存储器概述

2022.04.24

存储器的分类

1. 按计算机中层次分类

   类别	容量	存取速度	价格
   主存储器（主存）	小	较快	较高
   辅助存储器（辅存）	大	慢	低
   高速缓冲存储器（Cache）	小	与CPU匹配	高

2. 按存储介质分类

   磁表面存储器（磁盘、磁带）

   磁芯存储器

   半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）

   光存储器（光盘💿）

3. 按存取方式分类

   • 随机存储器（RAM，Random Access Memory）：读写任意位置存储单元所需的时间都相同；主要用作主存、Cache

     • 静态RAM
     • 动态RAM

   • 只读存储器（ROM，Read-Only Memory）：

     • ⚠️BIOS芯片，用于开机时装在操作系统，虽然是ROM芯片，但是也算在主存的一部分

     • ⚠️很多ROM也可以写！

     • ⚠️闪存写的速度比读的更慢

     • ⚠️很多ROM也具有“随机存储”特性！

     • MROM（掩模式只读存储器）

       厂家按照客户需求，在芯片生产过程中写入信息，之后人个人不可重写（只能读出），可靠性高、灵活性差、生产周期长、只适合批量定制

     • PROM（一次可编程只读存储器）

       用户可使用专门的PROM写入器写入信息，写入以后就不可更改

     • EPROM（可擦除可编程只读存储器）

       允许用户写入信息，之后用某种方法擦除数据，可进行多次重写

       • UVEPROM

         用紫外线照射8-20分钟，撒出所有信息

       • EEPROM

         可用“电擦出”，擦出固定的字

     • Flash Memory（如U盘、SD卡）

       有EEPROM发展而来，断电后也能保存信息，可以进行多次快速擦出重写，写比读更慢。另外闪存每个存储元只需要一个MOS管，位密度高。

     • SSD（固态硬盘）

       有控制单元+存储单元（Flash芯片）构成，可进行多次快速擦出重写，SSD速度快、功耗低、价格高。

   • 串行访问存储器

     • 顺序存储存储器（SAM,Sequential Access Memory） 读写存储单元所需时间取决于存储单元所在的地理位置
     • 直接存储存储器（DAM,Direct Access Memory） 既有随机存取特性又有顺序存取特性，比如磁盘

   • 相联存储器（CAM, Associative Memory / Content Addressed Memory）: 可以按照内容访问的存储器，按照内容检索到储存位置进行读写，“块表”就是一种相联存储器

     • 内容指定方式与地址指定方式相结合

4. 按信息可保存性分类

   1. 易失性存储器，如RAM
   2. 非易失性存储器，如ROM、磁表面存储器、光存储器
   3. 破坏性读出&非破坏性读出

存储器性能指标

1. 存储容量

   $$\begin{array}{}\text{(6)}& \text{存}\text{储}\text{容}\text{量}=\text{存}\text{储}\text{字}\text{数}\cdot \text{字}\text{长}\end{array}$$

   如：1Mx8位

2. 单位成本

   $$\begin{array}{}\text{(7)}& \text{单}\text{位}\text{成}\text{本}=\text{总}\text{成}\text{本}/\text{总}\text{容}\text{量}\end{array}$$

3. 存储速度

   $$\begin{array}{}\text{(8)}& \text{数}\text{据}\text{传}\text{输}\text{率}(\text{主}\text{存}\text{带}\text{宽})=\text{数}\text{据}\text{的}\text{宽}\text{度}/\text{存}\text{储}\text{周}\text{期}\end{array}$$

   存取时间：启动存储器到完成操作的时间 = 读出时间+写入时间

   存取周期：完成的一次读写操作需要的全部时间，两个独立访问存储器操作之间所需的最小时间间隔

   主存带宽：每秒从主存进出的信息的最大数量（字/秒，字节/秒，位/秒）

   对于破坏性读出的存储器：存取周期 = 存取时间+恢复时间

• 设机器字长为32位，一个容量为16MB的存储器，CPU按半字寻址，其可寻址的单元数是（)。

  【答案】:$16MB/32bit\ast 2=2^{23}$$16MB/32bit*2=2^{23}$⚠️半字寻址

多层次的存储系统

• 下列关于多级存储系统的说法中，正确的有()。

  1.多级存储系统是为了降低存储成本

  2.虚拟存储器中主存和辅存之间的数据调动对任何程序员是透明的

  3.CPU只能与Cache直接交换信息，CPU与主存交换信息也需要经过Cache

  A. 仅I

  B. 仅I和II

  C. I、II和III

  D. 仅II

  【答案】：A，主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的，仅对应用级程序员透明。CPU与主存可直接交换信息。

• 某个两级存储器系统的平均访问时间为12ns,该存储器系统中顶层存储器的命中率为90%,访问时间是5ns,该存储器系统中底层存储器的访问时间是多少（假设采用同时访问两级存储器的方式)？

  ⚠️同时访问两级存储器还是分别访问！

  $$\begin{array}{}\text{(9)}& 12& =0.9\cdot 5+0.1\ast n\text{(10)}& n& =75\end{array}$$

• CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为1900，主存完成存取的次数为100，已知Cache存取周期为50ns,主存存取周期为250ns。设主存与Cache同时访问

  1)Cache/主存系统的效率是多少；

  2)平均访问时间是多少。

  命中率：$1900/(1900+100)=0.95$$1900/(1900+100)=0.95$

  $\text{效}\text{率}=\frac{\text{访}\text{问}Cache\text{时}\text{间}}{\text{平}\text{均}\text{访}\text{问}\text{时}\text{间}}=\frac{1\times 50}{0.95\times 50+0.05\times 250}=\frac{1}{0.95+0.05\times 250/50}=83.3\mathrm{\%}$$效率=\frac{访问Cache时间}{平均访问时间}=\frac{1\times 50}{0.95\times 50+0.05\times250}=\frac{1}{0.95+0.05\times250/50}=83.3\%$

  平均访问时间：50/0.833=60ns