存储系统及主存储器

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了存储系统及主存储器。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

欢迎大家学习郑州大学慕课计算机组成原理课程\doge

存储器概念

  • 存储器是计算机系统中的记忆设备
  • 用来存放程序和数据
  • 存储器的性能已成为计算机系统的核心

存储器构成

存储介质

主要采用半导体器件和磁性材料

存储位元

存储一位二进制代码,是存储器中最小的存储单元,一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料都可以构成一个存储位位元

存储单元

由若干个存储位元组成一个存储单元

存储器

由许多存储单元组成一个存储器

存储单元的编制

  • 字存储单元

存放一个机器字的存储单元,相应单元地址称为字地址

  • 字节存储单元

存放一个字节的单元,相应的地址称为字节地址

  • 按字编址的计算机

计算机可编址的最小单位是字存储单元

  • 按字节编址的计算机

计算机可编址的最小单元是字节单元

一个机器字可以包含数个字节,一个字存储单元可以占用多个字节单元

存储器的分类-1

半导体存储器:

采用超大规模集成电路工艺制成芯片

  • 体积小
  • 功耗低
  • 存储时间短
  • 断电后信息丢失

磁表面存储器:

在金属或塑料基体的表面涂上一层磁性材料作为记录介质

磁芯存储器:

由硬磁性材料做成环状元件,在磁芯中穿有驱动线和读出线

  • 信息可长期保存
  • 不会轻易丢失

光记录存储器:

用激光在记录介质上进行读写的存储器

  • 可长期保存信息

存储器的分类-2

随机存储器:

任何一个单元都可以随机的存取,且存储时间与存储单元的物理位置无关,即对存储器中的任意一个单元的写入和读出的时间是一样的

顺序存储器:

存储器只能按照某种顺序来存取,即存储时间的长短与信息在存储体上的位置有关

  • 磁带

半顺序/直接 存储器:

对存储器的访问介于以上两者之间,既不能随机的访问任何一个存储单元,也不是完全的按照顺序存取

  • 磁盘

存储器分类-3

RAM:

存储器工作过程中既可以读出也可以写入

用来存放当前运行的程序和数据,并可在程序运行过程中反复更改其内容

ROM:

只可以读出不能够写入

常用来存放不变或基本不变的程序和数据(如监控程序、引导和加载程序等)

存储器分类-4

易失性存储器:

断电后信息消失的存储器

非易失性存储器:

断电后仍能够保存信息

存储器分类-5

主存的分类

存储系统的层次结构

衡量存储器性能的指标:

  • 速度
  • 容量
  • 每位价格

由于容量大导致速度低,速度高导致每位价格高的冲突,在一种存储器中兼顾三方是困难的,因此构建多级的存储系统解决三者的矛盾问题

程序的局部性原理

程序和数据一般都连续性存储,CPU访问存储器时,无论是读取指令还是存取数据,在一个较短的时间间隔内,所访问的存储的单元都趋向于一个较小的连续区域中

即在某一段时间内,系统会频繁的访问某一局部的存储器地址空间,而对范围以外的地址空间很少访问

  • 时间局部性

最近被访问的信息很可能还要被访问

  • 空间局部性

最近被访问的临近地址的信息也可能被访问

存储系统及主存储器

上图是多级存储系统的金字塔结构图

存储系统及主存储器

缓存主存层次主要解决CPU和主存层次速度不匹配的问题,在主存和缓存之间增加辅助硬件,将CPU近期要用的数据调入缓存,由于缓存容量小,需要不断地将主存的内容调入缓存,从CPU看,速度接近缓存的的速度,容量是主存的容量,每位价格接近于主存的价格,由于缓存和主存之间的数据调动都是由硬件自动完成的,他对系统程序员和应用程序员都是透明的

主存辅存层次主要解决系统的容量问题,辅存不能直接和CPU交换信息,但他的容量比主存大很多,并且具有非易失性,可以长期存储暂时不需要的信息,当CPU需要这些信息时,再将这些信息调入主存,主存和辅存之间的数据调用是操作系统系统和硬件之间共同完成的,主存和辅存之间的不断发展逐渐形成了虚拟存储器

存储器的主要技术指标

指标 含义 单位
存储容量 在一个存储器中可以容纳的存储单元总数 字或者字节数B、K、M、G、T
存取时间 从接收到读写命令开始到信息被读出或者写入完成所需的时间 ns
存取周期 连续两次访问存储器的最小时间间隔 ns(通常要比存取时间长)
存储器带宽 单位时间内存储器所存取的信息量 位/秒 字节/秒

