存储器层次结构

发表于 2024-11-18 阅读次数： Waline：本文字数： 3.2k 阅读时长 ≈ 12 分钟

存储器概述

基本术语：

记忆单元/存储基元/存储元/位元（Cell）
- 具有两种稳态的能够表示二进制数码 0 和 1 的物理器件
存储单元/编址单位（Addressing Unit）
- 具有相同地址的位构成一个存储单元，也称为一个编址单位
存储体/ 存储矩阵/存储阵列（Bank）
- 所有存储单元构成一个存储阵列
编址方式（Addressing Mode）
- 按字节编址、按字编址
存储器地址寄存器（Memory Address Register, MAR）
- 用于存放主存单元地址的寄存器
存储器数据寄存器（Memory Data Register, MDR/MBR）
- 用于存放主存单元中的数据的寄存器

按工作性质/存取方式分类：

随机存取存储器 Random Access Memory (RAM)
- 按地址访问，每个单元读写时间一样，且与各单元所在位置无关。如：内存。
- 原意主要强调地址译码时间相同。现在的 DRAM 芯片采用行缓冲，因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别。
顺序存取存储器 Sequential Access Memory (SAM)
- 数据按顺序从存储载体的始端读出或写入，因而存取时间的长短与信息所在位置有关。例如：磁带。
直接存取存储器 Direct Access Memory (DAM)
- 直接定位到读写数据块，在读写数据块时按顺序进行。如磁盘。
相联存储器 Associate Memory (AM)，Content Addressed Memory (CAM)
- 按内容检索到存储位置进行读写。例如：快表。

按存储介质分类：

半导体存储器：双极型，静态 MOS 型，动态 MOS 型
磁表面存储器：磁盘（Disk）、磁带（Tape）
光存储器：CD，CD-ROM，DVD

按信息的可更改性分类：

读写存储器（Read/Write Memory)：可读可写
只读存储器（Read Only Memory)：只能读不能写

按断电后信息的可保存性分类：

非易失（不挥发）性存储器（Nonvolatile Memory）
- 信息可一直保留，不需电源维持。
- 如：ROM、磁表面存储器、光存储器等
易失（挥发）性存储器（Volatile Memory）
- 电源关闭时信息自动丢失。（如：RAM、Cache 等）

按功能/容量/速度/所在位置分类：

寄存器（Register）
- 封装在 CPU 内，用于存放当前正在执行的指令和使用的数据
- 用触发器实现，速度快，容量小（几 ~ 几十个）
高速缓存（Cache）
- 位于 CPU 内部或附近，用来存放当前要执行的局部程序段和数据
- 用 SRAM 实现，速度可与 CPU 匹配，容量小（几 MB）
主存储器 MM（Main (Primary) Memory）
- 位于 CPU 之外，用来存放已被启动的程序及所用的数据
- 用 DRAM 实现，速度较快，容量较大（几 GB）
外存储器 AM （辅助存储器 Auxiliary / Secondary Storage）
- 位于主机之外，用来存放暂不运行的程序、数据或存档文件
- 用磁表面或光存储器实现，容量大而速度慢

内存与外存的关系及其比较：

外存储器（外存/辅存）
- 存取速度慢
- 成本低、容量很大
- 不与 CPU 直接连接，先传送到内存，然后才能被 CPU 使用。
- 属于非易失性存储器，用于长久存放系统中几乎所有的信息
内存储器（内存/主存）
内存储器（简称内存或主存）
- 存取速度快
- 成本高、容量相对较小
- 直接与 CPU 连接，CPU 对内存中可直接进行读、写操作
- 属于易失性存储器（volatile），用于临时存放正在运行的程序和数据

主存的结构：

主存的主要性能指标：

按字节连续编址，每个存储单元为 1 个字节（8 个二进位）
存储容量：所包含的存储单元的总数（单位：MB 或 GB）
存取时间 $T_{\mathrm{A}}$ $T_{A}$ ：从 CPU 送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到 CPU（或者是把 CPU 数据写入主存）所需要的时间（单位：ns）
- 分读取时间和写入时间
存储周期 $T_{\mathrm{MC}}$ $T_{MC}$ ：连读两次访问存储器所需的最小时间间隔，它应等于存取时间加上下一次存取开始前所要求的附加时间
- 因此， $T_{\mathrm{MC}}$ 比 $T_{\mathrm{A}}$ 大
- 因为存储器由于读出放大器、驱动电路等都有一段稳定恢复时间，所以读出后不能立即进行下一次访问。
- 就像一趟火车运行时间和发车周期是两个不同概念一样。

为了缩小存储器和处理器两者之间在性能方面的差距，通常在计算机内部采用层次化的存储器体系结构：

速度越快，容量越小，越靠近 CPU。
CPU 可以直接访问内部存储器；而外部存储器信息要先被取到主存，再被 CPU 访问。
数据一般只在相邻层之间复制传输，而且总是从慢速存储器复制到快速存储器。

