第五章 存储器

1、存储程序思想存储程序思想二进制表示二进制表示程序程序01011001程序与数据一样放在存储器中程序与数据一样放在存储器中存储器存储器数据数据 程序程序指令的自动执行指令的自动执行指令指令 i指令指令 i+1指令指令 i指令指令 i+1存储程序原理存储程序原理指令系统中指令的执行顺序：取指译指令系统中指令的执行顺序：取指译码指令的控制执行码指令的控制执行指令真正执行是从磁盘中取指令开始的指令真正执行是从磁盘中取指令开始的存储器存储器( (Memory/Storage)Memory：本意为本意为“记忆装置记忆装置”。多指存。多指存储器的整体储器的整体(包括：记录介质，有关电路包括：记录介质，有关电

2、路和其他部件和其他部件)Storage：本意本意为为“仓库仓库”。多指记录介。多指记录介质本身质本身( (包括：磁带、磁盘、磁卡、磁鼓、包括：磁带、磁盘、磁卡、磁鼓、存储矩阵存储矩阵) )本章的特点本章的特点内容繁杂、联系广泛内容繁杂、联系广泛涉及学科多涉及学科多: :电、磁、光、机械、自控、半导体电、磁、光、机械、自控、半导体涉及对象多涉及对象多: :电路、芯片、设备、系统电路、芯片、设备、系统涉及课程多涉及课程多: :物理、导论、电子技术、数字逻辑物理、导论、电子技术、数字逻辑名词术语、概念多名词术语、概念多设备器件更新变化快设备器件更新变化快新型芯片不断涌现、集成度越来越高新型芯片不断涌

3、现、集成度越来越高设备器件淘汰快设备器件淘汰快计算机专用设备不断推出计算机专用设备不断推出存储器的组织和工作原理存储器的组织和工作原理存储器的基本概念存储器的基本概念内存储器内存储器半导体存储器半导体存储器外存储器外存储器磁盘存储器、光盘存储器磁盘存储器、光盘存储器存储系统存储系统思路：存储位元思路：存储位元 存储单元存储单元 存储矩存储矩阵阵 存储芯片存储芯片 存储模块存储模块/ /存储体存储体 存存储器储器存储器的基本概念存储器的基本概念知识点：分类与性能指标知识点：分类与性能指标内存储器（内存储器（Internal Memory）亦称主存储器（亦称主存储器（Main Memory）。）。

4、内存内存比主存的内涵大比主存的内涵大，内存还包括，内存还包括Cache、接接口电路等口电路等知识点知识点 随机访问存储器随机访问存储器RAM (Random Access Memory) 只读存储器只读存储器ROM (Read Only Memory) 相联存储器相联存储器AM (Associative Memory)，亦称亦称按内容寻址存储器按内容寻址存储器CAM (Content Addressed Memory)外存储器（外存储器（External Memory）亦称辅助存储器（亦称辅助存储器（Auxiliary Memory）知识点知识点 磁表面存储器磁表面存储器MSM（Magneti

5、c Surface Memory）种类：硬盘、软盘种类：硬盘、软盘 光盘存储器光盘存储器ODM（Optical Disk Memory）VCD（Video Compact Disk）视频紧密盘视频紧密盘SVCD（Super VCD）超级视频紧密盘超级视频紧密盘 DVD（Digital Video/Versatile Disk）数字视盘数字视盘/数数字多功能盘字多功能盘存储系统（存储系统（Memory System）知识点知识点 并行主存系统并行主存系统的构成的构成 存储层次结构存储层次结构知识点知识点了解计算机中的存储器了解计算机中的存储器理解存储器的分类理解存储器的分类理解内存的主要技术指标

6、理解内存的主要技术指标重点重点掌握存储器的分类掌握存储器的分类掌握内存的主要技术指标掌握内存的主要技术指标处理、传输、存储是信息技术的三大基石处理、传输、存储是信息技术的三大基石容量问题和新摩尔定理容量问题和新摩尔定理 从现在起每从现在起每18个月，新增的存储量等于有史以来存个月，新增的存储量等于有史以来存储量之和储量之和! 1998年图灵奖获得者年图灵奖获得者Jim Gray存储系统的不断扩展特性：无限的容量需求存储系统的不断扩展特性：无限的容量需求和动态扩展需求和动态扩展需求n即使处理、传输能力固定不变，随着数据不断产即使处理、传输能力固定不变，随着数据不断产生，存储能力也需要动态单调递增

