存储子系统

概述

存储子系统的层次结构

• 对存储器的基本要求
• 容量大
• 速度快
• 成本低

• 存储器的分层结构：高速缓存(Cache)-主存-外存
• 主存储器
• 存储内容：能由CPU直接编程访问，存放当前CPU需要执行的程序与需要处理的数据
• 主存储器的特点：存取速度较快（相较于外存），容量有限（相较于外存）
• 对主存储器的基本要求
• 随机访问（需要随机读写存储器，也就是RAM）
• 工作速度快（相较于外存）
• 具有一定的存储容量
• 外存储器（辅存。要求是非破坏性读出，并且能长期保存信息）
• 存储内容：存放需要联机保存、但暂不使用的大量程序与数据。
• 特点：速度较慢，容量很大，成本低（相对于其他存储器）。程序与数据只有进入主存才能真正运行，外存储器用作后援（因为外存没有跟CPU直接连接，CPU只跟主存直接连接。所以CPU没办法对外存寻址）
• 高速缓存（减少了CPU和主存之间的速度差）
• 存放需要联机保存、但暂不使用的大量程序与数据
• 存放内容：存放即将要使用的程序与数据，作为主存中当前活跃信息的副本

存储器按存储介质分类

• 半导体存储器
• 用途：半导体存储器常用作主存（所以后面重点介绍半导体存储器的存储原理）
• 分类
• 双极型（了解即可）：分为TTL型和ECL型。速度很快、功耗大、容量小
• MOS型（后面存储原理中将介绍）：分为静态MOS（SRAM，也就是static）和动态MOS（DRAM）

• 磁表面存储器（各种带“磁”的存储器，如磁盘、磁带等）
• 用途：主要用作外存

• 光盘存储器
• 用途：主要用作外存
• 分类（就跟后面的存取方式有关系了，下面的三个应该都是只读存储器）：
• 只读型光盘（CD-ROM）
• 写入式（只能写一次）光盘（W-ROM）
• 可擦除/重写型（可逆式）光盘

存储器按存取方式分类

• 随机访问存储器（RAM&ROM）
• 随机访问存储器的特点
• 可按地址随机地访问任一存储单元
• 访问各存储单元所需时间相同，与地址无关
• 速度指标
• 存取时间（操作时间）：启动读/写操作到完成该操作所需时间
• 存取周期（操作间隙）：连续两次独立访存所需的最小时间间隔
• 用途：作主存（主存要求随机访问）、高速缓存（作为主存中活跃信息的副本，也需要能够随机访问）
• 随机访问存储器的分类（感觉按照是否易失更好理解）
• RAM(可读可写)：SDR，DDR等。具有易失性（断电内容丢失）
• ROM(只读)：具有非易失性，也就是断电内容不丢失
• ROM根据能否进行写操作又分为：
• 固存：用户不能编程（常说的刷固件刷的就是这一块存储区域）
• PROM：用户可一次编程
• EPROM：用户可多次编程（紫外线擦除）
• EEPROM：用户可多次编程（电擦除）
• Flash Memory（闪存）：快擦可重写（这个时候看着好像跟RAM没什么区别了，但是还是属于ROM。想想STM32的flash闪存，掉电之后已经烧上去的程序不会丢失）

• 顺序访问存储器（SAM）：如磁带等（磁带就需要等到他转到那个位置才能读出来想要的数据）
• 顺序访问存储器的特点：信息按顺序存放，访问时间与信息存放位置有关。
• 顺序访问存储器读写操作
• 分为两步
• 等待操作
• 读/写操作
• 速度指标：对应着顺序存储器的读写操作，顺序访问存储器的速度指标也有两个
• 平均等待时间（ms）：也就是等待磁带转到想要的位置的那一段时间
• 数据传输率（MB/s）：也就是顺序访问存储器进行读写操作的时间

• 直接访问存储器（DAM）：如磁盘等（就把磁盘当成那种黑胶唱片就好了）
• 直接访问存储器的特点：访问时间与数据位置有关
• 直接访问存储器读写操作
• 分为三步：
• 定位(寻道)操作：也就是把黑胶唱片的针放到指定的圆上的操作
• 等待(旋转)操作：等待胶盘旋转到想要的位置
• 读/写操作：真正开始进行信息的读写
• 速度指标：同样对应着直接存储器的读写操作，直接访问存储器的速度指标也有三个（操作更麻烦，但是还是叫直接访问存储器）
• 平均定位(平均寻道)时间(ms)：拨动黑胶唱片的针花费的时间
• 平均等待(平均旋转)时间(ms)：等待胶盘旋转到想要的位置的时间
• 数据传输率(MB/s)：直接存储器进行读写操作所需的时间

半导体存储原理

基本概念

• 存储元：能够表示一位二进制的“0”、“1”两种状态，且具有记忆功能（不用触发器是因为触发器太贵哩）的物理器件

• 存储单元：若干存储元构成一个存储单元

静态MOS存储元与芯片（SRAM）

• 六管单元电路结构（是SRAM的一个存储元）：依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息
• 存储逻辑
• 如下图（这里的字线Z的功能就是选中这个存储元，让读写线的输入有效）：



