摘要：主存儲器簡稱主存，是計算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲器，用來存放計算機(jī)正在執(zhí)行的大量程序和數(shù)據(jù)，主要由半導(dǎo)體存儲器組成。外存儲器簡稱外存，是計算機(jī)系統(tǒng)的大容量輔助存儲器，用于存放系統(tǒng)中的程序數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫。掩模只讀存儲器又稱固定。

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存儲器容量：取決于尋址方式，16位機(jī)能產(chǎn)生16位地址，因此能在2^16=64K個存儲器單元中尋址，同理，32位機(jī)能使用包含4G個單元的存儲器。

MAR（存儲器地址寄存器）和 MDR（存儲器數(shù)據(jù)寄存器）：通過這兩個寄存器實現(xiàn)處理器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。如果MAR的長度是k位，MDR的長度是n位，那么存儲器部件可以包含2^k個可編址單元，在一個存儲周期中，n位數(shù)據(jù)在處理器和存儲器之間傳輸（在包含k條地址線和n條數(shù)據(jù)線的處理器總線上完成）

Read/^(Write)控制線：處理器從存儲器讀地址時，先把存儲單元的地址裝進(jìn)MAR，然后把R/^(W)線設(shè)成1（讀信號）；寫入數(shù)據(jù)時，先把要寫入的存儲單元地址裝入MAR，并把數(shù)據(jù)裝入MDR，再把R/^(W)線設(shè)成0（寫信號）。

MFC（存儲器功能完成控制線）：讀取數(shù)據(jù)的過程中，R/^(W)線設(shè)成1后，存儲器做出響應(yīng)，把指定位置的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上，并發(fā)送MFC信號確認(rèn)這個操作，收到MFC信號，處理器就把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)裝入MDR寄存器。

塊傳輸：讀寫操作訪問主存中一個連續(xù)的存儲單元地址時采用。只需要將塊的第一個單元地址發(fā)送到存儲器中。

存儲器延遲：指向或從存儲器傳輸一個字的數(shù)據(jù)所要花費(fèi)的時間。讀寫單個字的時候可以用來標(biāo)志存儲器的性能，但對于一塊數(shù)據(jù)還依賴與后繼字節(jié)的傳輸速度以及塊的大小。

存儲器帶寬：單位時間能傳輸?shù)奈换蜃止?jié)的數(shù)量。

衡量存儲器的速度：

存儲器訪問時間：讀信號和MFC信號之間的時間。

存儲器周期時間：相繼兩個存儲器操作考試時刻之間的最小時間延遲，如兩個讀操作之間的時間。一般比訪問時間長。

隨機(jī)訪問存儲器（RAM）：任何存儲單元的讀寫訪問都能在固定時間段（與地址無關(guān)）內(nèi)完成，主要與連續(xù)存儲設(shè)備（如磁帶）區(qū)分開。

主存儲器：簡稱主存，是計算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲器，用來存放計算機(jī)正在執(zhí)行的大量程序和數(shù)據(jù)，主要由MOS半導(dǎo)體存儲器組成。

外存儲器：簡稱外存，是計算機(jī)系統(tǒng)的大容量輔助存儲器，用于存放系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫。與主存相比，外存的特點是存儲容量大，位成本低，但訪問速度慢。目前，外存儲器主要有磁盤存儲器、磁帶存儲器和光盤存儲器。

高速緩存：一個容量小、速度快的存儲器，插在容量大、速度慢的主存與處理器之間，用來緩解計算機(jī)處理器處理指令和數(shù)據(jù)的速度比從存儲器中獲取指令和數(shù)據(jù)速度快的問題。

虛擬存儲器：現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，物理主存空間沒有處理器生成的地址所能跨越的空間大，無法將所有程序一次性放入主存，因此通過虛擬存儲器技術(shù)實現(xiàn)在執(zhí)行中把將要執(zhí)行的程序塊和數(shù)據(jù)塊自動移入主存。

虛擬地址（邏輯地址）：使用虛擬存儲器技術(shù)時處理器產(chǎn)生的地址（與物理存儲器的存儲位置不同）。

存儲器管理部件：用來實現(xiàn)虛擬地址空間到數(shù)據(jù)實際所在的物理存儲器上的映射。

CS（芯片選擇）：在多芯片存儲器系統(tǒng)中選擇一個給定的芯片。

MOSC（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor）金氧半電容，一種兩端控制的半導(dǎo)體元件。

半導(dǎo)體存儲器出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，速度快，成本低，取代了磁芯存儲器。