7、生，存储能力也需要动态单调递增 n处理和传输速度越高，数据容量增加的梯度就越处理和传输速度越高，数据容量增加的梯度就越高高 计算机硬件系统各部分中的存储器计算机硬件系统各部分中的存储器Register：具有寄存功能，通常不认为是具有寄存功能，通常不认为是存储器存储器CM：控制存储器控制存储器Cache：高速缓冲存储器高速缓冲存储器Main Memory：ROM、DRAM、 SRAMDisk、Tape 、ODMU盘盘(Flash Memory)其他具有数据存储功能的器件和设备其他具有数据存储功能的器件和设备存储器的层次结构存储器的层次结构n存储器的实现技术存储器的实现技术速度越快，位价格越高速度

8、越快，位价格越高容量越大，速度越慢；容量越大，速度越慢；只有容量做得大，位价只有容量做得大，位价格才能低格才能低 n实现实现“容量大、价格容量大、价格低低”的要求，需采用提的要求，需采用提供大容量的存储技术供大容量的存储技术n满足满足“速度快速度快”的要的要求，需采用昂贵且容量求，需采用昂贵且容量小的快速存储技术小的快速存储技术n对存储器的三个要求对存储器的三个要求是相互矛盾的是相互矛盾的主存储器在计算机的作用与地位主存储器在计算机的作用与地位 主存主存用于存放当前处于活动状态的程序和数用于存放当前处于活动状态的程序和数据，是据，是CPU可直接访问的存储器。要求其容可直接访问的存储器。要求其容

9、量足够大、速度尽量与量足够大、速度尽量与CPU匹配匹配是计算机自动运算和处理的关键部件之一是计算机自动运算和处理的关键部件之一 冯氏计算机须能存储程序，控制程序自动执行冯氏计算机须能存储程序，控制程序自动执行 无主存不能称为计算机，这是计算机无主存不能称为计算机，这是计算机(Computer)与计算器与计算器(Calculator)的主要区别之一的主要区别之一是计算机处理能力的象征之一是计算机处理能力的象征之一 指令的执行至少要访问一次存储器指令的执行至少要访问一次存储器 存取速度存取速度 解决问题的快慢、实时与否解决问题的快慢、实时与否 存储容量存储容量 解题能力，扩大应用领域解题能力，扩大

10、应用领域分类标准分类标准在计算机中的作用在计算机中的作用存储介质存储介质存储方式存储方式信息的可保存性信息的可保存性按存储器在计算机中的作用分按存储器在计算机中的作用分高速暂存存储器高速暂存存储器(Scratch-pad Storage) 亦称便笺式存储器，由寄存器构成亦称便笺式存储器，由寄存器构成 用来暂存即刻要执行的指令、马上要用的数用来暂存即刻要执行的指令、马上要用的数据或得到的处理结果，属于据或得到的处理结果，属于CPU的组成部分的组成部分高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache) 存放当前正在执行程序的部分程序段或数据，存放当前正在执行程序的部分程序段或数据，位于主存和位于主存和CP

11、U之间之间 速度速度O(ns)、容量容量O(KB) O(MB)主存储器主存储器 存放当前处于活动状态的程序和有关数据存放当前处于活动状态的程序和有关数据 速度速度O(ns)、容量容量O(MB) O(GB)按存储器在计算机中的作用分按存储器在计算机中的作用分辅助存储器辅助存储器 不能由不能由CPU的指令直接访问，必须通过专门的的指令直接访问，必须通过专门的程序或专门的通道把所需的信息与主存进行成程序或专门的通道把所需的信息与主存进行成批交换，调入主存后才能使用批交换，调入主存后才能使用 联机：速度联机：速度O(ms)、容量容量O(GB ) O(TB) 脱机：速度脱机：速度O(s)、容量容量O(海

12、量海量)其它功能的存储器其它功能的存储器 控存控存CM：存储微程序代码存储微程序代码 为加快处理而设置的表格存储器（倒数表、函为加快处理而设置的表格存储器（倒数表、函数表）数表） 显示输出设备中的字符库和数据缓冲存储器显示输出设备中的字符库和数据缓冲存储器（显存）（显存）按存储器的存储介质分按存储器的存储介质分存储介质特点存储介质特点仅有仅有两种稳定的物理状态两种稳定的物理状态方便地检测出属于哪种稳定状态方便地检测出属于哪种稳定状态两种稳定状态之间两种稳定状态之间容易相互转换容易相互转换半导体存储器（半导体存储器（SCM）速度快，用作内存速度快，用作内存记忆原理：双稳态触发器、电容（静态、动态

13、）记忆原理：双稳态触发器、电容（静态、动态）从集成电路类型的角度从集成电路类型的角度双极型晶体管（双极型晶体管（ECL、TTL、I2L）场效应管型场效应管型MOS （PMOS、NMOS、CMOS）按存储器的存储介质分按存储器的存储介质分磁表面存储器磁表面存储器MSM 用陶瓷、非磁性金属或塑料作载磁体，磁化后具有两用陶瓷、非磁性金属或塑料作载磁体，磁化后具有两种不同的剩磁状态记录信息种不同的剩磁状态记录信息“1”和和“0” 容量大、容量大、每位价格低每位价格低 ，用作外存，用作外存光盘存储器光盘存储器ODM 用有机玻璃作载磁体，磁化、晶态用有机玻璃作载磁体，磁化、晶态/非晶态非晶态 可靠性高，保

