《计算机组成原理》是计算机科学的基础课程,主要研究计算机硬件系统的设计原理和工作方式。其中,存储器是计算机的重要组成部分,用于暂时存储程序和数据。本章主要介绍了存储器的分类、特性和层次结构,以及半导体存储芯片的基本结构和随机存取存储器(RAM)的工作原理。
一、存储器分类
1. 按存储介质分类:半导体存储器(如SRAM、DRAM)、磁表面存储器(如硬盘)、磁芯存储器(已较少使用)、光盘存储器(CD、DVD等)。其中,半导体存储器分为易失性(如RAM,在断电后数据丢失)和非易失性(如ROM,即使断电数据仍保留)两种。
2. 按存取方式分类:随机存储器(RAM,数据存取不受物理位置影响)、只读存储器(ROM,数据只读)、直接存取存储器(如硬盘)和顺序存取存储器(如磁带)。
3. 按在计算机中的作用分类:高速缓存(Cache)、主存储器(RAM)、辅助存储器(如硬盘、光盘)和寄存器。
二、存储器的层次结构
CPU通过缓存(Cache)与主存交互,提高数据访问速度。主存再通过虚拟存储技术与辅助存储器连接,形成多层次的存储体系,以平衡速度、容量和成本之间的关系。存储器的访问时间、容量和价格之间存在反比关系,即速度越快,容量越小,价格越高。
三、主存储器
1. 主存基本组成:包括存储体、驱动器、译码器、地址寄存器(MAR)、数据寄存器(MDR)等。地址总线用于传输地址信息,数据总线用于传输数据。
2. 存储容量表示:由地址线和数据线的数量决定。例如,24根地址线可寻址2^24个存储单元,若按字节寻址,则存储容量为16MB;若按字寻址(字长16位),则存储容量为8MB。
3. 存储单元地址分配:地址线的数量决定了存储单元的最大数量,按字节寻址或按字寻址会影响寻址范围。
4. 主存技术指标:包括存储容量、存取时间和带宽等。存取时间是读写数据所需的时间,存取周期是连续两次独立操作的最小间隔。
四、半导体存储芯片
1. 基本结构:包括译码驱动、存储矩阵和读写电路。地址线、数据线和控制线是芯片与外部系统交互的关键。
2. 译码驱动方式:线选法和重合法。线选法通过一组片选线直接选择芯片,而重合法通过译码器减少片选线数量,提高芯片利用率。
五、静态RAM(SRAM)
1. 基本电路:由触发器和开关组成,读写操作通过行选和列选实现。读操作时,行和列开关打开,数据通过读放大器输出;写操作时,选定行和列,通过写放大器写入数据。
2. 示例:Intel 2114是一种早期的SRAM芯片,具有特定的外特性和使用方法。
计算机组成原理中关于存储器的讲解涵盖了存储器的分类、层次结构、主存的组成和技术指标,以及半导体存储芯片的基本结构和SRAM的工作原理。这些知识点是理解计算机硬件系统运行的基础,对于计算机科学的学习至关重要。