计算机组成原理 存储系统(一)

本文主要介绍存储器的分类、层次结构和性能指标:

一、存储器的分类:

计算机中的存储器种类繁多,大致可以从以下角度对存储器进行分类

1.按存储介质分:

半导体存储器

1.静态存储器:以触发器原理存储信息,信息易失

2.动态存储器:以电容充斥原理存储信息

磁表面存储器

利用磁层上不同方向的磁化区域存储信息,通过磁头和磁记录介质的相对运动完成读出和写入(如:IDE硬盘,SATA硬盘)

光盘存储器

利用光斑的晶相变化存储信息,利用激光技术在光存储介质上写入和读出信息(如:CD-ROM只读型光盘 WORM一次写入型光盘 可重写型光盘)

2.按存取方式分:

随机存储器(RAM和ROM):

存储器中的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,按地址访问存储器中的单元,访问时间与地址无关。主要用做主存或高速缓冲存储器。

RAM可读可写,如:SDR/DDR/DDR2-4

ROM只读,信息一旦写入就固定不变了,即使断电,内容也不会丢失。因此通常用它存放固定不变的程序、常数、汉字字库

PROM可写入一次   EPROM可多次编程(紫外线擦除) EEPROM可多次写入(电擦除)

串行存储器

对存储单元进行读/写操作时,按其物理位置的先后顺序寻址,包括顺序存储器和直接存储器

顺序存储器(SAM):

访问时按顺序查找目标地址,访问时间与地址有关(如磁带,电影胶片)

直接存储器(DAM):

存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域(如磁盘上的磁道),再在小区域内顺序查找

3.按存储内容可变性分:

只读存储器和随机读写存储器

4.按信息易失性分:

易失性存储器:断电后,存储信息即消失的存储器,如RAM

非易失性存储器:断电后,信息仍保持的存储器,如ROM、磁表面存储器和光存储器

5.按在系统中的作用分:

主存储器(内存:用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据,CPU可以直接随机地对其进行访问,也可以和Cache以及外存交换数据。容量较小,存取速度快,单位成本较高

辅助存储器(外存:用来存放暂时不用的数据和程序,以及一些需要永久性保存的信息,不能直接与CPU交换信息。容量较大,存取速度慢,单位成本较低

高速缓冲存储器(Cache:位于主存和CPU之间,用来存放正在执行的程序段和数据,以便CPU能高速地使用它们

 

二、存储器的层次结构:

为了解决存储系统容量、成本、速度之间的矛盾,在计算机系统中,通常采用多级存储器结构

注意以下几点:

“Cache-主存”层次:主要解决CPU和主存速度不匹配的问题

“主存-外存”层次:主要解决存储系统的容量问题

Cache、主存能与CPU直接交换信息

外存需要通过主存与CPU间接交换信息

主存和Cache之间的数据调动是由硬件自动完成的,对所有程序员均透明

主存和外存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的,对应用程序员是透明的

“主存-外存”层次的不断发展中逐渐形成了虚拟存储系统

 

三、存储器的性能指标

存储容量:存储容量 = 存储字数 × 字长,如1M × 8

存储字数表示存储器的地址空间大小,字长表示一次存取操作的数据量

设机器字长为64位,某存储器可寻址的单元个数为16M,若按字编制,求该存储器的存储容量:

64 bit = 8B

存储容量 = 16M × 8 = 128MB  

存取周期:存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间,即连续两次独立地访问存储器操作(读或写)之间所需的最小时间

对任何一种存储器,在读写操作之后,总要由一段恢复内部状态的复原时间,所以,存取周期 = 存取时间 + 恢复时间

存取速度:

数据传输率 = 数据宽度 / 存储周期,就是数据量 ÷ 时间

若某存储器存储周期为250ns,每次读出16bit,求该存储器的数据传输率:

16bit = 2B

数据传输率 = \frac{2B}{250\times10^{-9}s } = 8\times 10^{6}B/s

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