14、存时间长，容量大且易于更换可靠性高，保存时间长，容量大且易于更换 存储速度比硬盘低一个数量级存储速度比硬盘低一个数量级 铁电存储器铁电存储器FeM（FRAM） 铁电晶体的铁电效应铁电晶体的铁电效应，用两种极化状态表示信息，用两种极化状态表示信息“1”和和“0” 电压低电压低(读写功耗极低读写功耗极低)、存取速度快、可高密度集成、存取速度快、可高密度集成按存储器的存储按存储器的存储方式分方式分存储方式：访问存储单元的方法存储方式：访问存储单元的方法两个名词术语两个名词术语 存储位元：记录（存储）一位二进制信息的存储位元：记录（存储）一位二进制信息的存储介质区域或存储元器件存储介质区域或存储元器件

15、 存储单元：存储一个机器字或一个字节，且存储单元：存储一个机器字或一个字节，且具有唯一地址的存储场所具有唯一地址的存储场所从物理结构上看，若干个存储位元组成从物理结构上看，若干个存储位元组成一个存储单元一个存储单元例：例：某存储器为某存储器为164位位表示：表示：16个存储单元、每个存储单元有个存储单元、每个存储单元有4个个存储位元存储位元按存储器的存储按存储器的存储方式分方式分随机访问存储器（随机访问存储器（RAM）存储器的任意单元都可随时访问且访问所需时存储器的任意单元都可随时访问且访问所需时间都是相同的，速度快间都是相同的，速度快(ns)访问时间与存储单元所处的物理位置无关访问时间与存储

16、单元所处的物理位置无关只读存储器（只读存储器（ROM）正常工作时只读，能随机读出，不能随机写入正常工作时只读，能随机读出，不能随机写入MROM：只读只读PROM：一次写一次写可多次改写可多次改写ROM：EPROM、E2PROM按内容访问存储器（按内容访问存储器（CAM）：）：相联存储器相联存储器除随机存储外，还具有比较功能除随机存储外，还具有比较功能速度快速度快(ns)，价格高，价格高按存储器的存储方式分按存储器的存储方式分顺序顺序存储器（存储器（SAS） 信息以文件形式组织，一个文件包含若干个数信息以文件形式组织，一个文件包含若干个数据块，一个数据块包含若干字节据块，一个数据块包含若干字节

17、存储时以数据块为单位存储，存储时以数据块为单位存储，顺序地记录在存顺序地记录在存储介质上，储介质上，数据的存储时间与数据所处的物理数据的存储时间与数据所处的物理位置关系极大位置关系极大 速度慢速度慢(s)、容量大、成本低，用作后援外存容量大、成本低，用作后援外存 磁带、电荷耦合器件磁带、电荷耦合器件CCD、VCD直接存取存储器直接存取存储器DAS/DAM：RAMSAS 信息的组织同信息的组织同SAS，介于随机和介于随机和顺序顺序存取存取之间之间 对信息的存储分两步：先随机查找数据区域，对信息的存储分两步：先随机查找数据区域，找到后再顺序存取。速度慢找到后再顺序存取。速度慢(ms)。例：例：磁盘

18、磁盘按存储器中信息的可保存性分按存储器中信息的可保存性分断电后是否丢失数据断电后是否丢失数据 挥发性存储器挥发性存储器特点：断电后，信息即丢失。特点：断电后，信息即丢失。如：如：SRAM 非挥发性存储器非挥发性存储器(非易失性非易失性/永久性存储器永久性存储器)特点：断电后，信息不丢失。特点：断电后，信息不丢失。如：如：ROM、磁盘磁盘读出后是否保持数据读出后是否保持数据 破坏性存储器破坏性存储器特点：读出时，原存信息被破坏，需重写。特点：读出时，原存信息被破坏，需重写。如：如：DRAM 非破坏性存储器非破坏性存储器特点：读出时，原存信息不被破坏。特点：读出时，原存信息不被破坏。如：如：SRA

19、M性能指标性能指标存储容量存储容量存取时间存取时间MAT(TA)与存储周期与存储周期MCT(TM)存储带宽存储带宽可靠性可靠性功耗与集成度功耗与集成度性能价格比性能价格比存取宽度存取宽度（1）存储容量）存储容量内存所能容纳的二进制位（内存所能容纳的二进制位（bit）个数的个数的总和，即构成内存的存储位元的总和总和，即构成内存的存储位元的总和常用单位：常用单位：B、KB、MB、GB、TB存储容量存储容量=存储单元个数每个存储单元存储单元个数每个存储单元的存储位元个数的存储位元个数一般地，内存的存储容量越大越好一般地，内存的存储容量越大越好（2）存取时间）存取时间TA与存储周期与存储周期TM（单位

