本节教学内容：

1、存储器的分类

2、存储器的层次结构

教学目的和要求：

1、理解存储器的概念；

2、理解存储器的分类；

3、掌握存储器的层次结构。

重点：1、存储器的层次机构；

         2、存储器的分类。

难点：1、存储器的层次结构

第1、2讲 存储器概念及分类

一、知识要点

1、存储器的概念

2、存储器的分类

3、存储器的层次结构

二、教学安排

首先介绍存储器的概念，然后通过不同的角度对存储器的分类进行介绍，让学生对存储器有一个基本的认识，后续才能逐步深入，进入存储器部分的核心内容。

三、教学内容

1、存储器的概念

存储器（Memory）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

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。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

存储器：存放程序和数据的器件

存储位：存放一个二进制数位的存储单元，是存储器最小的存储单位，或称记忆单元

存储字：一个数（n位二进制位）作为一个整体存入或取出时，称存储字

存储单元：存放一个存储字的若干个记忆单元组成一个存储单元

存储体：大量存储单元的集合组成存储体

存储单元地址：存储单元的编号

字编址：对存储单元按字编址

字节编址：对存储单元按字节编址

寻址：由地址寻找数据，从对应地址的存储单元中访存数据。

以存储体（大量存储单元组成的阵列）为核心，加上必要的地址译码、读写控制电路，即为存储集成电路；再加上必要的I/O接口和一些额外的电路如存取策略管理，则形成存储芯片，比如手机中常用的存储芯片。得益于新的IC制造或芯片封装工艺，现在已经有能力把DRAM和FLASH存储单元集成在单芯片里。存储芯片再与控制芯片（负责复杂的存取控制、存储管理、加密、与其他器件的配合等）及时钟、电源等必要的组件集成在电路板上构成整机，就是一个存储产品，如U盘。从存储单元（晶体管阵列）到存储集成电路再到存储设备，都是为了实现信息的存储，区别是层次的不同。

2、存储器的分类

当今，存储器的种类繁多，从不同的角度对存储器可作不同的分类。

1）按存储介质分类

半导体存储器：

半导体存储器(semi-conductor memory)是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，内存储器就是由称为存储器芯片的半导体集成电路组成，如下图所示。

半导体存储器又可按工艺可分为：双极晶体管存储器和MOS晶体管存储器。其优点是体积小、成本低廉，功耗小，存储速度快、存储密度高、与逻辑电路接口容易。

磁表面存储器：

用磁性材料做成的存储器。磁表面存储器是利用涂覆在载体表面的磁性材料具有两种不同的磁化状态来表示二进制信息的“0”和“1”。将磁性材料均匀地涂覆在圆形的铝合金或塑料的载体上就成为磁盘，涂覆在聚酯塑料带上就成为磁带。磁带、磁鼓如下图所示。

磁表面存储器的优点为存储容量大、单位价格低、记录介质可以重复使用、记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档、非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，单位成本低，多在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据。

磁表面存储器又可分为磁带存储器和磁盘存储器两大类。磁带存储器是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，是一种主要的辅助存储器。磁带的内容由磁带机进行读写，按磁带机的读写方式分为启停式和数据流式两种。

磁表面存储器的优点：

①存储容量大，位价格低；

②记录介质可以重复使用；

③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；

④非破坏性读出，读出时不需要再生信息。

磁表面存储器的缺点

存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。

磁芯存储器：

磁芯存储器如下图所示。

早期的计算机最常见的存储器是各种磁芯制成的。这种磁芯存储器已被微型集成电路块上的半导体存储器所取代。磁芯存储器是华裔王安于1948年发明的(注)。最初的磁芯存储器只有几百个字节的容量。磁芯的英文名称就是core，磁芯存储器就叫作core memory。如今，虽然磁芯存储器已经被淘汰，但一些人还是出于习惯把内存叫做core。

在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁场形式储存下来。

磁芯在导线上流过一定电流下会被磁化或者改变磁化方向，事先可以通过实验和材料的工艺控制得到这个能够让磁芯磁化的电流最小阈值。每个磁芯都有XY互相垂直的两个方向的导线穿过，另外还有一条斜穿的读出线，上面的照片中可以清楚地看到这些线，这些线组成阵列，XY分别做两个不同方向的寻址。磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，这就可以作为0和1的状态来记录数据。

光盘存储器：

光盘存储器是（ODM Optical Disk Memory）是用于记录的薄层涂覆在基体上构成的记录介质。不同的是基体的圆形薄片由热传导率很小、耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的表面再涂覆或沉积保护薄片，以保护记录面。记录薄层有非磁性材料和磁性材料两种，前者构成光盘介质，后者构成磁光盘介质。

2）按存取方式分类

随机存储器：

机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。

存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器（英文：Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（英文Dynamic RAM，DRAM）。

