本系列文章是学习了网课《哈尔滨工业大学--计算机组成原理》之后，用以梳理思路而整理的听课笔记及相关思维拓展。本文涉及到的观点均为个人观点，如有不同意见，欢迎在评论区讨论。

存储器的分类

存储器是计算机中的重要设备，用来存放程序和数据。随着计算机的发展，CPU的速度变得越来越快，远超存储器的存取速度，存储器和CPU速度的不匹配是计算机运行速度受限的主要因素，但是CPU又需要和主存交换数据，因此也发展出各种各样的存储设备。可以从以下几个方面对存储器进行分类：

按照存储介质分类（存储介质是指能够寄存0、1并能够区别两种状态的物质或元器件） 1、半导体存储器，由半导体器件组成，易于集成，而且因为半导体器件的特点，速度较快。 2、磁表面存储器，在金属或者塑料基体的表面涂上一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载体高速运转，用磁头在磁层上进行读写操作，利用剩磁状态的不同区分0和1，不会轻易丢失数据，但需要磁头、磁载体。 3、磁芯存储器，磁芯是由硬磁材料（不容易退磁，磁性保持时间长）做成环形元件，在磁芯中穿有驱动线和读出线，以进行读写操作。体积大、工艺复杂、功耗太大。 4、光盘存储器，采用激光在记录介质（磁光材料）上进行读写，有非易失性。

按照存取方式 1、随机存储器（Random Access Memory， RAM），可读写，存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，存取时间与存储单元的物理位置无关。根据存储信息的原理不同，又可分为静态RAM（触发器一直维持数据）和动态RAM（需要不停刷新电容以维持信号） 2、只读存储器（Read Only Memory，ROM），在程序执行时，只能将内部信息读出，不能轻易的写入以改变原始数据。

掩膜型只读存储器（Masked ROM，MROM），厂家一旦制成就无法更改。 可编程只读寄存器（Programmable ROM，PROM） 电擦除可编程只读存储器（Electrically - Erasable Programmable ROM，EEPROM） 闪存存储器（Flash Memory）

3、串行访问存储器，对存储单元进行读写操作时，按照物理顺序进行寻址，例如磁带存储器。

按照在计算机中的作用 主存：直接和CPU进行数据交换 辅存：主存的后援存储器，用来存放暂时不用的程序和数据，不能和CPU直接进行数据交换 缓存：一般用于两个存取速度不同的部件之间，起缓冲作用

为什么要这么多种类的存储器：

因为我们想要存储器可以跟得上CPU的速度，即要求速度快； 但是这样价格贵，而价格自然是便宜更好； 而且还需要内存又大占的尺寸还小； 所以我们的要求是：存取速度和CPU的速度一样快、价格便宜、体积小、而且容量大 但是没有一种存储器可以满足：速度快、容量大、价格低还需要体积小 因此用多层次的存储器系统（结合多类存储器），以满足上述需求

存储系统的层次结构

存储器有三个主要的性能指标：速度、容量和每位价格，三者之间可以由下图体现，越往上的速度越快：

寄存器：直接在CPU内部参与运算，速度最快、价位最高、容量最小； 主存：存放将要参与运行的程序和数据；其速度与CPU速度差距较大，在主存和CPU之间加入了比主存速度更快、容量更小的高速缓冲存储器Cache； 磁盘和磁带属于辅助存储器，其容量远大于主存，大都用来存放暂时未用到的程序和数据文件； CPU不能直接访问辅存，辅存只能与主存交换信息，辅存的速度比主存慢得多；

缓存-主存体系主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，缓存的速度比主存的速度高，只要CPU将近期要用的信息调入缓存，CPU便可以直接从缓存中获取信息，从而提高访存速度。但是由于缓存的容量小，需要不断的把主存的内容调入缓存，使缓存中原来的数据被调换。 主存-辅存层次主要解决存储系统的容量问题，辅存的速度比内存的速度低，不能和CPU直接交换信息，但是其容量远大于主存，可以存放信息，当CPU需要用到这些信息时，可以将辅存的内容调入主存，供CPU访问。