20、：单位：ns）TA：启动一次存储器操作到完成该操作所用时间启动一次存储器操作到完成该操作所用时间 写：从启动到将写：从启动到将MBR内容写入指定存储单元的时间内容写入指定存储单元的时间 读：从启动读命令到读出的数据送读：从启动读命令到读出的数据送MBR所需的时间所需的时间 亦称访问时间，亦称访问时间，是反映存储器速度的指标，决定了是反映存储器速度的指标，决定了CPU发出读发出读/写命令后必须等待的时间写命令后必须等待的时间TM：连续两次启动同一存储器进行存取操作所需连续两次启动同一存储器进行存取操作所需的最小时间间隔，的最小时间间隔，亦称存取周期或访问周期亦称存取周期或访问周期 两次启动包括：

21、两次读，两次写，一次读或一次写两次启动包括：两次读，两次写，一次读或一次写TATM ：TA、TM的差别依赖于存储信息的器件的差别依赖于存储信息的器件和电路，存储介质和控制线路需要恢复时间和电路，存储介质和控制线路需要恢复时间 破坏性读出须重写；非破坏性读出时，不须重写破坏性读出须重写；非破坏性读出时，不须重写（3） 存储带宽存储带宽n每秒传输最大数据量（每秒传输最大数据量（位位/秒秒）改善机器瓶颈的一个关键因素改善机器瓶颈的一个关键因素例：例：存取周期存取周期 为为500ns，每个存取周期每个存取周期 可访可访问问16位，则带宽为位，则带宽为 32M位位/秒秒（4）可靠性）可靠性n用用MTBF

22、来衡量主存的可靠性来衡量主存的可靠性n MTBF表示两次故障之间的平均时间间隔表示两次故障之间的平均时间间隔n采用纠错编码技术进行容错处理采用纠错编码技术进行容错处理例：例：银河银河-2 ，CPU字长字长64位、存储器字长位、存储器字长72位，位，采用海明码采用海明码“纠纠1检检2”，提高主存可靠性，提高主存可靠性 （5）功耗和集成度）功耗和集成度功耗（功耗（Power Loss）：反映存储器件耗）：反映存储器件耗电多少（单位：电多少（单位：mw/片、片、w/存储器）存储器） 维持功耗：保持时功耗维持功耗：保持时功耗(几百几百几十几十mw/片片) 工作功耗：读写时功耗工作功耗：读写时功耗(50

23、01500mw/片片)集成度（集成度（Integration Level）：标识单个：标识单个存储芯片的存储容量存储芯片的存储容量（6 6）性能价格比）性能价格比综合性指标综合性指标更高的容量、速度，更低的位价格：性能更高的容量、速度，更低的位价格：性能价格比越高越好！价格比越高越好！通常采用层次存储器技术才能实现！通常采用层次存储器技术才能实现！（7 7）存取宽度，又称存储总线宽度）存取宽度，又称存储总线宽度一次访存操作可存取的数据位数或字节数一次访存操作可存取的数据位数或字节数存取宽度由编址方式决定存取宽度由编址方式决定例：例：银河银河-1的存取宽度是的存取宽度是64位位1. 海量存储系统

24、结构研究处于探索与试海量存储系统结构研究处于探索与试验阶段验阶段n 确保系统计算、通信、存储能力的均衡确保系统计算、通信、存储能力的均衡匹配是海量存储系统结构研究的目标匹配是海量存储系统结构研究的目标 n 正在研究和探索正在研究和探索PB量级新型多层次存储量级新型多层次存储组织结构、混合式共享存储结构等组织结构、混合式共享存储结构等 n 如何将不同厂商的各种存储资源无缝整如何将不同厂商的各种存储资源无缝整合成统一的存储资源，实现数据快速透合成统一的存储资源，实现数据快速透明访问和无隙共享是存储体系结构研究明访问和无隙共享是存储体系结构研究的重点的重点 2.2. 新型存储介质不断涌现，给高性能海

25、新型存储介质不断涌现，给高性能海量存储系统研究带来新思路和新机遇量存储系统研究带来新思路和新机遇n目前硬盘仍是最重要的大容量存储设备。目前硬盘仍是最重要的大容量存储设备。自自50年代由年代由IBM发明以来密度增加了一发明以来密度增加了一百倍；最近的密度超过百倍；最近的密度超过100Gb/in2n但受超顺磁效应和机械转速的限制，磁但受超顺磁效应和机械转速的限制，磁介质存储密度和磁盘访问速度的提升已介质存储密度和磁盘访问速度的提升已很困难很困难 3.3.多种新型存储产品正处于不同的试验和商业多种新型存储产品正处于不同的试验和商业化阶段化阶段 n磁阻磁阻RAM(MRAM) 应用：手机、移动设备、应用

