计算机组成原理-存储器
1. 存储器的定义与作用
存储器是计算机系统中用于存储程序、数据和中间结果的硬件设备，是计算机五大核心部件之一。
- 核心功能：
- 提供数据的 临时或永久存储 能力。
- 支持CPU按需快速存取指令和数据，是程序运行的物理基础。
2. 存储器的分类
(1) 按存取方式分类
- 随机存取存储器（RAM）：
- 可读可写，断电后数据丢失（易失性）。
- 包括 DRAM（动态RAM，如DDR内存） 和 SRAM（静态RAM，如CPU缓存）。
- 只读存储器（ROM）：
- 通常只读，断电后数据保留（非易失性）。
- 包括 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM 及现代 Flash存储器（如SSD）。
(2) 按用途分类
- 主存储器（内存）：
- 直接与CPU交互，存储当前运行的程序和数据（如DRAM）。
- 辅助存储器（外存）：
- 长期保存数据，速度较慢（如硬盘、SSD、光盘）。
- 高速缓存（Cache）：
- 位于CPU内部或附近，加速CPU对高频数据的访问（如L1/L2/L3缓存）。
(3) 按存储介质分类
- 半导体存储器：RAM、ROM、Flash。
- 磁存储器：硬盘、磁带。
- 光存储器：CD、DVD、蓝光。
3. 存储器的层次结构
计算机系统采用 多级存储体系，平衡速度、容量与成本：
- 寄存器：位于CPU内部，速度最快，容量最小（纳秒级访问）。
- 高速缓存（Cache）：SRAM实现，容量KBMB级，访问时间110ns。
- 主存（内存）：DRAM实现，容量GB级，访问时间10~100ns。
- 辅存（外存）：硬盘/SSD，容量TB级，访问时间ms级。
设计目标：通过层次化设计，使系统整体接近最高层速度，同时拥有最底层容量。
4. 主存储器的组成与工作原理
(1) 主存的基本结构
- 存储体：由存储单元（如1字节）组成的矩阵，每个单元有唯一地址。
- 地址寄存器（MAR）：存放CPU访问的存储单元地址。
- 数据寄存器（MDR）：暂存从存储单元读取或写入的数据。
- 读写控制电路：根据CPU命令控制数据的输入/输出。
(2) 读写过程
- 读操作：
- CPU将地址送入MAR。
- 控制电路选中对应存储单元，数据传入MDR。
- CPU从MDR读取数据。
- 写操作：
- CPU将地址送入MAR，数据送入MDR。
- 控制电路将MDR数据写入对应存储单元。
5. 存储器的性能指标
- 容量：可存储的二进制位数（如8GB内存）。
- 存取时间（Access Time）：从发出读写命令到完成操作的时间。
- 存取周期（Cycle Time）：连续两次独立存取操作的最小间隔时间（存取时间+恢复时间）。
- 带宽（Bandwidth）：单位时间传输的数据量（如DDR4-3200带宽25.6GB/s）。
- 功耗：动态功耗（读写时）与静态功耗（待机时）。
6. 高速缓存（Cache）的工作原理
(1) 缓存的作用
利用 局部性原理（时间局部性+空间局部性），将CPU近期可能访问的数据从主存复制到缓存，减少访问主存次数。
(2) 缓存映射方式
- 直接映射：主存块固定映射到缓存的某一位置，冲突率高但实现简单。
- 全相联映射：主存块可映射到缓存任意位置，冲突率低但查找复杂。
- 组相联映射：缓存分组，主存块映射到特定组内的任意行（如4路组相联）。
(3) 替换算法
- 先进先出（FIFO）：替换最早进入的块。
- 最近最少使用（LRU）：替换最久未被访问的块。
- 随机替换（Random）：随机选择替换目标。
7. 辅助存储器的典型技术
- 机械硬盘（HDD）：
- 通过磁头在旋转磁盘上读写数据。
- 容量大、成本低，但速度慢（寻道时间+旋转延迟）。
- 固态硬盘（SSD）：
- 基于NAND Flash芯片，无机械部件，速度快、抗震动。
- 寿命受限于擦写次数（P/E Cycle），需磨损均衡算法。
- 光盘：
- 利用激光读写（如CD-ROM、DVD-RW），适合长期存档。
8. 新型存储器技术
- 3D NAND Flash：通过堆叠存储单元提升容量（如176层堆叠技术）。
- 相变存储器（PCM）：利用材料相变特性实现高速非易失存储。
- 磁性存储器（MRAM）：结合磁阻效应，兼具高速与非易失性。
- 存算一体（In-Memory Computing）：在存储器内部直接完成计算，减少数据搬运。
9. 存储器的应用场景
- 内存数据库（如Redis）：依赖大容量DRAM加速数据查询。
- AI训练：GPU显存（如HBM2）提供高带宽支持大规模矩阵运算。
- 嵌入式系统：NOR Flash存储启动代码，SRAM作运行内存。
- 数据中心：NVMe SSD加速云存储，磁带库用于冷数据备份。