基本介紹
- 中文名：主存儲器
- 外文名：Mainmemory
- 重要性：計算機硬體的一個部件
- 作用：存放指令和數據
- 目前：64位
- 別名：主存
發展簡介,技術指標,容量,時間,周期,產品分類,連線控制,容量擴展,晶片片選,連線方法,發讀命令,發寫命令,套用技術,快速讀寫,並行讀寫,數據傳送,動靜態,靜態,動態,主存最佳化,主存部署,零性能影響,高可用性,節省空間,獨立於套用,獨立於存儲,互補,
發展簡介
主存儲器一般採用半導體存儲器，與輔助存儲器相比有容量小、讀寫速度快、價格高等特點。計算機中的主存儲器主要由存儲體、控制線路、地址暫存器、數據暫存器和地址解碼電路五部分組成。
從70年代起，主存儲器已逐步採用大規模積體電路構成。用得最普遍的也是最經濟的動態隨機存儲器晶片（DRAM）。1995年集成度為64Mb（可存儲400萬個漢字）的DRAM晶片已經開始商業性生產，16MbDRAM晶片已成為市場主流產品。DRAM晶片的存取速度適中，一般為50~70ns。有一些改進型的DRAM，如EDO DRAM（即擴充數據輸出的DRAM），其性能可較普通DRAM提高10%以上，又如SDRAM（即同步DRAM），其性能又可較EDO DRAM提高10%左右。1998年SDRAM的後繼產品為SDRAMⅡ（或稱DDR，即雙倍數據速率）的品種已上市。在追求速度和可靠性的場合，通常採用價格較貴的靜態隨機存儲器晶片（SRAM），其存取速度可以達到了1~15ns。無論主存採用DRAM還是SRAM晶片構成，在斷電時存儲的信息都會“丟失”，因此計算機設計者應考慮發生這種情況時，設法維持若干毫秒的供電以保存主存中的重要信息，以便供電恢復時計算機能恢復正常運行。鑒於上述情況，在某些套用中主存中存儲重要而相對固定的程式和數據的部分採用“非易失性”存儲器晶片（如EPROM，快閃存儲晶片等）構成；對於完全固定的程式，數據區域甚至採用唯讀存儲器（ROM）晶片構成；主存的這些部分就不怕暫時供電中斷，還可以防止病毒侵入。
技術指標
指標含義表現單位
KINGXCON(金士剛)DDR2-533存儲周期連續啟動兩次操作所需間隔的最小時間 主存的速度 ns
電鍍金工藝的記憶體金手指容量
在一個存儲器中容納的存儲單元總數通常稱為該存儲器的存儲容量。存儲容量用字數或位元組數(B)來表示，如64K字，512KB，10MB。外存中為了表示更大的存儲容量，採用MB，GB，TB等單位。其中1KB=2^10B，1MB=2^20B，1GB=2^30B，1TB=2^40B。B表示位元組，一個位元組定義為8個二進制位，所以計算機中一個字的字長通常為8的倍數。存儲容量這一概念反映了存儲空間的大小。
時間
周期
是指連續啟動兩次獨立的存儲器操作(如連續兩次讀操作)所需間隔的最小時間。通常，存儲周期略大於存儲時間，其時間單位為ns
產品分類
RAM是構成記憶體的主要部分，其內容可以根據需要隨時按地址讀出或寫入，以某種電觸發器的狀態存儲，斷電後信息無法保存，用於暫存數據，又可分為DRAM和SRAM兩種。RAM一般使用動態半導體存儲器件（DRAM）。因為CPU工作的速度比RAM的讀寫速度快，所以CPU讀寫RAM時需要花費時間等待，這樣就使CPU的工作速度下降。人們為了提高CPU讀寫程式和數據的速度，在RAM和CPU之間增加了高速快取（Cache）部件。Cache的內容是隨機存儲器（RAM）中部分存儲單元內容的副本。