26、：手机、移动设备、PC等数字产品的存储器的潜在替代产品等数字产品的存储器的潜在替代产品 n非易失铁电随机存储器（非易失铁电随机存储器（FeRAM）n相变内存相变内存(OUM)n铁电铁电RAM(FRAM) 应用：机顶盒、汽车电子、应用：机顶盒、汽车电子、三表收费、考勤门禁、商业收款等，容量小三表收费、考勤门禁、商业收款等，容量小n纳米管纳米管RAM(NRAM) n分子存储器分子存储器nMEMS(微电子机械系统微电子机械系统)存储器等存储器等 存储器分类存储器分类1. 按存储介质分类按存储介质分类(1) 半导体存储器半导体存储器(2) 磁表面存储器磁表面存储器(3) 光盘存储器光盘存储器(4) 铁

27、电存储器铁电存储器易失易失TTL 、MOS磁头、载磁体磁头、载磁体激光、磁光材料激光、磁光材料铁电晶体、铁电薄膜铁电晶体、铁电薄膜非非易易失失(1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）存取时间与物理地址无关（随机访问） 顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带2. 按存取方式分类按存取方式分类(2) 存取时间与物理地址有关（串行访问）存取时间与物理地址有关（串行访问） 随机存储器随机存储器 只读存储器只读存储器 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只读只读磁盘磁盘 磁带磁带 光盘光盘 高速缓冲存储

28、器高速缓冲存储器（Cache）Flash Memory存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类内存储器性能指标内存储器性能指标1. 存储容量存储容量2. 存取时间存取时间MAT(TA)与存储周期与存储周期MCT(TM)3. 存储带宽存储带宽4. 可靠性可靠性5. 功耗与集成度功耗与集成度6. 性能价格比性能价格比7. 存取宽度存取宽度知识点知识点理解内存储器的概述理解内存储器的概述理解内存储器的基本组成及工作过程理解内存储器的基本组成及工作过程了解随机访问

29、存储器了解随机访问存储器RAM了解了解RAM存储芯片存储芯片了解只读存储器了解只读存储器ROM重点重点掌握内存储器的选址方式、存储原理掌握内存储器的选址方式、存储原理1. 主存和主存和 CPU 的联系的联系MBRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址总线地址总线写写 高位字节高位字节 地址为字地址地址为字地址 低位字节低位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 24 根根按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 16 位位按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 32 位位字地址字地址字节地址字节地址11109876543210840字节地址字节地址字地址字地址

30、4523014202. 主存的存储单元地址分配主存的存储单元地址分配224 = 16 M8 M4 MIBM370PDP-111、基本组成基本组成存储存储矩阵矩阵MM选址系统选址系统读写系统读写系统时序控制线路时序控制线路芯片容量芯片容量1K 4位位16K 1位位8K 8位位地址线地址线 数据线数据线104141138存储矩阵存储矩阵MM亦称存储体、存储阵列，存储器的核心亦称存储体、存储阵列，存储器的核心组成：由存储单元构成组成：由存储单元构成功能：信息驻在地，即存储信息的基体功能：信息驻在地，即存储信息的基体选址系统选址系统组成：地址寄存器组成：地址寄存器MAR、地址译码器地址译码器、地址驱动

31、器地址驱动器功能：寄存、译码地址，功能：寄存、译码地址，找到被访问的找到被访问的存储单元存储单元并驱动该单元以便实现读写并驱动该单元以便实现读写读写系统读写系统组成：组成：存储缓冲寄存器存储缓冲寄存器MBR ，写入线路，写入线路，读出线路读出线路功能：实现读出、写入，或重写功能：实现读出、写入，或重写(破坏性破坏性读出）读出）时序控制线路时序控制线路组成：控制触发器，门电路，延迟电路组成：控制触发器，门电路，延迟电路功能：功能：产生一系列时序信号控制内存储产生一系列时序信号控制内存储器完成读写等操作器完成读写等操作 2、存储矩阵与选址、存储矩阵与选址如何找到存储单元？如何找到存储单元？选址是关

32、键部件选址是关键部件译码方法直接影响到存储器的组织与结构译码方法直接影响到存储器的组织与结构选址方法选址方法线选法二维存储矩阵线选法二维存储矩阵重合法三维存储矩阵重合法三维存储矩阵0,015,015,70,7 读读/ /写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读 / / 写选通写选通A3A2A1A02、存储矩阵与选址、存储矩阵与选址 (1) 线选法线选法00000,00,7007D07D 读读 / / 写写选通选通A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A

