《存储器和存储体系》PPT课件

2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 1 第 3章 存 储 器 和 存 储 体 系l 存 储 器 概 述l 半 导 体 随 机 存 取 存 储 器l 半 导 体 只 读 存 储 器l 主 存 储 器 的 组 织l 并 行 存 储 器l 高 速 缓 冲 存 储 器l 虚 拟 存 储 器l 存 储 体 系 的 层 次 结 构 2021年 5月 2日 星 期 日 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l 主 存 储 器 （ 主 存 、 内 存 ） CPU能 够 直 接 访 问 的 存 储 器 。l 辅 助 存 储 器 （ 辅 存 、 外 存 ） CPU不 能 直 接 访 问 的 存 储 器 。l 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 3 2 按 存 取 方 式 分 类l 随 机 存 取 存 储 器 (RAM, Random Access Memory) 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 。l 只 读 存 储 器 (ROM, Read Only Memory) 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 4 l 顺 序 存 取 存 储 器 (SAM, Sequential Access Memory) 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 。l 直 接 存 取 存 储 器 (DAM, Direct Access Memory) 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 5 3 按 存 储 介 质 分 类l 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 。l 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 。l 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 6 4. 按 信 息 的 可 保 存 性 分 类l 易 失 性 存 储 器 电 源 掉 电 后 ， 信 息 自 动 丢 失 。l 非 易 失 性 存 储 器 电 源 掉 电 后 ， 信 息 仍 能 继 续 保 存 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 7 二 、 主 存 的 组 成 与 操 作1. 几 个 概 念l 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 ： 有 两 个 稳 定 状 态 ， 对 应 二 进 制 的 “ 0” 、 “ 1” 。 在 外 界 的 激 励 下 ， 可 写 入 “ 0” 、 “ 1” 。 能 够 识 别 器 件 当 前 的 状 态 。 即 可 读 出 所 存 的 “ 0” 、“ 1” 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 8 l 存 储 单 元 由 一 组 存 储 元 件 组 成 ， 可 以 同 时 进 行 读 写 。l 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 。l 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 9 l 存 储 单 元 的 编 址 按 字 节 编 址 ： 相 邻 的 两 个 单 元 是 两 个 字 节 。 按 字 编 址 ： 相 邻 的 两 个 单 元 是 两 个 字 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 10 2. 主 存 的 基 本 组 成 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 11 2n 1MAR 译码器 存 储 阵 列读 放 电 路写 驱 动 电 路MDRn 0RDWRDBAB 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 12 3.1.2、 存 储 器 的 主 要 性 能 指 标1 存 储 容 量 ：l 存 储 容 量 的 表 示 ： 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 。 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 13 l 存 储 容 量 的 主 要 计 量 单 位 ： 1K 1M 1Gl 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 210 220 20 228 28 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 14 2 速 度 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 。l 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 。