目录
一、基本概念
二、主存储器的基本组成
三、SRAM和DRAM
四、只读存储器ROM
五、主存储器与CPU的连接
六、双端口RAM和多模块存储器
七、磁盘存储器
八、固态硬盘SSD
九、Cache高速缓冲存储器
十、虚拟存储系统
一、基本概念
存储器的层次结构
主存——辅存：实现了虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题
主存——cache：解决了主存与CPU速度不匹配的问题
存储器的分类
按存取方式分类
随机存取存储器 RAM：Random Access Memory，主存
顺序存取存储器 SAM：Sequential Addressed Storage，磁带
直接存取存储器 DAS：Direct Access Storage，磁盘、机械硬盘
相联存储器 CAM：Content Addressed Memory，按照内容检索存储位置进行读写
只读存储器 ROM：Read-Only Memory，事实上很多ROM也可以写入数据，只是比较麻烦
按信息的可保存性分类
易失性存储器：断电后，存储信息消失，如主存、Cache
非易失性存储器：断电后，存储信息保持，如光盘、磁盘
破坏性读出：信息读出后，原存储信息被破坏，如DRAM芯片，读出数据后要进行重写
非破坏性读出：信息读出后，原存储信息不被破坏，如SRAM芯片
二、主存储器的基本组成
三、SRAM和DRAM
SRAM：Static Random Access Memory
DRAM：Dynamic Random Access Memory
DRAM用于主存，SRAM用于Cache
DRAM芯片：使用栅极电容存储信息
SRAM芯片：使用双稳态触发器存储信息
栅极电容与双稳态触发器
栅极电容：通过电容放电读出信息，是破坏性读出，读出后应有重写操作，也称“再生”
双稳态触发器：读出数据，触发器状态保持稳定，是非破坏性读出，无需重写
一个栅极电容读写1bit位需要1个MOS管，一个双稳态触发器读写1bit位需要6个MOS管，故栅极电容成本更低、功耗更低
DRAM和SRAM都是易失性存储器，即断电后信息消失。
DRAM芯片需要刷新，SRAM芯片不需要刷新。
DRAM芯片采用栅极电容存储电荷，但是电荷会流失，电容内的电荷只能维持2ms，即便不断电，2ms后电荷信息也会消失，故栅极电容2ms内必须给电容充一次电，即“刷新”。
SRAM芯片采用双稳态触发器保存信息，只要不断电，触发器的状态就不会改变，故不需要“刷新”。
DRAM存储器的组成
DRAM存储器的地址以矩阵方式排列，分为行地址和列地址，目的是减少选通线的数量。
DRAM的刷新
刷新周期：一般为2ms
刷新单位：以行为单位，每次刷新一行存储单元
刷新方式：读出一行信息后重新写入，占用1个读/写周期
刷新策略
①分散式刷新：每次读写玩都刷新一次
②集中式刷新：2ms内集中安排时间全部刷新，有一段时间专门用于刷新，无法访问存储器，称为访存“死区”
③异步式刷新：2ms内每行刷新一次即可，在CPU不访问存储器阶段刷新，如译码阶段
DRAM的地址线复用技术
DRAM与SRAM对比
四、只读存储器ROM
RAM芯片：易失性，断电后数据消失
ROM芯片：非易失性，断电后数据不消失
ROM芯片类型
MROM——掩模式只读存储器：在芯片生产过程中直接写入数据，任何人不可重写（只能读出），可靠性高，灵活性差
PROM——可编程只读存储器：用户可用专门的PROM写入器写入数据，写一次后不可修改
EPROM——可擦除可编程只读存储器：用户写入信息后，可用某种方法擦除数据，可进行多次重写
UVEPROM——ultraviolet rays，紫外线照射，擦除全部信息
EEPROM——electrically，电擦除，擦除特定的字
Falsh Memory——闪存，如U盘、SD卡，可进行多次快速擦除重写，写入需要先擦除再写入，故写数据速度慢于读数据
SSD——固态硬盘：可进行多次快速擦除重写
五、主存储器与CPU的连接
传统计算机的MAR和MDR集成在主存储器上，现代计算机大多是将MAR和MDR集成在CPU上
增加主存的存储字长——位扩展
增加主存的存储字长——字扩展
主存容量扩展——字位同时扩展
六、双端口RAM和多模块存储器
多体并行存储器
采用“流水线”的方式并行存取（宏观上并行，微观上串行）。
宏观上，一个存储周期内，m体交叉存储器可以提供的数据量是单个模块的m倍。
存取周期T，存取时间为r，为了使流水线不间断，应保证模块数 m≥T/r
存取周期 = 存取时间 + 恢复时间
七、磁盘存储器
磁盘设备的组成
磁盘的性能指标
磁盘地址
磁盘阵列RAID
RAID：Redundant Array of Inexpensive Disks，廉价冗余磁盘阵列，将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。
八、固态硬盘SSD
SSD原理：基于闪存技术 Flash Memory，属于电可擦除ROM，即EEPROM
SSD组成：
- 闪存翻译层：负责翻译逻辑块号，找到对应页
- 存储介质：多个闪存芯片(Flash Chip)，每个芯片包含多个块(Block)，每个块包含多个页(Page)
读写性能特性：
- 以“页”为单位读写，以“块”为单位擦除
- 支持随机访问，系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层通过电路迅速定位到指定的物理地址
- 读快写慢。写操作的内存页如果有数据，则不能直接写入，需将块内其他页全部复制到一个新的干净的块中，再在新的块中写入数据，原本的块擦除干净
固态硬盘与机械硬盘的比较：
- SSD读写速度更快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟
- SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
- SSD的一个“块”被擦除次数过多（重复写同一个“块”）可能会坏掉，而机械硬盘的扇区不会因为写的次数过多而坏掉
固态硬盘磨损均衡技术：
- 思想：将擦除平均分布到不同的“块”上，以提升使用寿命
- 动态磨损均衡：写入数据时，优先使用累计擦除次数少的较新闪存快
- 静态磨损均衡：SSD检测并自动进行数据分配、迁移，让老的闪存快承担以读为主的存储任务，让较新的闪存快承担更多的写任务
九、Cache高速缓冲存储器
Cache基本概念和原理
- 空间局部性：在最近的未来要用到的信息（指令和数据），很可能和现在正在使用的信息在存储空间上是相邻的。（数组元素、顺序执行的指令代码）
- 时间局部性：在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息。（循环执行的指令代码）
- 基于局部性原理，CPU将当前访问的地址“周围”的部分数据放到Cache中
基于局部性原理，Cache将当前访问的地址“周围”的部分数据放入Cache中，如何界定周围？
Cache和主存的映射关系
Cache替换算法
Cache写策略
十、虚拟存储系统
页式虚拟存储器
段式虚拟存储器
段页式虚拟存储器
