存储器系统综述

第4章存储器系统引入：电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。

随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。

特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。

计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能。

本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯片的结构、工作原理3）存储器的扩展方法4）高速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1 存储器概述4.1.1 存储器的分类在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。

存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。

存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。

一、按其用途分（1）内存储器内存储器又叫内存，是主存储器。

用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。

CPU可以对他直接访问，存取速度较快。

（2）外存储器外存储器又叫外存，是辅助存储器。

外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。

外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也可以保存。

存取速度较慢，要用专用的设备来管理。

计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。

二、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存储单元。

现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再由若干芯片组成大容量的存储器。

半导体存储器又分为双极型半导体存储器和MOS 型半导体存储器。

（2）磁表面存储器再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。

存储器系统：概述：计算机中的存储系统是用来保存数据和程序的。

对存储器最基本的要求就是存储容量要大、存取速度快、成本价格低.为了满足这一要求,提出了多级存储体系结构。

一般可分为高速缓冲存储器、主存、外存3个层次,有时候还包括CPU内部的寄存器以及控制存储器.◆衡量存储器的主要因素：存储器访问速度、存储容量和存储器的价格;◆存储器的介质：半导体、磁介质和光存储器.◆存储器的组成：存储芯片+控制电路(存储体+地址寄存器+数据缓冲器+时序控制）;◆存储体系结构从上层到下层离CPU越来越远、存储量越来越大、每位的价格越来越便宜，而且访问的速度越来越慢存储器系统分布在计算机各个不同部件的多种存储设备组成，位于CPU内部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。

内部存储器是可以被处理器直接存取的存储器,又称为主存储器，外部存储器需要通过I/O模块与处理器交换数据,又称为辅助存储器，弥补CPU处理器速度之间的差异还设置了CACHE，容量小但速度极快,位于CPU和主存之间，用于存放CPU 正在执行的程序段和所需数据。

整个计算机的存储器体系结构：通用寄存器堆—指令和数据缓冲栈—Cache（静态随机存储器RAM）—主存储器(动态随机存储器DRAM）—联机外部存储器（磁盘存储器)—脱机外部存储器(磁带、光盘存储器) 通常衡量主存容量大小的单位是字节或者字,而外存的容量则用字节来表示。

字是存储器组织的基本单元,一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。

信息存取方式：信息的存取方式影响到存储信息的组织，常用的有4种，◆顺序存取存储器的数据是以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按特定的线性顺序进行.磁带存储器的存取方式就是顺序存取。

◆直接存取共享读写装置，但是每个记录都有一个唯一的地址标识，共享的读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。

因此存取时间也是可变的。

磁盘存储器采用的这种方式。

◆随机存取存储器的每一个可寻址单元都具有唯一地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。

存储系统概述第3章存储系统第3章存储系统3.1存储器概述3.2半导体读写存储器3.3半导体只读存储器和闪速存储器3.4主存储器与CPU的连接3.5并行存储器3.6高速缓冲存储器(Cache)3.7虚拟存储器3.8外存储器典型习题与解答3.1存储器概述3.1.1存储器分类3.1.2存储系统的设计及分级结构3.1.3主存储器的性能指标3.1.1存储器分类存储器：计算机硬件系统中用于存放程序和数据等二进制信息的部件。

1、按存储介质分类2、按存取方式分类3、按在计算机中的功能分类4、其他分类1、按存储介质分类(1)由半导体器件组成的半导体存储器；(2)由磁性材料做成的磁表面存储器，例如磁盘存储器和磁带存储器；(3)由光介质构成的光介质存储器，一般做成光盘。

2、按存取方式分类(1)随机存取存储器RAM(Random Access Memory)存储单元都能按地址访问，而且存取时间与存储单元的物理位置无关的存储器，称为RAM。

例如半导体读写存储器主要用途：主存、Cache、外设缓存。

(2)顺序存取存储器SAM(Sequential Access Memory)信息按顺序写入或读出的存储器，称为SAM。

以记录块为单位编址。

例如：磁带存储器特点：存储容量大，位价格低廉，存取速度慢。

主要用途：辅助存储器。

(3)直接存取存储器DAM(Direct Access Memory)首先按存取信息的区域随机访问，然后在指定区域用顺序方式存取的存储器，称为DAM。

例如：磁盘存储器特点：容量较大，速度和位价格介于SAM和RAM之间主要用途：辅助存储器。

3、按在计算机中的功能分类(1)主存储器(主存)用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的存储器，CPU能直接访问。

