计算机组成原理--三章四章

第三章：存储系统

3.1 存储系统基本概念

引入

对于一台电脑来说，其主机中会有主存储器，这个主存储器可以直接与CPU交互，而他还有个别名：内存

而对于硬盘、磁盘这种，属于是辅存，也就是我们平时说的存储空间的大小

存储器的层次结构

简介

1、内存：

1、首先，第一点，可以看到一个金字塔，他越向上的部件，速度越快，造价越高，容量越小

2、当我们启动一个应用的时候，一般应用的数据、启动程序都在辅存（硬盘）中，而启动一个程序需要CPU去运行其启动程序、数据等，而CPU不能直接访问辅存，所以，一般辅存会将数据给到主存（内存），然后内存再给到CPU
（我们开启微信时，刚开始的一个地球的画面，就是等待数据从辅存调入主存）

2、cache：

在主存与CPU之间，多出了一个cache，称为高速缓冲存储器

**存在原因：**因为虽然主存的读写速度已经很快很快了，但是其仍然跟不上CPU的速度，所以，我们将一个进程常用的数据或者程序拷贝一份到Cache中，这样，CPU就无需去主存拿数据，而直接与cache交互，缓解主存和CPU之间的速度矛盾，提高CPU性能的释放效率

例如：我们在微信视频时，可能“控制视频”的那段代码或者程序或者数据，会被拷贝到cache中，这样，CPU就可以高速的读取所需要的数据了

3、寄存器：

在cache与CPU直接，实际上还夹着一个东西叫“寄存器”，例如前面用到的ACC、MQ等

而寄存器的读写速度又会比Cache高出好多，CPU可以将临时的数据放入寄存器，以辅助CPU完成高速计算

补充：

1、主存与辅存之间的数据交换，需要硬件+操作系统，一起完成

2、而Cache与主存之间的数据交换，纯硬件完成

3、主存与辅存数据交换需要硬件+操作系统来实现，具体实现了虚拟存储系统（操作系统会讲），解决了主存容量不够的问题
4、cache与主存，解决了主存与CPU速度不匹配的问题

产品

1、cache缓冲区：cache缓冲区一般都在CPU内部，所以，每个CPU产品都会说明其cache的一些属性，可以看到cache的速度特别快，已经接近1kGB/s了，但是其容量很小，只有12MB

2、内存条：内存条也就是主存，他的速度也很快，大概是40G/s的速度，其容量为8G

3、硬盘：也就是辅存，他的速度就会慢很多，实际速度可能只有100MB/s，但是其容量很大，都是以TB为单位

4、外存：一些光盘、U盘等，特点就是量大便宜，速度很慢

补充：固态硬盘

固态硬盘也属于硬盘，之前那个100MB/S的是机械硬盘，而固态硬盘的速度可达到4GB/S，大约是主存的十分之一，所以现在主流都在用固态硬盘代替机械硬盘
因为开机程序也在辅存中，所以固态硬盘速度越快，开机程序越快被主存调入，也就越快被CPU访问，开机速度就越快

总结：存储系统就是由cache、主存（内存）、辅存（硬盘）、外存构成

存储器的分类

按层次分类

按照层次分类，分为三类：
1、高速缓存：cache
2、主存储器：主存
3、辅助存储器：辅存、外存

其中，前两类能被CPU直接读写

按照介质分类

按照介质分：
1、半导体：cache、主存
2、磁性材料：磁盘（辅存）、磁带（外存）
3、光介质：光盘（外存）

按照存取方式分类

1、随机存取存储器：内存
其想要访问某个地址的数据时，可以直接定位到目标地址，称之为随机存取

2、顺序存取存储器：外存（磁带）
想要访问某个地址的数据时，要从头开始按照顺序来到目标地址，而不能直接跳到目标地址

3、直接存取存储器：硬盘（辅存）
他有两个动作
一个是磁头臂会伸缩，从而调节磁头所在的半径，该动作为“随机存取”的特点
另一个是磁盘会自己旋转，而该过程想要得到一圈内某个点上的数据时，必须要等圈转到磁头了才能访问到，是“顺序存取”的特点
所以，他有随机存取和顺序存取的特点，我们称之为直接存取

