03存储器和存储体系

2020年1月31日星期五南理工紫金学院1第3章存储器和存储体系存储器概述半导体随机存取存储器半导体只读存储器主存储器的组织并行存储器高速缓冲存储器虚拟存储器存储体系的层次结构2020年1月31日星期五南理工紫金学院2§3.1存储器概述3.1.1、存储器分类1．按与CPU的连接和功能分类主存储器（主存、内存）CPU能够直接访问的存储器。辅助存储器（辅存、外存）CPU不能直接访问的存储器。高速缓冲存储器（Cache）是一种介于主存与CPU之间用于解决CPU与主存间速度匹配问题的高速小容量的存储器。Cache用于存放CPU立即要运行或刚使用过的程序和数据。用于存放当前运行的程序和数据。存放当前不参加运行的程序和数据。当需要运行程序和数据时，将它们成批调入内存供CPU使用。2020年1月31日星期五南理工紫金学院32．按存取方式分类随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)存储器任何单元的内容均可按其地址随机地读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。RAM主要用于组成主存。只读存储器(ROM,ReadOnlyMemory)存储器的内容只能随机地读出而不能随便写入和修改。ROM可作为主存的一部分，用于存放不变的程序和数据。ROM还可用作其它固定存储器，如存放微程序的控制存储器、存放字符点阵图案的字符发生器等。2020年1月31日星期五南理工紫金学院4顺序存取存储器(SAM,SequentialAccessMemory)存储器所存信息的排列、寻址和读写操作均是按顺序进行的，没有唯一对应的地址，并且存取时间与信息在存储器中的物理位置有关。如磁带存储器。直接存取存储器(DAM,DirectAccessMemory)介于RAM和SAM之间的存储器。也称半顺序存储器。典型的DAM如磁盘，当进行信息存取时，先进行寻道，属于随机方式，然后在磁道中寻找扇区，属于顺序方式。2020年1月31日星期五南理工紫金学院53．按存储介质分类磁存储器由磁性材料制成的存储器。利用磁性材料的两个不同剩磁状态表示二进制的“0”和“1”。早期有磁芯存储器。现多为磁表面存储器，如磁盘、磁带等。半导体存储器用半导体器件组成的存储器。根据工艺不同，可分为双极型和MOS型。光存储器利用光学原理制成的存储器。通过激光束照在基体表面引起物理或化学的变化，记忆二进制信息。如光盘。2020年1月31日星期五南理工紫金学院64.按信息的可保存性分类易失性存储器电源掉电后，信息自动丢失。非易失性存储器电源掉电后，信息仍能继续保存。2020年1月31日星期五南理工紫金学院7二、主存的组成与操作1.几个概念存储元件（存储元、存储位）能够存储一位二进制信息的物理器件。存储元是存储器中最小的存储单位。作为存储元的条件：①有两个稳定状态，对应二进制的“0”、“1”。②在外界的激励下，可写入“0”、“1”。③能够识别器件当前的状态。即可读出所存的“0”、“1”。2020年1月31日星期五南理工紫金学院8存储单元由一组存储元件组成，可以同时进行读写。存储体（存储阵列）把大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般排列成阵列形式，所以又称存储阵列。存储单元的地址存储体中每个存储单元被赋予的一个唯一的编号，该编号就是存储单元的地址。当访问某存储单元时，必须首先给出该存储单元的地址。2020年1月31日星期五南理工紫金学院9存储单元的编址①按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。②按字编址：相邻的两个单元是两个字。2020年1月31日星期五南理工紫金学院102.主存的基本组成2020年1月31日星期五南理工紫金学院112n－1MAR译码器存储阵列读放电路写驱动电路MDRn0RDWRDBAB2020年1月31日星期五南理工紫金学院123.1.2、存储器的主要性能指标1．