标签：计算机组成原理 期末复习 存储器系统 考点整理
前言
本篇笔记参考教材：计算机组成原理，期末备考专用。
第三章核心内容为存储器系统，本章分值很高，题型包含选择、填空、简答、计算题。重点掌握存储器层次结构、各类存储芯片特点、地址线数据线引脚含义。
3.1 存储器概述
3.1.1 存储器功能
存储器是计算机用来存放程序和数据的部件。
运算器、控制器工作时，从存储器读取指令与数据；运算产生的结果，也会写回存储器保存。
3.1.2 存储器分类（选择题高频考点）
- 按存储介质划分
- 半导体存储器：速度快，体积小，用来做内存、高速缓存。断电后部分类型数据丢失。
- 磁表面存储器：磁盘、磁带，容量大，速度慢，长期保存数据。
- 光存储器：光盘，现在使用较少。
- 按存取方式划分
- 随机存取存储器：任意地址的存储单元，访问时间相同，和位置无关。内存属于这类。
- 顺序存取存储器：只能按顺序读取，磁带。
- 直接存取存储器：先定位区域，再顺序查找，磁盘。
- 按信息可保存性
- 易失性存储器：断电之后信息消失，主存（内存）。
- 非易失性存储器：断电信息不丢失，固态硬盘、磁盘、只读存储器。
- 按在计算机中的作用
- 高速缓存：在CPU与主存之间，速度最快，容量很小。
- 主存储器（主存/内存）：存放当前运行的程序和数据，CPU可以直接访问。
- 辅助存储器（外存）：硬盘、U盘，大容量，CPU不能直接访问。
3.1.3 存储器主要性能指标
存储容量：存储器能够存放二进制信息总量。
存储容量 = 存储单元个数 × 每个单元的位数
单位：位、字节。1字节 = 8位存取时间：从发起读/写请求，到数据读出或者写入完成的时间。
存储周期：连续两次访问存储器，最小间隔时间。存储周期 ≥ 存取时间。
存储器带宽：单位时间内，存储器可以读出/写入的数据量。
3.1.4 存储器层次结构（简答必考）
计算机存储系统分为三层：高速缓存、主存、外存。
- 越靠近CPU：速度越快、容量越小、价格越高。
- 离CPU越远：速度越慢、容量越大、单位价格更低。
层次结构的目的：用较低的成本，获得接近高速缓存的访问速度，同时拥有外存的大容量。
程序的局部性原理，是存储层次能够生效的理论基础。
局部性分为：时间局部性、空间局部性。
时间局部性：刚被访问过的数据，短时间内很可能再次访问。
空间局部性：访问某个数据，相邻地址的数据大概率也会被访问。
3.2 半导体存储芯片基础
3.2.1 存储芯片基本组成
存储芯片包含：存储矩阵、地址译码器、读写控制电路。
- 存储矩阵：大量存储单元排列而成，用来保存二进制0、1。
- 地址译码器：接收地址信号，选中对应的存储单元。
- 读写控制电路：控制读操作或者写操作。
3.2.2 芯片引脚信号
- 地址线：单向输入。地址线根数为n，则芯片一共有2的n次方个存储单元。
- 数据线：双向。数据线根数等于一个存储单元的位数。
考点：地址线决定单元数量，数据线决定单元字长。
- 片选线：用来判断这个芯片是否被选中。只有片选有效，芯片才工作。
- 读写控制线：控制读操作或者写操作。
3.3 随机存取存储器
随机存取存储器分为静态随机存储器、动态随机存储器两类。
3.3.1 静态随机存储器
- 存储单元：触发器保存0和1。
- 特点：速度快，不需要刷新；电路复杂，集成度低，功耗大。
- 用途：高速缓存。
- 特性：断电丢失信息，属于易失存储器。
3.3.2 动态随机存储器
- 存储单元：依靠电容上的电荷保存信息。有电荷代表1，无电荷代表0。
- 特点：集成度高、功耗低、容量大；速度比静态的慢。电容会漏电，需要定期刷新。
- 用途：计算机主存（内存条）。
- 刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新（简答常考）
- 集中刷新：一段时间集中完成全部刷新，刷新期间不能访问存储器，存在死区。
- 分散刷新：每读写一次，附带一小段刷新，没有死区，但是降低存取速度。
- 异步刷新：结合上面两种，兼顾速度，死区很短，最常用。
本章小节（3.1~3.3）
本节重点：存储器三层层次结构、局部性原理、静态和动态存储器对比，刷新方式。
计算题常考：根据芯片地址线、数据线，计算存储容量。
自测题
- 存储层次结构依靠什么原理实现？（答案：程序局部性原理）
- 动态随机存储器为什么需要刷新？（答案：电容漏电，电荷会慢慢丢失）
- 静态随机存储器主要用来做什么？（答案：高速缓存）