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====== 第三章 存储器层次结构 ======

===== 3.1 存储器概述 =====

==== 3.1.1 存储器的分类 ====

存储器是计算机系统中用于存储程序和数据的重要部件。根据不同的分类标准，存储器可以分为多种类型：

**按存储介质分类**：

1. **半导体存储器**：使用半导体器件存储信息
   - 双极型（TTL）：速度快、功耗大、集成度低
   - MOS型：集成度高、功耗低、成本低，目前广泛使用
   
2. **磁表面存储器**：使用磁性材料存储信息
   - 磁盘：硬盘、软盘
   - 磁带：用于数据备份
   
3. **光存储器**：使用光学原理存储信息
   - CD、DVD、蓝光光盘等
   
4. **新型存储器**：
   - 闪存（Flash）：U盘、SSD
   - 铁电存储器（FeRAM）
   - 磁阻存储器（MRAM）
   - 相变存储器（PCM）

**按存取方式分类**：

1. **随机存取存储器（RAM）**：可以按地址随机访问任意单元，存取时间与位置无关
   - 静态RAM（SRAM）：速度快、不需要刷新、成本高
   - 动态RAM（DRAM）：需要定期刷新、集成度高、成本低
   
2. **只读存储器（ROM）**：内容只能读出不能写入（或写入困难）
   - 掩膜ROM：出厂时写入，不可更改
   - PROM：可编程一次
   - EPROM：可擦写（紫外线）
   - EEPROM：电可擦写
   - Flash Memory：闪存，块擦除
   
3. **顺序存取存储器**：必须按顺序访问，如磁带
4. **直接存取存储器**：先直接定位到区域，再顺序访问，如磁盘

**按在计算机中的作用分类**：

1. **主存储器**：直接与CPU交换信息，速度快、容量有限
2. **辅助存储器**：用于长期存储，容量大、速度慢
3. **高速缓冲存储器（Cache）**：介于CPU和主存之间，提高访问速度
4. **控制存储器**：存放微程序

==== 3.1.2 存储器的性能指标 ====

评价存储器性能的主要指标包括：

**存储容量**：存储器能够存储的信息总量，通常用字节（B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）表示。

**存取时间（访问时间）**：从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。对于随机存取存储器，存取时间约等于存储周期。

**存储周期**：连续两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔。通常存储周期略大于存取时间。

**存储器带宽**：单位时间内存储器能传输的信息量，通常用字节/秒或位/秒表示。

**可靠性**：用平均故障间隔时间（MTBF）来衡量，MTBF越长，可靠性越高。

**功耗**：存储器工作时消耗的电能，对于便携式设备尤为重要。

**价格**：单位容量的价格，是评价存储器经济性的指标。

==== 3.1.3 存储系统的层次结构 ====

为了解决存储器大容量、高速度、低成本的矛盾，现代计算机采用层次化的存储系统结构。

**存储层次结构的设计思想**：

根据程序的局部性原理，将最近常用的小部分数据和指令放在高速小容量的存储器中，而将不常用的大部分信息放在低速大容量的存储器中，从而在整体上获得接近高速存储器的速度和大容量存储器的成本。

**程序的局部性原理**：

1. **时间局部性**：最近被访问的信息很可能再次被访问（如循环中的指令）
2. **空间局部性**：与最近被访问信息相邻的信息很可能被访问（如顺序执行的指令、数组元素）

**存储系统的层次结构**：

**图3-1：存储系统层次结构示意图**
{{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Cache%2C_Memory_hierarchy.svg/800px-Cache%2C_Memory_hierarchy.svg.png?direct|存储器层次结构|500}}

| 层次 | 存储器 | 特点 |
|------|--------|------|
| 第0层 | 寄存器 | 速度最快、容量最小、成本最高 |
| 第1层 | Cache | 速度快、容量较小、成本高 |
| 第2层 | 主存 | 速度较快、容量中等 |
| 第3层 | 外存 | 速度慢、容量大、成本低 |