存储容量：存储容量的表示：①在以字节为编址单位的机器中，常用字节表示存储容量。例如：4MB表示主存可容纳4兆个字节信息。②对于存储器芯片，用存储单元数×每个单元的位数表示。例如：512k×16位，表示主存有512k个单元，每个单元为16位。存储器所能存储的二进制信息总量。2020年1月31日星期五南理工紫金学院13存储容量的主要计量单位：1K1M1G容量与存储器地址线的关系:1K需要根地址线1M需要根地址线256M需要根地址线＝210＝1024＝220＝210K＝1048576＝230＝210M＝107374182410＝210＝22020＝228282020年1月31日星期五南理工紫金学院142．速度⑴访问时间TA（读写时间、存取时间）从启动一次存储器存取操作到完成该操作所需的时间。读出时间：从存储器接到有效地址开始到产生有效输出所需的时间。写入时间：从存储器接到有效地址开始到数据写入被选中单元为止所需的时间。⑵存取周期TM（存储周期、读写周期）存储器相邻两次存取操作所需的最小时间间隔。2020年1月31日星期五南理工紫金学院15⑶带宽Bm（存储器数据传输率、频宽）存储器单位时间内所存取的二进制信息的位数。W：存储器总线的宽度。对于单体存储器，W就是数据总线的根数。带宽的单位：KB/s，MB/s提高存储器速度的途径①提高总线宽度W，如采用多体交叉存储方式。②减少TM，如引入Cache。Bm=WTM2020年1月31日星期五南理工紫金学院16§3.2半导体随机存取存储器一、半导体存储器的分类SRAM（静态随机存取存储器）DRAM（动态随机存取存储器）——TTL型、ELL型、I2L型固定掩膜ROM可编程ROM（PROM）可擦除可编程ROM（EPROM）电可擦除可编程ROM（EEPROM）闪烁存储器（闪存，FlashMemory）RAMROM双极型MOS型2020年1月31日星期五南理工紫金学院173.2.1静态随机存取存储位元分类及特点双极型半导体存储器TTL、发射极耦合电路存储器ECL其特点：速度高、驱动能力强，但集成度低、功耗大、价格高，一般用于小容量的高速存储器。MOS场效应晶体管存储器（分动态、静态两种）其特点：集成度高、功耗小、工艺简单、成本低，但速度相对较低一般用于大容量存储器2020年1月31日星期五南理工紫金学院18每一个存储单位都由一个触发器构成，可以存储一个二进制位，每个触发器由6个MOS管构成。存储原理：用晶体管导通与截止来表示0和1。存储0：T0导通、T1截止存储1：T0截止、T1导通工作原理：写入操作保持状态读出操作2020年1月31日星期五南理工紫金学院19存储原理：双稳态触发器T0、T1组成触发器T2、T3门控管T4、T5负载管存储0：T0导通、A点电位接地，为低电平存储1：T0截止、A点电位接Vcc，为高电平T1相反字线WVccDDABT2T3T4T5T0T12020年1月31日星期五南理工紫金学院20读出操作:W高,D读出数据W高电平，T2导通位线D与A点连接读0：A为低电平，D输出低电平读1：A为高电平，D输出高电平T1相反字线WVccDDABT2T3T4T5T0T12020年1月31日星期五南理工紫金学院21VCC高电平导通导通地高电平VCC读出非破坏性读出2020年1月31日星期五南理工紫金学院22写入操作:W高,D写入数据W高电平，T2导通位线D与A点连接写0：D输入低电平，A点电位下降，T0导通，存储位元变为0写1：D输入高电平，A点电位上升，T0截止，存储位元变为1T1相反字线WVccDDABT2T3T4T5T0T12020年1月31日星期五南理工紫金学院23写入（以写“0”为例）高电平导通导通地高电平地高电平2020年1月31日星期五南理工紫金学院24保持状态:W低，内部稳定W低电平，T2截止位线D与A点断开只要Vcc不断电，原有信息保持不变字线WVccDDABT2T3T4T5T0T12020年1月31日星期五南理工紫金学院25保持地断开断开地高电平2020年1月31日星期五南理工紫金学院263.2.2动态随机存取存储位元存储原理：利用电容Cs存储电荷存储信息电容Cs充有电荷表示1，电容Cs没有电荷表示0。