|「计算机组成原理」：现代存储器的结构

按照在计算机中作用的不同，存储器分为缓冲存储器、主存、辅助存储器。按照存储信息的材料或介质可以分为磁带存储器.磁盘存储器、半导体存储器、光盘存储器。
理想状态中，我们将存储器系统视为一个线性字节数组， CPU能在常数时间内访问每个存储器位置。但实际上存储器系统（Memory System）是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构，分别具有以下几部分：

CPU中的寄存器保存最常使用的数据，能在0个时钟周期内访问
高速缓存存储器（Cache Memory）是靠近CPU的、较小的快速存储器，保存一部分从主存储器（Main Memory）取出的常用指令和数据，能在4~75个时钟周期内访问
主存缓存存储磁盘上的数据，需要上百个时钟周期访问
磁盘存储通过网络连接的其他机器的磁盘或磁带上的数据，需要几千万个周期进行访问

上方存储器作为下方存储器的缓存，速度更快、容量更小。
存储器的层次结构之所以有效，是因为程序具有局部性（Locality）的基本属性，倾向于不断访问相同的数据项集合，或者倾向于访问相邻的数据项集合。我们希望程序能具有更好的局部性，使得数据项存储在较高层次的存储器中，这样程序就会倾向于从存储器结构中较高层次访问数据项，运行会更快。
1 存储技术
1.1 随机访问存储器
随机访问存储器（Random-Access Memory ， RAM）根据存储单元实现方式可以分为两类：静态的RAM（SRAM）和动态的RAM（DRAM）。

本文插图

1.1.1 SRAM

将每个位保存到由6个晶体管电路构成的双稳态的（Bistable）存储器单元。
属性：可以无限期地保持在两个不同的电压配置或状态之一，而其他的都是不稳定状态，会迅速转移到两个稳定状态之一。
特点：由于具有双稳态，所以只要有电，就会永远保持它的值，即使有干扰，当干扰消除时就会恢复到稳态。

由于SRAM存取速度较快，只要供电就会保持不变，对光和电噪音等干扰不敏感，但是每位的存储需要6个晶体管，使得造价较为昂贵，且密集度低，使其适合作为小容量高速的高速缓存存储器。
1.1.2 DRAM

将每个位保存为，对一个由访问晶体管控制的电容的充电。
特点：由于每个存储单元比较小， DRAM可以制造的十分密集，可以作为主存或图形系统的帧缓冲区。由于通过电容电压来保存位，当电容电压受到扰动时就无法恢复了。并且电容存在漏电现象，存储单元10~100毫秒会失去电荷，使得内存系统必须周期性通过读出重写来刷新内存的每一位。暴露在光线中会导致电容电压改变。

我们可以将w个DRAM单元组成一个超单元（Supercell），使得一个超单元就能存储w位的信息，并且将d个超单元组合在一个构成一个 d times wd×w DRAM芯片，能够存储dw位信息，并且能对每个超单元进行寻址。并且为了降低地址引脚的数量，我们可以将d个超单元组织成r行、c列的阵列形式。

本文插图

如上图所示，我们有一个16 times 816×8的DRAM芯片，其中包含16个超单元，每个超单元由8个DRAM单元组成，使得每个超单元能存储8位信息。并且16个超单元被组成4行4列的阵列形式。由一个内存控制器（Memory Controller）通过addr引脚和data引脚将控制DRAM芯片数据的传入和传出，比如想要获得(2,1)处超单元的数据