静态RAM存储器

目前流行的主存是半导体存储器,按照制作工艺可以将其分为以下两种:

  • 双极性

速度快,集成度低、功耗大、价格高

主要用于高速缓存

  • MOS型

集成度高、功耗低、价格便宜、速度较慢

存储器芯片基本结构

存储系统及主存储器

存储容量等于存储单元的个数乘以单个存储单元的存储位数即
KaTeX parse error: Undefined control sequence: \cross at position 10: 存储容量=2^M\̲c̲r̲o̲s̲s̲ ̲N
M表示有M个地址引脚数,N表示有N个数据引脚数

基本的静态存储元阵列

存储系统及主存储器

图中有六条地址线,四条数据线,表示每个存储单元存储四位数据,控制线控制写入读出,高电平表示Read读出、低电平Write写入有效

静态RAM存储器的存储元是用锁存器或者触发器电路来记忆数据的,通常一个SRAM存储元由六个MOS管组成,其中两个工作管交叉耦合构成一个双稳态触发器

存储系统及主存储器

选择线打开对应的与非门,然后由数据选择先控制写入的信号,为1则为1,为0则为0,下面的非或门起到巩固上面非或门输出的作用

因此只要不断电存储的信息就非常稳定,断电就会丢失

存储芯片内地址译码的方法

单译码方式

一根字选择线直接选中一个存储单元的各位,只用于一个地址译码器

优点是结构简单、速度快、适用于小容量

缺点是外围电路多、成本昂贵、结构不合理

双译码方式

将地址分为X向和Y向两部分、二级译码

  • 第一级进行X向行译码和Y向列译码的独立译码
  • 在存储元阵列中完成第二级的交叉译码

X和Y向两个译码器适用于大容量存储器

二者对比

假设一个32K*8的存储元矩阵,由于32K= 2 15 2^{15} 215,因此需要十五位地址线,如果采用单译码方式,就需要 2 15 2^{15} 215根地址译码输出线来选择这么多的存储单元

如果采用双译码方式,将十五位地址分为X、Y两组,X为8为地址、Y为7为地址,利用X和Y译码器输出的交叉选择,同样可以确定这么大小的不同存储单元,而两个译码器的输出共仅需 2 8 + 2 7 = 384 2^8+2^7=384 28+27=384根线

存储系统及主存储器

存储系统及主存储器

首先地址线有效,选中对应存储单元,然后片选信号和输出使能有效,可以读出数据

存储系统及主存储器

动态RAM存储器

动态RAM存储器存储元简化了结构,由一个MOS管和电容组成单管的记忆电路。

存储系统及主存储器

MOS管作为开关使用,栅极接高电位MOS管打开、接低电位MOS管关闭,所存储的信息是1还是0,由电容器的电荷体现,当电容充满电荷时表示为1,放电没有电荷时存储位0

写1到存储元时,输出缓冲器和刷新缓冲器都关闭,输入缓冲器打开,输入的数据1经DIN送入到存储元位线上,此时行线为高,打开MOS管,漏极和源极接通,位线上的高电平给电容充电,就写入了1。写0时,同样的,但是此时位线上为低电平,因此电容放电,就写入了0。

存储系统及主存储器

在读出数据时,刷新缓冲器和输入缓冲器关闭,输出缓冲器打开,行列线选中对应存储单元,栅极为高,漏极源极接通,如果电容存储信息为1,则经由位线送到输出缓冲器输出到Dout,读出数据,读出数据会破坏电容上存储的信息,所以要把数据重新写入,也就是存储元的刷新操作

存储系统及主存储器

刷新操作时刷新缓冲器和输出缓冲器均打开,将Dout输出的数据重新写入存储单元

由于读写操作互斥,输入缓冲器和输出缓冲器一直处于互锁的状态

1M*4位DRAM芯片

按理说上图中芯片应该有二十个地址引脚,但是实际上只有十个

存储系统及主存储器

逻辑结构图,采用分时传送地址码

由于DRAM存储元电路所用器件少,其集成度高,所用容量大,这会增加芯片引脚数目,因此采用分时传送的方式。

先选中地址信号 A 0 − A 9 A_0-A_9 A0A9,由行选中信号RAS*打入到行地址锁存器,然后再传送地址码 A 10 − A 19 A_{10}-A_{19} A10A19,由列地址选中信号CAS*打入列地址锁存器,分别经过行译码和列译码,选中对应存储单元

在DRAM的内部还增加了刷新计数器和相应的控制电路.