33、9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/ /写写2、存储矩阵与选址存储矩阵与选址(2) 重合法重合法00000000000,031,00,31I/OD0,0读读两种两种选址选址方法比较方法比较线选法的选择线较多，重合法的选择线相对较少线选法的选择线较多，重合法的选择线相对较少线选法需要一次译码，重合法需要两次译码线选法需要一次译码，重合法需要两次译码线选法适合于容量较小的存储器，重合法适用于线选法适合于容量较小的存储器，重合法适用于容量较大的存储器容量较大的存储器线选法的负载轻线选法的负载轻( (字线上的负载为字长个位元字线上的负载为字长个位元) )，对，对位元电路、驱动器要求都不

34、高，速度快位元电路、驱动器要求都不高，速度快重合法每个存储单元需要的控制信号增加，字线重合法每个存储单元需要的控制信号增加，字线上的负载较大，需要增加选择线的负载驱动能力。上的负载较大，需要增加选择线的负载驱动能力。对位元电路、驱动器要求较高，速度较慢对位元电路、驱动器要求较高，速度较慢存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用用用 16K 1位位 的存储芯片组成的存储芯片组成 64K 8位位 的存储器的存储器 32片片当地址为当地址为 65 535 时，此时，此 8 片的片选有效片的片选有效 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位3、读操作过程读

35、操作过程送地址送地址控制器通过地址总线将地址送控制器通过地址总线将地址送MAR发读命令发读命令控制器通过控制总线将控制器通过控制总线将“读存储器读存储器”信号信号R送时送时序控制线路序控制线路从存储器读出数据从存储器读出数据时序控制线路依信号时序控制线路依信号R产生一系列存储器的内部产生一系列存储器的内部控制信号。控制信号。MAR中的地址经地址译码器选中并中的地址经地址译码器选中并驱动存储矩阵中的某一个存储单元，读出该单驱动存储矩阵中的某一个存储单元，读出该单元中所有存储位元的信息，送元中所有存储位元的信息，送MBR4、写操作过程写操作过程送地址送地址控制器通过地址总线将地址送控制器通过地址总

36、线将地址送MAR送数据送数据将要写入存储矩阵中的信息经数据总线送将要写入存储矩阵中的信息经数据总线送MBR 发写命令发写命令控制器通过控制总线将控制器通过控制总线将“写存储器写存储器”信号信号W送时序送时序控制线路控制线路将数据写入存储器将数据写入存储器时序控制线路依信号时序控制线路依信号W产生一系列存储器的内部控产生一系列存储器的内部控制信号。制信号。MAR中的地址经地址译码器选中并驱动中的地址经地址译码器选中并驱动存储矩阵中的某一存储单元，将存储矩阵中的某一存储单元，将MBR中的数据写中的数据写入被选中存储单元的各存储位元中入被选中存储单元的各存储位元中存储矩阵由若干存储单元构成存储矩阵由

37、若干存储单元构成每个存储单元由多个存储位元构成每个存储单元由多个存储位元构成一个存储单元对应唯一的物理地址一个存储单元对应唯一的物理地址一个存储单元包含的存储位元个数是一个存储单元包含的存储位元个数是字节的整数倍，通常称为计算机字长字节的整数倍，通常称为计算机字长半导体半导体RAM存储位元电路存储位元电路记忆原理记忆原理 触发器：互补的两个状态触发器：互补的两个状态 电容：充放电电容：充放电 晶体管：导通与截止晶体管：导通与截止位元电路与存储器位元电路与存储器 存储位元存储位元 存储单元存储单元 存储矩阵存储矩阵 存储芯存储芯片片( (译码、驱动、读译码、驱动、读/ /写电路写电路) ) 存储

38、模块存储模块( (内内存条存条) ) 存储器存储器 RAM位元电路位元电路原理：触发器和电容原理：触发器和电容 要求：具体工作原理一般了解要求：具体工作原理一般了解介绍介绍 双极型存储位元电路双极型存储位元电路 BiRAM MOS静态存储位元电路静态存储位元电路 SRAM MOS动态存储位元电路动态存储位元电路 DRAM双极型存储位元电路双极型存储位元电路双稳态触发器结构双稳态触发器结构利用抗饱和肖特基二利用抗饱和肖特基二极管（压降极管（压降0.4伏）的伏）的变阻抗特性改变触发变阻抗特性改变触发器集电极负载阻抗器集电极负载阻抗两个三极管的一个发两个三极管的一个发射极接维持恒流源射极接维持恒流源

39、（100A）假定假定 T1通、通、T2止表示存止表示存“1” T2通、通、T1止表示存止表示存“0”保持保持: X：-1.7V； D 、D：-1.9V； Q：-2.7V要写信息要写信息 D XD1 D2QT1 T2写写”1”-1.5V -2.4V-0.8V通通 通通通通 止止写写”0”2.4V -1.5V-0.8V通通 通通止止 通通D写入：写入：读出读出: D : -1.9V X : 脉冲脉冲-1.7V跳至跳至-0.8V D结果：结果： D : 有电流流出读出有电流流出读出“0” : 有电流流出读出有电流流出读出“1”D静态静态( (动态动态) )存储位元电路存储位元电路当没有外界信号作用时