l 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 。 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 15 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 。l 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 。l 带 宽 的 单 位 ： KB/s， MB/sl 提 高 存 储 器 速 度 的 途 径 提 高 总 线 宽 度 W， 如 采 用 多 体 交 叉 存 储 方 式 。 减 少 T M， 如 引 入 Cache。Bm= WTM 2021年 5月 2日 星 期 日 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 ， Flash Memory）RAMROM 双 极 型MOS型 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 17 3.2.1 静 态 随 机 存 取 存 储 位 元l 分 类 及 特 点l 双 极 型 半 导 体 存 储 器 TTL 、 发 射 极 耦 合 电 路 存 储 器ECLo 其 特 点 ： 速 度 高 、 驱 动 能 力 强 ， 但 集 成 度 低 、 功 耗大 、 价 格 高 ，o 一 般 用 于 小 容 量 的 高 速 存 储 器 。l MOS场 效 应 晶 体 管 存 储 器 （ 分 动 态 、 静 态 两 种 ）o 其 特 点 ： 集 成 度 高 、 功 耗 小 、 工 艺 简 单 、 成 本 低 ，但 速 度 相 对 较 低o 一 般 用 于 大 容 量 存 储 器 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 18 l 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 。l 存 储 原 理 ： 用 晶 体 管 导 通 与 截 止 来 表 示 0和 1。l 存 储 0： T0导 通 、 T1截 止l 存 储 1： T0截 止 、 T1导 通l 工 作 原 理 ：l 写 入 操 作l 保 持 状 态l 读 出 操 作 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 19 存 储 原 理 ： 双 稳 态 触 发 器l T0、 T1组 成 触 发 器l T2、 T3门 控 管l T4、 T5负 载 管l 存 储 0： T0导 通 、 A点 电 位接 地 ， 为 低 电 平l 存 储 1： T0截 止 、 A点 电 位接 Vcc， 为 高 电 平l T1相 反 字 线 WVccD DA BT 2 T3T4 T5T0 T1 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 20 读 出 操 作 : W高 , D读 出 数 据l W高 电 平 ， T2导 通l 位 线 D与 A点 连 接l 读 0： A为 低 电 平 ， D输 出 低电 平l 读 1： A为 高 电 平 ， D输 出 高电 平l T1相 反 字 线 WVccD DA BT 2 T3T4 T5T0 T1 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 21 VCC高 电 平导 通 导 通地 高 电 平VCC读 出非 破 坏 性 读 出 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 22 写 入 操 作 : W高 , D写 入 数 据l W高 电 平 ， T2导 通l 位 线 D与 A点 连 接l 写 0： D输 入 低 电 平 ， A点 电位 下 降 ， T0导 通 ， 存 储 位元 变 为 0l 写 1： D输 入 高 电 平 ， A点 电位 上 升 ， T0截 止 ， 存 储 位元 变 为 1l T1相 反 字 线 WVccD DA BT 2 T3T4 T5T0 T1 2021年 5月 2日 星 期 日 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 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 24 保 持 状 态 : W低 ， 内 部 稳 定l W低 电 平 ， T2截 止l 位 线 D与 A点 断 开l 只 要 Vcc不 断 电 ， 原 有 信 息保 持 不 变 字 线 WVccD DA BT 2 T3T4 T5T0 T1 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 25 保 持 地断 开 断 开地 高 电 平 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 26 3.2.2 动 态 随 机 存 取 存 储 位 元l 存 储 原 理 ：l 利 用 电 容 Cs存 储 电荷 存 储 信 息l 电 容 Cs充 有 电 荷 表示 1，l 电 容 Cs没 有 电 荷 表示 0。 