12第十二讲高性能存储器和高速存储器
计算机基础知识认识计算机存储器的不同类型和功能
计算机基础知识认识计算机存储器的不同类型和功能计算机基础知识：认识计算机存储器的不同类型和功能计算机存储器是计算机系统中重要的组成部分，它用于存储和读取数据、程序和指令。
不同类型的存储器具有不同的功能和特点。
本文将介绍计算机存储器的主要类型和功能。
一、内存内存是计算机中最重要的存储设备之一，用于存储当前正在被处理的程序和数据。
内存分为主存储器和辅助存储器两大类。
1. 主存储器主存储器是计算机系统中速度最快、容量相对较小的存储器。
它直接与CPU进行数据交换，并且可以快速读写数据。
主存储器一般采用固态存储器，如RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。
- RAM（随机存取存储器）：RAM是一种易失性存储器，意味着当计算机断电时，其中的数据将会丢失。
RAM主要用于存储临时数据和程序指令，以供CPU快速访问。
目前常见的RAM类型有SRAM和DRAM，它们在存储速度和稳定性上有所不同。
- ROM（只读存储器）：ROM是一种不易改变的存储器，存储的数据通常是固化于芯片中的程序和数据。
计算机启动时，BIOS（基本输入输出系统）就是从ROM中加载的。
ROM的数据无法被修改，可靠性较高。
2. 辅助存储器辅助存储器用于长期存储数据和程序，数据在断电后不会丢失。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、固态硬盘、光盘和闪存驱动器。
- 硬盘驱动器：硬盘驱动器使用磁性材料记录数据，并且容量较大，适合存储大量数据。
它是计算机系统中最常见的存储设备之一。
- 固态硬盘：固态硬盘（SSD）通过闪存芯片来存储数据，与传统硬盘驱动器相比，它具有更快的读写速度和更高的抗震性。
由于价格的下降，SSD正逐渐取代传统硬盘。
- 光盘：光盘利用激光技术读写数据，主要分为CD、DVD和蓝光光盘。
光盘的容量较小，适合存储音频、视频和软件。
- 闪存驱动器：闪存驱动器（如USB闪存盘）也是一种常见的辅助存储器，具有便携性和可插拔性，适合传输数据和备份文件。
虚拟存储和高速缓冲存储器
在实际应用中，虚拟文件系统存储方案以非对称式拓扑结构 为表现形式。
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虚拟存储的特点：
虚拟存储提供了一个大容量存储系统集中管理的手段，由网络中 的一个环节（如服务器）进行统一管理，避免了由于存储设备扩 充所带来的管理方面的麻烦。
虚拟存储对于视频网络系统最有价值的特点是：可以大大提高 存储系统整体访问带宽。
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三级缓存的性能影响
❖ 在游戏方面，提升三级缓存的容量对游戏的性能影响很大， 如果是网吧机提升三级缓存的容量，会有显著的性能提升的。
❖ 对PC机来说，三级缓存其实只是做了个辅助的作用，除了服务器 ，其实对大多数家庭机没什么用的， 对于家庭机内存是最重要的 。
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高速存储器的工作原理图：
地址总线
LRU管理逻辑
CAM
相联存储图表
主
CPU
存储指标参数
存储指标参数
存储器的性能指标主要包括以下几种：
1. 存储容量：这是指存储器可以存储的数据量，通常以位（bit）为单位。
2. 单位成本：这是指存储器的成本效益，通常以每GB或每MB的价格来表示。
3. 存储速度：这是指存储器读写数据的速度，通常以存取时间（Ta）和存取周期（Tm）来表示。
存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。
存取周期又称为读写周期或访问周期，它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。
主存带宽（Bm）又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒（B/s）或位/秒（b/s）。
以上就是存储器的性能指标参数，这些参数对于评估和选择存储器具有重要意义。
