计算机组成原理之存储器

计算机组成原理之存储器知识梳理，包括存储器分类、存储器的层次结构、主存储器、高速缓冲存储器Cache等内容。

存储器

• 存储器分类
  • 按存储介质分类
    • 半导体存储器
      • 易失
      • TTL、MOS
    • 磁表面存储器
    • 磁芯存储器
    • 光盘存储器
    • 非易失
  • 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RAM
        • 可读/可写，主存都采用RAM
      • 只读存储器ROM
        • 只读，可用于系统程序区
    • 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
  • 按在计算机中的作用分类
    • 主存储器
      • RAM
        • 静态RAM
        • 动态RAM
      • ROM
        • MROM
        • PROM
        • EPROM
        • EEPROM
    • 闪速存储器（Flash Memory）
    • 高速缓冲存储器（Cache）
    • 辅助存储器
      • 磁盘、磁带、光盘
• 存储器的层次结构
  • 缓存—主存层次
    • 解决CPU和主存速度不匹配的问题
  • 主存—辅存层次
    • 解决存储系统的容量问题
    • 虚拟存储系统
      • 主存储器—虚拟存储器
      • 实地址—虚地址
      • 物理地址—逻辑地址
• 主存储器
  • 概述
    • 主存的基本组成
    • 主存与CPU的联系
    • 主存中存储单元地址的分配
    • 主存的技术指标
      • 存储容量
        • 存放二进制代码的总位数
      • 存储速度
        • 存取时间
          • 存储器的 访问时间
            • 读出时间
            • 写入时间
        • 存取周期
          • 连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的 最小间隔时间
      • 存储器带宽
        • 位/秒
  • 半导体存储芯片
    • 容量
    • 译码驱动方式
      • 线选法
      • 重合法
        • 由X、Y两个方向的地址决定
  • 随机存取存储器RAM
    • 静态RAM（SRAM）
      • 工作原理：触发器
    • 动态RAM（DRAM）
      • 工作原理：电容存储电荷
        • 电容有电为"1"，没电为"0"
      • 分为
        • 三管式
          • 读出相反
          • 写入相同
        • 单管式
      • 动态RAM的刷新
        • 因为电容会漏电
        • 刷新放大器
        • 读放大器
          • 跷跷板电路，两侧电平相反
        • 刷新方式
          • 集中刷新
            • 一个刷新周期内全部刷新
            • 刷新时间内不能进行读/写，"死时间"、访存"死区"
          • 分散刷新
            • 将刷新分散到每个存取周期，前半段读写、后半段刷新
            • 无死区，但存取周期长了，系统速度减低了
          • 异步刷新
            • 前两种方式的结合，一次刷新一行，
            • 将刷新安排在指令译码阶段，不会出现 “死区”
    • DRAM和SRAM的比较
  • 只读存储器ROM
    • 掩模 ROM ( MROM )
      • 行列选择线交叉处有 MOS 管为“1”，无为"0"
    • PROM (一次性编程)
      • 熔丝断 为 “0”,熔丝未断 为 “1”
    • EPROM (多次性编程 )
      • 可用紫外线擦洗，即驱散浮动栅
    • EEPROM (多次性编程 )
    • Flash Memory (闪速型存储器)
  • 存储器与CPU的连接
    • 存储容量的扩展
      • 位扩展：增加存储字长
      • 字扩展：增加存储器字的数量
    • 存储器与CPU的连接
      • 写出对应的二进制地址码
      • 确定芯片的数量及类型
      • 分配CPU的地址线
      • 形成片选信号
  • 存储器的校验
    • 编码最小距离
      • 任意两组合法代码之间 二进制位 的 最少差异数
    • 汉明码
      • 一位纠错能力
        • 奇偶检验
        • 分组检验
      • 三要素
      • 汉明码和原码的相互转换
  • 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
      • 单体多字系统
        • 增加了存储器的带宽
      • 多体并行系统
        • 高位交叉
          • 体号—体内地址
            • 提高存储器容量
        • 地位交叉
          • 体内地址—体号
            • 提高带宽、访问速度
    • 高性能存储芯片
      • SDRAM (同步 DRAM)
      • RDRAM
      • 带 Cache 的 DRAM
• 高速缓冲存储器Cache
  • 概述
    • CPU 和主存（DRAM）的速度差异
      • 避免 CPU “空等” 现象
    • 主存和缓存按块存储
      • 块的大小相同
      • 主存块号写入Cache标记中
    • Cache –主存系统的效率
      • 命中率
      • 访问效率
      • 平均访问时间
    • 读写操作
      • 写直达法
        • 既写入Cache又写入主存
      • 写回法
        • 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
  • Cache-主存的地址映射
    • 直接映射
      • 某一 主存块 只能固定 映射到 某一 缓存块
      • 速度快，不灵活
    • 全相联映射
      • 某一 主存块 能 映射到 任一 缓存块
      • 成本高
    • 组相连映射
      • 某一 主存块 只能 映射到 某一 缓存 组 中的 任一块
  • 替换算法
    • 先进先出 （ FIFO ）算法
    • 近期最少使用（ LRU）算法
• 辅助存储器