2021年 5月 2日 星 期 日 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 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 28 写 入 高 电 平导 通高 电 平 高 电 平 2021年 5月 2日 星 期 日 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 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 30 l 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 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 31 2. 动 态 存 储 器 的 刷 新l 刷 新 最 大 周 期 设 存 储 电 容 为 C， 其 两 端 电 压 为 u， 电 荷 Q Cu， 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 2ms100.1 1102.0t 9-12 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 32 l 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。l 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 ： 集 中 式 刷 新 分 散 式 刷 新 异 步 式 刷 新 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 33 l 集 中 式 刷 新l 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 。l 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 。l 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 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 34 刷 新 方 式l 集 中 刷 新 方 式优 点 ： 控 制 简 单 ， 速 度 快缺 点 ： 有 “ 死 区 ”0 1 2 9935 9936 9999 读 写 操 作 9936个 周 期 刷 新 操 作 64个 周 期刷 新 间 隔 （ 2ms） 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 35 刷 新 方 式l 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 4999 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 36 刷 新 方 式l 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l 2ms/64=31.25us， 每 隔 31us刷 新 一 次刷 新 间 隔 （ 2ms）读 写 刷 新31s 0.2s 读 写 刷 新31s 0.2s 读 写 刷 新31s 0.2s 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 37 3.2.3 半 导 体 随 机 存 取 存 储 芯 片l 1、 地 址 译 码 驱 动 方 式l 一 维 译 码 方 式l 二 维 译 码 方 式l 二 维 译 码 方 式 的 字 选 方 式 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 38 （ 1） 一 维 译 码 方 式 的 存 储 器 芯 片 （ 64 8位 ）111111 2021年 5月 2日 星 期 日 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0 0 0 0 0 0000001 2021年 5月 2日 星 期 日 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A0A1A5 A6 A88位字 0 8位字 1 8位字 70 7 8对 8*8对 位 线8根 列 选 线读写64根 线 512/8 8*8位A7111 0 0 0 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 41 2. 静 态 SRAM芯 片 举 例 - Intel 2114芯 片 （ 1K 4位 ）10根 地 址 线 ， 用 于 寻址 1024个 存 储 单 元4根 双 向 数 据 线读 /写 控 制 线片 选 信 号 线 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 42 Intel 2114内 部 结 构 图 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 43 SRAM的 工 作 时 序l 读 周 期 时 序 l 写 周 期 时 序 读 出 数 据TRCAddrCSOEData Addr TWCCSWE 写 入 数 据Data 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 44 3、 DRAM芯 片 实 例 2164 l 基 本 特 征l 64K*1位 =4*（ 128*128）l 存 取 时 间 为 150ns或200ns；l 每 2ms需 刷 新 一 遍 ， 每次 同 时 刷 新 512个 存 储 单元 ， 2ms内 需 有 128个 刷新 周 期 。