主存储器基础知识

　　存储器（Memory）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

     主存储器是CPU能直接访问的存储器，由随机读写存储器RAM和只读存储器ROM组成，能快速地进行读或写操作。衡量一个主存储器性能的技术指标主要有存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。

　　1．存储容量

　　在一个存储器中可以容纳的存储单元的总数称为存储容量（MemoryCapacity）。

　　存储单元可分为字存储单元和字节存储单元。所谓字存储单元，是指存放一个机器字的存储单元，相应的单元地址称为字地址；而字节存储单元，是指存放1个字节（8位二进制数）的存储单元，相应的地址称为字节地址。如果一台计算机中可编址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为按字编址的计算机；如果一台计算机中可编址的最小单位是字节存储单元，则该计算机称为按字节编址的计算机。一个机器字可以包含数个字节，所以一个字存储单元也可包含数个字节存储单元。

　　为了描述方便和统一，目前大多数计算机采用字节为单位来表征存储容量。在按字节寻址的计算机中，存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定。例如，一台计算机的地址码为n位，则可产生2n个不同的地址码，如果地址码被全部利用，则其最大容量为2n个字节。一台计算机设计定型以后，其地址总线、地址译码范围也已确定，因此其最大存储容量是确定的，而实际配置存储容量时，只能在这个范围内进行选择，通常情况下主存储器的实际存储容量远远小于理论上的最大容量。一般而言，存储器的容量越大，所能存放的程序和数据就越多，计算机的解题能力就越强。

　　存储容量的单位通常用KB、MB、GB来表示，K代表210，M代表220，G代表230。

　　2．存取时间

　　存取时间即存储器访问时间（MemoryAccessTime），是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。

　　具体地说，读出时为取数时间，写入时为存数时间。取数时间就是指存储器从接受读命令到信息被读出并稳定在存储器数据寄存器中所需的时间；存数时间就是指存储器从接受写命令到把数据从存储器数据寄存器的输出端传送到存储单元所需的时间。

　　3．存储周期

　　存储周期又称为访问周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，它是衡量主存储器工作性能的重要指标。存储周期通常略大于存取时间。

　　4．存储器带宽

　　存储器带宽是指单位时间里存储器所存取的信息量，是衡量数据传输速率的重要指标，通常以位/秒（bPS，bitpersecond）或字节/秒（Byte/s）为单位。

　　例如，总线宽度为32位，存储周期为250ns，则

　　存储器带宽=32b/250ns=128Mb/s=128Mbps

　　存取时间、存储周期、存储器带宽都反映了主存的速度指标。

　　主存储器由存储体、寻址系统、存储器数据寄存器、读写系统及控制线路等组成，如图3-3所示。

　　1．存储体

　　存储体是一个由存储单元按照一定规则排列起来的存储阵列。存储体是存储器的核心，是存储信息的实体。

　　2．寻址系统

　　寻址系统就是读出和写入信息的地址选择机构，包括存储器地址寄存器（MAR）和地址译码器。

　　地址译码器接收来自地址寄存器的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，并从2n个单元中选出一个单元。通常用X选择线（行线）和Y选择线（列线）的交叉来选择所需要的单元。

　　存储器地址寄存器MAR具有地址缓冲功能，可使CPU和主存的速度都得到充分发挥和提高。MAR从功能上看属于主存，但在一些微型机中常被放在CPU内，并可兼作别用，在速度要求较高的计算机中，CPU与主存中都设有地址寄存器。

　　3．存储器数据寄存器（MDR）

　　一般把存储器数据寄存器MDR作为存储器接收输入数据和发出输出数据用的数据缓冲器件。在数据传送中，它可以起到数据缓冲作用，使CPU与主存速度相匹配，从而使两者的速度都能得到发挥和提高。

　　4．读写系统

　　读写系统包括写入信息和读出信息所需线路。写入信息所需线路包括写入线路、写驱动器等；读出信息所需线路包括读出线路、读驱动器和读出放大器等。

　　5．控制线路

　　无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的连续操作步骤来完成，这就需要主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制线路、写或重写逻辑控制线路以及动态存储器的定时刷新线路等，这些线路总称为存储器控制线路。存储器控制线路控制逻辑电路接收片选信号CS（ChipSelect）及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号，并控制数据的读出和写入。

　　主存储器的工作原理：由CPU发来的地址送到存储器地址寄存器中，在读写控制线路的作用下，经过地址译码后，选中存储体中某一存储单元，对该存储单元进行读/写操作，读出或写入的信息都暂存于存储器数据寄存器中。

　　CPU对存储器进行读/写操作，首先由地址总线给出地址信号，然后发出读操作或写操作的控制信号，最后在数据总线上进行信息交流。因此，存储器同CPU连接时，要完成地址线、数据线和控制线的连接。

　　目前生产的存储器芯片的容量是有限的，在字数或字长方面与存储器的实际要求都有差距，所以需要在字向和位向两方面进行扩充才能满足实际存储器的容量要求，通常采用位扩展法、字扩展法、字位同时扩展法。

　　1．位扩展法

　　假定使用8K×l位的RAM芯片，那么组成8K×8位的存储器，可采用图3-4所示的位扩展法，此时只需把字长由1位加大到8位，而存储器的字数（8K）则与存储器芯片的字数一致。图中，每一片RAM的字数是8K（213），故其地址线为13条（A0~A12），可满足整个存储体容量的要求；每一片RAM对应数据的1位（只有1条数据线），故只需将它们分别接到数据总线上的相应位即可。在这种方式中，对芯片没有选片要求，就是说芯片均按已被选中来考虑。在这种连接中，每一条地址总线接有8个负载，每一条数据线接有1个负载。

　　2．字扩展法

　　字扩展法仅在字向扩充，而位数不变，因此可以将芯片的地址线、数据线、读/写控制线并联，而由片选信号来区分芯片的具体地址，故片选信号端连接到选片译码器的输出端。

　　使用16K×8位的RAM芯片，采用字扩展法组成64K×8位存储器的连接如图3-5所示，其中每一片RAM的字数是16K（214），故其地址线为14条（A0~A13）。图中，4片芯片的数据线与数据总线的D0~D7相连，对应8位数据，地址总线低位地址A0~A13与各片芯片的14位地址端相连，两位高位地址A14、A15经2:4译码器与4片芯片的片选端相连，其地址空间分配见表3-1。

　　表3-1图3-5的地址空间分配表

　　3．字位同时扩展法

　　一个存储器的容量假定为M×N位，若使用L×K位的芯片（L<M,K<N），则需要在字向和位向同时进行扩展，此时共需要（M/L）×（N/K）个存储器芯片。

　　存储器的主要功能是存储程序和各种数据，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。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

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