只读存储器：

只读存储器（英语：Read-Only Memory，简称：ROM）。ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。

除少数品种的只读存储器（如字符发生器）可以通用之外，不同用户所需只读存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产，进一步发展了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。例如早期的个人电脑如Apple II或IBM PC XT/AT的开机程序（操作系统）或是其他各种微电脑系统中的轫体（Firmware）。

串行访问存储器

如果对存储单元进行读／写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址，则这种存储器称为串行访问存储器。显然这种存储器由于信息所在位置不同，使得读／写时间均不相同。例如，磁带存储器，不论信息处在哪个位置，读／写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找，故这类串行访问的存储器又称为顺序存取存储器。还有一种属于部分串行访问的存储器，如磁盘。在对磁盘读写时，首先直接指出该存储器中的某个小区域，然后再顺序寻访，直至找到位置。故前段时直接访问，后段时串行访问，称为直接存取存储器。

3）按在计算机中的作用分类

根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。

为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

用途特点

高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小

主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大

外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大，位成本低。

综上所述，存储器分类如下图所示。

3、存储器的层次结构

按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。在80386以上的高档微机中，还配置了高速缓冲存储器（cache），这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机，主存即为内存。

把存储器分为几个层次主要基于下述原因：

半导体存储器

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磁盘。这样的配置价格适中，综合存取速度则较快。

存储器芯片

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。

所以下图形象的反映了上述三者的关系。

实际上，存储系统层次结构主要体现在缓存—主存和主存—辅存这两个存储层次上，如下图所示，显然，CPU和缓存、主存都能直接交换信息；缓存能直接和CPU、主存交换信息；主存可以和CPU、缓存、辅存交换信息。

“缓存—主存”层次主要是利用缓存解决存储器与CPU中运算器和主控制器速度匹配问题，而“缓存—主存”之间地址映像与调度如同主—辅层次技术，不同的是其速度要求高，由硬件完成。CPU可以直接从缓存中获取信息，从二提高访存速度，但由于缓存的容量小，因此需不断地将主存的内容调入缓存，使缓存中原来的信息被替换掉。因此，从CPU角度看，“缓存—主存”层次速度接近于缓存，但容量是主存，价格接近于主存，解决了速度和成本之间的矛盾。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。

“主存—辅存”层次用于解决大容量低成本的矛盾。由于”主存—辅存“构成一个存储器层次，对其进行统一编址，形成虚拟存储器，由操作系统和辅助软、硬件用比主存容量大得多的逻辑地址编程。从而解决大容量、低成本的矛盾。具体做法是：当用虚拟地址访问主存，如果在主存，就可以访问。否则经过辅助软、硬件把它所在的那块程序和数据调入主存，再进行访问。因此从整体看，速度接近于主存，容量接近于辅存，每位平均价格接近于辅存。

从CPU角度来看，缓存—主存和主存—辅存解决了速度、容量、成本这三者的矛盾。现代的计算机系统几乎都具有这两个存储层次，构成了缓存、主存、辅存三级存储系统。

中主存—辅存这一层次的不断发展中，逐渐形成了虚拟存储系统。在这个系统中，程序员编程的地址范围于虚拟存储器的地址空间相对应。例如，机器指令地址码为24位，则虚拟存储器存储单元的个数可达16M。可是这个数语主存的实际存储单元的个数相比要大得多，称这类指令地址码位虚地址或逻辑地址，而把主存的实际地址称为物理地址或实地址。

虚拟内存别称虚拟存储器（Virtual Memory）。电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。如在Windows中为解决该问题，运用了虚拟内存技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则Windows 会用虚拟存储器进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。一般而言，计算机的RAM容量越大，程序运行得越快。若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量（可加内存条）是最佳选择。

虚拟内存是Windows 为作为内存使用的一部分硬盘空间。虚拟内存在硬盘上其实就是为一个硕大无比的文件，文件名是PageFile.Sys，通常状态下是看不到的。必须关闭资源管理器对系统文件的保护功能才能看到这个文件。虚拟内存有时候也被称为是“页面文件”就是从这个文件的文件名中来的。

内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。为了解决这个问题，WINDOWS运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，这部分空间即称为虚拟内存，虚拟内存在硬盘上的存在形式就是PAGEFILE.SYS这个页面文件。

四、互动及练习

本次课采用提问的互动方式：

1、存储器的作用是什么，有哪些存储器？

请同学们自己谈谈对存储器的认识，以及自己用过哪些存储器，这些存储器的使用感想，然后引入存储器的相关知识。

2、存储器如何分类？

先让同学们谈谈自己存储器是如何分类的，然后再引出存储器分类的依据，以及按各种依据分为哪些存储器，以补充对存储器的认识。