存储器和高速缓存技术.

存储器和高速缓存技术教学重点存储器的分类内部存储器的系统结构动、静态读写存储器RAM的基本存储单元与芯片4.1存储器和存储器件4.1.1存储器的分类4.1.2存储器的系统结构4.1.3选择存储器器件的考虑因素4.1.4随机存取存储器RAM4.1.5只读存储器ROM4.1.6存储器在系统中的连接考虑和使用举例存储器是计算机(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，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。存储器系统的三项主要性能是指标容量、速度和成本。存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。1.存储器的概述4.1.1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、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。2.存储器分类（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。随机存储器RAM(RandomAccessMemory)又称读写存储器，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.存储器分类在微机系统的在线运行过程中，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、汉字字型库、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(ProgrammableROM)，可擦除的可编程的只读存储器EPROM(ErasibleProgrammableROM)和EEPROM(ElectricErasibleProgrammableROM)以及掩膜型只读存储器MROM(MaskedROM)等，近年来发展起来的快擦型存储器(F1ashMemory)具有EEPROM的特点。只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)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；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；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。另外，还可根据所存信息是否容易丢失，而把存储器分成易失性存储器和非易失性存储器。如半导体存储器(DRAM，SRAM)，停电后信息会丢失，属易失性；而磁带和磁盘等磁表面存储器，属非易失性存储器。(3)按在微机系统中位置分类存储器分类表如下所示：存储器主存储器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)双极型半导体存储器MOS存储器（静态、动态）可编程只读存储器PROM可擦除可编程只读存储器EPROM，EEPROM掩膜型只读存储器MROM辅助存储器磁盘(软盘、硬盘、盘组)存储器磁带存储器光盘存储器缓冲存储器半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）详细展开，注意对比组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。1．基本存储单元一个基本存储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。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。2．存储体(以图示讲解说明)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或存储矩阵。4.1.2存储器的系统结构由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，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。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。(1)单译码单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。(2)双译码在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号。行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。3．地址译码器译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A3A4A501764个单元单译码双译码单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构3．地址译码器(续）4．片选与读／写控制电路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。5．I/O电路I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。4.1.2存储器的系统结构4.1.2存储器的系统结构6．集电极开路或三态输出缓冲器为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。7．其它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，这也是存储器系统的重要组成部分。A3A4A5A6A7A8行选择64×64存储矩阵......VCCGND输入数据控制I/O1I/O2I/O3I/O4列I/O电路列选择......A0A2A1A9CSWE4.1.2存储器的系统结构4.1.3选择存储器器件的考虑因素1.易失性易失性是区分存储器种类的重要外部特性之一。易失性是指电源断开之后，存储器的内容是否丢失。如果某种存储器在断电之后，仍能保存其中的内容，则为非易失性存储器（外部存储器、ROM）；否则，就叫易失性存储器（RAM）。4.1.3选择存储器器件的考虑因素2.只读性只读性是区分存储器种类的又一个重要特性。如果某个存储器中写入数据后，只能被读出，但不能写入，那么这种存储器叫只读存储器，即ROM（readonlymemory)；如果一个存储器在写入数据后，既可对它进行读出，又可再对它修改，那么就叫可读写存储器。4.1.3选择存储器器件的考虑因素3.存储容量每个芯片中的存储单元的总数即存储容量。存储容量和芯片集成度有关，也和器件基本单元的工作原理和类型有关。内存条有8位数据宽度的30引线的SIMM（singleinlinememorymodule)、32位数据宽度的72引线的SIMM和64位数据宽度的168引线DIMM（dualinlinememorymodule)4.1.3选择存储器器件的考虑因素4.速度存储器的速度是用存储器访问时间来衡量的。访问时间就是指存储器接收到稳定的地址信号到完成操作的时间。访问时间的长短决定于许多因素，主要与制造器件的工艺有关。当前，半导体存储器主要用两大类工艺，一类是双极性的TTL技术，一类是金属氧化物半导体MOS技术，后者又分CMOS和HMOS等技术4.1.3选择存储器器件的考虑因素4.功耗在用电池供电的系统中，功耗是非常重要的问题。CMOS能够很好地满足低功耗要求。但CMOS能够很好地满足低功耗要求。但CMOS器件容量较小，并且速度慢。功耗和速度是成正比的。4.1.4随机存取存储器RAMRAM按其结构和工作原理分为静态RAM即SRAM（staticRAM)和动态RAM即DRAM（dynamicRAM)。SRAM速度快，不需要刷新，但片容量低，功耗大。DRAM片容量高，但需要刷新，否则其中的信息就会丢失。1.SRAM4.1.4随机存取存储器RAMSRAM保存信息的机制是基于双稳态触发器的工作原理，组成双稳态触发器的A、B两管中，A导通B截止时为1，反之，A截止B导通时为0。其内部基本电路中，用2个晶体管构成双稳态触发器，2个晶体管作为负载电路，还有2个晶体管用来控制双稳态触发器。缺点：容量小、功耗大优点：不需要刷新，简化了外部电路VCC(+5V)T3T2T1T4VCCT3T1T4T2X地址译码线ABD0D0T5T6T7T8(I/O)I/O接Y地址译码器AB(a)六管静态存储单元的原理示意图(b)六管基本存储电路2.DRAM（1）DRAM器件DRAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，它将晶体管结电容的充电状态和放电状态分别作为1和0。DRAM的基本单元电路简单，最简单的DRAM单元只需一个管子构成，这使DRAM器件的芯片容量很高，而且功耗低。但是由于电容会逐渐放电，所以对DRAM必须不断进行读出和再写入，以使泄放的电荷得到补充，也就是刷新。一次刷新过程实际上就是对存储器进行一次读取、放大和再写入。T1ESDESCD字选线数据线动态RAM基本存储单元它由一个MOS管T1和位于其栅极上的分布电容c构成。当栅极电容C上充有电荷时，表示该存储单元保存信息“1”。反之，当栅极电容上没有电荷时，表示该单元保存信息“0”。由于栅极电容上的充电与放电是两个对立的状态，因此，它可以作为一种基本的存储单元。写操作：字选择线为高电平，T1管导通，写信号通过位线存入电容C中读操作：字选择线仍为高电平，存储在电容C上的电荷，通过T1输出到数据线上，通过读出放大器，即可得到所保存的信息。动态RAM基本存储单元刷新：动态RAM存储单元实质上是依靠T1管栅极电容的充放电原理来保存信息的。时间一长，电容上所保存的电荷就会泄漏，造成了信息的丢失。因此，在动态RAM的使用过程中，必须及时地向保存“1”的那些存储单元补充电荷，以维持信息的存在。这一过程，就称为动态存储器的刷新操作Intel2164A是一种64K×1的动态RAM存储器芯片，它的基本存储单元就是采用单管存储电路，其它的典型芯片有Ietel21256/21464等。（2）动态RAM存储器芯片Intel2164A8位地址锁存器1/4I/O门输出缓冲器A0A1A2A3A4A5A6A7DOUTVDDVSS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RASCASWEDIN128×128存储矩阵1/128行译码器128×128存储矩阵128读出放大器1/2(1/128列译码器)128读出放大器128读出放大器128读出放大器1/2(1/128列译码器)128×128存储矩阵128×128存储矩阵1/128行译码器Intel2164A的内部结构存储体：64K×1的存储体由4个128×128的存储阵列构成；地址锁存器：由于Intel2164A采用双译码方式，故其16位地址信息要分两次送入芯片内部。