半导体随机存取存储器

六管静态 MOS 管存储元件

非破坏性读出。

信息存储原理：看作带时钟的 RS 触发器。

保持时：
- 字线为 0（低电平）
写入时：
- 位线上是被写入的二进位信息 0 或 1
- 置字线为 1
- 存储单元(触发器)按位线的状态设置成 0 或 1
读出时：
- 置 2 个位线为高电平
- 置字线为 1
- 存储单元状态不同，位线的输出不同

单管动态 MOS 存储元件

读写原理：字线上加高电平，使 T 管导通。

写「0」时，数据线加低电平，使 $\mathrm{C_S}$ 上电荷对数据线放电；
写「1」时，数据线加高电平，使数据线对 $\mathrm{C_S}$ 充电；
读出时，数据线上有一读出电压。它与 $\mathrm{C_S}$ 上电荷量成正比。

优缺点：

优点：电路元件少，功耗小，集成度高，用于构建主存储器
缺点：速度慢、是破坏性读出（需读后再生）、需定时刷新

刷新：DRAM 的一个重要特点是，数据以电荷的形式保存在电容中，电容的放电使得电荷通常只能维持几十个毫秒左右，相当于 1M 个时钟周期左右，因此要定期进行刷新（读出后重新写回），按行进行（所有芯片中的同一行一起进行），刷新操作所需时间通常只占 1% ~ 2% 左右。

静态存储元件与动态存储元件比较

静态存储元件：
- MOS 管多，功耗大，集成度低；
- 可保持记忆状态，无须刷新；
- 读写速度快；
- 价格昂贵。
动态存储元件：
- MOS 管少，功耗小，集成度高；
- 必须定时刷新；
- 读写速度慢；
- 价格较低。

SRAM 芯片和 DRAM 芯片

存储器芯片由存储体、I/O 读写电路、地址译码和控制电路等组成。

存储体/存储矩阵：存储单元的集合；
地址译码器：将地址转换为译码输出线上的高电平；
驱动器：X 选择线负载大，所以加驱动器；
I/O 控制电路：控制被选中单元的读/写，有放大信息的作用；
片选信号：选中某个芯片
读/写控制信号：控制被选中单元进行读或写。

存储体阵列组织*

字片式存储体阵列组织

位片式存储体阵列组织

CPU 与存储器之间的通讯方式

异步方式（读操作）过程（需握手信号）
- CPU 送地址到地址线，主存进行地址译码
- CPU 发读命令，然后等待存储器发回「完成」信号
- 主存收到读命令后开始读数，完成后发「完成」信号给 CPU
- CPU 接收到「完成」信号，从数据线取数
- 写操作过程类似
同步方式的特点
- CPU 和主存由统一时钟信号控制，无需应答信号（如「完成」）
- 主存总是在确定的时间内准备好数据
- CPU 送出地址和读命令后，总是在确定的时间取数据
- 存储器芯片必须支持同步方式

SDRAM 芯片技术

SDRAM 是同步存储芯片，每步操作都在系统时钟控制下进行，有确定的等待时间。

同步方式：

DDR SDRAM：双倍数据速率同步动态随机存取存储器，每个时钟内传送两个数据
DDR2 SDRAM：双倍数据速率第二代同步动态随机存取存储器，每个时钟内传送四个数据
DDR3 SDRAM：双倍数据速率第三代同步动态随机存取存储器，每个时钟内传送八个数据

内存条和内存条插槽

内存条：把若干片 DRAM 芯片焊装在一小条印制电路板上制成
内存条插槽：存储器总线

内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用（相同颜色插槽可以并行传输）。

存储器控制器、存储器总线、内存条、DRAM 芯片之前的连接：

存储器芯片的扩展

字扩展（位数不变、扩充容量）
- 用 16Kx8 位芯片扩成 64Kx8 位存储器需几个芯片？地址范围各为什么？
  - 字方向扩展 4 倍，即 4 个芯片。0000-3FFFH, 4000-7FFFH, 8000-BFFFH, C000-FFFFH，地址共 16 位，高两位由外部译码器译码生成 4 个输出，分别连到 4 个片选信号，片内地址有 14 位
- 地址线、读/写控制线等对应相接，片选信号连译码输出
位扩展（字数不变，位数扩展）
- 用 4096x1 位芯片构成 4Kx8 位存储器需几个芯片？地址范围各是多少？
  - 位方向扩展 8 倍，字方向无需扩展。即 8 个芯片，地址范围都一样：000-FFFH，地址共 12 位，全部作为片内地址
- 芯片的地址线及读/写控制线对应相接，而数据线单独引出
字位同时扩展（字和位同时扩展）
- 用 16Kx4 位芯片构成 64Kx8 位存储器需几个芯片，地址范围各是多少？
  - 字向 4 倍、位向 2 倍，8 个芯片。0000-3FFFH, 4000-7FFFH, 8000-BFFFH, C000-FFFFH
- 地址线、读/写控制线等对应相接，片选信号则分别与外部译码器各个译码输出端相连