计算机存储器类型与层次结构解析
计算机存储器类型与层次结构解析计算机存储器是计算机中的一个关键组成部分，用于存储和读取数据。
根据存储介质和访问速度的不同，计算机存储器可以分为不同的类型和层次结构。
本文将详细解析计算机存储器的类型与层次结构，帮助读者更好地理解计算机存储器的工作原理。
一、计算机存储器的类型1. 内部存储器（主存储器）：内部存储器是计算机中直接与中央处理器（CPU）相连的部分，用于存储程序和数据。
它是计算机中最快的存储器，也是最重要的存储器之一。
内部存储器的容量较小，价格相对较高。
2. 外部存储器（辅助存储器）：外部存储器是计算机中与中央处理器间接连接的存储器，用于大容量和长期存储数据。
外部存储器的容量较大，价格相对较低。
常见的外部存储器包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）和光盘。
二、计算机存储器的层次结构1. 高速缓存存储器（Cache Memory）：高速缓存存储器位于内部存储器和中央处理器之间，用于提供更快的访问速度。
它采用了较小但更快的存储器芯片，并通过存储和取回最常用的数据和指令，以减少中央处理器的等待时间。
2. 主存储器（Main Memory）：主存储器是内部存储器的一种，是计算机存储器的核心部分。
它以字节为单位存储数据和程序，并可以直接被中央处理器访问。
主存储器通常采用随机存取存储器（RAM）技术。
3. 辅助存储器（Secondary Storage）：辅助存储器是外部存储器的一种，用于存储大量的数据和程序。
辅助存储器通常采用磁盘或固态存储技术，并具有较大的存储容量。
它的访问速度相对较慢，但可以长期保持数据。
三、计算机存储器的工作原理1. 数据存储：计算机存储器通过将数据以二进制形式存储在内存或磁盘中。
每个数据单元在存储器中都有一个唯一的地址，计算机可以通过地址来访问特定的数据单元。
2. 数据读取：计算机可以根据指令从存储器中读取数据。
读取数据的过程是通过计算机总线进行的，总线将数据传输到中央处理器中进行处理。
存储器的分类和主要性能指标微机原理详解
例如：
用4K×4位的SRAM芯片构成4K×8位的存储器。
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⑵字扩展 当单片存储器的字长满足要求，而存储单元的
个数不能够时，就需要进行字扩展。
字扩展方法：
将每个芯片的地址线、数据线和读/写控制线等 按信号名称并连在一起，只将选片端分别引到地址
内存储器使用。
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半导体存储器的分类：
按工作方式分
按制造工艺分
双极型RAM
随机存取存储器
（RAM）
金属氧化物型
（MOS）RAM
按存储机理分 静态读写存储器(SRAM) 动态读写存储器（DRAM）
只读存储器 （R0M）
ROM
PROM EPROM E2PROM
1K位/片， 如：Intel 2115A (1K×1);
16K位/片，如：MCM2167H35L(16K×1); 64K位/片，如： MCM62L67-35L(64K×1); 256K位/片，如： MCM6205NJ17(32K×8);
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8
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§ 6 . 2 半导体存储器件
所以该6264芯片的地址范围为3E000H～3FFFFH
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19 目前十九页\总数七十一页\编于二十二点
§6.3 SRAM、ROM与CPU的连接方法
⒈要解决的技术问题
⑴ SRAM、ROM的速度要满足CPU的读/写要求； ⑵ SRAM、ROM的字数和字长要与系统要求一致；
简述计算机存储器的分类
简述计算机存储器的分类
计算机存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的设备。
根据功能和性质的不同，计算机存储器可以分为以下几类：