由动态MOS存储器构成(2)高速缓冲存储器Cache Cache：介于CPU和主存之间的高速小容量存储器，用于存放最活跃的程序块和数据。

特点：速度快，但容量小。

(3)辅助存储器(外存储器)存放当前暂不参与运行的程序和数据，需要时再与主存成批交换信息的存储器。

存储器芯片的使用现状及未来发展趋势文献综述班级:XXX姓名:XXX学号：XXX一、选题背景存储器广泛应用于计算机、消费电子、网络存储、物联网、国家安全等重要领域，是一种重要的、基础性的产品。

当前，伴随着第五代移动通信、物联网和大数据的快速发展，存储器的需求量迅速增加，存储容量、存取速度、功耗、可靠性和使用寿命等指标要求也越来越高。

世界各大企业在这方面出现“百家争鸣、百花齐放"的大好局面，涌现出多种新型存储器，并且工艺水平和性能都在不断提高，给消费者提供了更多的选择空间。

二、相关问题现状研究综述我们一般会将存储器划分为,易失性存储器和非易失性存储器，这种划分是根据断电后数据是否丢失而决定的。

现有技术中,整个存储器芯片行业主要有三种种产品：DRAM、NAND FLASH和NOR FLASH。

DRAM是易失性存储器的代表，NAND Flash和NOR FLASH是非易失性存储器的代表.尽管按照不同的分类特点,可形成存众多种类的储存芯片,但从该行业产业结构分析，上述三种存储器毫无疑问是全球重点厂商最为关注的产品领域。

NAND FLASH和DRAM都是硅基互补金属氧化物半导体器件,在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展.但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。

因此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴传感器技术。

前者的挑战是开发出可实现8层到32层甚至64层连续堆叠的材料和生产工艺，并保证每一层存储器性电性能的一致可控.后者的挑战是论证开发配套生产工艺,并保证新材料不会对既有生产线造成污染、产品性能优于现有存储器和可长期可靠使用等。

新材料、结构和物理效应方面研究的不断突破，使得其他新兴存储器技术也因此得到发展。

计算机组成原理第4章存储器系统存储器系统是计算机的核心组成部分之一，它用于存储和检索数据和指令。

在计算机组成原理中，存储器系统的设计和性能对整个计算机系统的性能有着重要的影响。

本章将介绍存储器系统的组成、层次结构以及存储器的性能评价等内容。

一、存储器系统的组成存储器系统由多个存储器模块组成，其中包括主存储器、辅助存储器以及缓存存储器等。

主存储器是CPU直接访问的存储器，用于存储程序和数据。

辅助存储器是主要用于长期存储数据和程序的存储器，例如磁盘、光盘等。

缓存存储器是位于CPU和主存储器之间的高速存储器，用于缓存主存储器中的数据和指令，以提高计算机系统的性能。

二、存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构是指根据存储器的速度和容量，将存储器划分为多个层次，从而提供更高效的数据访问方式。

通常，存储器层次结构由多个层次组成，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。

高速缓存是存储器层次结构中最靠近CPU的一级存储器，其速度比主存储器快几倍或几十倍，容量较小。

它通过存储最近访问的数据和指令来提高访问速度，减少CPU等待数据的时间。

主存储器是存储器层次结构中的第二级存储器，其速度比辅助存储器快几百倍或几千倍，容量适中。

主存储器通过存储程序和数据来提供直接访问的能力。

辅助存储器是存储器层次结构中的最低级存储器，其速度比主存储器慢几个数量级，容量很大。

辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，例如磁盘、光盘等。

三、存储器的性能评价存储器的性能主要包括存取时间和存储容量两个方面。

存取时间是指从CPU发出读/写指令到数据从存储器中被读取或写入CPU的时间间隔。

存取时间越短，存储器的性能越好。

存储容量是指存储器能够存储的数据和程序的大小。

存储容量越大，存储器的性能越好。

除了存取时间和存储容量，存储器的成本也是考虑的重要因素。

成本包括硬件成本和能源消耗成本，通常在存储器设计中需要在性能和成本之间进行权衡。

四、存储器系统的设计原则存储器系统的设计需要考虑以下几个原则。