存储器基础概念

存储器基础概念

1. 存储器的分类

按存储介质分类

半导体存储器：

• RAM（随机存储器）：可读写，断电丢失
• ROM（只读存储器）：只读，断电保持
• Flash 存储器：可擦写，常用于 U 盘、SSD

磁存储器：

• 硬盘：大容量、永久存储
• 磁带：大容量、顺序访问
• 软盘：小容量、便携

光存储器：

• CD-ROM：只读光盘
• DVD：大容量光盘
• 蓝光光盘：高清视频存储

按访问方式分类

随机访问存储器：

• 访问时间与地址无关
• 如 RAM、ROM、硬盘

顺序访问存储器：

• 访问时间与地址相关
• 如磁带、光盘

直接访问存储器：

• 介于随机和顺序之间
• 如硬盘（磁头定位+扇区访问）

按功能分类

主存储器：

• 与 CPU 直接交换数据
• 速度快、容量小
• 如 RAM、ROM

辅助存储器：

• 存储大量数据
• 速度慢、容量大
• 如硬盘、光盘

高速缓冲存储器：

• 提高访问速度
• 容量小、速度快
• 如 Cache

2. 存储器的层次结构

层次化设计原理

基本思想：

• 利用不同存储器的特点
• 构建多级存储系统
• 实现速度、容量、成本的平衡

层次结构：

寄存器 → Cache → 主存 → 辅存
速度：    快 → 慢
容量：    小 → 大
成本：    高 → 低

各层特点

寄存器：

• 速度最快
• 容量最小（几十个）
• 成本最高
• 与 CPU 集成

Cache：

• 速度很快
• 容量较小（KB-MB）
• 成本较高
• 存储近期访问数据

主存：

• 速度较快
• 容量较大（GB）
• 成本中等
• 存储程序和数据

辅存：

• 速度较慢
• 容量最大（TB）
• 成本最低
• 永久存储

层次结构优势

性能提升：

• 利用局部性原理
• 减少平均访问时间
• 提高系统性能

成本控制：

• 合理分配存储资源
• 降低总体成本
• 满足不同需求

扩展性：

• 支持容量扩展
• 适应技术发展
• 保持兼容性

3. 半导体存储器

SRAM（静态 RAM）

工作原理：

• 基于触发器电路
• 不需要刷新
• 保持数据稳定

特点：

• 速度快：访问时间短
• 功耗低：静态功耗小
• 成本高：电路复杂
• 容量小：集成度低

应用：

• 高速缓存（Cache）
• CPU 内部寄存器
• 需要高速访问的场合

DRAM（动态 RAM）

工作原理：

• 基于电容存储
• 需要定期刷新
• 数据会逐渐丢失

特点：

• 速度较慢：需要刷新
• 功耗较高：动态功耗大
• 成本低：电路简单
• 容量大：集成度高

应用：

• 主存储器
• 系统内存
• 大容量存储

ROM（只读存储器）

基本概念：

• 只能读取，不能写入
• 断电后数据保持
• 用于存储固定程序

类型：

• 掩膜 ROM：出厂时写入
• PROM：可编程一次
• EPROM：紫外线擦除
• EEPROM：电擦除

应用：

• BIOS 程序
• 引导程序
• 固定数据表

Flash 存储器

工作原理：

• 基于浮栅晶体管
• 电擦除和编程
• 非易失性存储

特点：

• 非易失性：断电保持
• 可擦写：支持多次编程
• 速度快：访问速度快
• 容量大：集成度高

应用：

• U 盘、SD 卡
• SSD 固态硬盘
• 手机存储

4. 主存与 CPU 的连接

总线连接

地址总线：

• 传输地址信息
• 确定访问位置
• 宽度决定寻址范围

数据总线：

• 传输数据信息
• 双向传输
• 宽度决定传输效率

控制总线：

• 传输控制信号
• 协调访问时序
• 保证数据传输

存储器映射

统一编址：

• 内存和外设统一编址
• 简化地址管理
• 便于程序访问

独立编址：

• 内存和外设分别编址
• 需要专门的 I/O 指令
• 地址空间独立

地址译码

功能：

• 将地址转换为片选信号
• 选择具体的存储芯片
• 实现地址分配

方式：

• 全译码：所有地址线参与
• 部分译码：部分地址线参与
• 线选法：直接使用地址线

练习题

练习 1

简述存储器的层次结构及各层特点。

练习 2

SRAM 和 DRAM 有何区别？