ROM是唯讀存儲器，出廠時其內容由廠家用掩膜技術寫好，只可讀出，但無法改寫。信息已固化在存儲器中，一般用於存放系統程式BIOS和用於微程式控制。
PROM是可程式ROM，只能進行一次寫入操作（與ROM相同），但是可以在出廠後，由用戶使用特殊電子設備進行寫入。
EPROM是可擦除的PROM，可以讀出，也可以寫入。但是在一次寫操作之前必須用紫外線照射，以擦除所有信息，然後再用EPROM編程器寫入，可以寫多次。
EEPROM是電可擦除PROM，與EPROM相似，可以讀出也可寫入，而且在寫操作之前，不需要把以前內容先擦去，能夠直接對定址的位元組或塊進行修改。
閃速存儲器（Flash Memory），其特性介於EPROM與EEPROM之間。閃速存儲器也可使用電信號進行快速刪除操作，速度遠快於EEPROM。但不能進行位元組級別的刪除操作，其集成度高於EEPROM。
連線控制
容量擴展
模型晶片片選
CPU要實現對存儲單元的訪問，首先要選擇存儲晶片，即進行片選；然後再從選中的晶片中依地址碼選擇出相應的存儲單元，以進行數據的存取，這稱為字選。片內的字選是由CPU送出的N條低位地址線完成的，地址線直接接到所有存儲晶片的地址輸入端，而存儲晶片的片選信號則大多是通過高位地址解碼後產生的。
構造圖
構造圖線選法：
線選法就是用除片內定址外的高位地址線直接分別接至各個存儲晶片的片選端，當某地址線信息為0時，就選中與之對應的存儲晶片。這些片選地址線每次定址時只能有一位有效，不允許同時有多位有效，這樣才能保證每次只選中一個晶片。線選法不能充分利用系統的存儲器空間，把地址空間分成了相互隔離的區域，給編程帶來了一定困難。
全解碼法：
全解碼法將除片內定址外的全部高位地址線都作為地址解碼器的輸入，解碼器的輸出作為各晶片的片選信號，將它們分別接到存儲晶片的片選端，以實現對存儲晶片的選擇。全解碼法的優點是每片晶片的地址範圍是唯一確定的，而且是連續的，也便於擴展，不會產生地址重疊的存儲區，但全解碼法對解碼電路要求較高。
連線方法
主存與CPU之間的硬連線：主存與CPU的硬連線有三組連線：地址匯流排（AB）、數據匯流排（DB）和控制匯流排（CB）。把主存看作一個黑盒子，存儲器地址暫存器（MAR）和存儲器數據暫存器（MDR）是主存和CPU之間的接口。MAR可以接收由程式計數器（PC）的指令地址或來自運算器的運算元的地址，以確定要訪問的單元。MDR是向主存寫入數據或從主存讀出數據的緩衝部件。MAR和MDR從功能上看屬於主存，但通常放在CPU內。
CPU對主存的基本操作：CPU對主存進行讀寫操作時，首先CPU在地址匯流排上給出地址信號，然後發出相應的讀寫命令，並在數據匯流排上交換信息。讀寫基本操作如下：
模擬圖
模擬圖讀：讀操作是指從CPU送來的地址所指定的存儲單元中取出信息，再送給CPU，其操作過程如下：
地址——>MAR——ABCPU將地址信號送至地址匯流排
發讀命令
WaitForMFC等待存儲器工作完成信號
M(MAR)——>DB——>MDR讀出信息經數據匯流排至CPU
寫：寫操作是指將要寫入的信息存入CPU所指定的存儲單元中，其操作過程是：
地址——>MAR——>ABCPU將地址信號送至地址匯流排
數據——>MDR——>DBCPU將要寫入的數據送至數據匯流排
發寫命令
WaitForMFC等待存儲器工作完成信號
CPU與主存之間的速度匹配：同步存儲器讀取和異步存儲器讀取。
異步存儲器讀取：CPU和主存間沒有統一的時鐘，由主存工作完成信號（MFC）通知CPU“主存工作已完成”。