組織結(jié)構(gòu)：

結(jié)構(gòu)圖:

結(jié)構(gòu)特點：陣列形式、每個單元存儲一位（bit）。一個單元行組成存儲器中一個字，所有單元行通過一條公共的線連接。圖中包含8個字，每個字包括4位，稱為8x4的結(jié)構(gòu)，一共需要11條引線，其中地址線3條，數(shù)據(jù)線4條，控制線2條（CS和R/^(W)），還有2條線用于 電源支持 和 接地。

靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）：

特點：

利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息，只要不斷電信息就不會丟失。

集成度低，成本高，功耗較大，通常作為Cache的存儲體。

存儲單元：

結(jié)構(gòu)：兩個反相器交叉耦合形成一個鎖存器，通過兩根晶體管（起開關(guān)作用，在字線的控制下打開或關(guān)閉）分別連接到兩根位線上

工作原理：字線低電平時晶體管斷開，鎖存器保存；讀操作時，字線激活，閉合開關(guān)，如果bit被設(shè)置為與單元狀態(tài)相同的狀態(tài)，^bit被設(shè)置為相反的狀態(tài)，位線一段的讀出/寫電路檢測狀態(tài)并設(shè)置輸出；寫操作時，先把適當(dāng)?shù)闹捣诺絙it，把其補(bǔ)值放到^bit，然后激活字線，位線上需要的信號由讀出/寫電路產(chǎn)生。

動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）：

特點：

利用MOS電容存儲電荷來保存信息，使用時需要不斷給電容充電才能保持信息。

動態(tài)存儲器電路簡單，集成度高，成本低，功耗小，但需要反復(fù)進(jìn)行刷新（Refresh）操作，工作速度較慢，適合作為主存儲器的主體部分。

存儲單元：
結(jié)構(gòu)：電容器 和 晶體管(與字線和位線相連) 構(gòu)成

工作原理：存儲信息時，晶體管打開，電壓加到位線(圖中垂直)上，使電荷存到電容中，之后關(guān)閉晶體管，這時電容會開始漏電。讀操作時，選中的晶體管打開，連接到位線上的傳感放大器檢測電容上的電荷是否高于某個閥值，若高于，則將位線上的電壓提高成滿電壓（同時將電容器電荷充滿），否則將位線拉成低電平，保證電容沒有電荷，因此讀操作時會自動刷新。

組織結(jié)構(gòu)及工作原理：
讀寫操作期間，行地址首先被加載，芯片響應(yīng)在 行選通地址(RAS)輸入線 上的脈沖信號，把行地址裝入行地址鎖存器中，選中行上的所有單元被讀取和刷新。列地址隨后被加載到地址引腳，然后在列地址選通(CAS)信號控制下被裝入列地址鎖存器。為了讓RAS和CAS信號從高電平變成低電平時使地址鎖存，這兩個信號被設(shè)計成低電平有效。此外，為了減少外部連接的引腳數(shù)，行地址和列地址采用多路復(fù)用。

同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SDRAM）：操作直接與時鐘信號同步，不需要CAS線上提供外部產(chǎn)生的脈沖去選擇連續(xù)的列，芯片內(nèi)部用列計數(shù)器和時鐘信號來提供需要的控制信號。有內(nèi)置的刷新電路，其中一部分是刷新計數(shù)器，提供要刷新的行地址。

雙倍數(shù)據(jù)速率SDRAM（DDR SDRAM）：存儲器單元陣列被組織成兩個存儲體，每個可以多帶帶訪問。一個給定塊中連續(xù)的字被存儲到不同的存儲體中，實現(xiàn)在一個時鐘信號的連續(xù)邊沿上傳輸兩個字。

只讀存儲器ROM是一種存儲固定信息的存儲器，其特點是在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)據(jù)，不能即時修改或重新寫入數(shù)據(jù)。電路結(jié)構(gòu)簡單，且存放的數(shù)據(jù)在斷電后不會丟失，特別適合于存儲永久性的、不變的程序代碼或數(shù)據(jù)，計算機(jī)中的自檢程序就是固化在ROM中的。ROM的最大優(yōu)點是具有不易失性。

