计组 — 存储系统

章三 存储系统

1 主存简单模型

1.1 主存逻辑模型

• 地址寄存器：接收外部部件传输到主存中的具体地址

• 存储体：存储具体的二进制位

• 数据寄存器：暂存输入/输出的数据信号

• 时序控制逻辑单元：协调地址寄存器、存储体和数据寄存器三者的相互配合

  

1.2 主存的物理模型

• 控制电路：控制译码器、地址寄存器、数据线等元器件之间的协调工作

  • 片选线：整个控制电路芯片的开关，有两种模式：高/低电频有效
  • 读控制线：决定本次操作是否是读取操作
  • 写控制线：决定本次操作是否是写入操作

  

• 地址线：一般对应于存储单元的个数，n 根地址线对应 \(2^n\) 个存储单元

• 数据线：一般对应于数据线的根数，n 根数据线对应 n 位存储字长

• 总容量 = 存储单元个数 * 存储字长（例：8K * 8 位：即 \(2^{13}*8bit\) ，13 根地址线，8 根数据线，则总容量为 8KB）

• \(K:2^{10}\ \ \ \ \ M:2^{20}\ \ \ \ \ G:2^{30}\ \ \ \ \ T:2^{40}\)

2 寻址

假设主存的总容量为 1KB，则：

• 按字节寻址：每个单元 1B，共有 1K 个单元，那么地址线根数为 \(log_21024=10\) 根

  

• 按字寻址：每个单元 4B，共有 256 个单元，那么地址线根数为 \(log_2256=8\) 根

  

• 按半字寻址：每个单元 2B，共有 512 个单元，那么地址线根数为 \(log_2512=9\) 根

  

• 按双字寻址：每个单元 8B，共有 128 个单元，那么地址线根数为 \(log_2128=7\) 根

  

• 多字节存放

  • 大端模式：数据的最高有效字节存放在内存的低地址

  • 小端模式：数据的最高有效字节存放在内存的高地址

    

3 半导体存储器

3.1 基本结构

• 存储矩阵：由大量相同的位存储单元阵列构成
• 译码驱动：将来自地址总线的地址信号翻译成对应存储单元的选通信号，该信号在读写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作
• 读写电路：包括读出放大器和写入电路，用来完成读/写操作
• 读/写控制线：决定芯片进行读/写操作
• 片选线：确定哪个存储芯片被选中。可用于容量扩充
• 地址线：是单向输入的，其位数与存储字的个数有关
• 数据线：是双向的，其位数与读出或写入的数据位数有关，数据线数和地址线数共同反映存储芯片容量的大小

3.2 半导体随机存取存储器（RAM）

特点 / 类型	SRAM（静态）	DRAM（动态）
存储信息	触发器	电容
破坏性读写	非	是
需要刷新	不要	需要
送行列地址	同事送	分两次送
运行速度	快	慢
集成度	低	高
发热量	大	小
存储成本	高	低
作用	Cache	主存

• 存储信息（都只存储 0、1 两种信息）

  • SRAM：有两种稳定的状态，触发器可以稳定的保持某种状态
  • DRAM：电容存放时，需要不停的进行充放电
  • 共同点：都属于易失性存储器，断电就会丢失信息

• 破坏性读出

  • SRAM：读时查看触发器状态；写时改变触发器状态
  • DRAM：读时连接电容，检测电流状态；写时要给电容充放电

• 是否要刷新

  • SRAM：能稳定地保持两种状态，不需要刷新，只需改变触发器状态即可
  • DRAM：电容上的电荷只能保持 2ms 左右，因此每隔 2ms 就要重复刷新依次

• 送行列地址

  • 先分列，再分行，每行地址可能长度不一，需要将整个地址同时放到地址线上
  • 先送进去行地址，再送进去列地址，然后根据行列地址来确定具体位置，需要分两次来送，因此地址线可以实现服用，线数可以少一半

• 运行速度

  • 稳定的状态，不需要重复刷新和充放电，因此速度较快
  • 需要不断的充放电，重复刷新，因此速度较慢

• 集成度、发热量、存储成本

  • 由 6 个逻辑元件构成，因此运行时发热量大，制造成本也较高
  • 由 1 或 3 个逻辑元件构成，因此运行时发热量第，制造成本也较低

3.3 DRAM 的刷新

假设：DRAM 内部结构排列成 128 * 128 的形式，存取周期（读写周期）为 \(0.5 \mu s\) ，则 \(2ms\) 内共有 \(2ms/0.5\mu s=4000\) 个周期，则：

• 刷新周期：一般为 2ms

• 刷新数量：以行为单位，每次刷新一行存储单元

• 为什么要用行列地址：可以减少选通线的数量

• 刷新方式：有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用一个存取周期

• 刷新时间

  • 分散刷新：每次读写结束都刷新一行，导致系统的读写周期增加

    

  • 集中刷新：一个刷新周期中，集中安排时间进行刷新，此时无法访问存储器，称为访存“死区”

    

  • 异步刷新：一个刷新周期中，值安排一次刷新，则每个刷新周期会有一段时间的“死时间”

    

3.4 SRAM 的读写周期

• 存取周期构成：存取时间 + 恢复时间

  

• 读周期

  

• 写周期

  

3.5 半导体只读存储器（ROM）

• 掩膜式只读存储器（MROM）：存储内容由半导体制造厂家按照用户的要求直接在芯片生产过程中写入，无法修改
• 一次可编程制度存储器（PROM）：存储内容由用户使用专门的设备（编程器）一次性写入，无法修改
• 可擦除可编程只读存储器（EPROM）：修改次数有限，写入时间很长
  • 紫外线擦除（UVEPROM）
  • 电擦除（EEPROM）
• 闪速存储器（Flash Memory）：如 U 盘等，写入速度较快
• 固态硬盘（Soild State Drives）：控制单元 + FLASH 芯片

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