深入理解计算机系统 - 存储设备1

文章目录

• 随机访问存储器：Random-Access Memory - SRAM/DRAM
• 1.静态 RAM：Static RAM （SRAM）
• 2.动态 RAM：Dynamic RAM （DRAM）
• 3.DRAM的发展
• 1.DRAM - 传统的DRAM
• 2.FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM）
• 3.EDO DRAM（Extended Data Out DRAM）
• 4.SDRAM（Synchronous DRAM）
• 5.DDR SDRAM（Double Data-Rate Synchronous DRAM）

4.内存模块

只读存储器：Read-Only Memory - ROM

• 1.说明
• 2.性质
• 3.种类

闪存：flash memory

• 1.说明
• 2.特点
• 3.常见类型

磁盘

• 1.优势/劣势
• 2.结构图
• 3.介绍

固态硬盘：Solid State Disk （SSD）

• 1.介绍
• 2.特点

关于CPU对存储设备的访问示例

随机访问存储器：Random-Access Memory - SRAM/DRAM

1.静态 RAM：Static RAM （SRAM）

• 存储：每一个 bit 都存储在一个双稳态的存储器单元
• 单元组成：每个单元一般都是一个六晶体管电路
• 性质：易失性存储器，断电丢失
• 特点：稳定，无需动态刷新，速度快，容量较小，常作为高速缓存，需要更多晶体管，价格贵
  - 每个单元都能无限期保存电压配置，任何不稳定状态的单元，都会迅速转移到稳定状态

2.动态 RAM：Dynamic RAM （DRAM）

• 存储：每一个 bit 的存储都相当于对一个电容单元的充电
• 单元组成：每个单元一般都由一个电容和一个访问晶体管组成
• 性质：易失性存储器，断电丢失
• 特点：不稳定，需要动态刷新，速度慢，容量较大，通常作为主存，价格便宜
  - 电容值非常小，因此DRAM存储器可以做的非常密集
  - 对干扰很敏感，很多原因会导致漏电，使存储单元在10-100ms时间失去电荷，无法恢复
  - 计算机运行时钟周期都是以纳秒计算，故相对来说，10-100ms是比较长的
  - 为了防止漏电带来的数据丢失，计算机必须周期性地读出，再写入来刷新每一个bit
  

3.DRAM的发展

1.DRAM - 传统的DRAM

• 结构：DRAM芯片中的单元被划分为许多超单元，一般每个超单元都由 8个bit 组成
• 超单元：超单元被排成r行c列的方形（下图为4行4列 - 16个超单元），每个超单元地址为（i，j）
• 内存控制器：每个DRAM芯片通过2根地址线，8根数据线和其他控制线与内存控制器相连
• 读一个超单元(Byte)（2，1）示例：
  - 1.内存控制器发送行地址2
  - 2.DRAM响应：将整个第2行复制到内部行缓冲区
  - 3.内存控制器发送列地址1
  - 4.DRAM响应：将缓冲区超单元（2，1）中的 8bits 发送到内存控制器，并丢弃剩余部分
  

2.FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM）

• 改进：支持发送同一行的多个超单元
  - DRAM将整行复制到缓冲区后，控制器连续发送多个列请求，这样就连续发送多个超单元

3.EDO DRAM（Extended Data Out DRAM）

• 改进：在FPM DRAM的基础上，允许各个列请求信号在时间上靠的更紧密些

4.SDRAM（Synchronous DRAM）

• 改进：更改控制信号
  - 常规/FPM/EDO DRAM都是异步的
  - SDRAM使用和驱动内存控制器相同的外部时钟信号的上升沿作为控制信号

5.DDR SDRAM（Double Data-Rate Synchronous DRAM）

• 改进：在SDRAM的基础上，使用两个时钟沿作为控制信号，使速度翻倍
  - 按照预取缓冲区的大小可分为 DDR(2bits)，DDR2(4bits)，DDR3(8bits)

4.内存模块

• 结构：内存模块是由多个DRAM芯片封装组成，即内存条
• 内存模块基本思想（64位）：如下图示例模块用 8个64Mbit 的 8M×8 的DRAM芯片，共64MB
  - 用地址为（i，j）的8个DRAM芯片中的8个超单元组成一个内存地址中的64位数据
  - 控制器将超单元（i，j）发送到内存模块，然后内存模块再将i，j广播到每个DRAM，这样就可以输出8个相同地址的超单元数据，组成一个64位数据供机器使用

只读存储器：Read-Only Memory - ROM

1.说明

由于历史原因，虽然ROM中有的类型即可读又可写，但他们整体上都被称为只读存储器

2.性质

非易失性存储器，断电不丢失

3.种类

• 区分标准：能够被重写的次数，对他们进行编程所用的机制
• PROM - Programmable ROM
  - 只能被编写一次
  - 其每个存储器单元都有一种熔丝，只能用高电流熔断一次
• EPROM - Erasable Programmable ROM
  - 结构上有一个透明石英窗口，紫外线光可以照射到存储单元，被照射后，EPROM单元被清零
  - 对内存单元写1是通过特殊的独立编程设备来完成的
  - 被擦除和重写的次数达到1000+次
• EEPROM - Electrically Erasable Programmable ROM
  - 类似EPROM，但无需独立变成设备
  - 被擦除和重写的次数达到100000+次

闪存：flash memory

1.说明

过去我们一直使用ROM作为机器的存储设备，而现在flash基本思已经取代了ROM

2.特点

它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，而且是非易失性存储器，断电不丢失，同时可以快速读取数据，但FLASH写入前只能一大片一大片的擦除后再写入

3.常见类型

• NOR Flash
• NADN Flash

磁盘

1.优势/劣势

• 优势：存储数据的数量级比ROM大得多
• 劣势：读取数据的时间为毫秒级，比RAM/ROM要慢得多

2.结构图

3.介绍

• 组成：由一个或多个盘片和一个磁盘控制器组成
• 磁道：磁盘表面附有磁性材料，每个表面都由一组同心圆磁道组成
• 扇区：每个磁道即为一组扇区，每个扇区拥有相同的数据位(一般512KB)，数据存在磁性材料中
• 其他内容感兴趣的可以自行研究，这里只简单介绍一下

固态硬盘：Solid State Disk （SSD）

1.介绍

• 他是一种基于闪存(flash)的存储技术，在某些情况下完全可以取代传统的旋转磁盘
• SSD封装由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成
• 闪存芯片替代传统磁盘的旋转驱动器；闪存翻译层替代磁盘控制器
• 闪存有多个块，一块有多个页，一页大小一般为512B - 4KB，一块大小一般为32 - 128页
• 数据是以页为单位读写的，只有在整块被擦除后才能对里面的页进行写操作，因此易磨损

2.特点

• 读的速度比写的速度慢
  - 擦除块需要较长时间(ms级)，比读的时间要搞一个数量级
  - 在擦除之前防止数据丢失，还需要先将数据复制到一个新块
• 由半导体存储器构成，没有移动部件，能耗低，更结实
• 一个字节的价格暂时要比磁盘贵
• 访问速度对比：DRAM > SSD > 磁盘，而相对于SSD与ROM，可以参照FLASH与ROM的区别

关于CPU对存储设备的访问示例

参见：存储设备2

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