DRAM刷新时是按照行进行刷新,一次要刷新一行上的所有存储元

刷新操作与读写操作是交替进行的,通过二选一的多路开关来提供刷新行地址或正常读写的行地址

存储系统及主存储器存储系统及主存储器

DRAM的刷新

  • DRAM必须进行定期刷新

因为读操作会影响电容存储的数据,而就算不读取,电容也会随着时间发生电荷的泄露

  • 刷新操作与读操作类似,不过无需送出数据
  • 一次刷新选中一行中所有存储位元
  • 内部有刷新电路
  • 刷新方式有以下两种
    • 集中式
    • 分散式
集中式刷新

集中式刷新是在规定的一个刷新周期内,对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新

存储系统及主存储器

特点为:

  • 由于刷新工作集中进行,对芯片的正常读写周期不产生影响
  • 同样由于刷新工作的集中进行,会造成芯片死时间过长的问题
分散式刷新
  1. 将每行存储单元的刷新分散到每个存储周期完成

存储系统及主存储器

一个读写周期的前段用来进行读写操作,后段用来进行刷新,

  • 增长了存储周期,降低了系统速度
  • 刷新过于频繁
  1. 异步式刷新

存储系统及主存储器

没有集中刷新的死时间,并且保证了信息不会丢失

ROM只读存储器

掩膜ROM(MROM)

  • 存储内容固定的ROM,由掩膜工艺一次性制造
  • 一旦ROM芯片做成,不能够改变其存储内容
  • 用于存储广泛使用的具有标准功能的程序或数据,或用户定做的具有特殊功能的程序或数据
  • 适宜没有更新需求的大批量应用

存储系统及主存储器

上图每一个行列交叉点是一个MOS单元,黄色的存储元表示存储零、绿色的存储元表示存储1.

当行线与MOS的栅极连接时,MOS管导通,列线上为高电平,表示该存储元存储1

当行线与MOS管的栅极不连接时,MOS管截止,表示存储的位0

这里的0/1在商家生产后就固定好了,用户没法改变,因此是纯粹的只读存储器

一次可编程存储器PROM

允许用户利用专门的设备(编程器)写入自己的程序和数据,但只能写入一次,一旦写入,其内容将无法再改变。PROM出厂时将所有单元制成0或者1,然后由用户需要自己将对应单元改为0或者1

光擦可编程EPROM

存储系统及主存储器

存储系统及主存储器

存储系统及主存储器

电擦可编程EEPROM( E 2 P R O M E^2PROM E2PROM)

  • 采用电擦除、且擦除速度快
  • 不像光擦可编程需要将存储器从电路板拔下来在专门的仪器上操作,可以直接控制擦除
  • 可以按单字节编程擦除、使用方便
  • 容量比较小、单位成本高
  • 可重复擦除的次数比较多
  • 用于存储偶尔需要更新的系统配置信息、系统参数、加密保护数据或历史信息等

能否用EEPROM取代RAM呢?

不可以

  • EEPROM的编程次数或者说改写次数虽然有很多次,但是还是有限的
  • EEPROM的写入时间过长,比SRAM或者DRAM的时间长100-1000倍

Flash存储器

一种高密度电可擦除可编程的非易失性只读存储器

  • 高密度表示具有很高的存储容量
  • 电可擦除表示可以方便的反复多次改写
  • 非易失性说明在没有电源的情况下它也可以长期保存

既有ROM的优点,又有RAM的优点

根据存储元工作原理和制作工艺的不同,FLASH可以分为以下几种

  • NOR技术
  • DINOR技术
  • AND技术
  • NAND技术

存储系统及主存储器

上面是flash的存储元,他是在EPROM的基础上改进而来的,当浮空栅带有许多电子(负电荷)时表示存储0,当带有少量电子可认为不带电荷时表示存储1

FLASH的编程操作

存储系统及主存储器

当向存储元写0时,在控制栅添加正电压,这样浮空栅就会产生大量的负电荷,从而使存储元存储0

不加正电压就会保持1的状态

FLASH存储元读出操作

存储系统及主存储器

读出操作时,控制栅加上正电压,浮空栅中的电荷量决定是否可以导通MOS晶体管,如果浮空栅带有少许或不带负电荷,MOS管导通,电源 V D V_D VD提供从漏极D到源极S的电流,读出电路检测到有电流就表示读出了1,如果浮空栅带有很多负电荷,控制端的正电压不足以克服负电荷导通MOS管,那么源极和漏极就不会产生电流,表示读出了0

