408笔记📚

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（一）存储器的基本概念 ​

1. 存储器系统概述 ​

1.1. 按存储介质分类 ​

  • 半导体存储器：TTL，MOS，
  • 磁表面存储器：磁盘，磁带，磁鼓；
  • 磁芯存储器：硬磁材料、环状元件；
  • 光盘存储器：激光和磁光材料；
  • 特点
    • 半导体存储器：易失：断电后丢失信息；
    • 其他类型：非易失，断电后信息可以保持；

1.2. 按存取方式分类 ​

  • 随机存储器：存取所需时间与物理地址无关（随机访问）；
    • 随机读写存储器 RAM：程序运行时可读可写；
      • 主要用于主存、高速缓存；
      • 可以用存储周期来表示其速度；
    • 只读存储器 ROM：固化后，程序运行时只读；
      • 通常保存一些重要信息（系统文件）；
  • 串行存储器：存取所需时间与物理地址有关（串行访问）；
    • 顺序存储器（磁带）：只能按某种方式存取，存取速度慢；
    • 直接存储器（磁盘）：寻道类似随机访问，道内寻址类似顺序访问。速度介于上述二者之间；

2. 存储器的层次结构 ​

2.1. 存储器指标 ​

  • 3 个重要指标：速度、容量、每位价格；
  • 存储容量 = 存储字长 * 存储字数；
  • 单位成本（每位价格）= 总成本 / 存储容量；
  • 存储速度（数据传输率）= 数据带宽 / 存储周期；
  • 一般来说：速度越快，单位价格越高、容量越大，单位价格越低、容量越大，速度越低；

2.2. 存储器的层次结构 ​

  • 速度—容量层次（金字塔型）； image-20250313224235656

  • 缓存—主存和主存—辅存层次；

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    • 缓存—主存层次：解决内存和 CPU 速度不匹配问题，提高 CPU 处理速度和利用率；
    • 主存—辅存层次：解决容量问题；

3. 半导体随机存储器（RAM） ​

  • 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）：与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写，而且速度很快；
  • 通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质；
  • 分类：1）静态 RAM（SRAM），2）动态 RAM（DRAM）；

3.1. 静态 RAM ​

  • 存储单元：双稳态触发器

  • 用六个 MOS 管来存储 1 bit；

  • 非破坏性读出：信息被读出以后仍然保持，不需要再生或重写；

  • 特点：稳定，其结构简单，可靠性高，速度较快；

3.2. 动态 RAM ​

  • 原理：用电容存储电荷和释放电荷，电容上有足量电荷表示 1，否则 0；

  • 常见类型：三管式和单管式；

  • 破坏性读出；

  • 再生（刷新）

    • 一般来说，电容上的电荷在 1-2ms 内会自动消散；
    • 因此必须要在 2ms 之内对存储单元进行恢复（充电），称为再生操作（刷新）；
    • DRAM 采用读出的方式进行刷新，即一次刷新的时间 tR 与存储周期 tC 相同；
    • 刷新的单位是行（设存储单元为二维矩阵排布）；
    • 刷新操作不受外部控制；刷新时，CPU 无法访问存储器；

  • DRAM 刷新的方式：1）集中刷新，2）分散刷新，3）集中 + 分散刷新；

    • 集中刷新：刷新间隔内，前面一段时间集中读写，最后一段时间停止读写，集中刷新；

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      • 死亡时间：最后 128 个周期共 64μs 无法访存，称为死亡时间；

    • 分散刷新：存取周期加倍，前半部分用于访存，后半部分刷新；

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      • 优点：没有死亡时间；
      • 缺点：存取周期变长，会使得 CPU 闲置时间变长，CPU 利用率下降；

    • 分散刷新 + 集中刷新：将每行的刷新均摊到 2ms 的刷新周期内；

      • 假设芯片 128×128，存取周期 tC 为 0.5 μs，刷新周期 2ms；
      • 则每行每隔 2ms/128 = 15.6μs 刷新一次，某行刷新不影响其他行访存；
      • 死亡时间变为单行的刷新时间，即 0.5 μs；

3.3. SRAM v.s. DRAM ​

  • 共同点：都是易失性存储器；

  • 区别

    DRAMSRAM
    存储原理电容双稳态触发器
    集成度高低
    芯片引脚少多
    功耗低高
    价格低高
    速度较慢较快
    再生需要不需要
    破坏性读出是否

4. 只读存储器 ROM ​

4.1. 分类 ​

  • 掩模 ROM（MROM）；
  • 一次性编程 ROM（PROM）；
  • 可擦可编程 ROM（EPROM）：一次性全部擦除，需要用紫外线擦洗；
  • 多次可擦可编程 ROM（EEPROM）：电可擦写，可局部也可全局擦写；
  • 闪存 Flash Memory：基于 EPROM 与 EEPROM，但原理不同。其读写一般以块为单位；
    • 注意 1：闪存 FM 不属于随机存储器（RAM），属于 ROM，但 FM 具备 RAM 的功能；
    • 注意 2：FM 的读写速度不同（读速度 > 写速度，对于绝大多数存储器都成立）；

习题 ​

    1. 可以随机读写，且只要不断电，存储有的信息就可以一直保存的是（）
    • A. RAM
    • B. VRAM
    • C. DRAM
    • D. SRAM
    • 答案：D；
    • 解析：DRAM 需要刷新，不符合可以一直保存的条件。注意区分非易失和可以一直保存。DRAM 是非易失，但是不断电也不能一直保存数据，需要刷新；