计算机组成原理｜主存储器

存储器

存储器是计算机系统中用于存放程序、数据和中间数算结果的部件，是组成计算机的核心组件之一。

基本概念

存储器分类

按计算机中的层次不同，存储器可分为以下三类：

• 主存储器
  又名内存、主存，CPU 可以直接随机对主存储器访问。内存负责与高速缓冲存储器（Cache，俗称的一缓、二缓等）和辅助存储器交换数据。
• 辅助存储器
  又名外存、辅存。这部分内容需要被调入内存后才可以被 CPU 访问。
• 高速缓冲存储器
  简称 Cache，位于内存和 CPU 之间，用来存放当前 CPU 经常使用的指令和数据。

按存储介质不同，存储器可以分为以下几类：

• 磁表面存储器
• 半导体存储器
• 光存储器
• ……

按存取方式不同，存储器可以分为以下三类：

• 串行访问存储器
  包括顺序存取存储器（如磁带）和直接存取存储器（如磁盘）。
• 随机存储器（RAM）
  存储器任何一个存储单元都可以随机存储，且存取时间与存储单元的物理位置无关。RAM 又分为静态和动态两种。
• 只读存储器（ROM）
  存储器只能随机读出，不能写入。ROM 也是随机存取，信息写入之后固定不变，即使断电也不会丢失。

按信息可保存性分类，可以分为以下几类：

• 易失性存储器
  断电后存储信息消失（例如内存）。
• 非易失性存储器
  断电后信息仍然被保存（例如 ROM、磁盘、光盘等）。
• 破坏性读出
  存储单元内的信息被读出时，原存储信息被破坏（例如半导体存储器）。
• 非破坏性读出
  存储单元信息被读出时，原存储信息不会被破坏（例如硬盘）。

存储器的性能指标

存储器的性能指标包括存储容量、存储速度、存取时间、存储周期和主存带宽等共五个指标。以下在此一一说明：

• 存储容量
  下述公式可计算存储器的存储容量（如 1K \(\times\) 8 位）：
  $$\text{存储容量} = \text{存储字数} \times \text{字长}$$

• 主存带宽
  数据传输率 = 数据的宽度 \(\div\)存储周期
  主存带宽表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位：字/秒、字节/秒（B/s）、位/秒（b/s）等。

• 存储周期和存取时间
  存储周期是指两次数据存储操作之间的最小间隔（从一次存储器操作开始到下一次存储器操作），而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，分为读出和写入两种。
  由于进行存储器操作后需要恢复状态（充放电、锁存等），因此存取时间后会存在一段恢复时间。恢复时间和存取时间之和为一个存储周期。

存储系统的层次

主存与 Cache 之间的数据调动由硬件自动完成，该过程程序员不需要也无法显式控制。主存与辅存之间的数据调动由硬件和操作系统共同完成，程序语义上不需要关心数据在哪一级存储中。

半导体随机存储器

DRAM

动态随机存储器利用存储元电路中栅极电容上的电荷来存储信息的。由于电容中的电荷无法长期维持，所以即使不断开电源，DRAM 中的信息也会自动消失。因此，需要每隔一段时间将存储单元的信息读出再立马写入。「一段时间」通常取 2ms。

存储器芯片的内部结构

存储器芯片内部由

• 存储体
  存储矩阵，是存储单元的集合，存储体行、列上的数据会被同时读出或写入。
• 地址译码器
  降低至转换为对应高电平，驱动相应读写电路。
• I/O控制电路
  控制被选中单元的读出或写入，具有放大信息作用。
• 片选控制信号
  用于在多个存储器芯片中确定操作存储芯片的信号。当访问某个字时，必须使用片选控制信号从大量存储芯片中选中存储字所在芯片，此时其他芯片不处于「选中」。

只读存储器

只读存储器分为以下四种：