主寄存器

主存和CPU的联系

CPU从主存读取数据：当需要从存储器读出信息字时，由CPU将该字的地址发送到MAR，经地址总线送至主存，然后发出读命令，主存接收到读命令之后，将指定地址单元的内容读出，完成读操作，将该地址单元的数据送至MDR，至于信息由MDR送到什么位置，主存不管。 CPU向主存存数据：首先CPU将该字的地址通过MAR送到地址总线，并将信息字送入MDR，然后向主存发出写命令，主存接到写命令后，将数据线上的信息写入对应地址线指出的主存单元中。

静态RAM

基本电路

T1、T2：存储数据 T3、T4：提供电源给T1、T2 T5、T6：行开关，受行地址选择控制信号 T7、T8：列开关，受列地址选择控制信号

写信号： 行选中和列选中，导致T5、6、7、8全部选通 比如写入Data是1，A点被置1，A'被置0 A和A'的电位导致T1导通、T2断开 T1导通，导致A‘继续为0，T2继续断开，导致A继续为1，形成互锁 行列选择信号撤除以后，T3和T4继续提供电压，以此维持A和A’，A的1就是写入的信号 比如写入Data是0，A点置0，A‘被置1 A和A’的电位导致T1断开、T2导通 T2导通导致A继续为0，T1继续断开，A‘继续为1，形成互锁 行列选择信号撤除以后，T3和T4继续提供电压，以此维持A和A’，A的0就是写入的信号

读信号： 行选中和列选中后，直接将A的电平信号放大后输出即可

芯片举例

以Intel 2114芯片为例 A0A9是地址输入端 $I/O_1$$I/O_4$是数据输入输出端 $\overline{CS}$是片选信号 $\overline{WE}$是写允许信号

2114存储矩阵由64 × 64个基本单元组成，$A_8$~$A_3$是行地址，$A_9$、$A_2$、$A_1$、$A_0$是列地址 2114有64行，由6个行地址控制（$2^6$ = 64） 64列看起来不能由4个列地址控制，是因为64列被拆分成四组，一个列地址进来会同时选中四组中的数据，也就是当提供行列信号后，同时输出四个数据（四个IO） 64列共包含64对$T_7$、$T_8$管，64列分成四组，每组包含16列，由四个列控制信号控制（$2^4$ = 16）

举例 $A_8$$A_3$：000 000，$A_9$、$A_2$、$A_1$、$A_0$：0 0 0 0 第0行被选中，64列中的四组，每组中的第一列被选中，即0，16，32，48这四列被选中 $I/O_1$$I/O_4$分别输出第0行的第0，16，32，48列，这四个存储单元存储的信息，或者IO先写入存储单元

动态RAM

基本电路

动态RAM采用电容存储电荷来寄存信息，电容上的电荷一般只维持1~2ms，即使电源不掉电，信息也会慢慢消失，必须定时对存储单元进行刷新，所以掉电后，信息会消失。

下面是三管动态RAM的基本单元电路：

读数据 先对预充电管$T_4$置预充信号，此时读数据线先处于高位 读选择线打开$T_2$ 若$C_g$处于高电平，则使得$T_1$导通；$T_1$、$T_2$导通导致读数据降为低电平 若$C_g$处于低电平，则$T_1$不导通；读数据为高电平 输出信号和$C_g$反向

写数据 写选择打开$T_3$，写数据线向$C_g$写入数据（充放电）

下面是单管RAM的基本电路：

读数据 字线上的高电平使T导通 若$C_g$有电荷，在数据线上产生电流，视为“1” 若$C_g$无电荷，数据线上无电流，视为“0” 读操作有破坏性，必须对电容进行再生

写数据 字线为高电平使T导通 若数据线上为高电平，经T管对$C_g$进行充电，使其存“1” 若数据线上为低电平，则$C_g$经T放电，使其无电荷存“0”

芯片举例

下面是三管动态RAM芯片的结构举例：

这是一个1K × 1位的存储芯片，每一个小方块代表一个动态RAM基本电路（存储单元），因为是1K × 1位，所以地址位需要10位（$2^{10}$ = 1K），其排列成32 × 32的矩阵。行列译码器将地址转换，从而找到需要进行操作的存储单元。 下面是单管动态RAM芯片的结构举例：

这是一个16K × 1的存储芯片，按理说有14（$2^{14}$ = 16K）根地址线，但是为了减少地址线的数量方便封装，地址信号分成两次传送，第一次传送7位行地址信号，第二次传送7位列地址信号。 上述单管芯片的具体读写操作：

