计算机组成原理第4章-（存储器）【上】

存储器分类

对于计算机中存储器的分类，方法有很多，不同的方法之间是独立的，为此我们简单讲述两种分类

方法：“存取方式分类”、“在计算机中作用分类”。

-->按存取方式分类

按存取方式分类可以将存储器分为：“随机存储器”、“只读存储器”、“顺序存取存储器”、“直接存取

存储器”。

随机存储器（RAM）【Random Access Memory】

RAM是一种【可读/可写】的存储器，其特点是任何一个存储单元中的内容都可以随机存取，并且

存取时间与物理位置无关。

计算机系统中的主存都采用这种随机存储器

只读存储器（ROM）【Read Only Memory】

ROM是一种【可读】的存储器，这意味着，ROM只能读取数据，不能存取数据。

因此ROM常被用于【操作系统的固化、系统程序的使用】

-->按在计算机中作用分类

在这种方式下，存储器主要分为：“主存储器”、“辅助存储器”、“缓冲存储器”。

主存储器

主存储器简称：“主存”【运存】，它的主要特点是可以直接和CPU交换信息，速度快。

辅助存储器

辅助存储器简称：“辅存”【外存】，它是主存储器的后援存储器，用来存放暂时不被CPU和程序使

用到的数据。

特点是：容量大，速度慢，不能与CPU直接交换信息。

缓冲存储器【Cache】

缓冲存储器是连接主存和CPU之间的桥梁，尽管主存的速度已经非常快了，但是对于CPU来说还

是很慢，为此人们开发出了缓冲存储器【Cache】，用来提高主存利用率。

存储器的层次结构

存储器有三个性能指标【特性】：“速度”、“容量”、“位价”【单位容量价格】

我们先看一张图片：

在这个金字塔中，反映出了各类存储器的优缺点。

例如，对于容量大小：“磁带->磁盘->主存->缓存->寄存器(CPU)”。

对于运算速度：“寄存器(CPU)->缓存->主存->磁盘->磁带”。

对于单位容量价格：“寄存器(CPU)->缓存->主存->磁盘->磁带”。

Ps：在现代计算机中，寄存器和缓存全部被封装在CPU中。

实际上，对于存储器的层次主要体现在两个层次上：“缓存-主存”、“主存-辅存”两个层次上。

对于引入“缓存-主存”层次和“主存-缓存”层次的目的：

“缓存-主存”层次解决了CPU和主存速度不匹配的问题。

“主存-辅存”层次解决了存储系统的容量问题。

因此，现在计算机系统全部都具有这两个存储层次，构成了：缓存、主存、辅存三级层次。

主存储器

概述

我们下面先了解一下传统CPU:读/写数据的简单流程。

首先，CPU根据MAR中的地址访问某个存储单元时，还需要经过：“地址译码”、“驱动”等电路，才

能找到所需单元。

而读出数据时，需要先经过放大器，才能将被选中单元的存储数据送入MDR。

如下图所示：

但是在现代计算机系统中，MAR、MDR都被制作在CPU中，而译码器、驱动器、读/写电路都被制

作在主存中。

为此，我们可以得到一个现代计算机操作流程：

当要从存储器中读出一个数据时，先有CPU将存放数据的存储器的地址送入MAR中，再经地址总

线送至主存，然后发出读命令，内存接收到命令后，将对应存储单元中的数据送入MDR。

当要向存储器中写入一个数据时，先有CPU将要写入的存储单元的地址送入MAR中，再经地址总

线送至内存，然后发出写命令，同时将要写入的数据送入MDR，内存接收到命令后，将MDR中的

数据写入对应的存储单元中。

主存中存储单元地址的分配【重点】

对于存储单元地址的分配，不同的CPU有不同的方式，我们主要说两种方式：“大端存放”、“小端存

放”。

在开始学习之前，我们有必要了解一下基本知识。

在计算机中，8位（bit）等于1字节（B）。

1字等于N字节，其中N∈Z（整数集合）。

大端存放

常见的32位字长的机器如不特别说明，都可以视为是大端存放方式。

例如IBM 370机的字长为32位，那么它的寻址方式可以是按“1”字寻址，也可以是按“4”字节寻址。

例如，对于一个数据（12345678）H，这一个16进制数据来说，它的最高位是【1】，最低位是

【8】。那么存放到存储单元中是下图这个样子：

其中，红字为字地址，绿字为字节地址，蓝字为存放的数据。

概括为：“高地址的内存单元存放低位数据，低地址的内存单元存放高位数据”。【顺序写入】

