存储器

现代计算机以存储器为中心，它是计算机中存放指令和数据的主要部件

分类

存储器性能指标

• 存储容量：可以存储的二进制信息的总量

存储容量 $\times$ 存储字长 $\times$ 存储单元数量

• 存取速度，分为三个部分
  1. 存取时间
  2. 存取周期
  3. 存储器带宽

存储系统层次结构

主存储器

读入信息的过程，假设要读取 110 位置的信息

1. 首先 CPU 通过地址总线把 110 给 MAR
2. MAR 把 110 传给译码器，译码器选中第 6 个位置
3. 存储器复制第 6 个位置的字节到 MDR 中
4. MDR 通过地址总线把数据传给 CPU

写入信息的过程，假设要写入 11110000 到 111 位置

1. 首先数据总线把 11110000 传给 MDR
2. 地址总线把 111 传给 MAR
3. MAR 把 111 传给译码器选中第 7 个位置
4. 修改第 7 个位置为 11110000

随着技术的发展，内存都被制成大规模电路芯片，MAR 和 MDR 都被集成到了 CPU 内部

地址译码结构

单译码结构

双译码结构

相对比之下，双译码结构的译码输出线减少很多

单译码结构只适用于容量很小的芯片，在大容量存储器中普遍采用双译码结构

主存中数据的存放

• 存储字长：CPU 一次能处理的二进制数据的位数
• 存储字长：主存中的一个存储单元所能存储的二进制位数

字节地址右移一位得到半字地址，半字地址右移一位得到字

数据的边界对齐

主存与 CPU 的链接

1. 位拓展

2. 字扩展

可以理解为，CPU 数据总线的高三位用来判断要存储到哪一个 存储器，后面的位用来表示具体存到存储器的那个位置

3. 字位同时扩展

主存系统的优化

随着计算机技术的发展，主存的存取速度已经成为提升计算机系统性能的瓶颈

提升主存储器的存取速度的方法有：

• 使用高速原件来提高主存的访问速度
• 通过存储器的并行工作来提高主存的访问速度
  • 双端口存储器
  • 单体多字存储器
  • 多体交叉存储器

双端口存储器

双端口存储器有两套控制和地址总线

CPU 的两个核心访问不同的地址时，可以并行读写

当访问相同的地址时，就会产生读写冲突

使用一个忙标志判断是否有效

由于冲突时不可避免的，因此双端口存储器的访问速度不可能提高一倍

单体多字存储器

多体交叉存储器

根据多个存储器编制方式的不同，分为：高位多体交叉存储器，和低位多体交叉存储器

1. 高位多体交叉

其实高位多体交叉存储器和字拓展完全相同

2. 低位多体交叉

将高位多体交叉存储器的 模块地址 和 块内地址交换，即可得到低位多体交叉存储器

注意：可以从任意地址（某个模块，某个存储单元）开始顺序存取，不一定从 $M_0$ 开始