读信号 行地址经过译码之后，选中其中一行，该行上的MOS导通，并将其电容$C_s$上的电荷反映到128个读放大器的某一侧（0到63行反映到读放大器的左侧，64到127行反映到读放大器的右侧），因为放大器是一个跷跷板电路，其左右两侧电平相反，所以0到63行上$C_s$的电平和读出来的电平反向，64到127行上$C_s$的电平和读出来的电平同相。

写信号 行列信号经过译码之后，选中其中一个存储单元 如果该存储单元是0到63行，那么存储单元存储的信息和输入信号反向，即当输入信号是1时，该输入信号经过读放大器（跷跷板电路），$C_s$上的电平会被放电成0 如果该存储单元是64到127行，那么存储单元存储的信息和输入信号同向，因为输入信号是1时，它没有经过放大器（跷跷板电路），$C_s$上的电平会被充电成1 所以说，因为写的时候，0到63行是反向的，读的时候又是反向的，所以最终结果是对的

动态RAM的刷新

刷新实质是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。通常有三种刷新方式：集中刷新、分散刷新和异步刷新。

集中刷新：在规定的时间内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读写操作。 比如对128 × 128的矩阵的存储芯片进行刷新，如果数据的存取周期是0.5us，刷新周期是2ms，那么对128行集中刷新需要占用64us（读取再写入），也就是说每2ms中有64us需要用来刷新数据，这64us中不能进行读写操作，称为“死区”时间。

分散刷新：对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成，如果存取周期是0.5us，那么将存取周期延长到1us，前0.5us还是用于读写数据，后面0.5us用于刷新数据，这样存储单元的刷新周期变短，相当于每存取一次就刷新一次（会不会有一行一直不用，不会，128us内必然刷新所有行，如果有一行有数据读写，就放在数据读写后面；没有数据读写，那也要刷新），但是整个系统的速度降低。

异步刷新：还是2ms刷新所有行，但是不会一次性刷新，在2ms内将所有行刷新完成即可，即2000us / 128 = 15.6us，每隔15.6us刷新一行，刷新一行只停止一个存取周期（刷新的时候不能存取，刷新周期0.5us和存取周期一样）。这个0.5us可以安排在CPU不访问存储器的译码阶段，就是CPU不用访问内存的时候安排上刷新，集中刷新占用的时间实在太长，很难保证CPU不用内存。

动态RAM和静态RAM的比较

	动态RAM	静态RAM
存储原理	采用电容存储电荷	采用触发器存储电荷
集成度	单管只需要一个MOS，三管需要四个	4~6个MOS管
引脚数量	顺序传送地址，可以减少引脚数量	需要一次性传输，发挥速度优势
功耗	只需要对电容进行充放电	有四个管子一直处于工作状态
速度	需要电容充放电，速度较慢	反应较快

只读存储器

厂家已经写好了内容，不能修改（MROM）

MROM（掩模ROM），可以看到，行列地址线有行列译码器对地址进行翻译，但是并不是所有位置都有MOS管。当查询地址没有MOS管时，会输出0；当查询位置有MOS管，会输出。以此得知存储器储存的信息。但是很显然，MOS管的位置都已经被放置好了，根本无法修改原始信息。

用户可以自己写，只能一次（PROM）

PROM（一次性，熔丝），用户使用时，如果想存入“0”，则将耦合元件置大电流，将熔丝烧断，这样读取的时候就是0；如果想存取“1”，则将耦合元件置小电流，这样熔丝就不会熔断，这样读取的时候就是1。当然往往只能编程一次（如果你牛逼可以在以前的代码上再烧断新的熔丝，也行），不得再次修改。

可以多次写

EPROM

采用浮动栅雪崩注入型MOS管构成。当在漏端D加上正电压，会形成浮动栅以阻止源S和漏D之间的导通，此时MOS管处于0状态；若不在D端加正电压，则不能形成浮动栅，此时MOS管便能正常导通，此时MOS管处于1状态。

用户可以对不同位置的MOS管的D端编程施加或者不施加正电压以形成用户所需的ROM。如果想要重新编程，需要采用紫外线照射以驱散浮动栅，再次进行编程。

EEPROM、Flash