同步存儲器讀取：CPU和主存採用統一時鐘，同步工作，因為主存速度較慢，所以CPU與之配合必須放慢速度，在這種存儲器中，不需要主存工作完成信號。
套用技術
快速讀寫
EDO(ExtendedDataOut)技術：在快速頁式工作技術上，增加了數據輸出部分的數據鎖存線路，延長輸出數據的有效保持時間，從而地址信號改變了，仍然能取得正確的讀出數據，可以進一步縮短地址送入時間，更加快了主存儲器的讀寫速度。
並行讀寫
是指在主存儲器的一個工作周期(或較長)可以讀出多個主存字所採用的技術。
有兩種方式進行讀寫：
1在同一個讀寫周期同時啟動所有主存體讀或寫。
2讓主存體順序地進行讀或寫，即依次讀出來的每一個存儲字，可以通過數據匯流排依次傳送走，而不必設定專門的數據緩衝暫存器;其次，就是採用交叉編址的方式，把連續地址的幾個存儲字依次分配在不同的存儲體中，因為根據程式運行的局部性特性，短時間內讀寫地址相鄰的主存字的機率更大。
主存儲器
主存儲器數據傳送
所謂成組數據傳送就是地址匯流排傳送一次地址後，能連續在數據匯流排上傳送多個數據。而原先是每傳送一次數據要使用兩個時鐘周期：先送一次地址，後跟一次數據傳送，即要傳送N個數據，就要用2N個匯流排時鐘周期，成組數據傳送方式只用N+1個匯流排時鐘周期。
動靜態
靜態
(1)靜態存儲器的存儲原理和晶片內部結構(P207)
地址匯流排：記為AB15～AB0,統一由地址暫存器AR驅動，地址暫存器AR只接收ALU輸出的信息。
（1）記憶體寫周期用MMW信號標記
（2）記憶體讀周期用MMR信號標記
（3）外設(接口)寫周期用IOW信號標記
（4）外設(接口)讀周期用IOR信號標記
（5）記憶體在工作用MMREQ信號標記
（6）外設在工作用IOREQ信號標記
（7）寫控存周期用SWA信號標記
靜態存儲器的字位擴展：
教學計算機的內存儲器用靜態存儲器晶片實現，由2K字的ROM區和2K字RAM區組成。記憶體字長16位，按字定址。ROM由74LS2716唯讀存儲器ROM(每片2048個存儲單元，每單元為8位二進制位)兩片完成字長的擴展。地址分配在：0～2047RAM由74LS6116隨機存儲器RAM(每片2048個存儲單元，每單元為8位二進制位)兩片完成字長的擴展。地址分配在：2048～4095。
靜態存儲器地址分配:
為訪問2048個存儲單元，要用11位地址，把地址匯流排的低11位地址送到每個存儲器晶片的地址引腳;對地址匯流排的高位進行解碼，解碼信號送到各存儲器晶片的/CS引腳，在按字定址的存儲器系統中實現按位元組讀寫。
動態
動態存儲器的定期刷新：在不進行讀寫操作時，DRAM存儲器的各單元處於斷電狀態，由於漏電的存在，保存在電容CS上的電荷會慢慢地漏掉，為此必須定時予以補充，稱為刷新操作。
寫數據時：字線為高電平，T導通。
讀數據時：先使位線(數據線)變為高電平，當字線高電平到來時T導通，若電容原存儲有電荷(是“1”)，則電容就要放電，就會使數據線電位由高變低;若電容沒有存儲電荷(是“0”)，則數據線電位不會變化。檢測數據線上電位的變化就可以區分讀出的數據是1還是0。
注意
①讀操作使電容原存儲的電荷丟失，因此是破壞性讀出。為保持原記憶內容，必須在讀操作後立刻跟隨一次寫入操作，稱為預充電延遲。
⑤RAS、CAS、WE、Din、Dout時序關係
主存最佳化
直到不久前，由於性能問題，數據壓縮一直沒有在主存儲套用中得到廣泛套用。然而，Storwize等廠商提供利用實時、隨機存取壓縮/解壓技術將數據占用空間壓縮15:1的解決方案。更高的壓縮率和實時性能使壓縮解決方案成為主存儲數據縮減的可行的選擇。
