Computer Logical Organization 简明教程

Memory Devices

存储器就像人脑。用于存储数据和指令。计算机内存是计算机中的存储空间，其中要处理的数据和处理所需的指令存储在其中。

存储器被分成许多小部分。每个部分称为一个单元。每个位置或单元都有一个唯一的地址，范围从零到存储器大小减一。

例如，如果计算机有 64k 个字，则该存储器单元有 64 * 1024 = 65536 个存储器位置。这些位置的地址范围从 0 到 65535。

内存主要分为两种类型

  1. Internal Memory − 高速缓存和主/主存储器

  2. External Memory − 磁盘/光盘等

memory hiearchy

当我们从上到下时，内存层次结构的特征如下。

  1. 存储容量增加。

  2. 每位存储成本降低。

  3. CPU 访问内存的频率降低。

  4. CPU 的访问时间增加。

RAM

RAM 构成 CPU 的内部存储器，用于存储数据、程序和程序结果。它是读写内存。它被称为随机存取存储器 (RAM)。

由于 RAM 中的访问时间与该字的地址无关，即存储器内部的每个存储位置都与其他位置一样容易到达，并且需要花费相同的时间。我们可以随机且极其快速地进入内存，但也可以非常昂贵。

RAM 是易失性的，即当我们关闭计算机或断电时，存储在其中的数据将丢失。因此，计算机通常使用备用不间断电源系统 (UPS)。RAM 很小，无论是在物理尺寸方面还是能够容纳的数据量方面。

RAM 分为两种类型

  1. Static RAM (SRAM)

  2. Dynamic RAM (DRAM)

Static RAM (SRAM)

static 字表示只要有电源供应，内存就会保留其内容。然而，由于易失性，在电源关闭时数据丢失。SRAM 芯片使用 6 晶体管矩阵且没有电容器。晶体管不需要电力来防止泄漏，因此 SRAM 不需要定期刷新。

由于矩阵中有额外空间，SRAM 用的芯片比 DRAM 多，存储空间相同，因此制造成本更高。

SRAM 用作高速小型的缓存。

Dynamic RAM (DRAM)

与 SRAM 不同，DRAM 必须持续进行 refreshed 才能维持数据。做法是将内存放在刷新电路中，以每秒数百次的速度重写数据。DRAM 用作大多数系统内存，因为它便宜且小巧。所有 DRAM 都由存储单元构成。这些单元由一个电容器和一个晶体管组成。

ROM

ROM 代表只读存储，即只能读取但无法写入的存储器。这种类型的存储器是非易失性的。信息在制造过程中永久存储在这样的存储器中。

ROM 存储计算机第一次通电时启动计算机所需的指令，此操作称为引导。ROM 芯片不仅用于计算机，还用于洗衣机和微波炉等其他电子设备。

以下是各种类型的 ROM：

MROM (Masked ROM)

· 第一个 ROM 是硬接线设备，包含预编程的数据或指令集。此类 ROM 称为屏蔽 ROM，价格低廉。

PROM (Programmable Read Only Memory)

· PROM 是用户只能修改一次的只读存储器。用户购买空白 PROM，并使用 PROM 编程器输入所需内容。PROM 芯片内部有小型的保险丝，在编程过程中被烧断。它只能编程一次，无法擦除。

EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory)

· EPROM 可以通过将其暴露于紫外线下长达 40 分钟来擦除。通常，EPROM 擦除器可实现此功能。在编程期间，电荷被困在绝缘栅区域中。此电荷保持时间超过 10 年，原因是电荷没有泄漏路径。要清除此电荷，紫外线会通过石英晶体窗口（盖子）进行照射。接触紫外线会耗散电荷。正常使用时，石英盖用贴纸密封。

EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)

· EEPROM 可以通过电子方式编程和擦除。它可以擦除并重新编程约一万次。擦除和编程均大约需要 4 到 10 毫秒（毫秒）。在 EEPROM 中，可以有选择地擦除和编程任何位置。EEPROM 每次可以擦除一个字节，而不是擦除整个芯片。因此，重新编程的过程灵活但速度较慢。

Serial Access Memory

顺序访问表示系统必须从存储器地址的开始搜索存储设备，直到找到所需的数据片段为止。支持此类访问的存储设备称为顺序访问存储器或串行访问存储器。磁带是串行访问存储器的示例。

Direct Access Memory

直接访问存储器或随机存取存储器是指系统可以直接获取用户所需信息的条件。支持此类访问的存储设备称为直接访问存储器。磁盘、光盘是直接访问存储器的示例。

Cache Memory

高速缓存是能够加快 CPU 速度的超高速半导体存储器。它充当 CPU 和主存储器之间的缓冲区。它用于保存 CPU 最常使用的那些数据和程序部分。操作系统将数据和程序的部分从磁盘传输到高速缓存，CPU 可以从该部分访问它们。

Advantages

  1. 高速缓存存储器比主存储器更快。

  2. 与主存储器相比，它消耗的访问时间更少。

  3. 它存储可以在短时间内执行的程序。

  4. 它存储数据以供临时使用。

Disadvantages

  1. 高速缓存存储器的容量有限。

  2. It is very expensive.

虚拟存储器是一种技术，允许执行尚未完全在内存中可用的进程。此方案的主要可见优势是程序可以大于物理存储器。虚拟存储器是用户逻辑存储器和物理存储器之间的分离。

这种分离允许在仅提供较小物理存储器时，为程序员提供极大的虚拟存储器。当整个程序不需要完全加载到主存储器中时，以下是这种情况。

  1. 用户编写的错误处理例程仅在数据或计算中发生错误时才使用。

  2. 程序的某些选项和功能可能很少使用。

  3. 即使实际上只使用了少量表格，也会为许多表格分配固定数量的地址空间。

  4. 执行仅部分位于内存中的程序的能力会抵消许多好处。

  5. 将每个用户程序加载或换入内存所需的 I/O 数目将减少。

  6. 程序将不再受可用物理内存量的限制。

  7. 每个用户程序可以占用更少的物理内存，可以在同一时间运行更多的程序，从而相应提升 CPU 利用率和吞吐量。

Auxiliary Memory

辅助内存的尺寸远大于主内存，但速度较慢。它通常存储系统程序、指令和数据文件。它还称为二级存储器。当主内存容量超出时，它还可用作溢出/虚拟内存。二级存储器无法被处理器直接访问。先将辅助内存的数据/信息传输到主内存，CPU 随后可以访问该信息。辅助内存的特点如下所列：

  1. Non-volatile memory − 断电时数据不会丢失。

  2. Reusable − 数据永久保存在二级存储器中，除非被用户覆盖或删除。

  3. Reliable − 由于二级存储器设备的高物理稳定性，二级存储器中的数据是安全的。

  4. Convenience − 借助于计算机软件，经过授权的人员可以快速定位和访问数据。

  5. Capacity − 二级存储器可以在多磁盘组中存储海量数据。

  6. Cost − 将数据存储在磁带或磁盘上比主内存便宜得多。