1. 主存储器（主存）：也称为内存，是计算机中用于存储当前运行程序和数据的地方。
主存储器读写速度快，容量一般较大，但是断电即丢失数据。
2. 辅助存储器：辅助存储器是用来存储大量的永久性数据的设备。
常见的辅助存储器包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘、磁带等。
辅助存储器容量大，断电不丢失数据，但是读写速度较主存慢。
3. 高速缓存（缓存）：高速缓存是位于主存和中央处理器（CPU）之间的一个存储器层级，用于提高存取速度。
它存储最常用的数据和指令，以减少对主存的访问次数。
高速缓存容量较小，读写速度比主存快。
4. 高速寄存器：高速寄存器位于CPU内部，是最快的存储器
类型。
它用来存储最经常使用的数据和指令，供CPU直接访问。
高速寄存器容量非常有限。
这些存储器类型在计算机系统中共同协作，实现数据的存储和处理。
不同存储器类型的组合，可以根据计算机系统的需求来设计，以达到最佳的性能和成本效益。
存储器基础
（3） 存储周期时间（又称读/写周期，或访 问周期）:CPU连续启动两次独立的存储器操 作所需间隔的最小时间。（目前一般存储器 可达几纳秒（ns））
4、主存储器的基本操作
*主存储器用来暂时存储CPU正在使用的指令 和数据，它和CPU的关系最为密切。 *主存储器和CPU的连接是由总线支持的， 连接形式如下图所示。
2K字×n位
* CPU与主存之间采取异步工作方式，以
ready信号表示一次访存操作的结束。
*读（取）操作 ：从CPU送来的地址所指 定的存储单元中取出信息，再送给CPU。
（1）地址->AR->AB （2） Read （3）Wait for MFC （4）(AR)->DB->DR CPU将地址信号送至地址总线 CPU发读命令 等待存储器工作完成信号 读出信息经数据总线送至CPU
*写（存）操作 ：将要写入的信息存入 CPU所指定的存储单元中。
（1）地址->AR->AB CPU将地址信号送至地址总线 （2）数据->DR->DB CPU将要写入的数据送到数 据总线 （3）Write CPU发写信号 （4）Wait for MFC 等待存储器工作完成信号
5.主存储器的基本结构●ຫໍສະໝຸດ 3、主存储器的主要技术指标
（1）存储容量:地址线数决定最大直接寻址空 间大小（n位地址：2n）。 （2）存取时间（存储器访问时间）(或读/写时 间) 指启动一次存储器操作到完成该操作所 经历的时间。 *读出时间：指从CPU向MEM发出有效地址和读命 令开始，直到将被选单元的内容读出为止所 用的时间。 *写入时间：指从CPU向MEM发出有效地址和写命 令开始，直到信息写入被选中单元为止所用 的时间。
二.存储器的分类
3、存储器
3.2.2 内存的性能指标
内存储器的性能是衡量计算机性能的主要指标之一。
⑴、存储容量
存储容量是指存储器有多少个存储单元，计算容量 时常用字节（ Byte，8个二进制位，例：11000011b ）作 单位。 常用的单位： 千字节 KB （1024 Byte ）
存取时间（ns） 最高频率（ MHz ） 额定可用频率（MHz）
15
66
60
12
83
75
10
100
83
8
125
112
7
143
133
③、ECC校验
ECC校验是PC100所要求的。
④、SPD
SPD（Serial Presence Detect 串行存在探测），是 SDRAM内存条的新规范。内存条制造商将该内存条所使 用的芯片基本信息预先写入SPD内，计算机系统可以通 过SPD知道该内存条的基本信息，正确地识别，从而确 定使用正确的方法来驱动它。
①、CAS等待时间（列选通等待时间） 当一个读命令发出时至数据在输出端可以提供的时延，
这个值一般是2或者是3个时钟周期，它决定了内存的性 能，对内存系统的工作速度有很大的影响。
②、额定可用频率 了解内存的额定可用频率，一个简单易行的方法是把生产厂
商给定的最高频率下调一些，这样的值称额定可用频率GUF。 存取时间与额定可用频率的关系
任何存储芯片的容量总是有限的，要组成实际的存储 器，就要用多个芯片进行组合，以满足所需的存储容量。
组合包括位扩、字扩和字位扩。
⑴ 存储器容量的位扩展 存储器容量的位扩展就是对存储器的位数进行扩展。 位扩展的方法是：将每个存储芯片的地址线和控制线全