**各层之间的关系**：
- 第n层是第n+1层的缓存
- 数据只在相邻两层之间复制
- 上层未命中时才访问下层

===== 3.2 半导体随机存取存储器 =====

==== 3.2.1 SRAM存储器 ====

静态随机存取存储器（SRAM）使用双稳态触发器存储信息，不需要刷新，速度快但集成度低。

**SRAM的基本单元**：

SRAM单元由6个MOS管组成（6T结构）：
- T1、T2：工作管，构成双稳态触发器
- T3、T4：负载管
- T5、T6：门控管，控制读写

两个稳定状态分别表示"0"和"1"。只要电源不断，信息就能保持。

**SRAM的读写操作**：

读操作：
1. 选中存储单元（字线加高电平）
2. 位线预充电到高电平
3. 单元状态使一条位线放电，另一条保持
4. 灵敏放大器检测位线电压差，输出数据

写操作：
1. 选中存储单元
2. 位线加写入数据（一位为高，一位为低）
3. 字线加高电平，强制触发器翻转或保持

**SRAM的特点**：
- 速度快（存取时间可达纳秒级）
- 不需要刷新，控制简单
- 功耗相对较高（静态功耗）
- 集成度低（6个管存储1位）
- 价格高
- 常用作Cache

==== 3.2.2 DRAM存储器 ====

动态随机存取存储器（DRAM）使用电容存储电荷来表示信息，由于漏电需要定期刷新。

**DRAM的基本单元**：

单管DRAM单元只用一个晶体管和一个电容：
- 晶体管作为开关
- 电容存储电荷（有电荷为"1"，无电荷为"0"）

**DRAM的读写操作**：

读操作：
1. 选中单元（字线加高电平，晶体管导通）
2. 电容电荷转移到位线上
3. 灵敏放大器检测微弱电压变化
4. 读出数据（破坏性读出，需要回写）

写操作：
1. 选中单元
2. 位线加写入电平
3. 对电容充电（写1）或放电（写0）

**DRAM的刷新**：

由于电容漏电，存储的信息会逐渐丢失，需要定期刷新（通常每2-64ms刷新一次）。

刷新方式：
1. **集中刷新**：在规定刷新周期内集中进行全部刷新，存在死时间
2. **分散刷新**：将刷新分散到每个存储周期，无死时间但存取周期延长
3. **异步刷新**：结合集中刷新和分散刷新的优点，减少死时间

**DRAM的特点**：
- 需要定期刷新，控制复杂
- 速度较SRAM慢
- 集成度高（1个管+1个电容存储1位）
- 功耗较低
- 价格低
- 常用作主存

**DRAM的改进类型**：

1. **FPM DRAM（快速页模式）**：同一行内访问多个数据时只需提供一次行地址
2. **EDO DRAM（扩展数据输出）**：允许在当前数据输出时开始下一次存取
3. **SDRAM（同步DRAM）**：与系统时钟同步，支持突发传输
4. **DDR SDRAM**：在时钟上升沿和下降沿都传输数据，带宽翻倍
   - DDR2、DDR3、DDR4、DDR5：不断提高数据传输率

==== 3.2.3 只读存储器（ROM） ====

只读存储器用于存储固定不变的程序和数据，断电后信息不丢失。

**掩膜ROM**：
由制造商根据用户提供的掩膜版在生产时写入内容，出厂后不可更改。适合大批量生产。

**PROM（可编程ROM）**：
用户可以用专用编程器一次性写入内容，写入后不可更改。

**EPROM（可擦除可编程ROM）**：
可以用紫外线照射擦除全部内容，然后重新编程。擦除次数有限（约100次）。

**EEPROM（电可擦除可编程ROM）**：
可以用电信号擦除和重写，可以按字节擦写，擦写次数更多（约10万次）。

**Flash Memory（闪存）**：
属于EEPROM的改进型，采用块擦除方式，擦除速度更快，容量更大。分为：
- NOR Flash：可以随机读取，适合存储程序代码
- NAND Flash：容量大、成本低，适合存储数据，如SSD、U盘

===== 3.3 主存储器与CPU的连接 =====

==== 3.3.1 存储器容量的扩展 ====

当单个存储芯片的容量不能满足要求时，需要进行容量扩展。

**位扩展（字长扩展）**：

当存储芯片的数据位数小于系统数据总线宽度时，需要进行位扩展。

方法：将多个芯片的地址线、片选线、读写控制线并联，数据线分别引出。

例如：用8片8K×1位的芯片组成8K×8位的存储器
- 每片提供1位数据
- 8片并联提供8位数据
- 地址线、片选线、读写线并联

**字扩展（容量扩展）**：

当存储芯片的存储单元数不足时，需要进行字扩展。

方法：将多个芯片的数据线、地址线、读写控制线并联，用译码器控制各芯片的片选线。

例如：用4片16K×8位的芯片组成64K×8位的存储器
- 每片提供16K个单元
- 需要2位地址进行片选（2-4译码器）
- 低位地址连接各芯片地址线
- 高位地址经译码后连接各芯片片选线