l 引 脚l 地 址 线 复 用 A0A7l 行 地 址 选 通 RASl 列 地 址 选 通 CAS， 也 起片 选 作 用 l 分 开 的 输 入 Din和 输 出数 据 线 Dout NC DIN WE RAS A0 A2 A1 GND VCC CAS DOUT A6 A3 A4 A5 A7 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 45 2164内 部 结 构 示 意 图 8位地 址锁存 器 DOUT 输 出缓 冲器 A0A1A2A3 A4A5A6 A7 128128 存 储 矩 阵 128 读 出 放 大 器 1/2(1/128 列 译 码 器 ) 128 读 出 放 大 器 128128 存 储 矩 阵 1/128 行 译 码 器 1/128 行 译 码 器 128128 存 储 矩 阵 128 读 出 放 大 器 1/2(1/128 列 译 码 器 ) 128 读 出 放 大 器 128128 存 储 矩 阵 8位地 址锁存 器2 1/4I/O门 行 时 钟 缓 冲 器 列 时 钟 缓 冲 器 写 允 许 时 钟 缓 冲 器 数 据 输 入 缓 冲 器 RAS CAS WE DIN 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 46 DRAM读 写 时 序 Addr 读 周 期 读 出 数 据RASCASRDData 行 列 RASCASWRDataAddr 行 列写 入 数 据写 周 期 Review 2164 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 47 DRAM刷 新 时 序l RAS only refreshl 在 DRAM芯 片 外 部 设置 专 门 的 刷 新 计 数 器来 产 生 行 地 址l 只 送 行 地 址 ， 不 送 列地 址 l Hidden refreshl DRAM芯 片 内 部 提 供刷 新 计 数 器l 刷 新 分 散 在 每 次 的 读或 写 操 作 之 后Addr RASCAS 刷 新 周 期 AddrRASCASRDData 读 周 期读 出 数 据行 列 刷 新 周 期 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 48 静 态 存 储 器 vs 动 态 存 储 器l SRAMl Staticl 集 成 度 较 低 （ 六 管 ） ，单 片 容 量 较 小l 不 需 要 刷 新l 速 度 快 ， 曾 在Pentium主 板 上 用 作二 级 高 速 缓 存 (图 )l 通 常 是 字 选 方 式 l DRAMl Dynamicl 集 成 度 高 （ 单 管 ） ，单 片 容 量 较 大l 需 要 定 时 刷 新l 速 度 较 低 ， 多 用 作 主存 储 器l 通 常 是 位 选 方 式 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 49 用 作 L2 Cache的 SRAM 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 50 3.2.4 高 级 DRAMl FPM (Fast Page Mode,快 页 型 ) DRAM l 快 速 页l 突 发 模 式 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 51 EDO DRAM（ 扩 展 数 据 输 出 ）l 可 以 在 输 出 一 个 数 据 的 过 程 中 准 备 下 一 个 数 据 的 输 出 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 52 SDRAM (Synchronous DRAM)同 步 型 RAMl 其 地 址 信 号 和 数 据 信 号 由 同 一 个 时 钟 驱 动 。 clock同 步 是指 内 存 能 够 与 CPU同 步 存 取 资 料 ， 可 以 取 消 等 待 周 期 ， 减少 数 据 传 输 的 延 迟 ， 因 此 可 提 升 计 算 机 的 性 能 和 效 率 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 53 DDR SDRAM (Synchronous DRAM)l 即 同 步 动 态 RAMl DDR SDRAM不 仅 能 在 时 钟 脉 冲 的 上 升 沿 读 出 数据 而 且 还 能 在 下 降 沿 读 出 数 据 l 等 效 传 输 频 率 是 工 作 频 率 的 两 倍 l DDR的 标 准o DDR266、 DDR333和 DDR400l DDR对 应 的 规 范 o PC2100/PC2700/PC3200l 工 作 电 压 2.5v 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 54 DDRII， DDRIIIl DDRII (Double Data Rate Synchronous DRAM，第 二 代 同 步 双 倍 速 率 动 态 随 机 存 取 存 储 器 )l 4bit数 据 预 读 取 l 工 作 电 压 采 用 1.8v l DDRIIIl 8bit数 据 预 读 取 l 点 对 点 的 拓 扑 架 构 P2P、 P22P l 工 作 电 压 降 为 1.5v 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 55 RDRAM (Rambus DRAM,高 频 动 态 随 机 存 取存 储 器 )l Rambus公 司 独 立 设 计 完 成 的 一 种 内 存 模 式 ， 速 度 一 般可 以 达 到 500530MB/s， 是 DRAM的 10倍 以 上 。 