其中，第二第三种，由于其都涉及到顺序存取，所以是串行访问存储器

另外：

上面三种存储器都是以“地址”为目标进行定位，并访问其上的数据

而还有一种存储器，称之为“相联存储器”，他定位数据不靠地址，而是靠数据内容，例如“快表”

按照信息的可更改性

存储器可以分为读写存储器和只读存储器

其中，只读存储器，只能读数据，不能写数据，音乐和电影很好理解，而BIOS，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

按照信息的可保护性

1、断电后不会保存原有数据：主存、cache
2、断电后会保存原有数据：磁盘（辅存）、光盘（外存）

3、信息读出后，原有数据会被破坏：DRAM芯片（后续会讲）
4、信息读出后，原有数据不会被破坏：磁盘（辅存）、光盘（外存）

存储器的性能指标

存储容量

存储容量=字数*字长，其中，字数好理解，就是有几个“字”
字长，则为一个内存单元有多少bit，或者说多少位，一位一个bit

MDR的位数反映了字长，MAR的位数反映了字数

补充：

我们平时说的GB、MB，其都是以B为单位，也就是字节，而1B=8bit，也就是8位

B->KB->MB->GB->TB
（计算机中，大K 就代表 1024）
而每进一位，都是乘以了1024
每退一位，都是除以了1024

单位成本

存储速度

存储速度，又称“主存带宽”

计算时，使用数据宽度（即字长），除以，存取周期（注意存取周期不等于存取时间，而是存取时间+恢复时间）

总结

3.2

主存储器的基本组成

半导体元器件的原理

基本部件

1、一个主存，也就是一块内存条上，由三部分组成，一个是存储体，一个是MAR，一个是MDR，其中MAR、MDR分别是地址寄存器和数据寄存器。存储体就是内存地址块

2、而存储体，是由许多的存储元构成的，一个存储元代表一个bit位

3、而一个存储元，上面有一电容以及一个MOS管，这个MOS管，是当输入电压达到某个阈值，MOS管那部分的电路就会接通，不然断开

存储元的功能实现

PS:一个存储元代表一个bit位

从存储元读取电容处是1还是0：

当MOS管的上面那端是高电平，则MOS管下面那端电路就会接通，此时，如果电容有电荷，则部分电荷会来到输出端，可以读取到此时电容为1
而如果电容没有电荷，此时没有任何电荷来到输出端，就会读取到此时电容为0

从向存储元写入1或者0：

将输出端加上一个高电平电压，同时MOS管也加上高电压，使得电路接通，那此时，电容的上面就是5V，而下面由于接地，为0V，产生了电压差，所以电容上面会充满电荷，一段时间后，将MOS端的高电压撤下，这样，电荷就保存在了电容中，所以，电容此时表示二进制的“1”

而不进行上述操作，电容就不会有电荷，表示二进制的“0”，前提是电容本来就没电荷

存储元组合：

1、8个存储元，的MOS管的控制端被一条红线控制，所以，该红线上是0还是1，会直接影响到这8个存储元是通还是断

2、一列的存储元都通过一条绿线，将结果输出，所以，可以直接从最上面的绿色端口看到8bit的二进制
这也是为什么主存（内存）每次读或者写，其单位都是读写一个“字”，因为绿线连接了一列，所以，每次只能保持一条红线是1，其他都是0，不然会将两排的结果混合
（不仅内存是这样，每个存储器都是这样）

3、一排组成了一个“字”

4、多个“字”组成了存储体

不一定一个字就是8b，具体看存储器的结构

存储芯片的基本原理

如何实现不同的寻址方式

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