**字位同时扩展**：

同时进行字扩展和位扩展，以满足系统对存储容量和数据宽度的要求。

==== 3.3.2 存储器与CPU的连接 ====

**连接信号**：

1. **地址线**：CPU发出的地址信号，选择存储单元
2. **数据线**：双向传输数据
3. **控制线**：
   - MREQ（存储器请求）：指示当前访问存储器
   - R/W（读写控制）：指示读操作或写操作
   - 其他控制信号

**地址译码**：

CPU发出的地址需要经过译码产生片选信号。译码方式有：

1. **线选法**：用高位地址线直接作为片选信号，简单但地址空间不连续
2. **全译码法**：所有高位地址都参与译码，地址连续，无重叠
3. **部分译码法**：部分高位地址参与译码，存在地址重叠

**存储器接口设计示例**：

假设CPU有16根地址线（A15-A0），8根数据线（D7-D0），需要用2K×8的ROM和4K×8的RAM组成存储系统。

设计步骤：
1. 确定存储空间分配（如ROM：0000H-07FFH，RAM：0800H-17FFH）
2. 计算所需芯片数量
3. 设计地址译码电路
4. 连接数据线和控制线

==== 3.3.3 双端口存储器 ====

双端口存储器有两个独立的端口，每个端口都有独立的地址线、数据线和控制线，允许两个处理器或控制器同时访问存储器。

**特点**：
- 提高存储器访问效率
- 适合多处理器系统
- 需要处理访问冲突（同时访问同一单元）

**冲突处理**：
- 设置忙标志（BUSY）
- 仲裁逻辑决定优先权
- 一方等待或中断

==== 3.3.4 多体交叉存储器 ====

多体交叉存储器由多个独立的存储体组成，每个存储体可以独立进行读写操作。

**高位交叉编址**：
连续地址位于同一存储体内，适合扩大容量，但不能提高访问速度。

**低位交叉编址**：
连续地址分布在不同存储体内，可以实现并行访问，提高访问速度。

例如：4体低位交叉存储器
- 地址低2位选择存储体
- 地址高位选择体内单元
- 连续4个地址分别位于4个体中

**优点**：
- 提高存储器带宽
- 支持流水访问
- 适合顺序访问模式

===== 3.4 存储器的工作原理与时序 =====

==== 3.4.1 SRAM的读写时序 ====

**读周期时序**：

1. 地址有效：CPU发出地址信号
2. 片选有效：使能存储芯片
3. 读命令有效：指示读操作
4. 数据有效：存储器输出数据
5. 数据采样：CPU读取数据
6. 撤销信号：结束读周期

时序参数：
- 读周期时间（tRC）：连续两次读操作的最小间隔
- 存取时间（tA）：地址有效到数据有效的时间
- 片选到数据有效时间（tCO）
- 读命令到数据有效时间（tOE）

**写周期时序**：

1. 地址有效
2. 数据有效：CPU提供写入数据
3. 片选有效
4. 写命令有效：指示写操作
5. 数据写入：存储器锁存数据
6. 撤销信号：结束写周期

时序参数：
- 写周期时间（tWC）：连续两次写操作的最小间隔
- 地址建立时间（tAS）：地址稳定到写命令有效的时间
- 数据建立时间（tDS）：数据稳定到写命令撤销的时间
- 数据保持时间（tDH）：写命令撤销后数据保持的时间

==== 3.4.2 DRAM的刷新时序 ====

**刷新周期**：

DRAM刷新按行进行，每次刷新一行，刷新地址由刷新计数器提供。

刷新时序：
1. 停止正常读写操作
2. 提供刷新地址
3. 发出刷新命令
4. 存储器内部对指定行进行刷新
5. 恢复或继续下一次刷新

**刷新对性能的影响**：

- 集中刷新：存在死时间，影响实时性
- 分散刷新：无死时间但存取周期延长
- 异步刷新：平衡性能，最常用

===== 3.5 外部存储器 =====

==== 3.5.1 磁盘存储器 ====

磁盘存储器是目前使用最广泛的外部存储器，包括硬盘和软盘（已基本淘汰）。

**磁记录原理**：

利用磁性材料的磁滞回线特性，通过磁头在磁介质表面产生磁场，改变磁介质的磁化方向来记录信息。

**磁盘的结构**：

1. **盘片**：圆形磁性介质，上下两面都可记录
2. **磁道**：盘片上的同心圆轨道
3. **扇区**：磁道上的等分弧段，最小存储单位
4. **柱面**：各盘片上半径相同的磁道组成的圆柱面

