文章目录

第四章存储器
- 一、概述
- - 1.1、存储器分类
  - 1.2、存储器的层次结构
  - - 1.2.1、存储器三个主要特性的关系
    - 1.2.2、缓存-主存层次和主存-辅存层次
- 二、主存储器
- - 2.1、主存储器概述
  - - 2.1.1、主存的基本组成
    - 2.1.2、主存和CPU之间的联系
    - 2.1.3、主存中从出单元地址的分配
    - 2.1.4、主存的技术指标
  - 2.2、主存储器——半导体芯片简介
  - - 2.2.1、半导体存储芯片的基本结构
    - 2.2.2、半导体存储芯片的译码驱动方式
    - 2.2.3、随机存取存储器（RAM）
    - - 2.2.3.1、静态RAM（SRAM）
      - 2.2.3.2 动态RAM（DRAM）
      - 2.2.3.3、动态 RAM 刷新
    - 2.2.4、只读存储器
    - 2.2.5、存储器与CPU的连接
    - - 2.2.5.1、存储区容量的扩展
      - 2.2.5.2、存储器与CPU的连接
    - 2.2.6、存储器的校验
    - - 2.2.6.1、编码距离最小距离：
      - 2.2.5.2、汉明码的组成
      - 2.2.5.3、汉明码纠错过程
    - 2.2.7、提高存储速度的措施
- 三、高速缓冲存储器
- - 3.1、概述
  - - 3.1.1、为什么用Cache
    - - 3.1.2、Canche的工作原理
      - 3.1.3、Cache的基本结构
      - 3.1.4、Cache的读写操作
      - 3.1.5、Cache的改进
  - 3.2、Cache-主存的地址映射
  - - 3.2.1、直接映射
    - 3.2.2、全相联映射
    - 3.2.3、组相联映射
  - 3.3、替换算法
- 四、辅助存储器
- - 4.1、概述
  - 4.2、慈记录原理
  - 4.3、硬磁盘存储器
  - 4.4、软磁盘存储器
  - 4.5、光盘存储器

第四章存储器

一、概述

1.1、存储器分类

按存储介质分类：

半导体存储器 TTL（集成度低，功耗高，速度快）、MOS（功耗低，集成度高）易失
磁表面存储器：磁头、慈载体非易失
慈心存储器：硬磁材料、环状原件非易失
光盘存储器：激光、磁光材料非易失

按存取方式分类：

存取时间域物理地址无关（随机访问）
- 随机存储器（再程序执行过程过可读可写。
- 只读存储器（再程序执行过程冲值读）
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

按在计算机中的作用分类：

1.2、存储器的层次结构

1.2.1、存储器三个主要特性的关系

寄存器：可以给程序员使用的寄存器是体系结构寄存器，对程序员透明的寄存器是非体系结构寄存器

缓存：将缓存做到cpu内很难提高计算机的速度，可以将缓存做到主板上。

存储体系：把两种或两种以上的存储介质构成的存储器，用软件、硬件或软硬件相结合的方式连接成一个整体，在程序员看来就是一个整体，从整体来看具有高速度，大容量，低价格。

1.2.2、缓存-主存层次和主存-辅存层次

二、主存储器

2.1、主存储器概述

2.1.1、主存的基本组成

2.1.2、主存和CPU之间的联系

2.1.3、主存中从出单元地址的分配

2.1.4、主存的技术指标

存储容量：主存存放二进制代码的位数

存储速度：

存取时间：存储器的访问时间（分为：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。分为读周期，写周期
存储带宽：位/秒

2.2、主存储器——半导体芯片简介

2.2.1、半导体存储芯片的基本结构

地址线：单向的

芯片容量计算：2^10 * 4 = 1K * 4

数据线：双向的

片选线：芯片选择线，被选择的信号是否在芯片当中

存储芯片片选线的作用：

读写控制线：可以用一根表示，也可以用两根表示

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CDw7c0Kt-1651456246303)(https://gitee.com/DongJinWei/picgo-imgs/raw/master/images/image-20220429094706155.png)]