小端存放

常见的16位机器如不特别说明，都可视为是“小端存放”方式。

例如POP-11机器，它的字长是16位，那么它可以按“1”字寻址，也可以按“2”字节寻址。

例如，对于一个数据（12345678）H，这一个16进制数据来说：

概括为：“低位数据存放到低字节地址中，高位数据存放到高字节地址中。”【逆序写入】

对于大端存放也好，小端存放也好，字地址始终是字节数的整数倍。

例题：

问：已知有一块24位地址线的主存，对于字长为32位的机器来说，它按字节寻址、字寻址的范围

是多少？对于字长为16位的机器来说，它按字节寻址、字寻址的范围是多少？

答：

24位地址线说明有 $2^{24}$ 个存储单元，那么就有 $2^{24}$ 个地址号，所以对于32位机器也好，16位机器也

好，它们按字节寻址范围都是 $2^{24}$ ，也就是16M。

但是对于按字寻址就不同了。

32位机器的按字寻址范围是：16M / 4(字节数) = 4M【在32位机器中，一字等于四字节】

16位机器的按字节寻址范围是: 16M / 2(字节数) = 8M【在16位机器中，一字等于二字节】

主存的技术指标

主存的技术指标主要有三点：“存储容量”、“存储速度”、“主存带宽”

存储容量

存储容量是指主存能存放的二进制代码总位数。

存储容量 = 存储单元个数 * 存储字长

也可以用存储的字节总数来表示：

存储容量 = 存储单元个数 * 存储字长/8

存储速度

存储速度是由存取时间和存取周期表示。

存取时间可以是：“读取时间”、“写入时间”。

存取周期是：“存储器进行连续两次的存储器操作所需的最小时间间隔”。

主存带宽

主存带宽是存储器每秒可以读取/写入的位数。

用字/秒或字节/秒表示。

如存取周期是500ns，每个存取周期可以访问16位，那么它的带宽就是32M位每秒。

500ns =5 * $10^{-7}$ s

则16 / 5 * $10^{-7}$ = 32M

为此我们可以得到公式：

主存带宽 = 每个存取周期访问的位数 / 存取周期

因此我们想提高存储器带宽可以：

1.缩短存取周期

2.增加可以访问的位数

随机存储器分类

随机存储器RAM可以分为：“静态RAM”、“动态RAM”两大类。

静态RAM(Static RAM)【SRAM】

SRAM通过触发器来存储信息，因此即使信息读出后，它扔保持原先的状态，不需要再生。

但是当电源掉电时，原存信息丢失，故属于易失性半导体存储器。

动态RAM(Dynamic RAM)【DRAM】

DRAM通过电容来存储信息，当电容中的电荷足够多的时候，表示“1”，反之，表示“0”。

电容上的电荷只存在1~2ms，因此即使电源不掉电，信息也会自动丢失，因此我们需要每隔一段

时间对DRAM“充一次电”，这个过程也叫作“刷新”或者“再生”。

DRAM刷新

DRAM刷新的实质是：“先将原存信息读出，再用刷新放大器形成原信息并重新写入的过程”。

DRAM刷新的三种方式：

1.集中刷新

2.分散刷新

3.异步刷新

课后题

1.若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？

200ns = 2 * $10^{-7}$ s

带宽 = 32 / 200ns = 160M位(这里的M指的是百万Millions)

2.某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址其寻址范围是多少？若主存以字节编址，请画

出其按字寻址和按字节寻址的示意图。

存储容量64KB，那么存储单元就有64KB个，因此按字节寻址就有64KB。

而1字等于4字节，因此按字寻址范围是：64 / 4 = 16KB。

3.SRAM和DRAM的区别是什么？

SRAM是用触发器来存储信息，不需要刷新。

DRAM是用电容来存储信息，需要刷新。

4.DRAM为什么要刷新？怎么刷新的？刷新方式有哪三种？

DRAM是用电容来存储信息，里面的电荷只存在1~2ns，为此需要隔一段时间来刷新，让电荷重新

存放在DRAM中。

DRAM刷新的过程是：“先将原数据读出，再由刷新放大器重新形成原数据后放入DRAM中。”

刷新方式有：“集中刷新”、“分散刷新”、“异步刷新”三种。