在備份套用中廣泛採用的數據去重技術也在被套用到主存儲。目前為止，數據去重面臨著一大挑戰，即數據去重處理是離線處理。這是因為確定數量可能多達數百萬的檔案中的多餘的數據塊需要大量的時間和存儲處理器做大量的工作，因此非常活躍的數據可能受到影響。當前，推出數據去重技術的主要廠商包括NetApp、Data Domain和OcarinaNetworks。
主存部署
零性能影響
與備份或存檔存儲不同，活躍數據集的性能比能夠用某種形式的數據縮減技術節省的存儲容量更為關鍵。因此，選擇的數據縮減技術必須不影響到性能。它必須有效和簡單;它必須等價於“撥動一個開關，就消耗更少的存儲”。
去重技術通過建議只對輕I/O工作負載去重來避免性能瓶頸。因此，IT基礎設施的關鍵組件的存儲沒有得到最佳化。資料庫排在關鍵組件清單之首。由於它們是1級存儲和極其活躍的組件並且幾乎始終被排除在輕工作負載之外，去重處理從來不分析它們。因此，它們在主存儲中占據的空間沒有得到最佳化。
另一方面，實時壓縮系統實時壓縮所有流經壓縮系統的數據。這導致節省存儲容量之外的意外好處：存儲性能的提高。當所有數據都被壓縮時，每個I/O請求提交的數據量都有效地增加，硬碟空間增加了，每次寫和讀操作都變得效率更高。
另一個問題是對存儲控制器本身的性能影響。人們要求今天的存儲控制器除了做伺服硬碟外，還要做很多事情，包括管理不同的協定，執行複製和管理快照。再向這些功能增加另一個功能可能會超出控制器的承受能力――即使它能夠處理額外的工作負載，它仍增加了一個存儲管理人員必須意識到可能成為潛在I/O瓶頸的過程。將壓縮工作交給外部專用設備去做，從性能問題中消除了一個變數，而且不會給存儲控制器造成一點影響。
高可用性
多數在線上壓縮系統被插入系統中和網路上，放置(邏輯上)在交換機與存儲之間。因此，它們由於網路基礎設施級上幾乎總是設計具有的高可用性而取得冗餘性。沿著這些路徑插入在線上專用設備實現了不需要IT管理人員付出額外努力的無縫的故障切換;它利用了已經在網路上所做的工作。
節省空間
壓縮對所有可用數據都有效，並且它在可以為高冗餘數據節省更多的存儲容量的同時，還為主存儲套用常見的更隨機的數據模式始終帶來更高的節省。
實際上，數據模式冗餘度越高，去重帶來的空間節省就越大。數據模式越隨機，壓縮帶來的空間節省就越高。
獨立於套用
真正的好處可能來自所有跨數據類型(不管產生這些數據是什麼套用或數據有多活躍)的數據縮減。雖然實際的縮減率根據去重數據的水平或數據的壓縮率的不同而不同，但所有數據都必須合格。
當涉及存檔或備份時，套用特有的數據縮減具有明確的價值，並且有時間為這類數據集定製縮減過程。但是對於活躍數據集，套用的特殊性將造成性能瓶頸，不會帶來顯著的容量縮減的好處。
獨立於存儲
在混合的廠商IT基礎設施中，跨所有平台使用同樣的數據縮減工具的能力不僅將進一步增加數據縮減的ROI好處，而且還簡化了部署和管理。每一個存儲平台使用一種不同的數據縮減方法將需要進行大量的培訓，並造成管理級上的混亂。
互補
在完成上述所有最佳化主存儲的工作後，當到了備份主存儲時，最好讓數據保持最佳化的格式(被壓縮或去重)。如果數據在備份之前必須擴展恢復為原始格式，這將是浪費資源。
為備份擴展數據集將需要：
使用存儲處理器或外部讀出器資源解壓數據;
擴展網路資源以把數據傳送給備份目標;
把額外的資源分配給保存備份數據的備份存儲設備。