掩模只讀存儲器（MROM）：又稱固定ROM。這種ROM在制造時，生產(chǎn)廠家利用掩模（Mask）技術(shù)把信息寫入存儲器中，使用時用戶無法更改。

可編程只讀存儲器（Programmable ROM):是可由用戶一次性寫入信息的只讀存儲器,一經(jīng)寫入就不能再更改。

光擦可編程只讀存儲器（EPROM）:其中的內(nèi)容可以用特殊的裝置進(jìn)行擦除和重寫。EPROM出廠時，其存儲內(nèi)容為全“1”，用戶可根據(jù)需要改寫為“0”，當(dāng)需要更新存儲內(nèi)容時，可將原存儲內(nèi)容擦除（恢復(fù)為全“1”），以便寫入新的內(nèi)容。

電擦可編程只讀存儲器（EEPROM或E2PROM）:可以用電氣方法將芯片中的存儲內(nèi)容擦除，擦除時間較快，甚至可以在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下操作。
EEPROM既可使用字擦除方式又可使用塊擦除方式，使用字擦除方式可擦除一個存儲單元，使用塊擦除方式可擦除數(shù)據(jù)塊中所有存儲單元。

閃速存儲器（Flash ROM）:一種塊擦寫型存儲器，是一種高密度、非易失性的讀/寫半導(dǎo)體存儲器。在某種低電壓下，其內(nèi)部信息可讀不可寫，在較高的電壓下，其內(nèi)部信息可以更改和刪除。

利用程序訪問的局部性原理，把程序中正在使用的部分（活躍塊）存放在一個小容量的高速Cache中，使CPU的訪存操作大多針對Cache進(jìn)行，從而解決高速CPU和低速主存之間速度不匹配的問題，使程序的執(zhí)行速度大大提高。最先需要的數(shù)據(jù)項應(yīng)該被放入高速緩存，同時最好將臨近的多個項也放入。

地址映射

直接映射：

主存塊直接映射到Cache上,每個主存塊只有一個固定位置可存放，容易產(chǎn)生沖突,只適合大容量Cache采用。

相聯(lián)映射：

主存塊可以放置到高速緩存中任何一個位置上，Cache的利用率高，塊沖突概率低，只要淘汰Cache中的某一塊，即可調(diào)入主存的任一塊。但是，由于Cache比較電路的設(shè)計和實現(xiàn)比較困難，這種方式只適合于小容量Cache采用。

組相聯(lián)映射：

將直接映射和相聯(lián)映射結(jié)合起來使用，高速緩存被分成組，主存塊可以被映射到特定組中的任意位置。

替換算法：

LFU（Least Frequently Used，最不經(jīng)常使用）算法：將一段時間內(nèi)被訪問次數(shù)最少的那個塊替換出去。每塊設(shè)置一個計數(shù)器，從0開始計數(shù)，每訪問一次，被訪塊的計數(shù)器就增1。當(dāng)需要替換時，將計數(shù)值最小的塊換出，同時將所有塊的計數(shù)器都清零。不能嚴(yán)格反映近期訪問情況，新調(diào)入的塊很容易被替換出去。

LRU（Least Recently Used，近期最少使用）算法：把CPU近期最少使用的塊替換出去。這種替換方法需要隨時記錄Cache中各塊的使用情況，以便確定哪個塊是近期最少使用的塊。每塊也設(shè)置一個計數(shù)器，Cache每命中一次，命中塊計數(shù)器清零，其他各塊計數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時，將計數(shù)值最大的塊換出。實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，系統(tǒng)開銷較大，保護(hù)了剛調(diào)入Cache的新數(shù)據(jù)塊，具有較高的命中率，可達(dá)90%。

隨機(jī)替換算法：不管Cache的情況，根據(jù)一個隨機(jī)數(shù)選擇一塊替換出去。隨機(jī)替換算法在硬件上容易實現(xiàn)，速度快。但是降低了命中率和Cache工作效率。

寫操作策略：

寫回法（Write-Back）：當(dāng)CPU寫Cache命中時，只修改Cache的內(nèi)容，而不是立即寫入主存；只有此塊被換出時才寫回主存。這種方法寫Cache和寫主存異步進(jìn)行，減少了訪問主存的次數(shù)，但是存在數(shù)據(jù)不一致的隱患。實現(xiàn)這種方法時，每個Cache塊必須配置一個修改位，以反映此塊是否被CPU修改過。

全寫法（Write-Through）：當(dāng)寫Cache命中時，Cache與主存同時發(fā)生寫修改。使用這種方法寫Cache和寫主存同步進(jìn)行，因而較好地維護(hù)了Cache與主存的內(nèi)容一致性。實現(xiàn)這種方法時，Cache中的每個塊無需設(shè)置修改位以及相應(yīng)的判斷邏輯，但由于Cache對CPU向主存的寫操作沒有高速緩沖功能，從而降低了Cache的功效。