2.2.2、半导体存储芯片的译码驱动方式

线选法：不适用容量过大的芯片，当容量过大时，芯片无法集成这么多线
重合发：可以将芯片集成度做高

2.2.3、随机存取存储器（RAM）

2.2.3.1、静态RAM（SRAM）

静态RAM芯片举例：

2.2.3.2 动态RAM（DRAM）

2.2.3.3、动态 RAM 刷新

电容时间放久了，就会丢失电荷，存放的1就会变成0，所以需要对RAM进行刷新；

刷新于行地址有关，每次刷新是刷新一行内容；

集中刷新（存取周期为0.5us)
分散刷新（存取周期为1us）
分散刷新域集中刷新相结合（异步刷新）

2.2.4、只读存储器

早期的只读存储器——在厂家就写好了内容
改进1——用户可以抽产出写——一次性
改进2——可以多次写——要能够对信息进行擦除
改进3——电可擦写——特定设备
改进4——电可擦写——直接连接到计算机上

2.2.5、存储器与CPU的连接

2.2.5.1、存储区容量的扩展

位扩展（增加存储字长）
子扩展（怎加存储字的数量）
字、位扩展

2.2.5.2、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：
1. 保存系统程序使用ROM，保存配置信息用ROM；用户信息用RAM。
2. 芯片数量要少，片选逻辑要简单
其他：时序、负载

2.2.6、存储器的校验

合法代码集合

2.2.6.1、编码距离最小距离：

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
L - 1 = D + C(D>=C)，L——编码的最小距离，D——检测错位的位数，C——纠正错误位数

汉明码是具有以为纠错能力的编码

2.2.5.2、汉明码的组成

汉明码采用奇偶校验
汉明码采用分组校验
汉明码的分组是一种非划分方式

汉明码组成的三要素：
1. 汉明码的组成需要添加？位检测位：2^k >= n + k + 1
2. 检测位置？2^i(i = 0, 1, 2, 3, ...)
3. 检测位的取值？检测位的取值与该位所在的检测“小组”中承担的奇偶校验任务有关。

2.2.5.3、汉明码纠错过程

2.2.7、提高存储速度的措施

采用高速器件
采用层次结构 Cache-主存
调整主存结构

高位交叉适合存储器容量扩展，不适合存储器速度提升

地位交叉的特点：

在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽

低位交叉适合存储器带宽和访问速度的扩展。

三、高速缓冲存储器

3.1、概述

问题提出

避免CPU“空等”现象

CPU和主存（FRAM）的速度差异
程序访问局部性原理：
1. 时间局部性：当前正在使用的数据或指令，在不久的将来还会使用，当前的数据指令应该放入 Cache 中。
2. 空间局部性：当前正在使用的数据或指令，相邻的数据和指令可能被用到，把当前和相邻的数据放到 Cache 中。

3.1.1、为什么用Cache

3.1.2、Canche的工作原理

3.1.3、Cache的基本结构

3.1.4、Cache的读写操作

3.1.5、Cache的改进

3.2、Cache-主存的地址映射

3.2.1、直接映射

主存当中任意一个地址块，只能映射到一个 Cache 块中。

3.2.2、全相联映射

3.2.3、组相联映射

距离 CPU 越近，对 Cache 的速度要求越高，建议使用直接相连，距离 CPU 越远，对速度要求没那么高，可以使用组相联，距离 CPU 最远，可以使用全项链，对速度要求最低。

3.3、替换算法

先进先出（FIFO）算法：

最先放入 CPU 的块用完了，或者不久将来不会在使用这个块，可以让这个块替换出去。
近期最少使用（LRU）算法

在最近一段时间里，我们使用的最少的块，将来可能不用了，及使用，可以需要很长很长的时间，这种方法体现了程序的局部性原理。

四、辅助存储器

4.1、概述

4.2、慈记录原理

4.3、硬磁盘存储器

4.4、软磁盘存储器

4.5、光盘存储器

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