存储器概述

​ 由于超大规模的集成电路制作技术，使CPU的速度变得惊人的高，而存储器的取数和存数的速度很难和它适配，这使得计算机系统的运行速度在很大的程度上受存储速度的制约。此外，由于I/O设备不断增多，如果它们与存储器交换信息的方式都是通过CPU来实现，这将大大降低CPU的工作效率。为此出现了I/O与存储器的直接存取方式（DMA），这也使存储器的地位更为突出。

存储器的分类

​ 存储介质是指能寄存"0"、"1"两种代码并能区分两种状态的物质或元器件。存储介质有半导体器件、磁性材料和光盘。

按存储介质分类

半导体存储器

​ 存储元件是由半导体组成的存储器称为半导体存储器。现代半导体存储器都是用超大规模集成电路工艺制成芯片，其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电源消失时，所存储的信息也随之丢失，它是一种易失性存储器。近年来已经研制出用非挥发性材料制成的半导体存储器，克服了信息易失的弊病。

​ 半导体存储器按照其材料可分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器两种。前者具有高速的特点；后者具有高度集成的特点，并且制造简单，成本低廉，功耗小，故MOS半导体存储器被广泛应用。

磁表面存储器

​ 磁表面存储器是在金属或塑料基体表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载磁体高速运转，用磁头载磁层上进行读写操作，故故称为磁表面存储器。按磁体形状的不同，可分为磁盘、磁带和磁鼓。现代计算机已经很少采用磁鼓了。该类存储器的具有非易失的特点。

磁芯存储器

​ 磁芯存储器是由硬磁材料做成的环状元件，在磁芯中串有驱动线和读出线，这样便可以进行读写操作。磁芯属磁性材料，故它也是不易失的永久记忆存储器。

光盘存储器

​ 光盘存储器是应用激光在记录介质（磁光材料）上进行读写的存储器，具有非易失的特点。由于光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等特点，光盘存储器越来越被用于计算机系统。

按存取方式分类

​ 按照存取方式可以把存储器分为随机存储器、只读存储器和串行访问存储器.

RAM

​ 随机存储器(RAM).读取任何一个存储单元所需的时间都相同，与存储单元所在的物理位置无关.主要用作主存或高速缓冲存储器.RAM又可分为静态RAM和动态RAM.

ROM

​ 只读存储器(ROM).信息一旦写入存储器就固定不变即使断电,内容也不会丢失.它与随机存储器可共同作为主存的一部分,构成主存的地址域…广义上的只读存储器已可通过电擦除等方式进行写入,其"只读"的概念没有保留,但仍保留了断电内容保留/随机读取特性,但其写入速度比读取速度慢得多.（BIOS通常写在ROM中）

ROM和RAM指的都是半导体存储器。

CD-ROM不是随机存取器，而是串行存储器

串行访问存储器

​ 读写某个存储单元所需时间与存储单元的物理位置有关，包括顺序存取存储器（如磁带）与直接存取存储器（如磁盘、光盘）

• 顺序存取存储器（SAM）：读写一个存储单元所需时间取决于存储单元所在的物理位置。（磁带）
• 直接存取存储器（DAM）：既有随机存取特性，也有顺序存取特性。线直接选取信息所在的区域，然后按顺序方式存取。（机械硬盘）

相联存储器

相联存储器（CAM）：可以按内容访问的存储器。可以按照内存检索到存储位置进行读写，“快表 TLB”是一种相联存储器

按在计算机中的作用(层次)分类

主存储器

主存储器。简称主存，又称为内存储器（内存），用来存放计算机运行期间所需的程序和数据，CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器Cache及辅助存储器交换数据。其特点是容量较小、存取速度快、每位价格较高。

辅助存储器

辅助存储器。简称辅存/外存。用来存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。赋存的内容需要调入内存后才能被CPU访问。其特点是容量大、存取速度慢、单位成本低。

高速缓冲存储器

高速缓冲存储器。简称Cache，位于主存和CPU之间，用来存放当前CPU经常使用的指令和数据，以便CPU能高速地访问它们。Cache的存取速度可与CPU的速度相匹配，但存储容量小、价格高。现代计算机通常将它们制作在CPU中。

存储器的性能指标

存储器的三个主要的性能指标：存储容量、单位成本、存储速度。这三个指标相互制约，设计存储器系统所追求的目标就是最大容量、低成本和高速度。

存储容量

$存储容量=存储字数\times 字长$（MDR位数反映存储字长）。存取的字数表示存储器的地址空间的大小，字长表示一次存取操作的数据量。

单位成本

$每单位价格=总成本/总容量$

存储速度

$存储速度=数据传输率=数据的宽度/存取周期(存储周期)$（数据的宽度即存储字长）

• 存取时间：是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间
• 存取周期：存取周期又称读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立访问存储操作之间所需的最小时间间隔
• 主存带宽：主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒、或位/秒

存取时间不等于存取周期，通常存取周期大于存取时间。这是因为对任何一种存储器，在读写操作之后，都要有一段恢复内存状态的复原时间。对于破坏性读出的存储器，存取周期往往比存取时间大得多，因为存储器中的信息读出后需要马上进行再生。

提高存储器的带宽，可以采用以下措施：

1. 缩短存取时间
2. 增加存储字长，使每个存储区周期可读写的更多的二进制位
3. 增加存储体

多层次存储系统

存储系统层次结构主要体现在Cache——主存层和主存——辅存层。前者主要解决了CPU和主存速度不匹配的问题，后者主要解决存储系统的容量问题。在存储体系中，Cache、主存、能与CPU直接交换信息，赋存则主要通过主存与CPU交换信息；主存与CPU、Cache、辅存都能交换信息。

需要注意的是：

• 主存和Cache之间的数据调动是由硬件自动完成，对所有程序员均是透明的；

• 主存和辅存之间的数据调动则是由硬件和操作系统共同完成，对应用程序员是透明的

参考

• 《计算机组成原理 第三版》
• 《王道考研复习书 2024》
• 磁芯的历史