184个 接 触 点 目 前 的 RDRAM内 存 只 能 以 双 数 条 形 式 存 在 ， 而 且 由 于RDRAM采 用 了 串 联 的 设 计 ， 因 此 所 有 未 用 的 RIMM插槽 都 必 须 用 一 个 被 称 作 “ 连 通 器 ” 的 电 路 板 占 用 .RIMM(RAMBUS In-line Memory Module) 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 56 3.3 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM的 特 点l 特 性 ： 正 常 工 作 时 只 能 读 出 信 息 ， 而 不 能 写 入 的 随 机 存 储器 。 信 息 的 写 入 是 通 过 特 殊 方 法 。 与 RAM相 比 ： 速 度 相 当 、 结 构 简 单 、 集 成 度 高 、 造价 低 、 功 耗 小 、 可 靠 性 高 、 无 掉 电 信 息 丢 失 、 无 读 出信 息 破 坏 、 不 需 要 刷 新 。 与 外 存 相 比 ： 都 具 有 掉 电 信 息 不 丢 失 的 特 点 ， 但 速度 高 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 57 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM的 应 用l 应 用 ： （ 主 要 用 来 存 放 不 需 要 改 变 的 信 息 ）o 存 放 软 件n 如 引 导 程 序n 存 放 微 程 序o存 放 特 殊 编 码n 如 字 符 点 阵 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 58 3.3.1 掩 模 只 读 存 储 器 MROMl 特 点 ：l 存 储 的 信 息 在 芯 片 制 时 最后 一 道 掩 模 (MASK)工 艺 由连 线 决 定 “ 0” 和 “ 1” ；l 生 产 周 期 长 ；l 可 靠 性 高 ， 信 息 永 不 丢 失 。l 适 用 场 合 ：l 大 批 量 生 产 。Vcc字地址译码器 读 放 电 路D3 D2 D1 D0W1W2W3 存储阵列读 MOS只 读 存 储 器 结 构 ： 负 载 管 无 管 子 的 位 线 为 高 ，称 为 存 储 0有 管 子 的位线为低，称为存储1 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 59 3.3.2 一 次 性 可 编 程 只 读 存 储 器 PROMSS SS SS SSSS SS SS SS地址译码 读 放 电 路 VccA0A1A2A3A4 D7 D6 D1 D0读 熔 丝 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 60 特 点 ： 使 用 专 用 设 备 （ 编 程 器 ） ， 用 户 一 次 性写 入 ， 故 称 为 可 编 程 （ Programmable） 。 不 可恢 复 ， 信 息 永 久 保 存 。 适 用 于 ： 小 批 量 生 产 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 61 3.3.3 可 擦 除 的 只 读 存 储 器 EPROMl 基 本 结 构l 写 “ 1” ： 保 持 原 状 态 ， 浮 栅 上 不 带 电荷 。l 写 “ 0” ： 源 极 （ S） 和 漏 极 （ D） 之 间加 高 电 压 ， 使 PN结 处 于 反 偏 状 态 ， 发 生 瞬 间 击 穿 。 浮 栅 上 积 累 了 负 电 荷 ，形 成 了 带 正 电 的 P沟 道 ， 管 子 导 通 。 (b) EPROM晶 体 管 导 通 状 态 (a) EPROM晶 体 管 结 构 -Vpp 地 浮 栅 击 穿 电 流 - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + - - - - 源 极 漏 极 N基 体 P P 字 线 位 线Vcc 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 62 3.3.3 可 擦 除 的 只 读 存 储 器 EPROMl 擦 除 (Erasable)：l 紫 外 线 照 射 ， 浮 栅 上 的 电 子 获 得 能 量 ， 穿 越 绝 缘 层 泄放 掉 电 荷 。l 特 点 ：l 可 多 次 擦 除 ， 通 常 有 数 千 次 擦 除 寿 命l 外 形 上 有 玻 璃 窗 ， 避 免 日 光 或 荧 光 灯 照 射 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 63 EPROM擦 除 器 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 64 3.3.4 电 擦 除 只 读 存 储 器 EEPROMl 特 点 ：l 隧 道 效 应l 内 置 升 压 电 路 ， 电 信号 擦 除 (Electrically Erasable) l 先 擦 后 写l 写 入 速 度 较 慢 ， 写 一个 数 据 的 大 约 时 间 在2-10ms之 间 。 