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

1. 双极型（TTL）：速度快、功耗大、集成度低
2. 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

1. 磁盘：硬盘、软盘
2. 磁带：用于数据备份

3. 光存储器：使用光学原理存储信息

1. CD、DVD、蓝光光盘等

4. 新型存储器：

1. 闪存（Flash）：U盘、SSD
2. 铁电存储器（FeRAM）
3. 磁阻存储器（MRAM）
4. 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

1. 静态RAM（SRAM）：速度快、不需要刷新、成本高
2. 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）

1. 掩膜ROM：出厂时写入，不可更改
2. PROM：可编程一次
3. EPROM：可擦写（紫外线）
4. EEPROM：电可擦写
5. 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

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。

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

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

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

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

1. DDR2、DDR3、DDR4、DDR5：不断提高数据传输率

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

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。

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：

1. MREQ（存储器请求）：指示当前访问存储器
2. R/W（读写控制）：指示读操作或写操作
3. 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

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

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

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

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

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：

1. 道密度：单位长度内的磁道数
2. 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

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

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

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？