存储器层次结构与主存储器

本节导读

存储器层次结构是组成原理里内容很多的一章，本课分三节：这一节讲存储器的分类、层次化结构、半导体存储器、主存储器和外部存储器；第 15 节讲 Cache；第 16 节讲虚拟存储器。

这一节的计算有：芯片扩展需要多少片、地址怎么分配，交叉存储器连续访问的时间，磁盘读一块数据的时间。学完你应该能画出用若干芯片组成主存的连接方式，并写出每组芯片的地址范围。

存储器的分类与层次结构

分类依据	类别
作用	主存（内存）、辅存（外存）、高速缓存 Cache
存储介质	半导体存储器、磁表面存储器（磁盘、磁带）、光存储器
存取方式	随机存取（RAM）、只读（ROM）、串行访问（顺序存取的磁带、直接存取的磁盘）
信息可保存性	易失性（断电丢失，如 RAM）与非易失性（如 ROM、Flash、磁盘）；破坏性读出与非破坏性读出

主要性能指标：存储容量、单位成本（每位价格）、存储速度。存取时间是从启动一次操作到完成的时间；存取周期是连续两次独立访问之间的最小间隔，一般大于存取时间；主存带宽是单位时间内存取的信息量。

层次结构的目标是：速度接近最快的一层，容量和成本接近最大最便宜的一层。Cache—主存层次解决速度问题，全部由硬件管理，对程序员透明；主存—辅存层次解决容量问题，由硬件和操作系统共同管理（虚拟存储器）。它们能起作用，靠的是程序访问的局部性：时间局部性（刚访问过的很快会再访问）和空间局部性（访问了一个地址，附近的地址很快也会被访问）。

半导体随机存取存储器

比较项	SRAM	DRAM
存储元	双稳态触发器（六管）	电容（单管）
读出	非破坏性	破坏性，读后要再生
刷新	不需要	需要，电容上的电荷会泄漏
速度、集成度、成本	快、低、高	慢、高、低
用途	Cache	主存

DRAM 的刷新按行进行，在规定的刷新周期（常见 2 ms）内把每一行都刷新一遍，方式有集中刷新（有一段「死时间」）、分散刷新（每个存取周期加一次刷新，周期变长）和异步刷新（把各行的刷新均匀分布在刷新周期里）。DRAM 芯片容量大，地址常分行、列两次送入（地址复用），引脚数减半。

只读存储器也能随机读：掩模 ROM、一次可编程的 PROM、可擦除的 EPROM，以及电可擦除、可多次改写的 Flash 存储器。Flash 非易失、读快写慢，U 盘和固态硬盘都用它。

主存储器

内存条由多个 DRAM 芯片组成。为提高主存带宽，可以用多模块存储器：

• 单体多字：一个存储体一次读出多个字，要求数据和指令在主存中连续存放。
• 高位交叉：模块号在地址高位，同一模块内地址连续。顺序访问时总是落在同一个模块，不能提高连续访问的速度，主要用于扩充容量。
• 低位交叉：模块号在地址低位（地址 mod 模块数），连续地址轮流分在各个模块。设存取周期为 T、总线传送周期为 r，模块数 $m \ge \dfrac{T}{r}$m≥rT​ 时可以流水式工作，连续存取 m 个字的时间是 $T + (m-1)r$T+(m−1)r。

主存与 CPU 的连接：存储芯片的容量往往不够，要扩展。

扩展方式	做法	连接要点
位扩展	字数不变，增加字长，几片同时工作	地址线、片选、读写线并联，数据线分别接
字扩展	字长不变，增加字数	高位地址经译码器产生各片（组）的片选信号
字位同时扩展	先位扩展成组，再字扩展	组内同时选中，组间靠片选区分

需要的芯片数 = 目标容量 ÷ 芯片容量。片内地址线由芯片的字数决定，其余高位地址用于片选。