l 结 构 ： P 基 体 源 极 S - - - - - - - - 漏 极 D 浮 栅 G1 控 制 栅 G2 N 沟 道 应 用 ： 取 代 EPROM， 擦 除 方 便 ，但 成 本 较 高 。 小 容 量 串 行 接 口 的 E2PROM， 保 存 系 统 设 置 等 参 数 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 65 3.3.5 闪 速 存 储 器 （ Flash Memory）l 特 点 ：l 高 速l 高 集 成 度 、 低 成 本 .l 整 片 电 擦 除 或 按 块 电 擦除 ， 可 擦 除 100万 次l 结 构 ： 存 储 原 理 具 有 两 种 状 态 ：1.未 写 入 状 态 ： 浮 空 栅 极 无 电 子 ，栅 极 电 压 大 于 1V就 开 始 导 通 。 2.已 写 入 状 态 ： 浮 空 栅 极 布 满 电 子 ，栅 极 电 压 大 于 5V才 开 始 导 通 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 66 3.3.5 闪 速 存 储 器 （ Flash Memory）l 写 入 ：l 控 制 栅 极 和 漏 极 都 加上 高 电 压 ， 电 子 由 源极 向 漏 极 移 动 ， 在 漏极 附 近 产 生 的 热 电 子可 以 越 过 硅 表 面 到SiO2 膜 的 顶 峰 ， 在控 制 栅 极 高 电 压 的 吸引 下 能 够 注 入 到 浮 空栅 极 。 高 电 压 高 电 压地 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 67 3.3.5 闪 速 存 储 器 （ Flash Memory）l 擦 除 ：l 控 制 栅 极 接 地 ， 漏 极开 路 ， 源 极 加 高 电 压 ，则 浮 空 栅 极 上 累 积 的电 子 逃 逸 。（ 增 强 FN隧 道 注 入 方式 ） 正 脉 冲 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 68 3.3.5 闪 速 存 储 器 （ Flash Memory）l 应 用l 可 升 级 BIOS (右 图 )l U盘l 数 码 相 机l 掌 上 电 脑l MP3随 身 听 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 69 编 程 器 全 自 动 IC通 用 编 程 器 通 用 编 程 器 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 70 铁 电 存 储 器 （ FRAM, FeRAM） l Ferroelectric random access memory l 利 用 铁 电 晶 体 的 铁 电 效 应 实 现 数 据 存 储 ，l 特 点l 速 度 快 ， 能 够 像 RAM一 样 操 作 ；l 读 写 功 耗 极 低 。l FRAM仍 有 最 大 访 问 次 数 的 限 制 ， 目 前 最 大 访 问 次数 是 100亿 次 （ 10 10） ， 超 过 这 个 次 数 之 后 ， 它 仅仅 是 没 有 了 非 易 失 性 ， 仍 可 像 普 通 RAM一 样 使 用 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 71 磁 性 随 机 存 储 器 MRAM l Magnetoresistive Random Access Memory l 基 于 半 导 体 和 磁 通 道 (magnetic tunnel junction-MTJ)技 术 的 固 态 存 储 介 质 ， 属 于 非 挥 发 性 芯 片 。l 擦 写 次 数 高 于 现 有 的 不 挥 发 存 储 器 ， 可 达 1015 ；l 读 写 时 间 可 达 70nSl 正 在 开 发 阶 段 ， 主 要 开 发 厂 商 有 IBM、 Infineon、Cypress和 Motorola。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 72 3.4 主 存 储 器 的 组 织l 3.4.1 主 存 储 器 容 量 的 扩 充l 由 于 一 块 存 储 器 芯 片 的 容 量 总 是 有 限 的 ， 因 此 一个 存 储 器 总 是 由 一 定 数 量 的 存 储 器 芯 片 构 成 。l 要 组 成 一 个 存 储 器 ， 需 要 考 虑 的 问 题 ： 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 73 如 何 选 择 芯 片 根 据 存 取 速 度 、 存 储 容 量 、 电 源 电 压 、 功 耗 及 成 本 等方 面 的 要 求 进 行 芯 片 的 选 择 。 所 需 的 芯 片 数 量 单 元位 数每 片 芯 片 单 元 数 单 元位 数存 储 器 总 单 元 数芯 片 总 片 数 / 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 74 例 ： 用 2114芯 片 (1K 4位 )组 成 32K 8位 的 存 储 器 ， 所 需 芯 片数 为 ： 如 何 把 许 多 芯 片 连 接 起 来 l 通 常 存 储 器 芯 片 在 单 元 数 和 位 数 方 面 都 与 实 际 存 储 器 要求 有 很 大 差 距 ， 所 以 需 要 在 字 方 向 和 位 方 向 两 个 方 面 进行 扩 展 。