第二节 内存储器
一、基本概念
1.地位：是计算机工作过程中主要使用的存储器。
2.构成：
①ROM：存放固定不变的程序和数据。
②RAM：用来存放计算机运行时的程序和数据。
3.ROM与RAM比较
| 名称 | 采用电路名称 | 集成度 | 价格 | 速度 | 功耗 | 用途 | 刷新 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SRAM | 双稳态触发电路 | 大 | 高 | 快 | 大 | Cache | 无 |
| DRAM | 电容 | 小 | 低 | 慢 | 小 | 内存条 | 有 |
4.半导体存储器的组成及寻址方式
①字扩展法：通过串联，加大存储单元。
②位扩展法：通过并联，加大字长（存储器与存储器芯片的字数相同）。
③字位扩展法：在字和位上同时扩展。
5.半导体存储器与CPU的连接方法
①线选方案；②采用译码器连接方案。
6.半导体存储器的设计步骤
①选择存储芯片：根据存取速度、存储容量、电源电压、成本等；
②位向（字长）芯片数量：芯片数=总字长（数据总线）÷每片的字长；
③字向（容量）芯片数量：总片数=总容量÷每片的容量；
④对CPU总线负载能力；
⑤CPU的时序和存储器存取速度的配合；
⑥确定存储器的地址分配和选片；
⑦控制专线的连接。
二、随机存储器
1.特点：可随机存入或取出信息。
2.构成：静态随机存储器、动态随机存储器。
3.静态随机存储器
核心电路：6个MOS管组成的双稳态触发器。
组成：
①存储体：是存储单元的集合。
②地址译码器：用来存放所要访问的存储单元的地址。分为单译码和双译码方式。
③I/O电路：用来控制被选中的单元读出或写入。
④片选与读/写控制电路。
⑤输出驱动电路。
应用场合：寄存器、高速缓冲存储器等。
4.动态随机存储器
工作原理：依赖电容的充电电荷来存储信息。
DRAM的刷新：保持存储数据的正确，反复对存储单元进行充电，以恢复原来的电荷。
单位：以行为单位，刷新周期为2ms。
方法分类：
①集中式刷新：优点：读写速度较高； 缺点：会形成较多“死区”。
②分散式刷新：优点：有效地避免了“死区”；缺点：加长了存取时间，降低了速度。
③异步式刷新：优缺点：结合了以上两种。
应用场合：内存条等。
三、只读存储器
1.特点：只能读出信息，不能用通常的方法写入信息。
2.构成：掩模式只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电擦除可编程只读存储器。
3.掩模式只读存储器
分类：MOS型和双极型。
4.可编程只读存储器
编程定义：PROM的写入过程。
5.可擦除可编程只读存储器
构成：浮动栅雪崩注入型MOS管，称为FAMOS（主流）。
6.电擦除可编程只读存储器
缺点：不能在线修改，即使错一位也需全部擦除。
特点：
①能在断电后保存数据；
②编程简单；
③不需要设置单独的擦除操作可以自动擦除。
7.闪存存储器
①NOR Flash：代码型闪存芯片。
②NAND Flash：数据型闪存芯片，可实现大容量存储。
四、高速缓冲存储器
1.作用：用来存放当前正在执行的程序或正在处理的数据。
2.组成：一共有三级缓存，容量逐级变大，其中一级缓存分为：指令缓存和数据缓存。
3.工作原理：程序访问的局部性。
4.特点：cache对用户而言是“透明”的，不需要通过指令对其进行控制。
5.基本操作：
①读操作：分为需要的数据已在cache和需要的数据不在cache两种情况。
②写操作：命中时，同时写在Cache和主存中，称为直达法或通过式写法（效率低）；不命中时，只向主存写入信息（效率高）。
5.地址映射：
①直接映射：
优点：简单，地址变换速度快，不涉及替换策略问题。
缺点：块冲突率高，Cache命中率低
②全相联映射：
优点：块冲突率低，Cache利用率高。
缺点：查找速度慢，比较和替换策略都要用硬件实现，控制方式复杂。
③组相联映射：优缺点介于上面两种之间。
6.替换策略：
①先进先出策略—FIFO策略
优点：容易实现；缺点：经常使用的块容易被替换掉。
②近期最少使用策略—LRU策略
优点：平均命中率比FIFO高。
五、虚拟存储器
1.基本概念
功能：①克服内存空间不足；②保证运行的正确。
程序再定位：逻辑地址（虚拟地址）与实际地址的转换过程。
技术组成：在主存与辅存之间增加软件及必要硬件，使主存与辅存之间信息交换、程序再定位、地址转换都能自动进行，将两者形成有机整体。
2.虚拟存储器的管理方式
①段式管理：
优点：有利于程序运行，便于实现信息共享和存储保护。
缺点：会形成较多的空闲区（“碎片”），内存利用不充分。
②页式管理：
优点：便于主存与辅存间的调进调出，空间利用率高。
缺点：难以实现存储保护和存储共享。
③段页式管理：
优点：拥有前两个的优点。
缺点：需要访问三次内存。
六、虚拟存储器地址转换表
1.段表
应用：段式管理。
2.页表
应用：页式管理
3.快表
描述：记录的虚地址与实地址的对应关系，可以高命中率的快速查到数据。
4.帧页表
描述：以记录内存使用情况的方式管理主存。
5.外页表
描述：记录虚页号与辅存地址的关系，在缺页时得到虚页所在位置。
【知识扩展】： 透明刷新
| 将刷新操作安排在CPU不访问主存期间，效率最高，控制线路最复杂。 |
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