3.3 存储器

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是计算机（包括微机）硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，自动完成信息处理的功能。

3.3.1 存储器的分类

1. 按构成存储器的器件和存储介质分类

按构成存储器的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其他磁表面存储器以及光盘存储器等。

2. 按存取方式分类

可将存储器分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。

（1）随机存储器RAM（Random Access Memory）

指能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读／写操作的一类存储器。按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。静态RAM是以双稳态元件作为基本的存储单元来保存信息的，因此，其保存的信息在不断电的情况下，是不会被破坏的；而动态RAM是靠电容的充、放电原理来存放信息的，由于保存在电容上的电荷，会随着时间而泄露，因而会使得这种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。

（2）只读存储器ROM（Read-Only Memory）

指只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字形库、字符及图形符号等。随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不同的种类，如可编程的只读存储器PROM（Programmable ROM），可擦除的可编程的只读存储器EPROM（Erasible Programmable ROM）和EEPROM（Electric Erasible Programmable ROM）以及掩膜型只读存储器MROM（Masked ROM）等，近年来发展起来的快擦型存储器（F1ash Memory）具有EEPROM的特点。

3. 按照与CPU的接近程度分类

可分为主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、缓冲存储器等。

主存储器又称为系统的主存或者内存，位于系统主机的内部，CPU可以直接对其中的单元进行读／写操作。

缓冲存储器位于主存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，可用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速度。

辅存存储器又称外存，位于系统主机的外部，CPU对其进行的存／取操作，必须通过内存才能进行。

把存储器分为几个层次主要基于以下原因。

（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。半导体存储器速度快，但价格高，容量不宜做得很大，因此仅用作与CPU频繁交流信息的内存储器。磁盘等介质类永久性存储器价格较便宜，可以把容量做得很大，但存取速度较慢，因此用作存取次数较少，且需存放大量程序、原始数据（许多程序和数据是暂时不参加运算的）和运行结果的外存储器。计算机在执行某项任务时，仅将与此有关的程序和原始数据从磁盘上调入容量较小的内存，通过CPU与内存进行高速的数据处理，然后将最终结果通过内存再写入外存储器。这样的配置价格适中，综合存取速度则较快。为解决高速的CPU与速度相对较慢的主存的矛盾，还可使用高速缓存。它采用速度很快、价格更高的半导体静态存储器，甚至与微处理器做在一起，存放当前使用最频繁的指令和数据。当CPU从内存中读取指令与数据时，将同时访问高速缓存与主存。如果所需内容在高速缓存中，就能立即获取；如没有，再从主存中读取。高速缓存中的内容是根据实际情况及时更换的。这样，通过增加少量成本即可获得很高的速度。

（2）使用磁盘等介质类永久性存储器作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。

3.3.2 存储器结构及寻址

一个存储器系统由以下几部分组成。

1. 存储体

存储体由一个个寄存器存储单元组成，一个寄存器单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体。

2. 地址译码器及地址线

由于存储器系统是由许多存储单元构成的，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。

3. 片选与读／写电路及控制线

片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读／写控制电路则用来控制对芯片的读／写操作。

4. I/O电路及数据线

I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，通过数据线来进行信息的读出与写入。

5. 其他外围电路

对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等。

下面以一个8×4 ROM为例说明存储器的寻址过程：图3-4是一个8×4 ROM集成电路片的内部电路原理图。右半部分由矩阵电路及半导体二极管组成8个4位的存储单元。二极管的位置是由制造者配置好了而不可更改的。一条横线相当于一个存储单元，而一条竖线相当于一位。所以8条横线组成8个存储单元，4条竖线成为一个4位的字。二极管连接到的竖线，则为该位置1。无二极管相连的竖线，则为该位置0。输出电信号是取自限流电阻R上的电位。为了可控，每条数据线都加一个三态输出门（E门）。这样，只有在E门为高电位时，才有可能输出此ROM中的数据。

左半部为地址译码器电路。因为是8个地址号，所以只需3条地址线：A₂，A₁，A₀，每条地址线都并以一个非门，而得3条非线：A₂，A₁，A₀。这6条线通过8个与门即可译成8个地址号。例如，R₀的地址号为A₂A₁A₀=000，当地址线上出现A₂A₁A₀=000时，则R₀所在的那条横线所连接的与门1将导通，而使此横线为高电位。而此时R₀的4条竖线中只有最右一条接有二极管。它将横线的高电位引至下面的限流电阻R上。所以电阻R的上端出现高电位。其他3条竖线由于无二极管与R₀横线相连，所以它们各自的限流电阻上无电流流过而呈现为低电平（地电位）。当E门为高电位时，数据线D₃D₂D₁D₀将送出数据为0001，其他各个存储单元也可由地址线的信号之不同而选出，并通过E门将数据输出去。