40、，可以当没有外界信号作用时，可以( (不能不能) )长久长久保持其所处的保持其所处的稳定状态稳定状态MOS静态存储静态存储位元电路位元电路静态静态互补位元电路互补位元电路 静态静态 RAM 基本电路基本电路A 触发器非端触发器非端1T2 T6TT5 5触发器触发器3TT4、行开关行开关7TT8、列开关列开关7TT8、一列共用一列共用A 触发器原端触发器原端T1 T5 T2 T6T T3 3T T4 4T T7 7T T8 8A A A A写放大器写放大器写放大器写放大器DDININ写选择写选择读选择读选择DDOUTOUT读放读放位线位线A A位线位线A A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址

41、选择A T3T4T7T8A写放大器写放大器写放大器写放大器DIN写选择写选择读选择读选择读放读放位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择DOUT 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 读读 操作操作 行选行选 T3、T4 开开T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT4T8DOUTT1 T5 T2 T6 T3T4T7T8A ADIN位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择写放写放写放写放读放读放DOUT写选择写选择读选择读选择 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 写写 操作操作 行选行选T3、T4 开开 两个写放两个写放 DIN列选列选T7

42、、T8 开开（左）（左） 反相反相T3A （右）（右） T8T4ADINDINT7T1 T5 T2 T6静态存储位元电路的特点静态存储位元电路的特点优点优点 存取速度快存取速度快 非破坏性读出非破坏性读出 只要供电，信息则长久保持，不需刷新只要供电，信息则长久保持，不需刷新缺点缺点 功耗较大，尤其是双极型存储位元电路功耗较大，尤其是双极型存储位元电路 所用元器件多，集成度低所用元器件多，集成度低动态存储位元电路动态存储位元电路利用利用MOS晶体管极电容晶体管极电容(或或MOS电容电容)上上充积的电荷来存储信息充积的电荷来存储信息刷新刷新 由于有漏电阻存在，电容上的电荷不可能长由于有漏电阻存在，

43、电容上的电荷不可能长久保存，需要周期性地对电容进行充电，以久保存，需要周期性地对电容进行充电，以补充泄漏的电荷补充泄漏的电荷动态存储位元电路克服了静态存储位元动态存储位元电路克服了静态存储位元电路的缺点，使电路的缺点，使MOS器件的优点更得以器件的优点更得以发挥发挥DD预充电信号预充电信号读选择线读选择线写数据线写数据线写选择线写选择线读数据线读数据线VCgT4T3T2T11 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路读出与原存信息相反读出与原存信息相反读出时数据线有电流读出时数据线有电流 为为 “1”数据线数据线CsT字线字线DDV0 1011 0写入与输入信息相同写入与输入信息相同写入时写

44、入时CS充电充电 为为 “1”、放电、放电 为为 “0”T无电流无电流有电流有电流三管式三管式单管式单管式SCW(字线字线)GD(位线位线)DVDL 动态存储位元表示动态存储位元表示 C上有电荷表示上有电荷表示“1” C上无电荷表示上无电荷表示“0” 为什么要刷新为什么要刷新 保持信息时，字线保持信息时，字线W为低电平，为低电平，MOS管管T闭锁，若闭锁，若C上有电荷，上有电荷，则能保持信息则能保持信息“1”一段时间。一段时间。但随着时间的增长，因但随着时间的增长，因T漏电，漏电，C上的电荷泄漏，故须定时补充上的电荷泄漏，故须定时补充电荷，即刷新电荷，即刷新 读出破坏原信号、需要恢复读出破坏原

45、信号、需要恢复构成构成DRAM工作原理工作原理保持保持电容上是否有电荷表示存储的信息电容上是否有电荷表示存储的信息漏电不能长久保存信息、需要刷新漏电不能长久保存信息、需要刷新写入写入W选通打开选通打开T、电荷充电荷充/放电放电W 结束结束T关闭、写入的信息以电荷形式保存在电容上关闭、写入的信息以电荷形式保存在电容上读出读出预充电、预充电、W选通打开选通打开T、放大放大D上的信号上的信号W 结束结束T关闭、破坏原信号、需要恢复（刷新）关闭、破坏原信号、需要恢复（刷新）对数据线对数据线D预充电的原因预充电的原因提高读出的灵敏度，避免对提高读出的灵敏度，避免对“1”的读出时间过长的读出时间过长特点特

