多层次的存储器

一、存储器概述

存储器是用来记忆程序和数据的，在存储器中，一个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，成为存储位元。若干个存储位元又组成了一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。

1.存储器的分类：

按照存储器的材料和用途，存储器分为不同方法

（1）按存储介质分类：存储器的存储介质主要是半导体和磁性材料，各自成为半导体存储器和磁表面存储器。

（2）按存取方式分类：分为随机存储器和顺序存储器，前者的存取时间和存储单元的物理位置无关。而后者则有光。

（3）按存储内容可变性分类：有些半导体存储器的内容是不能改变的，这种存储器成为只读存储器。既能读又能写的存储器成为随机读写存储器

（4）按信息易失性分类：断电后消息消失的存储器，称为易失性存储器，否则为非易失性存储器。

（5）按系统中的作用分类：根据在计算机系统中所起的作用分为内部存储器、外部存储器；又可以分为主存储器、高速存储器、辅助存储器、控制存储器。

二、存储器的分级

多级存储器体系结构中，包括了高速缓冲存储器、主存储器和外存储器（CPU能直接访问的叫内存储器，包括了主存储器和cache。不能直接访问的叫外存储器）

高速缓冲存储器可以快速存取，但是容量小；而主存储器能和cache交换数据和指令，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据；外存储器是大容量辅助存储器，特点是存储容量大，位成本低。

三、主存储器的技术指标

一般存放一个机器字的存储单元，称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。一个机器字可以包含数个字节。

主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存数周期、存储器带宽

（1）存储容量：指一个存储器中可以容纳的存储单元总数

（2）存取时间：又称存储器访问时间，是指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线的时间。

（3）存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。

（4）存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标。

 

四、SRAM 存储器

SRAM是静态读写存储器，它用锁存器作为存储元，只要直流供电电源一直加在这个记忆电路上，它就无限期地保持记忆的1状态或0状态。如果电源断电，那么数据就会丢失，因此SRAM是易失性存储器。在SRAM中，地址线决定了有多少个存储单元，数据线决定了字长，控制线，决定是进行读操作还是写操作。

五、DRAM存储器

DRAM存储器的存储元是一个记忆电路，由MOS晶体管和电容器组成。MOS管是开关，电容充满电时代表为1，没有电荷时，代表0.

DRAM存储器和SRAM存储器最大的不同是：

（1）DRAM存储器增加了行地址锁存器和列地址锁存器。这样就可以分时传送行地址和列地址。

（2）增加了刷新计数器和相应的控制电路。

六、存储器的容量扩充

分为两种：

（1）字长位数扩展

共用地址线，控制线，分别占用数据线。

（2）使能端EN不能共用

七.cache的命中率

cache的作用就是在性能上，使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间

cache的命中率一般用h表示，Nc表示cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数。

h=Nc/(Nm+Nc)

若tc表示命中时的cache访问时间，tm表示未命中时的主存访问时间，1-h表示未命中率，则平均访问时间ta为：ta=htc+（1-h）tm

我们的目标是使平均访问时间尽可能接近cache的访问时间

e表示访问效率，r表示主存慢于cache的效率r=tm/tc：e=tc/ta=tc/htc+（1-h）tm=1/h+(1-h)r=1/(r+(1-r)h)

八、主存与地址映射

地址映射方式有全相联方式，直接方式，组相联方式三种

（1）在全相联映射中，将主存中一个块的地址与块的内容一起存于cache中，其中块地址存于cache行的标记部分中。这样可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一行中。在检索过程中，指令号中的块号和cache中所有行的标记同时在比较器中进行比较。如果块号命中，则按字地址从cache中读取一个字。如果块号未命中，则按内存地址从主存中读取这个字。