计组之存储系统

存储器概述

分类

1.按在计算机中的作用（层次）分类

• 主存储器。CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器（Cache)及辅助存储器交换数据。
• 辅助存储器。辅存的内容需要调入主存后才能被CPU访问。
• 高速缓冲存储器。位于主存和CPU之间，现代计算机通常将它们制作在CPU中。

	别名	用途	特点
主存储器	主存，内存储器（内存）	用来存放计算机运行期间所需的程序和数据	容量较小、存取速度较快、每位的价格较高。
辅助存储器	辅存，外存储器 (外存)	用来存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息	容量大、存取速度较慢、单位成本低。
高速缓冲存储器	Cache	用来存放当前 CPU经常使用的指令和数据	Cache的存取速度可与CPU的速度相匹配，但存储容量小、价格高。

2.按存储介质分类

• 存储器可分为磁表面存储器（磁盘、磁带）
• 磁芯存储器
• 半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）
• 光存储器（光盘）。

3.按存取方式分类

• 随机存储器(RAM)。 RAM又分为静态RAM和动态RAM 
• 只读存储器(ROM)。 
• 串行访问存储器。包括：顺序存取存储器(如磁带)与直接存取存储器(如磁盘、光盘)。
• 顺序存取存储器 的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，其特点是存取速度慢。
• 直接存取存储器 既不像RAM那样随机地访问任何一个存储单元，又不像顺序存取存储器那样完全按顺序存取，而是介于两者之间。存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域(如磁盘.上的磁道)，再在小区域内顺序查找。

	特点
随机存储器(RAM)	随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关读写方便、使用灵活，主要用作主存或高速缓冲存储器
只读存储器(ROM)	只能随机读出而不能写入，信息一旦写入存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失
串行访问存储器	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址

4.按信息的可保存性分类

• 断电后，存储信息即消失的存储器，称为易失性存储器，如RAM。
• 断电后信息仍然保持的存储器，称为非易失性存储器，如ROM、磁表面存储器和光存储器。
• 若某个存储单元所存储的信息被读出时，原存储信息被破坏，则称为破坏性读出;
• 若读出时，被读单元原存储信息不被破坏，则称为非破坏性读出。
• 具有破坏性读出性能的存储器，每次读出操作后，必须紧接一个再生的操作，以便恢复被破坏的信息。

存储器的性能指标

存储器有3个主要性能指标，即存储容量、单位成本和存储速度。这3个指标相互制约，设
计存储器系统所追求的目标就是大容量、低成本和高速度。

• 存储容量=存储字数x字长(如1Mx8位)。单位换算: 1B (Byte, 字节)=8b (bit, 位)。.
• 单位成本:每位价格=总成本/总容量。
• 存储速度:数据传输率=数据的宽度/存取周期(或称存储周期)。
• ①存取时间(Tg):存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。
• ②存取周期(Tm):存取周期又称读写周期或访问周期。它是指存储器进行- -次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立访问存储器操作(读或写操作)之间所需的最小时间间隔。
• ③主存带宽(Bm):主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量,单位为字/秒、字节/秒(B/s) 或位/秒(b/s)。
• 存取时间不等于存取周期，通常存取周期大于存取时间。

 多级层次的存储系统

相联存储器是按( 内容指定方式和地址指定方式相结合 )进行寻址的存储器。

设机器字长为64位，存储容量为128MB,若按字编址，它可寻址的单元个数是16M

主存储器

DRAM和SRAM

主存储器由DRAM实现，靠处理器的那一层(Cache) 则由SRAM实现

DRAM常用的刷新方式有3种:

• 集中刷新：指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生。
• 分散刷新：把对每行的刷新分散到各个工作周期中。
• 异步刷新：异步刷新是前两种方法的结合。
   

	是否有死时间	特点
集中刷新	有	优点是读写操作时不受刷新工作的影响;缺点是在集中刷新期间(死区)不能访问存储器
分散刷新	没有	优点是没有死区;缺点是加长了系统的存取周期，降低了整机的速度。
异步刷新	缩短死时间	既可缩短“死时间”，又能充分利用最大刷 新间隔为2ms的特点，提高了整机的工作效率