• “0”：T1导通，T2截止
• “1”：T1截止，T2导通
记忆：就看T2的状态就好了，T2截止就是存储0，T2导通就是存储1，这样就感觉有点逻辑关系了

• 静态MOS存储芯片（SRAM的芯片，不会考滴，就了解一下）
• SRAM芯片2114
• 如下图：



地址线就是用来配合片选信号选中存储元的；数据端的位数是跟存储芯片的位数有关的；片选信号后面详细介绍
• SRAM芯片6264
• 如下图：



所有的引脚定义跟上一个芯片几乎一样，只不过这个芯片有了两个片选信号，读写线分成读允许线和写允许线了，然后还剩下了一个空端引脚

动态MOS存储元与芯片（DRAM）

• DRAM基本存储原理：依靠电容存储电荷（电容漏电所以导致DRAM需要定期刷新）的原理存储信息。

• 动态存储器刷新：电容存在泄漏通路，电容上的电荷通过泄漏电路放电，使存储的信息丢失。为此，每隔一定时间后就需要对存1的电容重新充电，称为刷新。

• 四管单元电路（DRAM的存储元，非破坏性读出，读出的时候是在补充电荷）
• 存储逻辑
• 如下图：



记忆：跟SRAM一样，看C2。C2没电就是存储0；C2有电就是存储1
• 工作（读写）
• 写入
• 写0：就是给C1充电，C2放电，所以需要给W加高电平
• 写1：就是给C1放电，C2充电，所以需要给W加低电平
• 如下图：





• 读取（需要将两根W线都充电至高电平）：
• 读0：此时C1上有电，C2上没电，这个时候T1上就有电流通过。同时W给C1补充电荷（所以读操作也就是一次刷新操作）
• 读1：此时C1上没电，C2上有电，这个时候T2上就有电流通过。同时W非给C2补充电荷（所以读操作也就是一次刷新操作）
• 记忆：记住1在左边还有W非在左边，并且读取的时候两根线都是加高电平即可，然后根据存储逻辑来进行判断即可
• 保持：字线Z加低电平时，T3、T4断开，基本上无放电回路，仅存在泄漏电流，信息可暂存一定时间，需定期刷新（也就是需要定期进行读操作来补充电容泄露的电流）

• 单管单元（是DRAM的存储元，破坏性读出，因为读出的时候电容就放电了）
• 存储逻辑
• 如下图：



记忆：这个就好记，电容有电就是1，电容没有电就是0
• 写入（实际上就是通过W线来给电容充放电）：Z加高电平，T导通，在W上加高/低电平，写1/0
• 读出：W先预充电，断开充电回路。（注意此时W的电平应该位于电容的1电平和0电平之间）Z加高电平，T导通，根据W线电位的变化（如果W线电位变高，就说明当前电容为高电平，也就是存储1；如果W线电位变低，就说明当前电容为低电平，也就是存储0），读1/0。注意到读出的时候电容会进行放电/充电，进而改变原来存储的信息，所以单管单元是破坏性读出
• 保持：Z加低电平，T截止，该单元未选中，保持原状态（也有可能漏电。但是这里不考虑，因为这一点点漏电跟进行读操作时候的变化相比就很小了）

• 动态MOS存储芯片（不会考滴）
• 存储芯片2164
• 如下图：



实际上DRAM存储芯片跟SRAM存储芯片的引脚没有特别大的区别。
这里因为是64k个存储单元，一共需要16根地址线。这里只有8根，所以要分时复用（也可以理解为这个芯片里面是一个8*8的矩阵）
如果将这个芯片看成8*8的矩阵，那么两个片选信号不仅有选中芯片的功能，还能代表当前传入的地址是行地址（高位地址）还是列地址（低位地址）

主存储器组织（重点）

主存储器的逻辑设计（重点）

• 设计主存需要考虑的问题
• 需先明确总容量：字数×位数（存储容量的计算公式，这里的位数是指基本字长，也就是编制单元，详见概论）
• 确定可供选用的存储芯片：类型、型号、每片容量。 可能存在位数与字数的扩展问题
• 位扩展（如：将两个4位芯片接在一起变成8位芯片）：各芯片的数据线相拼接，满足位数要求。
• 字扩展：若干芯片组成连续地址空间的存储器，满足字数要求。

• 主存逻辑设计示例（可以当例题做捏）

• 如下图：
例一：所有芯片的字数都是一样的







总结：先确定芯片内的寻址范围，剩下的就用来当片选信号
例二：芯片的字数不同





总结：先分配大容量芯片（就是将大容量芯片放在地址低端。此时可能会导致一些空间没办法使用，直接浪费掉就好了），然后再分配小容量芯片。同样是先确定芯片内部的寻址范围（不同字数的芯片分别考虑），然后再确定每一个芯片的片选逻辑（这个时候字数小的芯片的片选逻辑就会多几位）

• 片选地址译码