**硬盘的技术指标**：

1. **容量**：磁盘能存储的数据总量
2. **记录密度**：
   - 道密度：单位长度内的磁道数
   - 位密度：单位长度内存储的位数
3. **平均存取时间**：
   平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间
4. **数据传输率**：单位时间内传输的数据量

**磁盘阵列（RAID）**：

RAID（独立磁盘冗余阵列）将多个物理磁盘组织成一个逻辑磁盘，提高性能和可靠性。

- RAID 0：条带化，提高性能，无冗余
- RAID 1：镜像，提高可靠性
- RAID 3：位交叉奇偶校验
- RAID 5：块交叉分布式奇偶校验，常用

==== 3.5.2 固态硬盘（SSD） ====

固态硬盘使用闪存作为存储介质，没有机械部件。

**优点**：
- 读写速度快（尤其是随机访问）
- 无噪音
- 抗震性好
- 功耗低
- 体积小

**缺点**：
- 价格较高
- 擦写次数有限
- 存在写入放大问题
- 长时间不通电可能丢数据

**闪存管理**：

-  wear leveling（磨损均衡）：均匀分布擦写操作
- 垃圾回收：整理无效页，回收空间
- 坏块管理：标记和管理坏块
- 纠错码（ECC）：检测和纠正错误

===== 3.6 例题分析 =====

**例题1**：某计算机字长为16位，存储器按字编址，地址线为16位。现用若干8K×8位的SRAM芯片构成64K×16位的存储器，需要多少片？如何连接？

解：
存储器总容量：64K×16位 = 1024K位
每片容量：8K×8位 = 64K位
所需片数：1024K / 64K = 16片

连接方式：
- 先进行位扩展：2片8K×8位组成8K×16位（共需8组）
- 再进行字扩展：8组组成64K×16位
- 使用3-8译码器，用地址线A13-A15译码产生8个片选信号
- A0-A12连接到所有芯片的地址线

**例题2**：某DRAM芯片存储容量为1M×4位，问：
（1）芯片地址线有多少条？
（2）若刷新周期为8ms，采用异步刷新，刷新信号的周期是多少？

解：
（1）1M = 2^20，需要20条地址线
（2）1M×4位DRAM按行刷新，共512行（假设行列对称）
刷新间隔：8ms / 512 = 15.625μs

**例题3**：某磁盘组有6片盘片，每片2个记录面，最上最下不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度40道/cm，内层位密度400位/cm。问：
（1）共有多少柱面？
（2）盘组总容量是多少？

解：
（1）有效存储半径 = (33-22)/2 = 5.5cm
柱面数 = 道密度 × 有效半径 = 40 × 5.5 = 220道

（2）每道容量 = 2π × 内径/2 × 位密度 = 2π × 11 × 400 = 8800π位 = 1100π字节
总容量 = 10面 × 220道 × 1100π字节 ≈ 7.6MB

===== 3.7 本章重点总结 =====

**核心概念：**
- 存储器的层次结构和局部性原理
- SRAM和DRAM的工作原理和区别
- 存储器容量扩展方法
- 磁盘和SSD的存储原理

**关键知识点：**
1. 存储器分类：按介质、存取方式、作用分类
2. 性能指标：容量、速度、带宽、可靠性
3. SRAM：6管结构、速度快、不需要刷新、用作Cache
4. DRAM：单管结构、需要刷新、集成度高、用作主存
5. 刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新
6. 扩展方法：位扩展、字扩展、字位同时扩展
7. 多体交叉：高位交叉和低位交叉

**重要公式：**
- 存储容量计算
- 平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间

**学习要点：**
- 理解存储层次结构的设计思想
- 掌握SRAM和DRAM的工作原理差异
- 熟练掌握存储器扩展的设计方法
- 了解磁盘和SSD的特点

**思考题：**
1. 为什么DRAM需要刷新而SRAM不需要？
2. 低位交叉存储器为什么能提高访问速度？
3. 存储器刷新对系统性能有什么影响？
4. 固态硬盘相比传统硬盘有哪些优缺点？
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