SRAM例题：某一SRAM芯片，其容量为1024x8位，除电源和接地端外，该芯片的引脚的最小数目为(A)。
A.21   B.22   C.23   D.24

芯片容量为1024x8位，说明芯片容量为1024B,且以字节为单位存取，即地址线数要10根
（1024B = 2^10B）。 8位说明数据线要8根，加上片选线和读/写控制线（读控制为RD、写控制为WE）,因此引脚数最小为10 + 8 +1+2 = 21根
注意：读写控制线也可共用一根，但题中无20选项，做题时应随机应变。

DRAM例题：某一DRAM芯片，采用地址复用技术，其容量为1024x8 位，除电源和接地端外，该芯
片的引脚数最少是( ) (读写控制线为两根)。
A.16.
B.17
C.19
D.21

1024x8位，因此可寻址范围是1024B = 210B,按字节寻址。采用地址复用技术时，通过行通
选和列通选分行、列两次传送地址信号，因此地址线减半为5根，数据线仍为8根；加上行通选和列通选及读/写控制线（片选线用行通选代替）4根，总共是17根
注意SRAM和DRAM的区别，DRAM采用地址复用技术，而SRAM不采用

只读存储器

ROM器件的优点：

1) 结构简单，所以位密度比可读写存储器的高。
2) 具有非易失性，所以可靠性高
 

ROM的类型

根据制造工艺的不同，ROM可分为

• 掩模式只读存储器(MROM)
• 一次可编程只读存储器(PROM)
• 可擦除可编程只读存储器(EPROM)
• Flash 存储器
• 固态硬盘(SSD)。

	写入限制	特点
掩模式只读存储器	半导体制造厂按用户提出的要求在芯片的生产过程中直接写入	优点是可靠性高，集成度高，价格便宜;缺点是灵活性差。
一次可编程只读存储器	允许用户利用专门的设备(编程器)写入自己的程序	允许用户利用专门的设备(编程器)写入自己 的程序，一旦写入，内容就无法改变。
可擦除可编程只读存储器	不仅可以由用户利用编程器写入信息，而且可以对其内容进行多次改写	由用户利用编程器写入信息，可以对其内容进行多次改写，编程次数有限，且写入时间过长。
Flash存储器	在线进行快速擦除与重写	可在不加电的情况下长期保存信息，又能在线进行快速擦除与重写
固态硬盘(Solid State Drives， SSD)	保留了 Flash存储器长期保存信息、快速擦除与重写的特性	读写速度快、低功耗的特性，缺点是价格较高

多模块存储器

多模块存储器是一种空间并行技术，利用多个结构完全相同的存储模块的并行工作来提高存储
器的吞吐率。常用的有单体多字存储器和多体低位交叉存储器

单体多字存储器 

单体多字系统的特点是存储器中只有一个存储体，每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m
物个字。一次并行读出m个字，地址必须顺序排列并处于同一存储单元。

多体并行存储器

器由多体模块组成。每个模块都有相同的容量和存取速度，各模块都有独立的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器。它们既能并行工作，又能交叉工作。

• 高位交叉编址(顺序方式)：填满一个模块，再填下一个
• 低位交叉编址(交叉方式)：讲究的是雨露均沾

高位交叉存储器在单个存储器中的字是连续存放的，不满足程序的局部性原理；

而低位交叉存储器是交叉存放，很好地满足了程序的局部性原理

主存器与CPU的连接 

这部分啊，还得自己做题，自己算

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

• 线选法用除片内寻址外的高位地址线直接(或经反相器）分别接至各个存储芯片的片选端，当某地址线信息为“0”时，就选中与之对应的存储芯片。这些片选地址线每次寻址时只能有一位有效
• 优点：不需要地址译码器，线路简单。
• 缺点：地址空间不连续，选片的地址线必须分时为低电平（否则不能工作），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 

