存储器是能对其存储的内容读出,而不能对其重新写入的存储器,通常用它存储固定不变的程序、常数和汉字字库,操作系统的固化;
    • 串行访问存储器:如果对存储单元进行读/写操作时,需按其物理位置的先后顺序寻找地址,则这种存储器称为串行化访问存储器。

    3、按在计算机中的作用分类

    按在计算机系统中的作用不同,存储器主要分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器
    在这里插入图片描述

    二、存储器的层次结构

    存储器主要有三个性能指标:速度、容量和每位价格。
    在这里插入图片描述
    如图,越上层的存储器容量越小,速度越快,价格越贵。

    最上层的寄存器通常都制作在CPU芯片内,寄存器中的数直接在CPU内部参与运算;

    主存用来存放将要参与运行的程序和数据,其速度与CPU差距较大,因此为了使它们之间速度更好的匹配,在主存与CPU之间插入了一种速度比主存更快、容量更小的高速缓冲存储器Cache,现代计算机将Cache也制作在CPU内;

    磁盘、磁带属于辅助存储器,大都用来存放暂时未用到的程序和数据文件,CPU不能直接访问辅存,辅存只能与主存交换信息。

    缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题,其间的数据调动是由硬件自动完成的;

    主存-辅存主要解决存储系统的容量问题,其间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

    三、主存

    根据MAR(内存地址寄存器)中的地址访问某个存储单元后,还需要经过地址译码、驱动等电路才能找到所需访问的单元;读出时,需经过读出放大器,才能将被选中单元的存储字送到MDR,写入时,MDR中的数据也必须经过写入电路才能真正写入到被选中的单元中,主存的实际结构如下图:
    在这里插入图片描述
    现代计算机的主存都由半导体集成电路构成,图中的驱动器、译码器和读写电路均制作在存储芯片中,而MAR和MDR制作在CPU芯片内;

    当要从主存中读出某一信息字节时,首先由CPU将该字的地址送到MAR,经地址总线送至主存,然后发出读命令,主存接到读命令后,将该地址单元的内容读出,再将其由数据总线送至MDR。

    1、半导体存储芯片

    半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工艺,在一个芯片内集成具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读/写电路等;半导体存储芯片的译码驱动方式有两种,线选法和重合法;

    译码驱动能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,即找到地址指出的数据单元,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;

    读/写电路包括读出放大器和写入电路,用来完成读/写操作;

    在这里插入图片描述

    2、随机存取存储器

    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两大类

    静态RAM:

    存储器中用于寄存0或1代码的电路称为存储器的基本单元电路;

    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,它仍保持其原状态,不需要再生,但电源掉电时,原存信息丢失,故它属于易失性半导体存储器。

    动态RAM:

    常见的动态RAM基本单元电路有三管式和单管式两种,其特点是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。若电容上存有足够多的电荷表示存1,电容上无电荷表示存0,。电容上的电荷一般只能维持1~2ms,因此必须在2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态,这个过程称为再生或刷新。由于动态RAM与静态RAM相比具有集成度更高、功能更低等特点,目前被各类计算机广泛使用。

    3、只读存储器

    ROM的原始定义是一旦注入信息即不能改变,但随着用户的需要,有时不得不任意修改ROM内的信息,因此出现了PROM、EPROM、EEPROM等。

    • PROM:PROM是可以实现一次性编程的只读存储器,不得再修改;
    • EPROM:EPROM是一种可擦除可编程只读存储器,它可以由用户对其所存信息作任意次的改写。EPROM的改写可用两种方法,一种是用紫外线照射,但擦除时间比较长,而且不能对个别需改写的单元进行单独擦除或重写;另一种方法用电气方法将存储内容擦除,再重写。
    • EEPROM:在联机条件下,用字擦除方式或也擦除方式,即可局部擦写又可全部擦写的EPROM就是EEPROM。

    4、存储器与CPU的连接

    由于单片存储芯片的容量总是有限的,很难满足实际的需要,因此可将若干存储芯片连在一起组成足够容量的存储器,这种方式称为存储容量的扩展,通常有位扩展和字扩展。

    存储芯片与CPU芯片相连时,需要注意片与片之间的地址线、数据线和控制线的连接。

    • 地址线的连接:存储芯片的容量不同,其地址线数也不同,CPU的地址线数往往比存储芯片的地址线数多,因此总是将CPU的地址线的低位于存储芯片的地址线相连。
    • 数据线的连接:CPU的数据线数与存储芯片的数据线数不一定相等,此时就必须对存储芯片扩位,使其数据位数与CPU的数据线数相等。
    • 读写命令线的连接:CPU读/写命令线一般可直接与存储芯片的读/写控制端相连,通常高电平为读、低电平为写;
    • 片选线的连接:片选线的连接是CPU与存储芯片正确工作的关键,存储器由许多存储芯片组成,哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选控制端是否能接收到来自CPU的片选有效信号。

    5、提高访存速度的措施

    单体多字系统:由于程序和数据在存储体内是连续存放的,因此CPU访存取出的信息也是连续的,如果可以在一个存取周期内,从同一地址取出4条指令,然后再逐条将指令送至CPU执行,即每隔1/4存取周期,主存向CPU送一条指令,这样显然增大了存储器的带宽,提高了单体存储器的工作速度;

    多体并行系统:多体并行系统就是采用多体模块组成的存储器,每个模块有相同的容量和存取速度,有独立的地址寄存器和数据寄存器、地址译码、驱动电路和读写电路,既能并行工作也能交叉工作;

    四、高速缓冲器Cache

    在多体并行存储系统中,由于I/O设备向主存请求的级别高于CPU访存,这就出现了CPU等待I/O设备访存的现象,致使CPU空等一段时间,从而降低了CPU的工作效率,为了避免CPU与I/O设备争抢访存,可在CPU与主存之间加一级缓存,这样主存可将CPU要取得信息提前送至缓存,一旦主存在与I/O设备交换时,CPU可直接从缓存中读取所需信息,不必空等;

    通过大量典型程序的分析,发现CPU从主存取指令或是数据,在一定时间内只是对主存局部地址区域的访问,因为指令和数据在主存内都是连续存放的,并且有些指令和数据往往会被多次调用,根据这一现象,只要将CPU近期要用到的程序和数据提前从主存送到Cache,那么就可以做到CPU在一段时间内只访问Cache;

    在主存与片内缓存之间再增加一级缓存,称为片外缓存或二级缓存

    五、辅助存储器

    与主存相比,辅存具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点,属于非易失性特点;

    1、磁记录原理和记录方式

    写入数据时,记录介质在磁头下方匀速通过,根据写入代码的要求,对写入线圈输入一定方向和大小的电流,使磁头导磁体磁化,产生一定方向和强度的磁场,由于磁头和磁表面间距非常小,磁力线直接穿透磁层表面,将对应磁头下方的微小区域磁化,可以根据写入驱动电流的不同方向,使磁表面被磁化的极性方向不同,以区别记录0或1;

    读出时,记录介质在磁头下方匀速通过,磁头相对于一个个被读出的磁化单元作切割磁力线的运动,从而在磁头读线圈中产生感应电势e,其方向正好和磁通的变化方向相反,感应电势方向不同,便可读出1或0两种不同信息;

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