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第2章 存储器 2.1微计算机存储器概述并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。有了，才有记忆功能，才能保证正常工作=存储单元个数m×每个存储单元的位数n（数据线位数） 存储器的存取速度可以用“存取时间”和“存储周期”这两个时间参数来衡量。“存取时间是指CPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该读/写操作完成所经历的时间。存取时间越小，存取速度就越快。目前，高速缓存（Cache）的存取时间已小于20ns，中速存储器在60ns-100ns之间，低速存储器在100ns以上。“存取周期”是指连续两次独立的存储读/写操作所需要的最小间隔时间。由于存储器在读出数据后还要用一定的时间来完成内部操作，这一时间称为恢复时间，素以通常存储器的存储周期略大于存储器的存取时间。 从计算机的应用需要来说，总是希望存储器的存储容量要大，存取速度要快，而价格/位要便宜。但实际上，存储器的这些性能指标往往是相互矛盾的，互相制约的。解决这一问题的较好方法是，把他们合理地组织起来，设计一个快慢搭配、具有层次结构的存储系统如图2.1所示。 图2.1 存储系统的层次结构 由图2.1可见，整个存储系统分为4层：CPU内寄存器组，高速缓存（cache）,主存储器，外存储器（硬盘）和后援存储器（光盘、磁盘），整体上是一个金字塔的结构，越靠近CPU的存储器，其存储容量越小，存取速度越快，价格/位越高；越远离CPU的存储器，其存储容量越大，存取速度越慢，价格/位越低。而就整个层次结构存储系统而言，其工作速度和价格昂贵的高速存储器接近，存储容量很便宜的低速存储器接近。 第一层存储器是位于CPU内部的寄存器组，处于整个存储系统的最高级。它距离CPU最近，且由高速逻辑电路构成，所以CPU能以极高的速度来访问这些寄存器，一般在单个周期内即可完成。但由于这些寄存器位于CPU的内部，受芯片面积、功耗及管理等方面的限制，所以内部寄存器数量极为有限。 第二层存储器是高速缓存（Cache）。目前高速缓存的容量已达几MB，有片内Cache(在CPU内部集成)和片外Cache（在CPU外部）。高速缓存往往采用存储速度较高的静态RAM（SRAM）存储芯片结构。 第三层存储器是计算机系统的主存储器，简称主存或内存。主存用于存放计算机运行时正在使用的程序和数据，实际上是高速缓存的后备存储器。主存可以采用存取速度较慢（相对Cache）、价格便宜的存储芯片构成，通常采用动态RAM（DRAM），从而提高存储系统的整体性能价格比。 第四层存储器是大容量的外部存储器（外存），即计算机系统中由硬盘、磁盘和光盘等设备构成的存储器，这些存储器已不属于半导体存储器的范畴。外存的容量最大，每位的平均价格便宜，但存储速度比主存要慢得多。 存储器按其在计算机系统中的位置可分为两大类。第一类是内部存储器，简称内存，又称主存储器，由半导体存储器构成， 是CPU可以通过系统总线直接访问的存储器，用以存放当前运行的程序和数据。内存具有个CPU相匹配的速率，相对于外存而言，存取速率快，存储容量较小。内存容量的大小事衡量微型计算机性能的主要指标。 第二类是外部存储器又称辅助存储器，简称外存，外存放在主机外，用来存放当前暂时不参加运行的程序和数据，以及某些需要永久保存的信息，CPU不能直接运行放在外存的程序，当CPU需呀时，把外存的数据调入到内存后，才可使用相应的数据，并可运行程序。一般外存作为主存储器的辅助存储器使用，可以存放大量的信息和数据文件。 微机内存广泛采用的是半导体存储器。半导体存储器由大规模的集成电路芯片组成，具有存取速率快，集成度高，体积小，功耗低等优点，并且，能够非破坏性的读出，特别是静态半导体存储器，不仅读操作不破坏原存的信息，而且不需要刷新再生，读写周期缩短，又简化控制操作。 半导体存储器从电路器件角度可分为双极型存储器和单极型存储器两种类型。双极型存储器采用晶体管-晶体管逻辑TTL（Transistor-Transistor Logic）电路，工作速度快，但集成度较低，功耗较大，价格较贵。计算机总的高速缓存可采用这种双极型电路。单极型存储器采用的是金属氧化物半导体MOS电路，集成度高，功耗低，价格便宜。目前高性能的CMOS（Complementary MOS）和HMOS（High performance MOS）存储器的工作速度已经比较接近双极型TTL存储器。MOS存储器在计算机存储器中占据越来越重要地地位。 计算机内存根据其读写功能的不同，分为可读写存储器和只读存储器。可读存储器又称为随机存储器RAM（Random Access Memory）,其特点是存储器中的信息可