• 译码片选法，即用一片74LS138作为地址译码器，则A15 A14 A13=000时选中第一片，
• A15 A14 A13=001时选中第二片，以此类推（即3位二进制编码）。 

 存储器与CPU的连接

1. 合理选择存储芯片
2. 地址线的连接
3. 数据线的连接
4. 读/写命令线的连接
5. 片选线的连接

外部存储器

磁盘存储器

最小读写单位是一个扇区

磁盘存储器的优点：

• ①存储容量大，位价格低；
• ②记录介质可重复使用；
• ③记录信息可长期保存而不丢失，甚至可脱机存档；
• ④非破坏性读出，读出时不需要再生。

缺点：存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。 

1.磁盘存储器

（1）磁盘设备的组成

① 硬盘存储器的组成。

• 硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。·、

②存储区域。

• 磁头数（Heads)
• 柱面数（Cylinders)
• 扇区数(Sectors)

 (3）磁盘的性能指标

①记录密度

• 道密度(60道/cm)、位密度（100bit/cm）和面密度，面密度是位密度和道密度的乘积。

②磁盘的容量

• 格式化后的容量比非格式化容量要小。

③平均存取时间。

• 平均存取时间由寻道时间(磁头移动到目的磁道的时间）、旋转延迟时间(磁头定位到要读写扇区的时间）和传输时间（传输数据所花费的时间）三部分构成。由于寻道和找扇区的距离远近不一，故寻道时间和旋转延迟时间通常取平均值。

④数据传输率。

• 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。假设磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为N字节，则数据传输率为Dr=rN

（4）磁盘地址

若系统中有4个驱动器，每个驱动器带一个磁盘，每个磁盘256个磁道、16个盘面，每个盘面划分为16个扇区，则每个扇区地址要18位二进制代码，其格式如下图所示。

(5）硬盘的工作过程

• 寻址、读盘、写盘。每个操作都对应一个控制字，硬盘工作时，第一步是取控制字，第二步是执行控制字。硬盘属于机械式部件，其读写操作是串行的，不可能在同一时刻既读又写，也不可能在同一时刻读两组数据或写两组数据。 

2.磁盘阵列 

• 越往下，可靠性越高
• RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列。
• RAID1：镜像磁盘阵列。
• RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。
• RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列。
• RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。
• RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列。 

固态硬盘 

• 固态硬盘基于闪存技术，没有机械部件，随机读写不需要机械操作，因此速度明显高于磁盘
• SSD的缺点是容易磨损 ，随机写很慢

【2015统考真题】若磁盘转速为7200转/分，平均寻道时间为8ms，每个磁道包含1000个扇区，则访问一个扇区的平均存取时间大约是（）。

A.8.1msB. 12.2msC.16.3msD. 20.5ms 

 高速缓冲器

这个人写得好：计组——彻底搞懂cache主存映射以及cache容量的计算_cache总容量怎么算-CSDN博客

我这里就放两个例题： 

标记	cache行号	块内地址
17	10	5

主存快大小32B，所以块内地址为5位，2^5=32

一共32KB的数据区除以一个主存快大小32B=1K=2^10，所以行号这部分就是10

最后求标记：32-10-5=17

回写策略（脏位）要一位

有效位占一个

共计：17+1+1+32*8=275

 ​​​​​​

标记	组号	块内地址
20	6	6

还是先从主存块抓起：

64B=2^6,所以块内地址占6位

求组号：

32KB除以64=2^9个行，2^9除以8=3^6,所以组号是6，（因为8路嘛，一组就有八个行，就得除以8）

标记：

32-6-6=20

比较器个数就是几路，8路所以就需要8个

比较器的位数是标记位：20

在组相联映射的Cache 中，“比较器”用于并行地比较分组中所有Cache行的Tag标记位与欲访问物理地址的Tag标记位，因此比较器的个数就是分组中的Cache行数8，比较器的位数就是Tag标记位数20。