l 按 扩 展 方 向 可 分 为 ： 位 扩 展 、 字 扩 展 、 字 和 位 同 时 扩 展 。（ 片 ）位位 644K1 832K 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 75 1. 位 扩 展l 存 储 器 芯 片 的 字 数 和 存 储 器 的 字 数 一 致 ， 只 在 位 数 方 向扩 展 （ 扩 字 长 ） 。l 例 ： 用 2114芯 片 构 成 1K 8位 的 存 储 器 。A 0 A9 WE CS2114I/O1 I/O4 操 作0 0 写0 1 读1 未 选 中CS WR/ 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 76DDD047 9AA0 2114 2114CS WE 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 77 l 位 扩 展 的 连 接 方 法 ： 将 各 存 储 器 芯 片 的 地 址 线 、 片 选 线 和 读 /写 线 并联 。 将 各 存 储 器 芯 片 的 数 据 线 分 别 接 到 数 据 总 线 的 对应 位 上 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 78 2. 字 扩 展l 存 储 器 芯 片 的 位 数 与 存 储 器 的 位 数 一 致 ， 只 在字 数 方 向 扩 展 （ 扩 字 数 ） 。l 例 ： 用 16K 8位 的 芯 片 构 成 64K 8位 的 存 储 器 ，并 写 出 各 芯 片 的 地 址 范 围 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 79WE A12A13A0.D7D0A15A14 CS0 CS1 CS2 CS3片 选译 码 16K 8 16K 8 16K 8 16K 8 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 80 l 64K 8位 的 存 储 器 需 要 16位 地 址 线 A15 A0， 而16K 8位 的 芯 片 的 片 内 地 址 线 为 14根 ， 所 以 用 16位 地 址 线 中 的 低 14位 A13 A0进 行 片 内 寻 址 ， 高两 位 地 址 A15、 A14用 于 选 择 芯 片 ， 即 选 片 寻 址 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 81 l 设 存 储 器 从 0000H开 始 连 续 编 址 ， 则 四 块 芯 片 的地 址 分 配 ：l 第 一 片 地 址 范 围 为 ： 0000H 3FFFHl 第 二 片 地 址 范 围 为 ： 4000H 7FFFHl 第 三 片 地 址 范 围 为 ： 8000H BFFFHl 第 四 片 地 址 范 围 为 ： C000H FFFFH 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 82 A15A14 A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H 3FFFH 第 一 片 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H 7FFFH 第 二 片 10 00000000000000 10 11111111111111 8000H BFFFH 第 三 片 11 00000000000000 11 11111111111111 C000H FFFFH 第 四 片 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 83 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 84 l 字 扩 展 的 连 接 方 式 ： 将 所 有 芯 片 的 地 址 线 、 数 据 线 、 读 /写 控 制 线 并联 。 由 片 选 信 号 区 分 被 选 芯 片 。 各 芯 片 的 片 选 信 号 分别 接 到 存 储 器 高 位 地 址 译 码 器 的 输 出 端 的 相 应 位上 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 85 3. 字 和 位 同 时 扩 展l 按 位 扩 展 和 字 扩 展 的 方 法 分 别 在 位 方 向 和 字 方向 扩 展 。例 ： 用 2114(1K 4位 )芯 片 构 成 4K 8位 的 存 储 器 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 86WE A8A9A0.D7D0A11A10 CS0 CS1 CS2 CS3片 选译 码 1K 4 1K 4 1K 4 1K 4 1K 4 1K 4 1K 41K 4 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 87 l 字 和 位 同 时 扩 展 的 连 接 方 式 ： 所 有 芯 片 的 片 内 地 址 线 、 读 /写 控 制 线 并 联 。 不 同 地 址 区 域 内 （ 组 间 ） ， 同 一 位 芯 片 的 数 据 线 对 应 地 并接 在 一 起 ， 连 接 到 数 据 总 线 的 对 应 位 上 。 