寫一次法（Write-Once）：結(jié)合寫回法和全寫法的寫操作策略，寫命中與寫未命中的處理方法與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時要同時寫入主存，以便于維護(hù)系統(tǒng)全部Cache的一致性。

預(yù)取：通過預(yù)取指令使地址指向的數(shù)據(jù)被裝入高速緩存，避免讀失效時處理器暫停引發(fā)的開銷。最好在處理器執(zhí)行不會引發(fā)失效指令時開始預(yù)取，這樣主存訪問就能與處理器運(yùn)算重疊。預(yù)取也可以通過硬件實現(xiàn)，這需要增加用于發(fā)現(xiàn)存儲器引用模式并根據(jù)這個模式預(yù)取數(shù)據(jù)的電路。

無鎖定高速緩存：能支持多個未響應(yīng)失效的高速緩存，允許處理器在高速緩存響應(yīng)失效時仍能訪問他（傳統(tǒng)的高速緩存在預(yù)取操作完成前會阻止其他對高速緩存的訪問，在它響應(yīng)一次失效時稱他為被鎖定了）。一次只能響應(yīng)一個失效，因此需要引入用于跟蹤所有未響應(yīng)失效的電路。

一個容量非常大的存儲器的邏輯模型，借助于磁盤等輔助存儲器來擴(kuò)大主存容量。當(dāng)計算機(jī)系統(tǒng)的物理主存空間沒有處理器生成的地址所能跨越的空間大時，由操作系統(tǒng)把主存和輔存這兩級存儲系統(tǒng)管理起來，實現(xiàn)自動覆蓋。一個大作業(yè)在執(zhí)行時，其一部分地址空間在主存，另一部分在輔存，當(dāng)所訪問的信息不在主存時，則由操作系統(tǒng)而不是程序員來安排I/O指令，把信息從輔存調(diào)入主存。

頁式虛擬存儲器：

每頁長度固定的，建立方便，新頁調(diào)入也容易但是由于程序不可能正好是頁面的整數(shù)倍，最后一頁的零碎空間將無法利用而造成浪費(fèi)。

以頁為基本單位的虛擬存儲器，虛存地址到實存地址的變換是通過存放在主存中的頁表來實現(xiàn)。

不是邏輯上獨(dú)立的實體，這使得程序的處理、保護(hù)和共享都比較麻煩。

虛存地址由高位的邏輯頁號和低位的頁內(nèi)地址組成。實存地址由高位的物理頁號和低位的頁內(nèi)地址組成。虛存地址到實存地址的變換是通過主存中的頁表實現(xiàn)。頁表中，對應(yīng)每一個虛存邏輯頁號有一個表項，表項內(nèi)容包含該邏輯頁所在的主存頁面地址（物理頁號），用它作為實存地址的高字段，與虛存地址的頁內(nèi)地址字段相拼接，產(chǎn)生完整的實存地址，訪問主存，過程如圖：

快表和慢表：

用途：快表由硬件組成，比頁表小得多，存放當(dāng)前最常用的頁表信息，作為慢表部分內(nèi)容的副本。存儲在一個小容量的快速存儲器中，該存儲器是按內(nèi)容查找的相聯(lián)存儲器，可按虛頁號名字進(jìn)行查詢，迅速找到對應(yīng)的實頁號。

查詢過程：查表時，由邏輯頁號同時去查快表和慢表。當(dāng)在快表中有此邏輯頁號時，就能很快地找到對應(yīng)的物理頁號送入實主存地址寄存器，從而做到雖采用虛擬存儲器但訪主存速度幾乎沒有下降；如果在快表中查不到，那就要花費(fèi)一個訪主存時間去查慢表，從中查到物理頁號送入實存地址寄存器，并將此邏輯頁號和對應(yīng)的物理頁號送入快表，替換快表中應(yīng)該移掉的內(nèi)容。

段式虛擬存儲器:

按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)劃分的，各個段的長度因程序而異,容易在段間留下不能利用的零碎空間，造成浪費(fèi)。

具有邏輯獨(dú)立性，所以易于實現(xiàn)程序的編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享。

段表：需要一個段表。段表一般駐留在主存中，其中每一行記錄了（虛擬）段號、裝入位、段起點和段長等信息。結(jié)構(gòu)如圖：

訪問過程：CPU根據(jù)虛地址訪存時，首先將段號與段表的起始地址相拼接，形成訪問段表對應(yīng)行的地址，然后根據(jù)段表的裝入位判斷該段是否已調(diào)入主存。若已調(diào)入主存，則從段表讀出該段在主存中的起始地址，與段內(nèi)地址（偏移量）相加，得到對應(yīng)的主存實地址。

