存儲器的概念、作用、分類

泰榮林黑皮 2016-10-25

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存儲器是記憶信息的實體，是數(shù)字計算機(jī)具備存儲數(shù)據(jù)和信息能力，能夠自動連續(xù)執(zhí)行程序，進(jìn)行廣泛的信息處理的重要基礎(chǔ)。

1、存儲器的概念

(1) 存儲器：存儲器是計算機(jī)硬件系統(tǒng)的記憶設(shè)備，用來存放程序(軟件)和各種數(shù)據(jù)。現(xiàn)在計算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心就是存儲器和CPU

(2) DMA：一種可以讓存儲器與IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的方式。設(shè)計理念就是為了在IO設(shè)備與存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存取時不去打擾CPU。

2、存儲器的分類

(1) 按照存儲器的介質(zhì)分類:

1.1 半導(dǎo)體存儲器:由半導(dǎo)體組成的存儲器稱為半導(dǎo)體存儲器，半導(dǎo)體的存儲器體積小，功率低，存取時間短.但是電源消失時，所存儲的數(shù)據(jù)也會丟失，是一種易失性存儲器；

1.2 磁材料存儲器：由磁材料做成的存儲器稱為磁性存儲器,在金屬或塑料上涂抹一層磁性材料，用來存放數(shù)據(jù)，特點是非易失即斷電后不數(shù)據(jù)不消失，存取速度比較慢；

1.3 盤存儲器:光盤存儲器使用激光在磁光材料上進(jìn)行讀取，特點是非易失性，耐用性好，記錄密度高?，F(xiàn)在多用在計算機(jī)系統(tǒng)中用作外部存儲。

(2) 按照存儲器的數(shù)據(jù)存取方式分類：

2.1 隨機(jī)存儲器(Random Access Memory RAM)：RAM(隨機(jī)存儲器)是一種可以讀可以寫的存儲器，它的任何一個存儲單元的內(nèi)容都可以隨機(jī)存取，而且存取的時間與物理位置無關(guān)，我們的內(nèi)存(主存)就是這種RAM(隨機(jī)存儲器)；

2.2 只讀存儲器(Read Only Memory ROM)：ROM(只讀存儲器)是一種只能寫入一次原始信息，寫入之后，只能對去內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出，而不能隨意重新寫入新的數(shù)據(jù)去改變原始信息；

2.3 串行訪問數(shù)據(jù)存儲器：在對存儲器的存儲單元進(jìn)行讀寫操作時，必須要按照存儲單元的物理位置先后尋址地址，這種存儲器就為串行訪問存儲器。這種存儲器在存取數(shù)據(jù)時，需要按照存儲器的存儲單元的位置顯示進(jìn)行存取。

(3) 按照其在計算機(jī)系統(tǒng)中的作用:

3.1 主存儲器(主存)：通常指我們所說的內(nèi)存，它可以直接與CPU交換數(shù)據(jù)的存儲器，特點速度快，容量小，價格高。主存采用半導(dǎo)體制作，所以是易失性存儲器；

3.2 輔助存儲器(輔存)：通常指我們所說的外存，用來存放當(dāng)前沒有使用的程序和數(shù)據(jù)，它不能直接與CPU交換數(shù)據(jù),需要加載到主存。特點速度慢，容量大，價格便宜。輔存屬于非易失性存儲器；

3.3 緩沖存儲器(緩存)：主要用到倆個速度不同的部件之中,現(xiàn)在基本用在CPU與主存之間,起到緩存的作用。

3、存儲器的層次

(1) 存儲器的層次按照它的3個指標(biāo)即速度，容量，每位價格進(jìn)行劃分分別是：
寄存器=>緩存=>主存=>磁盤=>光盤

越是上層的存儲器它的容量越小，速度越快，每位價格越高，越是下層的存儲器容量越大，速度越慢，每位價格越低。

寄存器是CPU中的一個存儲器CPU實際上是拿寄存器中的數(shù)進(jìn)行運算和控制,它的速度最快，價格最高。

緩存也被設(shè)置到了CPU中。

(2) 緩存與主存主要是為了解決CPU與主存速度不匹配的問題，因為CPU速度要快與主存，而緩存也快與主存，只要將CPU近期要使用的數(shù)據(jù)調(diào)入到緩存中，CPU直接從緩存中獲取數(shù)據(jù)，來提升數(shù)據(jù)的訪問速度，降低CPU的負(fù)荷。主存與緩存的數(shù)據(jù)調(diào)動是由硬件自己完成的。

(3) 主存與輔存主要用來解決存儲系統(tǒng)的容量問題,輔存比主存速度低，并且不能被CPU之間訪問，但它容量大，當(dāng)CPU需要運行程序時，將輔存的數(shù)據(jù)調(diào)入到主存，CPU在來訪問。主存和輔存之間的數(shù)據(jù)調(diào)動由硬件和操作系統(tǒng)共同完成。

