计算机组成原理复习：存储器系统

存储器包括：

存储器的分类

• 按照存储介质划分：
  半导体存储器、磁表面存储器、光存储器
• 按照读写性质划分：
  （1）随机读写存储器（RAM，易失性存储器，断电内容消失）：静态随机存储器SRAM、动态随机存储器DRAM
  （2）只读存储器（ROM，非易失性存储器，断电内容不消失）：EPROM、EEPROM、Flash Memory
• 按照在计算机中的层次作用分
  （1）主存储器（内存）
  （2）高速缓冲存储器Cache
  （3）辅助存储器（外存）

3.1 存储器的层次化结构

3.2 半导体随机存储器（RAM，易失性存储器）

3.2.1 静态随机存储器（SRAM）

• SRAM存储信息的原理：依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息
• 存储特点：速度快、功耗较大，集成度低，称为Cache
  
  
  

3.2.2 动态随机存储器（DRAM）

• DRAM存储信息的原理：依靠电容存储电荷的原理来存储信息
• 特点：功耗低，集成度高，速度快。现作为主存被各类计算机使用
  
  

3.2.3 只读存储器（DOM）

只读存储器的特点：

• 结构简单，位密度比支持读和写的存储器高，支持随机存取
• 只读存储器具有非易失性，故而可靠性高
• 根据制造工艺可以分为：
  （1）掩膜式只读存储器MROM：厂家写入，无法更改，可靠便宜集成度高灵活性差
  （2）一次可编程只读存储器PROM
  

（3）可擦除可编程只读存储器EPROM

（4）闪速存储器False Memory
快速读写，便于集成
（5）固态硬盘Solid State Drives
基于闪存的存储阵列

3.3 主存储器机器与CPU的连接

3.3.1 主存储器的组成与控制

3.3.2 主存储器容量扩展

存储容量：存放信息的总数，容量=存储字数x字长，如1Kx4，存储字数为1k，字长为4位

存取时间T_A：存储器从街道存储单元的地址码开始，到独处或存入数据为止所需的时间

存储周期T_M：CPU连续两次访问存储器所需要的最短时间间隔。存储周期包含存取时间，故应略大，T_M>T_A

扩展方式：

• 位扩展：用多个存储器器件对字长进行扩充
  连接方式：将多片存储器的地址线、片选端、读写控制端相应并联，数据端分别引出，多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位，这些芯片视为一个整体

• 字扩展：增加存储器中字的数量
  将各个芯片的地址线、数据线（相对于位扩展，字扩展新增数据线）、读写控制线相应并联，由片选信号来区分各个芯片的地址范围
  

• 字位扩展

3.3.3 存储器芯片与CPU的连接

译码方式：
（1）全译码：选片地址全部参加译码
出现全译码的两种情况：

• 实际使用的存储空间与CPU可访问的最大存储空间相同
• 实际使用的存储空间小于CPU可访问的最大存储空间，但对实际空间的地址范围有严格的要求

全译码的特点：所使用的芯片的地址范围是唯一的

当A15~A12为0100时，38译码器的Y4杠 为0，其他为1，右半边四张卡的CS杠使能端为1，通电，提取该4Kx8存储器中的内容。
至于按照4+12通道对CPU访存地址码长进行分类，是因为单张卡片4K是为2¹²，需要12位二进制位进行编码

（2）部分译码
当实际使用的存储空间比CPU可访问的最大存储空间小，并且对其他地址没有严格要求的情况下，可以采用该译码方式

3.4 高速缓冲存储器 Cache

主要内容：
（1）组成与工作原理
（2）Cache的基本映像方式：全相联映像、直接映像、组相联映像
（3）替换算法
（4）命中率及其相关计算

3.4.1 Cache基本工作原理

3.4.2 Cache的命中率

3.4.3 Cache的地址映像方式

（1）直接映像



主存有2⁷个分区，故而首先需要7位二进制作为主存标记，对于Cache一共有16行，需要4位作为Cache行号，最后行大小（每个块的大小）为512B，故而需要9位描述块内地址
以上组成主存的地址划分

直接映像的特点：
优点：实现简单，只需要利用主存地址，按照某些字段直接判断，即可确定所需字块是否已经在Cache中
缺点：不够灵活，主存的许多块只能对应唯一的Cache行。存储空间得不到充分利用，命中率低

（2）全相联映像

（3）组相联映像

3.4.4 Cache的更新与替换方式

（1）Cache更新算法

（2）Cache替换算法

常用的替换算法：

• 随机替换算法（RAND）
  不考虑使用情况，从候选Cache 行内随机选择一块来替换，性能要差些，但代价低。

• 先进先出算法（FIFO）
  在地址变换表中设置一个历史位，当替换时，总是把最先调入Cache的主存块替换掉，实现容易且开销小。不能正确反映程序的访问局部性，可能产生较大的缺失率。

• 最近最少用算法（LRU）
  将一组中近期最少使用的主存快替换出去
  

3.5 虚拟存储器

主要内容：虚拟存储的基本概念、原理、作用（TLB与Page）

3.6 外存储器（辅助存储器）：硬盘、光盘

主要内容：硬盘容量、数据传输率、寻址时间、平均访问时间等相关计算