段頁式虛擬存儲器：把程序按邏輯單位分段，再把每段分成固定大小的頁。主存空間也劃分為若干個同樣大小的頁。虛存和實存之間以頁為基本傳送單位，每個程序?qū)?yīng)一個段表，每段對應(yīng)一個頁表。虛地址包含段號、段內(nèi)頁號、頁內(nèi)地址三部分。CPU訪問時，首先將段表起始地址與段號合成，得到段表地址，然后從段表中取出該段的頁表起始地址，與段內(nèi)頁號合成，得到頁表地址，最后從頁表中取出實頁號，與頁內(nèi)地址拼接形成主存實地址。

頁面替換：

常用算法：LRU算法、LFU算法、FIFO算法

與Cache替換策略的不同：

缺頁至少要涉及一次磁盤外存存取，讀取所缺的頁，因缺頁損失要比Cache未命中大得多。

頁面替換是由操作系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的，而Cache的塊替換則是由硬件實現(xiàn)的。

頁面替換的選擇余地很大，屬于一個進(jìn)程的頁面都可替換。

磁盤系統(tǒng)中存儲介質(zhì)由安裝在一個軸上的一個或多個磁盤組成，每個盤上覆蓋著一層磁性薄膜，通常兩面都有。盤放在一個旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動器上，使磁性表面在讀寫磁頭附近移動，各個磁盤旋轉(zhuǎn)速度統(tǒng)一，每個磁頭包括一個磁軛和一個磁性線圈。?視頻：How a Hard Drive works

磁盤：裝配的盤體

磁盤驅(qū)動器：電機(jī)裝置，旋轉(zhuǎn)磁盤和移動讀寫磁頭。

磁盤控制器：控制系統(tǒng)運(yùn)作。

寫操作：磁性線圈施加適當(dāng)極性的電流脈沖將數(shù)字信息存儲到磁性薄膜上，這使磁頭下的薄膜區(qū)域的磁化方向與施加的磁場同向。

讀操作：磁性薄膜相對磁軛的運(yùn)動導(dǎo)致磁頭附近的磁場發(fā)生變化，在磁性線圈中感應(yīng)出電壓。由控制電路檢測到的電壓正負(fù)判斷磁膜的磁化狀態(tài)。

相位編碼（曼徹斯特編碼）：如果二進(jìn)制狀態(tài)0、1用磁化兩個相反狀態(tài)表示，那么只有在位流中0變成1或者1變成0時磁頭才能感應(yīng)出電壓，而一長串的0或1只有在這個串的開頭和結(jié)尾才能產(chǎn)生感應(yīng)電壓。為了判斷存儲的連續(xù)的0或1的個數(shù)，必須用一個時鐘提供同步信息。而相位編碼把時鐘信息結(jié)合到數(shù)據(jù)中，使每個位都有磁性變化發(fā)生。

讀寫過程：讀寫磁頭與轉(zhuǎn)動的盤面保持一個很近的距離，以此來獲得較高的位密度和可靠的讀寫操作。當(dāng)磁盤以一個穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)時，在盤面和磁頭之間會產(chǎn)生一個空氣壓力，迫使磁頭遠(yuǎn)離盤面（可用彈簧裝置抵消這個力，緩解可能造成的起伏）。

溫徹斯特技術(shù)：將盤體和磁頭放在一個密封的、對空氣進(jìn)行過濾的外殼中，使里面不存在灰塵微粒。這樣，磁頭可以離磁化軌跡表面更近，數(shù)據(jù)也就能以更高的密度存放，磁道之間的距離也越近。

磁盤的組織結(jié)構(gòu)：磁盤的盤面被分成同心的磁道，每個 磁道 又分成 扇區(qū)（扇形的），各個表面上相同磁道的集合形成邏輯上的柱面。數(shù)據(jù)位順序存在每個磁道中，每個扇區(qū)通常包含512個字節(jié)。數(shù)據(jù)前面有一個扇區(qū)頭，包含（標(biāo)志）尋址信息，用來在選定的磁道上找到需要的扇區(qū)。數(shù)據(jù)后由糾錯碼（ECC）組成附加位，用來檢測讀寫時可能發(fā)生的錯誤。兩個扇區(qū)之間存在一個扇區(qū)間隙。