4、主存

功能:

主存儲器是能由CPU直接編寫程序訪問的存儲器，它存放需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)，只能臨時存放數(shù)據(jù)，不能長久保存數(shù)據(jù)。

組成:

● 存儲體(MPS)：由存儲單元組成（每個單元包含若干個儲存元件,每個元件可存一位二進(jìn)制數(shù)）且每個單元有一個編號，稱為存儲單元地址（地址），通常一個存儲單元由8個存儲元件組成；

● 地址寄存器(MAR)：由若干個觸發(fā)器組成，用來存放訪問寄存器的地址，且地址寄存器長度與寄存器容量相匹配（即容量為1K,長度無2^10=1K）；

● 地址譯碼器和驅(qū)動器

● 數(shù)據(jù)寄存器(MDR)：數(shù)據(jù)寄存器由若干個觸發(fā)器組成,用來存放存儲單元中讀出的數(shù)據(jù)，或暫時存放從數(shù)據(jù)總線來的即將寫入存儲單元的數(shù)據(jù)【數(shù)據(jù)存儲器的寬度（w）應(yīng)與存儲單元長度相匹配】。

主要技術(shù)指標(biāo):

● 存儲容量：一般指存儲體所包含的存儲單元數(shù)量（N）；

● 存取時間(TA)：指存儲器從接受命令到讀出∕寫入數(shù)據(jù)并穩(wěn)定在數(shù)據(jù)寄存器（MDP）輸出端；

● 存儲周期(TMC)：兩次獨立的存取操作之間所需的最短時間,通常TMC比TA長；

● 存取速率：單位時間內(nèi)主存與外部（如CPU）之間交換信息的總位數(shù)；

● 可靠性：用平均故障間隔時間MTBF來描述,即兩次故障之間的平均時間間隔。

5、高速緩沖存儲器(緩存):

1)高速緩沖存儲器的設(shè)計理念：為了解決由于IO設(shè)備向主存請求的級別高于CPU向主存請求，也就是說IO設(shè)備在使用主存時，CPU要等待IO設(shè)備訪存，導(dǎo)致 CPU工作效率降低，可以在CPU與主存之間加一級緩存，這樣CPU可以從緩存中獲取數(shù)據(jù)，另外主存的速度要低于CPU，緩存也是為了解決這倆個硬件設(shè)備速度不匹配的問題。

2)程序訪問的局部性：即程序的數(shù)據(jù)和指令在主存中是連線存放的，并且有些指令和數(shù)據(jù)往往被多次調(diào)用，循環(huán)什么的,這樣CPU在訪問主存時只要將近期需要使用的數(shù)據(jù)和指令放到Cache中，就可以在一定時間內(nèi)一直訪問Cache，稱緩存命中。

3)緩存的工作原理：將主存和緩存分成若干個塊，每個塊存儲的容量都是相同的，任何時刻都有一些主存的塊處在緩存塊中，可以將緩存當(dāng)成主存的一個映射，CPU在讀取主存的某個字時都會先去緩存中訪問，有二種可能，一是緩存中有當(dāng)前字，CPU直接訪問(CPU與緩存通常一次傳送一個字)稱為緩存命中；另一種是所需的字不在cache中，此時需要將該字所在的主存整個塊一次調(diào)入Cache中(緩存與主存是按照字塊傳送)稱為緩存不命中。

4)主存與緩存之間數(shù)據(jù)的調(diào)入是由機(jī)器硬件自動完成的,用戶編程時使用的只是主存地址，也就是說cache對我們來說是透明的。

5)我們平時在寫程序時所說的緩存指的是主存到輔存(或者說是內(nèi)存到硬盤之間設(shè)立一個類似于緩存的區(qū)域)來減少磁盤的IO提升性能，而這里的緩存指的是CPU與主存之間的。

6、ROM與RAM

RAM(隨機(jī)存儲器)

可讀出，也可寫入，隨機(jī)存取，意味著存取任一單元所需的時間相同，當(dāng)斷電后，存儲內(nèi)容立即消失，稱為易失性

ROM(只讀存儲器)

定義：ROM一旦有了信息，不易改變，結(jié)構(gòu)簡單，所以密度比可讀寫存儲器高，具有易失性

分類：

● 固定掩模型ROM（不能再修改）

● PROM可編程之讀存儲器（由用戶寫入，但只允許編程一次）

● EPROM可擦除可編程只讀存儲器(可用紫外線照射擦除里面內(nèi)容)

● E2PROM電擦除可編程只讀存儲器（由電便可擦除里面內(nèi)容）