第四章 存储系统

发展，主存存取速度与CPU的速度差距加大，为了弥补主存速度的不足，使之与CPU的速度相匹配，则在CPU和主存之间增设一个容量不大、速度很高的“高速缓冲存储器”，简称高速缓存或Cache。从而形成了主存-Cache层次，如图4.3所示，这个层次具有接近于Cache的速度、主存的容量和接近于主存的每位价格，较好的解决了速度与价格之间的矛盾。 辅助软件及硬件 CPU 主存 辅存

图4.2 主存-辅存层次 辅助硬件

CPU Cache 主存 辅存

图4.3 主存-Cache层次

3．高速缓冲存储器(Cache)

Cache是用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存某些局部域的副本。因为编程时指令地址的分布基本上连续，对循环程序和子程序段的执行往往要重复多次，所以在一个较短的时间间隔内，对局部范围的存储器访问频繁，而对此范围以外的地址访问甚少，这种现象被称为程序的局部性。我们将这一局部范围的内容从主存复制到Cache中，使CPU直接高速地从Cache中读取程序与数据，速度比访问比主存提高了5~10倍。

在新型微机中的存储器体系结构呈金字塔结构又称五级存储体系结构，如图4.4越往上存储器的速度越快，CPU访问频率也越高，同时单位存储容量的价格也越高，系统的拥有量越小。CPU中的内部寄存器位于该塔的顶端，它有最快的存取速度、最小的存储容量、数量也最小，位于塔底的存储设备，其容量最大、单位存储容量的价格最低、速度最慢。

寄存器 cache 主存 辅存 海量存储器 图2.4 五级存储体系结构

二、存储器的分类

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上篇 计算机原理

按存储介质分

磁芯存储器 双极型RAM

随机存储器 静态RAM (RAM) MOS型RAM

动态RAM 半导体存储器 掩膜式ROM 存储器 可编程PROM

只读存储器 可擦除PROM (ROM) 电擦除PROM 闪存ROM 磁表面存储器：如磁盘、磁带、磁卡等 光盘存储器 其它存储器

按存取方式分

随机存储器（RAM）：如主存、Cache 只读存储器（ROM）：如主存 存储器 顺序储存器（SAM）：如磁带 直接存取存储器（DAM）：如磁盘

表2.1 两种半导体存储器的比较

类型 特点 读写限制 存储内容 只读存储掉电后信息只能读出不固化的程序 器ROM 不会丢失 能写入 随机存取掉电后信息CPU工作时的程序和可以随机写存储器将丢失 数据 入或读出 RAM 表2.2 几种只读存储器的性能比较 分类 简称 特点 读写操作 掩膜式Mask ROM 出厂时信号已固化其中 不可改动 ROM 可编程PROM 用户进行一次性编程 不可改动 ROM 可擦除EPROM 可用紫外光擦除 可多次编程和擦除 PROM 以字节为单位、可直接电擦除E2PROM 可擦除和改写 PROM 在机内带电进行 闪速FLASHRO可实现大规模电擦除、可擦除和改写 M ROM 可清除其中所有内容

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第四章 存储系统

三、主存储器的性能指标

1．存储容量：指存储器所能容纳的二进制信息量，多以字节为单位来衡量。 2．存取周期：是指存储器进行两次连续的独立读或写操作之间所需间隔的最短时间。

存取周期是衡量主存储器工作速度的重要指标，对同一种存储器，存储容量越大，存取周期越长。

3．存取时间：又称读写时间，指从启动一次存储器读或写操作到完成该操作所需的时间。

四、随机读写存储器的工作特征

随机读写存储器（RAM）主要用于存储CPU工作时的程序和数据，需要执行的程序或需要处理的数据一般都必须先装入RAM才能工作，关机后RAM中的存储内容将消失。微机中的RAM一般集成在一个长方形的小片上，即常说的“内存条”，它一般插在主机的系统板上。 RAM根据内部电路及外特性的区别又可分为

静态RAM（Static RAM）简称SRAM 动态RAM（Dynamic RAM）简称DRAM

非易失RAM（Non Volatic RAM）简称NVRAM。

SRAM的存贮单位电路是以双稳态电路作为基础，因此状态稳定，没有触发状态不会改变，所以静态RAM所存信息只要不掉电，信息就不会丢失。但电路较复杂，集成度较动态RAM低，位价格较动态存贮器高，但静态RAM不需要刷新。

DRAM的存贮单位是以电容为基础的，因此它的电路简单集成度高。但动态存贮器是以电容来存贮信息，由于电容中的电荷即使不掉电也会逐渐丢失，因此动态存贮器必须定时刷新。动态存贮器多用于需要大存贮容量的计算机中。

表2.3 三种随机读写存储器比较

类型 不掉电情况下 掉电后 存贮单位 优点 缺点 SRAM 信息可长时间信息会双稳态电不需要刷新 集成度低保持不变 丢失 路 位价格较高 DRAM 需要动态刷新，信息会电容 集成度高 必须定时信息才可长时丢失 刷新 间保持不变 NVRA非易失性随机信息不静态RAM在断电的瞬间 M 存贮器 会丢失 和E2PROM 完成信息的保存 NVRAM是非易失性随机存贮器，不论静态RAM还是动态RAM都有信息易失性的缺点，而是由静态RAM和E2PROM共同构成的存贮器，正常情

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上篇 计算机原理

况下，它和一般静态RAM一样，而系统在掉电或电源有故障时的瞬间，它把静态RAM中的信息保存在E2PROM中，从而使用信息不会丢失。

例题解讲

选择题

1． 在下列存储器中，访问速度最快的是____。 A)硬盘存储 储器) 【答案】D

【解题指导】在计算机的五级存储体系结构中,半导体存储器的速度仅次于CPU内部的寄存器,而磁带属于海量存储器,其访问速度是最慢的,其次是软盘和硬盘

2． 衡量存储器性能好坏的指标不包括____。

A)存储容量 B)读写时间 C)存取周期 D)吞吐率 【答案】D

【解题指导】对于存储器而言,其主要性能衡量指标有存储容量、读写时间、存取周期。

3．在主存- Cache 的存储系统中，下列说法中正确的是 。 A)程序总是放在主存中，而数据放在Cache中 B)程序总是放在Cache中，而数据放在主存中

C)程序和数据都存放在主存中，而Cache中存放的是一部分程序和数据的副本

D)程序和数据总是放在Cache中 【答案】C

【解题指导】主存中存放的是当前执行的程序及所需数据，可供CPU直接访问，而外存中存放的是暂时不用的程序及数据。当CPU需要执行外存的某一程序时，因为CPU不能直接访问外存，所以首先将该程序由外存调入主存，然后再执行之。为了弥补主存速度的不足，使之与CPU的速度相匹配，则在CPU和主存之间增加了Cache，而Cache中存放的是一部分程序和数据的副本，以提高CPU的命中率，从提高CPU的工作效率。 4．关于SRAM和DRAM的说法中正确的是 。 A)SRAM断电后信息保留，而DRAM断电后信息不保留 B)SRAM只要电源不断电，信息就不会丢失 C)DRAM只要电源不断电，信息就不会丢失

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B)软盘存储器 C)磁带存储器 D)半导体RAM(内存