FLASH的擦除操作

存储系统及主存储器

擦除操作令所有存储元都置为1,即要把浮空栅的负电荷都释放出去,在源极S加上正电压,会吸收浮空栅中的负电荷,从而令存储元置1

NOR闪存

通常称为线性闪存

  • 可以随机读出任意地址的内容,读出速度高
  • 存储在其中的指令可以直接执行
  • 可以对单字节或单字进行编程
  • 以区块或者芯片为单位执行擦除
  • 有独立的地址线和数据线,接口与SRAM相似,信息存储的可靠性高

NOR闪存的擦除和编程速度较慢,且区块尺寸较大,因此NOR闪存更适合于擦除和编程操作较少,而直接执行指令代码的场合

  • 适合存储监控程序、引导加载程序、系统配置等

NAND闪存

  • 通常称为非线性闪存

  • 以页为单位读出,非随机访问

  • 存储在其中的指令不能够直接执行

  • 以页为单位进行编程

  • 以数十页组成的块为单位进行擦除操作

    能够快速编程和快速擦除

  • 数据线、地址线和控制线复用在同一组总线信号上接口方式与传统ROM不同

NAND非随机存储,不能够直接存储在线运行的代码,但是其存储密度高、造价低,通常容量较大,适用于大容量存储设备

无机械运动、可靠性高、存储速度快、体积小巧,因而已部分取代磁介质存储,比如固态硬盘、存储卡、U盘等

对比

存储系统及主存储器

存储容量的扩展

CPU经由地址总线将地址传送到主存,CPU通过控制总线将读写操作指令传送到主存,通过数据总线与主存进行数据交互

单片存储芯片的容量是有限的,因此要多个存储器芯片组成足够容量的存储器

存储器容量的控制方法有:位扩展、字扩展、字位同时扩展。

所需芯片数可以由下面的公式计算出:
d = 设计要求的存储器总容量 选定芯片存储器的容量 d=\frac{设计要求的存储器总容量}{选定芯片存储器的容量} d=选定芯片存储器的容量设计要求的存储器总容量

位扩展

只增加每个存储单元的字长而不增加存储单元的数量

接线方式:选定芯片的地址、片选、读写/控制信号线公用,数据线单独分开连接

存储系统及主存储器

上图是位扩展示意图

实际上就是原来的片选和读写控制信号还有地址选择信号,现在同时控制多个选定芯片存储器,但是对于数据线,分别输出,也就是实现了数据位的扩展

字扩展

给定的芯片存储容量较小,不满足设计要求的总存储容量,此时需要进行字扩展

连接方式:选定芯片的地址、数据、读/写控制信号线公用,由地址总线的高位译码产生片选信号让各个芯片分时工作

存储系统及主存储器

由图可以看出,每个芯片的处理都一样,但是使用译码器控制各个芯片分时工作,CPU中的地址线需要分出来两个用作译码来选择对应芯片

存储系统及主存储器

字位同时扩展

即增加存储字的容量又增加存储字长

扩展方式:先进行位扩展再进行字扩展

存储系统及主存储器

先把芯片分组,然后进行字扩展,把地址线与每组对应位置相连,最后连接读写控制信号、地址线,然后使用译码器或简单逻辑电路控制每组芯片分时工作。

注意

不同的扩展方法可以得到不同容量的存储器,要注意合理选择芯片

  • 通常选用ROM芯片存放系统程序,标准子程序和各类常数等
  • RAM芯片则是为用户编程提供空间
  • 在扩展时应该尽可能的选用集成度高的芯片,可减少成本,减轻系统负载
  • 在实际的应用扩展中,还需要考虑CPU与存储芯片的时序配合,速度匹配等问题

内存条

存储系统及主存储器文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-402738.html

到了这里,关于存储系统及主存储器的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 计算机组成原理(期末或考研备考)- 主存储器,DRAM,SRAM,ROM

    SRAM VS DRAM DRAM采用栅极电容上的电荷存储信息,由于DRAM上的电容电荷一般只能维持1-2ms,即使电源不断电,信息也会自动消失。因此每隔一定时间必须刷新。 集中刷新,利用固定的时间对所有的行进行刷新,刷新期间内停止对存储器的读写操作(死区,死时间) 分散刷新,延

