当前位置：首页 > ds >正文

《计算机组成原理》第 4 章 - 存储器

ds 2025/8/27 22:45:31

4.1 概述

4.1.1 存储器分类

4.1.2 存储器的层次结构

4.2 主存储器

4.2.1 概述

4.2.2 半导体存储芯片简介

4.2.3 随机存取存储器

4.2.4 只读存储器

4.2.5 存储器与 CPU 的连接

4.2.6 存储器的校验

4.2.7 提高访存速度的措施

4.3 高速缓冲存储器

4.3.1 概述

4.3.2 Cache - 主存地址映射

4.3.3 替换策略

4.4 辅助存储器

4.4.1 概述

4.4.2 磁记录原理和记录方式

4.4.3 硬盘存储器

4.4.4 软磁盘存储器

4.4.5 磁带存储器

4.4.6 循环冗余校验码

4.4.7 光盘存储器

在计算机系统中，存储器如同信息的 “仓库”，负责存储程序和数据，是计算机能够正常运行的关键组件。本章将深入探讨存储器的分类、结构、工作原理以及性能优化等内容，通过代码示例和图表辅助，帮助大家更好地理解和掌握相关知识。

4.1 概述

4.1.1 存储器分类

存储器可从多个维度进行分类：

按存储介质：半导体存储器（如内存）、磁表面存储器（如硬盘）、光存储器（如光盘）。

按存取方式：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（如磁带）、直接存取存储器（如硬盘）。

按在计算机中的作用：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器（Cache）。

4.1.2 存储器的层次结构

存储器的层次结构是为了在成本、速度和容量之间取得平衡，其结构如下图所示：

从寄存器到外存，速度逐渐降低，容量逐渐增大。

4.2 主存储器

4.2.1 概述

主存储器（内存）是 CPU 能直接访问的存储器，用于存放正在运行的程序和数据。它具有存取速度快、容量相对较小、断电后数据丢失等特点。

4.2.2 半导体存储芯片简介

半导体存储芯片是构成主存的主要部件，常见的有静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。SRAM 速度快但成本高、集成度低；DRAM 速度较慢但成本低、集成度高。

4.2.3 随机存取存储器

随机存取存储器（RAM）可随时读写数据，断电后数据丢失。下面用 Java 代码模拟一个简单的 RAM 读写操作：

import java.util.HashMap;import java.util.Map;// 模拟随机存取存储器（RAM）public class RandomAccessMemory {// 使用Map模拟内存存储，键为地址，值为存储的数据private Map<Integer, Integer> memory = new HashMap<>();// 写入数据到指定地址public void write(int address, int data) {memory.put(address, data);System.out.println("在地址 " + address + " 写入数据 " + data);}// 从指定地址读取数据public int read(int address) {return memory.getOrDefault(address, -1);}public static void main(String[] args) {RandomAccessMemory ram = new RandomAccessMemory();ram.write(100, 10);int readData = ram.read(100);System.out.println("从地址 100 读取的数据为: " + readData);}}

4.2.4 只读存储器

只读存储器（ROM）只能读取数据，不能写入数据，常用于存储计算机启动时的引导程序、BIOS 等重要信息。

4.2.5 存储器与 CPU 的连接

存储器与 CPU 的连接需要考虑地址线、数据线和控制线的连接。连接方式示意图如下（Mermaid 流程图）：

4.2.6 存储器的校验

为了保证数据在存储和传输过程中的准确性，需要进行存储器校验。常见的校验方法有奇偶校验、海明校验等。以下是 Java 实现的奇偶校验示例：

public class ParityCheck {// 计算奇校验位public static int calculateOddParity(int data) {int count = 0;while (data != 0) {count += data & 1;data >>= 1;}return (count % 2 == 0) ? 1 : 0;}// 计算偶校验位public static int calculateEvenParity(int data) {int count = 0;while (data != 0) {count += data & 1;data >>= 1;}return (count % 2 == 0) ? 0 : 1;}public static void main(String[] args) {int data = 10;int oddParity = calculateOddParity(data);int evenParity = calculateEvenParity(data);System.out.println("数据 " + data + " 的奇校验位为: " + oddParity);System.out.println("数据 " + data + " 的偶校验位为: " + evenParity);}}

4.2.7 提高访存速度的措施

提高访存速度的措施包括采用高速存储芯片、增加 Cache、采用多体交叉存储器等。

4.3 高速缓冲存储器

4.3.1 概述

高速缓冲存储器（Cache）位于 CPU 和主存之间，用于存放 CPU 近期可能会访问的数据和指令，以提高 CPU 的访存速度。

4.3.2 Cache - 主存地址映射

Cache - 主存地址映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。以直接映射为例，其原理如下：

Java 代码模拟直接映射地址转换：

public class DirectMapping {// Cache大小（块数）private static final int CACHE_SIZE = 16;// 主存大小（块数）private static final int MAIN_MEMORY_SIZE = 256;// 计算Cache块号public static int calculateCacheBlock(int mainMemoryBlock) {return mainMemoryBlock % CACHE_SIZE;}public static void main(String[] args) {int mainMemoryBlock = 30;int cacheBlock = calculateCacheBlock(mainMemoryBlock);System.out.println("主存块 " + mainMemoryBlock + " 映射到Cache块 " + cacheBlock);}}

4.3.3 替换策略

当 Cache 满且需要调入新数据时，需要采用替换策略决定替换哪个 Cache 块。常见的替换策略有先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）等。下面用 Java 实现简单的 FIFO 替换策略：

import java.util.LinkedList;import java.util.Queue;public class FIFOReplacement {private int cacheSize;private Queue<Integer> cacheQueue;public FIFOReplacement(int size) {cacheSize = size;cacheQueue = new LinkedList<>();}public void add(int block) {if (cacheQueue.size() == cacheSize) {cacheQueue.poll();}cacheQueue.offer(block);}public static void main(String[] args) {FIFOReplacement fifo = new FIFOReplacement(3);fifo.add(1);fifo.add(2);fifo.add(3);fifo.add(4);System.out.println("FIFO替换后的Cache：" + fifo.cacheQueue);}}

4.4 辅助存储器

4.4.1 概述

辅助存储器（外存）用于长期存储大量数据和程序，其特点是容量大、速度慢、断电后数据不丢失，如硬盘、光盘、磁带等。

4.4.2 磁记录原理和记录方式

磁记录是利用磁介质的磁化状态来存储信息，常见的记录方式有归零制、不归零制、调相制等。

4.4.3 硬盘存储器

硬盘存储器是目前最常用的外存设备，由磁盘片、磁头、电机等组成。它通过磁头在旋转的磁盘片上读写数据。

4.4.4 软磁盘存储器

软磁盘存储器曾广泛使用，但由于容量小、速度慢、易损坏等缺点，现已逐渐被淘汰。

4.4.5 磁带存储器

磁带存储器采用顺序存取方式，常用于数据备份和大容量数据存储。

4.4.6 循环冗余校验码

循环冗余校验码（CRC）是一种常用的检错码，用于检测数据在存储和传输过程中是否发生错误。以下是 Java 实现 CRC 校验的简单示例：

import java.util.zip.CRC32;public class CRCCheck {public static long calculateCRC(String data) {CRC32 crc32 = new CRC32();crc32.update(data.getBytes());return crc32.getValue();}public static void main(String[] args) {String data = "Hello, World!";long crc = calculateCRC(data);System.out.println("数据 \"" + data + "\" 的CRC校验值为: " + crc);}}