3.存储器

Memory overview

一.Categories

1.存储介质（storage media）进行分类

1. Semiconductor（半导体） Memory ：TTL，MOS \(\leftarrow volatile\)
2. 磁表面存储器：磁头、载磁体
3. 磁芯存储器：硬磁材料、环状原件
4. 光盘存储器：激光，磁光材料

2.存取方式分类

1. 存取时间和物理地址没有关系（随机访问）
   • 随机存储器 程序执行过程可读可写
   • 只读存储器 程序执行过程中只可读
2. 存取时间和物理地址有关（串行访问）
   • 顺序存取存储器 磁带
   • 直接存取存储器 磁盘

3.按计算机作用分类

1. 主存储器

   • RAM

     静态Sram

     动态Dram

   • ROM

     MROM

     PROM

     EPROM

     EEPROM

2. flash memory（半导体存储器）

3. 高速缓冲存储器（cache）通常用静态ram来做

4. 辅存储器：磁盘磁带光盘

二.存储器的层次结构

存储体系：寄存器 缓存 主存 辅存。磁盘光盘磁带

• 寄存器分为体系结构寄存器（不透明）和非体系结构寄存器（透明）对程序员

程序局部性原理，时间空间局部性原理 cpu和缓存提高速度

1.缓存和主存层次 （速度，硬件连接）

• 主存储器
• 实地址
• 物理地址

2.主存和辅存层次（容量，软硬件结合方式）

• 虚拟存储器
• 虚地址
• 逻辑地址

主存储器

主存的基本组成

主存和cpu联系

主存中存储单元的地址分配

12345678H如何存储

大端大尾方式

小端小尾方式

设地址线24根

按字节寻址 \(2^{24}B=16MB\)

按字寻址

• 16bit字长 \(16MB/(16/8)B=8MW\) w=16bit
• 32bit字长\(16MB/(32/8)=4MW\) w=32bit

主存的技术指标：

存储容量 ：存放二进制代码的总位数

存储速度：

• 存取周期：连续两次独立的存储器操作（读或写）所需要的最小时间间隔

• 存取时间：存储器的访问时间

  1. 读出时间
  2. 写入时间

• 存取时间比存取周期要短

  \(存取周期=存取时间+等待时间\)

主存储器——半导体芯片

半导体存储芯片基本结构

存储容量计算：

10根地址线，8根数据线

\(2^{10}\times8bit=1K\times8bit=1KB\)

片选线:

\(\overline{CE}或者\overline{CS}\)

读写控制线:

\(\overline{WE}低电平写\)

\(\overline{OE}低电平允许读\)

存储芯片片选线作用：

将是 \(16k\times 1bit\)的存储芯片组成 \(64k\times8bit\)的存储器

将8个芯片的片选线连接在一起成为一组，可以同时读写操作

则为\(16k\times8bit\)

使用6组芯片组

则为 \(64k\times8bit\)

地址65536时，第8组的片选线有效

半导体存储芯片译码驱动方式

1.线选法

2.重合法

随机存取存储器（RAM）

SRAM（静态ram）

通过双稳态触发器来保存0，1

6管SRAM的单元电路

单元电路读操作

\(行选\rightarrow T5,T6开\)

\(列选\rightarrow T7,T8开\)

读选择有效

\(V_A\rightarrow T6\rightarrow T8\rightarrow 读放\rightarrow D_{OUT}\)

单元电路写操作

\(行选\rightarrow T5,T6开\)

\(列选\rightarrow T7,T8开\)

写选择有效

\(D_{in}两个写放\)

\(D_{in}\rightarrow T8\rightarrow T6\rightarrow A\)

\(D_{in}\rightarrow 反相\rightarrow T7\rightarrow T5\rightarrow A'\)

Sram典型芯片Intel 2114

外特性

存储容量为\(1k\times 4\)

通过重合法实现

4k容量= \(2^{12}=64^2\)所以存储矩阵为 \(64\times 64\)

需要6根行地址线

需要4根列地址线 \(因为需要实现一次四列，64列分成4组，16列一组，则需要4根地址线\)

也就是\(12-log_24\)

DRAM（动态ram）

dram单元电路

• 三管dram

  

• 单管dram

  

DRAM典型芯片

1. 三管 （intel 1103）

   

2. 单管 4116 \(16k\times1bit\)

   \(16k\times 1bit=2^{14}按理说需要14根地址线由于bus\; multiplexing 所以只需要7根地址线\)

   外特性 \(\overline{CAS},\overline{RAS},\overline{WE}\)

   

   4116读原理

   

   这里的读放大器相当于跷跷板电路两头0，1相反

   4116 写原理

   

   Dram刷新原理

   刷新和行有关Row-Based Refresh

   1. 集中刷新 Concentrated Refresh

      设存取周期为 \(0.5\mu s\)

      \(128\times128\)矩阵为例

      

      “死区 dead zone” 为 \(0.5\mu s\times128=64\mu s\)

      “死时间率”为128/4000=3.2%

   2. 分散刷新Distributed refresh

      设存取周期为 \(0.5\mu s\)

      \(128\times128\)矩阵为例

      

   3. 异步刷新Asynchronous refresh

      设存取周期为 \(0.5\mu s\)

      \(128\times128\)矩阵为例

      

SRAM和DRAM比较

	Dram（MM）	Sram（Cache）
存储原理	电容capacitor	触发器flip flop
集成度	高	低
芯片引脚	少	多
功耗	低	高
价格	低	高
速度	慢	快
刷新	需要刷新	不需要