存储器

概述

分类

1. 按存储介质分类
   1. 半导体存储器：TTL，MOS(易失)
   2. 磁表面存储器
   3. 磁芯存储器
   4. 光盘存储器
2. 按照存取方式
   1. RAM(Random Access Memory)
   2. ROM(Read Only Memory)
   3. 串行访问存储器
3. 按在计算机中的作用分类
   

层次结构

1. 存储器三个主要特性的关系
   
2. 缓存-主存层次和主存-辅存层次
   

主存储器

• 编址单位：字节
• 技术指标：
  1. 容量：主存存放二进制代码的总位数
  2. 速度：
     • 存取时间：存储器的访问时间
     • 存取周期：连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间，比存取时间长，差个复原时间
  3. 带宽：位/秒(bit/s)

半导体存储芯片

• 容量：$2^{地址线} \times 数据线$
• 译码驱动方式:
  • 线选法
  • 重合法

RAM

1. 静态RAM(SRAM)
2. 动态RAM(DRAM)
   • 2ms(刷新周期) 内再生(刷新)，一行行进行
   • 刷新方式：
     1. 集中刷新(有死区)
     2. 分散刷新(无死区)
     3. 异步刷新(两者结合)：刷新安排在指令译码阶段，不会出现死区

ROM

1. 掩膜ROM：不能修改
2. PROM(一次性编程)
3. EPROM(多次性编程)
4. EEPROM(电可擦除)
5. Flash Memory(闪速型存储器)

存储器与CPU的连接

1. 存储器容量的扩展
   1. 位扩展(增加存储字长)
   2. 字扩展(增加存储字的数量)
   3. 字、位扩展
2. 存储器与CPU的连接
   1. 地址线的连接
      • 低位接存储芯片，高位作片选信号
   2. 数据线的连接
   3. 读/写命令线的连接
   4. 片选线的连接
   5. 合理选择存储芯片
   6. 其他：时序，负载

• 做题步骤：
  1. 写出对应二进制地址码
  2. 确定芯片的数量及类型
     • 优先位扩展：字扩展要设计片选型号，而位扩展只需将数据线引出即可
     • RAM，ROM尽量选择外特性一致，简化连接，避免二级译码
  3. 分配地址线
  4. 确定片选信号

存储器的校验

1. 编码的最小距离：任意两组合法代码之间的二进制位数的最少差异数
   • L - 1 = D + C
   • L：最小距离；D：检错位数；C：纠错位数
   • 汉明码是具有一位纠错能力的编码
2. 汉明码的组成三要素
   1. 添加k位校验位：2^k ≥ n+k+1 [传输n位，分成k组]
   2. 检测位的位置：2^i (i=0,1,……) [这一位不与其他组共用]
      • $C_{1}检测的g_{1}：1，3，5，7，9……$
      • $C_{2}检测的g_{2}：2，3，6，7，10……$
      • $C_{4}检测的g_{3}：4，5，6，7，12……$
      • $C_{8}检测的g_{4}：8，9，10，11，12……$
   3. 检测位的取值：所在小组中承担的奇偶校验任务有关
3. 汉明码纠错过程
   形成新的检测位P[i]，和该组中1个数有关(奇偶校验决定，一般为偶校验)

提高访问速度的措施

• 采用高速器件
• 采用层次结构 Cache-主存
• 调整主存结构
  1. 单体多字：增加存储器的带宽
  2. 多体并行
     1. 高位交叉：顺序编址，各个体并行工作(适合存储器扩展，但不适合增加带宽)
     2. 低位交叉：各个体轮流编制，在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽(流水线方式)
  3. 高性能存储芯片
     1. SDRAM(同步RAM)
     2. RDRAM
     3. 带Cache的DRAM
        • 集成了一个Cache，有利于猝发式读取

高速缓冲存储器

概述

避免CPU"空等"，程序访问局部性原理

Cache工作原理

1. 主存和缓存的编址
   
   • 主存和缓存按块存储，块大小相等，B为块长
2. 命中和未命中
   缓存有C块，主存有M块，M >> C
   • 命中：主存块调入缓存，建立了对应关系
   • 用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号
3. Cache命中率：CPU欲访问的信息再Cache中的比率
   • 与Cache的容量和块长有关
   • 块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度
4. Cache-主存系统的效率
   • 效率e与命中率有关
     
     

Cache的结构

1. Cache存储体
2. 地址映射变换机构
3. 替换机构

Cache的读写操作

1. 读：
2. 写：Cache和主存的一致性
   1. 写直达法：既写入Cache又写入主存。写操作时间就是访问主存的时间
   2. 写回法：只把数据写入Cache而不写入主存，但Cache数据被替换出去时才写回主存。写操作时间就是访问Cache的时间

Cache的改进

1. 增加Cache的级数
2. 统一缓存和分立缓存

Cache-主存的地址映射

直接映射

• 每个缓存块 i ———— 若干个主存块
• 每个主存块 j ———— 一个缓存块

把主存划分成若干个与Cache相等的区，然后每个区里的字块一一映射到Cache字块
主存地址 = 主存字块标记(区号)[t] + Cache字块地址[c] + 字块内地址[b]
t + c = m

全相联映射

• 主存中的任一块可以映射到缓存中的任一块

主存地址 = 主存字块标记(m=t+c) + 字块内地址(b)

组相联映射

• 直接映射和全相联映射的结合
• Cache被分成Q组，每组R块
• 某一主存块j 按 modQ 映射到缓存的第i组中的任一块

直接映射：给定的一个块只能放在一个组
全相联映射：给定的一个块可以放到这个组中任一块

替换算法

1. 先进先出(FIFO)
2. 近期最少使用(LRU)：较好的利用局部性原理

辅助存储器

概述

• 不与CPU直接交换信息
• 磁表面技术指标：
  1. 记录密度：道密度Dt，位密度Db
  2. 存储容量：C = n X k X s
     • C为存储总量，n为盘面数，k为磁道数，s为磁道的二进制代码数
  3. 平均寻址时间：寻道时间+等待时间
     • 平均等待时间：盘片旋转一周所需的时间的一半(即$\frac{1}{转速 \times2}$)
  4. 数据传输率：Dr = Db X V
  5. 误码率

磁记录原理和记录方式

磁记录原理

• 磁层表面被磁化的极性方式不同，以区别0和1

记录方式

1. 归零制(RZ)：RZ记录"1"时，通以正向脉冲；记录"0"时，通以反向脉冲
2. 不归零(NRZ)：NRZ记录时，始终有驱动电流，不是正向就是反向。变化才翻转(见变就翻)
3. "见1就翻"的不归零制(NEZ1)：始终有电流，只有见"1"才翻转
4. 调相制(PM)：又称相位编码(PE)，记录方式：记录"1"时，写电流由负变正；记录"0"时，写电流由正变负。电流变化出现在中间时刻。连续记录相同信息时，在每两个相同信息的交界处，电流反向；如果相邻信息不同，则电流不变向。
5. 调频制(FM)：又称倍频制，以驱动电流变化的频率记录区别0，1。记录"0"时，电流不变；记录"1"时，电流中间时刻反向。交界处均反向一次。所以"0"变化一次，"1"变化两次
6. 改进型调频制(MFM)：基本相同FM，但是MFM只有当连续记录两个或两个以上的"0"时，才在每位的起始位改变一次电流，不在每个起始点改变电流。