3.1存储器概述

3.1.1  存储器的分类

根据存储材料的性能及使用方法的不同，存储器有各种不同的分类方法。

（1）存储介质。作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制代码的0和1。另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。

（2）存取方式。如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。半导体存储器是随机存储器。和果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。磁盘存储器是半顺序存储器。

（3）存储内容可变性。有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器（ROM）。既能读出又能写入的半导体存储器，称为随机读写存储器（RAM）。

（4）信息易失性。断电后信息消失的存储器，称为易失性存储器。断电后仍能保存信息的存储器，称为非易失性存储器。磁性材料做成的存储器是非易失性存储器，半导体读写存储器RAM是易失性存储器。

（5）系统中的作用。根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为内部存储器、外部存储器；又可分为主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器、控制存储器。半导体存储器是内部存储器，磁盘是外部存储器，又是辅助存储器。

3.1.2  存储器的分级

对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器（Cache）、主存储器和外存储器，如图3.2所示。CPU能直接访问的存储器称为内存储器，它包括Cache和主存储器。CPU不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能被CPU进行处理。

高速缓冲存储器  简称Cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。在计算机中，为了提高计算机的处理速度，利用Cache来高速存取指令和数据。和主存储器相比，它的存取速度快，但存储容量小。

主存储器  主存储器简称主存，是计算机系统的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。它能和Cache交换数据和指令。主存储器由MOS半导体存储器组成。

外存储器  外存储器简称外存，它是大容量辅助存储器。目前主要使用磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器。外存的特点是存储容量大，位成本低，通常用来存放系统程序和大型数据文件及数据库。

上述三种类型的存储器形成计算机的多级存储管理，各级存储器承担的职能各不相同。存储系统层次结构主要体现在缓存—主存和主存—辅存这两个存储层次上。

缓存—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。由于缓存的速度比主存的速度高，只要将CPU近期要用的信息调人缓存，CPU便可以直接从缓存中获取信息，从而提高访存速度。但由于缓存的容量小，因此需不断地将主存的内容调人缓存，使缓存中原来的信息被替换掉。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。

主存—辅存层次主要解决存储系统的容量问题。辅存的速度比主存的速度低，而且不能和CPU直接交换信息，但它的容量比主存大得多，可以存放大量暂时未用到的信息。当CPU需要用到这些信息时，再将辅存的内容调入主存，供CPU直接访问。主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

3.1.4  主存储器的技术指标

主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。

存储容量  指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。

存取时间  又称存储器访问时间，是指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线上所经历的时间。存取时间分读出时间和写入时间两种。通常取写入操作时间等于读出操作时间，故称为存储器存取时间。

存储周期  指连续启动两次读操作所需的最小时间间隔。通常，存储周期略大于存取时间，其时间单位为ns。

存储器带宽  单位时间内存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标。存储器的带宽决定了以存储器为中心的机器获得信息的传输速度，它是改善机器瓶颈的一个关键因素。为了提高存储器的带宽，可以采用以下措施：

（1）缩短存取周期。

（2）增加存储字长，使每个存取周期可读/写更多的二进制位数。

（3）增加存储体。

存取时间、存储周期、存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。