不 同 位 芯 片 的数 据 线 分 别 连 接 到 数 据 总 线 的 不 同 位 上 。 同 一 地 址 区 域 内 （ 组 内 ） ， 不 同 芯 片 的 片 选 信 号 连 在 一 起 ，接 到 片 选 译 码 器 的 同 一 输 出 端 ； 不 同 地 址 区 域 内 的 芯 片的 片 选 信 号 分 别 接 到 片 选 译 码 器 的 不 同 输 出 端 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 88 例 1:用 512K*1位 的 存 储 器 芯 片 构 成 2MB的 存 储 器 (存 储 器按 字 节 编 址 )， 则 共 需 选 _块 芯 片 。 在 这 些 芯 片 中 ，其 中 _块 芯 片 的 A1地 址 线 应 对 应 地 接 在 一 起 ；_块 芯 片 的 读 写 控 制 线 应 接 在 一 起 ； 每 _块 芯片 的 片 选 信 号 线 应 接 在 一 起 ； 每 _块 芯 片 的 数 据输 入 线 DIN应 接 在 一 起 。 该 存 储 器 地 址 总 线 至 少 _位 ， 其 中 _位 用 于 选 片 寻 址 ， _位 用 于 片 内寻 址 。 若 存 储 器 按 芯 片 容 量 划 分 若 干 个 地 址 区 域 且 从0连 续 编 址 ， 则 第 一 个 地 址 区 域 的 最 后 一 个 地 址 为_H， 最 后 一 个 地 址 区 域 的 第 一 个 地 址 为_H。 该 存 储 器 应 选 择 具 有 _个 输 入_个 输 出 的 译 码 器 用 于 选 片 ， 一 个 输 出 端 控 制_块 芯 片 的 _信 号 。323232 8421 2 1907FFFF180000 248 片 选 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 89 例 2:用 256K*1位 的 存 储 器 芯 片 构 成 16MB的 存 储 器 (存 储 器按 字 节 编 址 )， 则 共 需 选 _块 芯 片 。 在 这 些 芯 片 中 ，其 中 _块 芯 片 的 A1地 址 线 应 对 应 地 接 在 一 起 ；_块 芯 片 的 读 写 控 制 线 应 接 在 一 起 ； 每 _块 芯片 的 片 选 信 号 线 应 接 在 一 起 ； 每 _块 芯 片 的 数 据输 入 线 DIN应 接 在 一 起 。 该 存 储 器 地 址 总 线 至 少 _位 ， 其 中 _位 用 于 选 片 寻 址 ， _位 用 于 片 内寻 址 。 若 存 储 器 按 芯 片 容 量 划 分 若 干 个 地 址 区 域 且 从0连 续 编 址 ， 则 第 一 个 地 址 区 域 的 最 后 一 个 地 址 为_H， 最 后 一 个 地 址 区 域 的 第 一 个 地 址 为_H。 该 存 储 器 应 选 择 具 有 _个 输 入_个 输 出 的 译 码 器 用 于 选 片 ， 一 个 输 出 端 控 制_块 芯 片 的 _信 号 。512512512 86424 6 1803FFFFFC0000 6648 片 选 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 90 例 3:某 微 机 系 统 有 16根 地 址 线 ， 8根 数 据 线 ， 地 址空 间 安 排 为 ： 16KB系 统 程 序 存 储 区 ， 用 ROM芯 片 ， 安 排 在 地 址 最 低 区 ； 接 着 留 出 16KB的设 备 地 址 空 间 ； 其 后 的 32KB作 为 用 户 程 序 区 ，采 用 RAM芯 片 。 给 定 芯 片 如 下 ， 请 画 出 连 线图 ， 给 出 各 存 储 区 的 地 址 范 围 。 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 91 l ROM区 ： 16K 8位 ， 需 1片 16K 8位 ROM芯 片l RAM区 ： 32K 8位 ， 需 2片 16K 8位 RAM芯 片l I/O区 ： 16K 8位 ， 主 存 不 应 使 用ROMD7 D0A 13 A0 CS DE RAMD7 D0A13 A0 CS RD WR 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 92 A15A14 A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H 3FFFH ROM区 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H 7FFFH I/O区 10 00000000000000 10 11111111111111 8000H BFFFH RAM区 1 11 00000000000000 11 11111111111111 C000H FFFFH RAM区 2 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 93 ROMA13 A0 CS DE RAMD7 D0 A 15 A14 CS RD WR RAMY0 CS RD WR地 址 译 码 器MEMR Y2 Y3Y1R/W 2021年 5月 2日 星 期 日 南 理 工 紫 金 学 院 94 l 例 4l 已 知 某 模 型 机 地 址 总 线 为 17位 （ A 160） ， 数 据 总 线8位 （ D70） （ 双 向 ） ， MREQ为 访 存 请 求 信 号 （ 低电 位 有 效 ） ， R/W为 读 写 控 制 信 号 （ 低 电 位 写 ， 高