2020年1月31日星期五南理工紫金学院27读取高电平导通高电平读取过程中，Cs的电平最终会变为中间电平，即原来存储的数据丢失，需要将读出的数据重新写入，称为再生中间电平电压上升2020年1月31日星期五南理工紫金学院28写入高电平导通高电平高电平2020年1月31日星期五南理工紫金学院29保持由于电容存在漏电，经过一段时间后，Cs上的电荷会全部泄漏，为了保持数据的正确性，必须隔一段时间，进行一次刷新操作(Refresh)地断开高电平2020年1月31日星期五南理工紫金学院30刷新:SRAM是靠_____________存储信息的，所存的信息表现为双稳态电路的电平，所以不需要刷新。DRAM是靠_____存储信息的，所存信息表现为电容上的电荷。由于电路中存在一定的漏电流，致使电容慢慢放电，导致所存信息丢失。因此必须在电容放电到一定程度前，重新写入信息，这一过程称为刷新。触发器电路电容2020年1月31日星期五南理工紫金学院312.动态存储器的刷新刷新最大周期设存储电容为C，其两端电压为u，电荷Q＝C•u，则泄漏电流为：∴刷新间隔为:若C＝0.2pf，△u＝1V，I＝0.1nA，则刷新间隔为△t就是刷新最大间隔，即刷新最大周期。tuCtQIIuCt2ms100.11102.0t9-122020年1月31日星期五南理工紫金学院32刷新基本方法按行进行刷新，每次由刷新地址计数器给出刷新行地址，每刷新1行，地址计数器自动加1。刷新方式设刷新周期为2ms，存储体排成64×64阵列，需要刷新64行。每读/写一次或刷新一行的时间为200ns。有下列几种刷新方式：①集中式刷新②分散式刷新③异步式刷新2020年1月31日星期五南理工紫金学院33⑴集中式刷新在允许的最大刷新间隔(2ms)内，按照存储器芯片容量的大小集中安排刷新时间。假设存储周期为200ns，在2ms的时间内完成10000次存储操作，即10000个存储周期。例如对4k×1位芯片，存储矩阵为64×64，每个存储单元电路都刷新一次需64个周期，因此在2ms内，留出64个周期专用于刷新。2020年1月31日星期五南理工紫金学院34刷新方式集中刷新方式优点：控制简单，速度快缺点：有“死区”012993599369999…………读写操作9936个周期刷新操作64个周期刷新间隔（2ms）2020年1月31日星期五南理工紫金学院35刷新方式分散刷新方式优点：控制简单，无明显“死区”缺点：速度慢，存储器速度较快时，存在时间上的浪费读写刷新……刷新间隔（2ms）读写刷新读写刷新周期0周期1周期49992020年1月31日星期五南理工紫金学院36刷新方式异步刷新方式优点：无明显“死区”，无时间上的浪费缺点：控制复杂2ms/64=31.25us，每隔31us刷新一次……刷新间隔（2ms）读写刷新31μs0.2μs读写刷新31μs0.2μs读写刷新31μs0.2μs2020年1月31日星期五南理工紫金学院373.2.3半导体随机存取存储芯片1、地址译码驱动方式一维译码方式二维译码方式二维译码方式的字选方式2020年1月31日星期五南理工紫金学院38（1）一维译码方式的存储器芯片（64×8位）1111112020年1月31日星期五南理工紫金学院39（2）二维结构的存储器芯片（4K×1位）双译码方式、位片方式0000000000012020年1月31日星期五南理工紫金学院40（3）二维地址译码的字选方式（512×8位=64×64）改成每次读出一个字，就是字选方式。优点：译码电路简单，且同一个字在同一块芯片中。8根数据线行译码器列译码器读写电路A0A1A5A6A88位字08位字18位字7078对8*8对位线8根列选线读写64根线