    2024年02月12日
    浏览(52)
  • 2.存储器层次系统

    RAM(随机存储器) SRAM 双稳态触发器,有电就保持不变,干扰消除后时会恢复到稳定值,晶体管多因此密集度低 DRAM 每个位存储为对一个电容的充电,对干扰敏感,漏电所以需要刷新 刷新: 集中刷新:产生“死区”,2ms内集中刷新每一行 分散刷新:没有死区 异步刷新:结合

    2024年02月04日
    浏览(43)
  • 【操作系统】存储器管理练习

    12.(考研真题) 假设一个分页存储系统具有 快表 ,多数活动页表项都可以存在于其中。 若页表放在内存中,内存访问时间是1ns,快表的命中率是85%,快表的访问时间为0.1ns, 则 有效存取时间 为多少? 15.  已知某分页系统,内存容量为64KB,页面大小为1KB,对一个4页大的作业

    2024年02月05日
    浏览(95)
  • STM32微机系统框架、内存、存储器、寄存器

    大家好,我是 杰哥嵌入式开发 最近在出定时器系列, 但是线下班有一些学生在学习完C语言之后, 在51接触各种寄存器和对软件代码各种操作是如何在单片机系统中起到作用的感到非常的不解, 经过我的初步分析,是对嵌入式微机系统的大概雏形系统框架不熟悉导致。 所以

    2024年02月06日
    浏览(55)
  • 深入理解计算机系统(13)_存储器层次结构

    第一章 计算机的基本组成 1. 内容概述 2. 计算机基本组成 第二章 计算机的指令和运算 3. 计算机指令 4. 程序的机器级表示 5. 计算机运算 6. 信息表示与处理 第三章 处理器设计 7. CPU 8. 处理器体系结构 9. 优化程序性能 10. 其他处理器 第四章 存储器和IO系统 11. 存储器的层次结构

    2024年02月16日
    浏览(32)
  • 计算机操作系统-虚拟存储器的定义与实现

    目录 一、引言 二、什么是虚拟存储器 2.1 虚拟存储器的定义 2.2 虚拟存储器的作用 三、虚拟存储器的实现 3.1 虚拟地址和物理地址 3.2 页面置换算法 3.3 页面置换策略 四、虚拟存储器的优点 4.1 多道程序设计 4.2 内存利用率 4.3 程序的可移植性 五、虚拟存储器的缺点 5.1 页面置

    2024年02月04日
    浏览(47)
  • 【第六章 | 虚拟存储器】《操作系统 慕课版》课后答案 + 复习

    1.虚拟存储器概述 前面基础存储器的缺点 有一个共同特点: 作业全部装入内存后方能运行 常规存储器管理方式的特征:一次性:作业被一次性全部装入内存;驻留性:作业一直驻留在内存 一次性和驻留性使许多在程序运行中不用或暂不用的程序(数据)占据了 大量的内存

    2024年02月10日
    浏览(50)
  • 【操作系统复习之路】存储器管理(第四章 &超详细讲解)

    目录 一、存储器的层次结构 二、程序的装入和链接 2.1 逻辑地址和物理地址 2.2 绝对装入方式 2.3 可重定位装入方式 2.4 动态运行时装入方式 2.5 静态链接  2.6 装入时动态链接 2.7 运行时动态链接 三、连续分配存储器管理方式 3.1 单一连续分配 3.2 固定分区分配 3.3 动态分区

    2024年04月27日
    浏览(39)
  • 操作系统考试复习——第四章 存储器管理 4.1 4.2

    存储器的层次结构: 存储器的多层结构: 存储器至少分为三级:CPU寄存器,主存和辅存。 但是 一般分为6层 为寄存器,高速缓存,主存储器,磁盘缓存,固定磁盘,可移动存储介质。 这几个部分是 速度依次减小 但是 存储容量是依次增大 的。  只有固定磁盘和可移动存储

    2024年02月03日
    浏览(42)
  • 《深入理解计算机系统(CSAPP)》第6章 存储器层次结构 - 学习笔记

    写在前面的话:此系列文章为笔者学习CSAPP时的个人笔记,分享出来与大家学习交流,目录大体与《深入理解计算机系统》书本一致。因是初次预习时写的笔记,在复习回看时发现部分内容存在一些小问题,因时间紧张来不及再次整理总结,希望读者理解。 《深入理解计算机

    2024年02月06日
    浏览(47)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包