46、点破坏性读出，读后需恢复信息破坏性读出，读后需恢复信息需对需对D预充电，故速度较慢预充电，故速度较慢相对静态存储位元电路相对静态存储位元电路 功耗小（简单）功耗小（简单） 集成度高集成度高1.BiRAM(Bipolar RAM) 双极型双极型RAM存储位元电路与双极型外围电路配合存储位元电路与双极型外围电路配合构成的随机存取存储器称为双极型随机存取存储器构成的随机存取存储器称为双极型随机存取存储器2. SRAM(Static RAM) MOS型静态型静态RAM存储位元电路与存储位元电路与MOS型或双极型或双极型外围电路配合构成的随机存取存储器称为静态随机型外围电路配合构成的随机存取存储器称为静

47、态随机存取存储器存取存储器3. DRAM(Dynamic RAM) MOS型动态型动态RAM存储位元电路与存储位元电路与MOS型外围电型外围电路配合构成随机存取存储器称为动态随机存取存储器路配合构成随机存取存储器称为动态随机存取存储器 应用场合应用场合BiRAM读写速度快多用作高速缓冲存储器读写速度快多用作高速缓冲存储器CacheDRAM功耗极小且集成度高多用作为主存功耗极小且集成度高多用作为主存SRAM在计算机中可作在计算机中可作Cache，也可作为主存也可作为主存 特点特点BiRAM特点特点:速度快，功耗大，芯片集成度低。速度快，功耗大，芯片集成度低。非破坏性读出的挥发性存储器非破坏性读出

48、的挥发性存储器DRAM特点特点:速度慢，功耗小，芯片集成度高速度慢，功耗小，芯片集成度高。破破坏性读出的挥发性存储器坏性读出的挥发性存储器SRAM特点特点:速度速度、功耗和芯片集成度处于功耗和芯片集成度处于BIRAM与与DRAM之间之间。非破坏性读出的挥发性存储器非破坏性读出的挥发性存储器各种类型的存储位元电路的比较各种类型的存储位元电路的比较记忆原理：主要是触发器和电容型位记忆原理：主要是触发器和电容型位元电路元电路保持信号的电气要求：是否需要恒流保持信号的电气要求：是否需要恒流源，是否需要刷新源，是否需要刷新位元电路的器件量：位元电路的器件量：6管静态管静态MOS位元位元电路，单管动态电路

49、，单管动态MOS位元电路位元电路 DRAMSRAM存储原理存储原理集成度集成度芯片引脚芯片引脚功耗功耗价格价格速度速度刷新刷新电容电容触发器触发器高高低低少少多多小（小（1/6）大大低低高高慢慢快快有有无无主存主存缓存缓存知识点知识点常用引脚，要求记忆常用引脚，要求记忆熟练掌握熟练掌握BiRAM、SRAM和和DRAM芯片芯片的特点的特点 由位元电路带来的优缺点由位元电路带来的优缺点 地址引脚、数据引脚的复用问题地址引脚、数据引脚的复用问题了解新型了解新型RAM芯片芯片存储芯片是将一定数量的存储位元组成存储芯片是将一定数量的存储位元组成的存储矩阵连同与之对应的选地、读写的存储矩阵连同与之对应的选

50、地、读写等系统集成在一个硅片上等系统集成在一个硅片上使用不同种类的存储位元，构造不同种使用不同种类的存储位元，构造不同种类的存储芯片类的存储芯片采用双极型采用双极型RAM存储位元存储位元，构造构造BiRAM存存储储芯片芯片采用采用MOS型型静态静态RAM存储位元存储位元，构造构造SRAM存储存储芯片芯片采用采用MOS型型动态动态RAM存储位元存储位元，构造构造DRAM存储存储芯片芯片存储芯片封装存储芯片封装DIP (Dual Inline Package ) 双列直插式封装双列直插式封装QFP (Quad Flat Package) 四方扁平封装四方扁平封装SIMM (Single Inlin

51、e Memory Module ) 单列直插内存模块单列直插内存模块DIMM (Double Inline Memory Module ) 双列直插内存模块双列直插内存模块存储芯片的基本输入输出引脚存储芯片的基本输入输出引脚 地址端引脚：地址端引脚：Ai 通常下标大者为高位通常下标大者为高位 数据输入端引脚：数据输入端引脚：D、I、DI或或Din 数据输出端引脚：数据输出端引脚：Q、O、QO或或Dout 双向数据端引脚：双向数据端引脚：DQ、IQ、IO 写使能端写使能端/读写控制端引脚：读写控制端引脚： 输出使能端引脚：输出使能端引脚： 或或 片选端引脚：片选端引脚： 控制芯片工作的信号控制芯

52、片工作的信号 片使能端引脚：片使能端引脚： 芯片是否进入有效操作芯片是否进入有效操作 行选控制端引脚行选控制端引脚: 控制行地址控制行地址,DRAM芯片特有的引脚芯片特有的引脚 列选控制端引脚列选控制端引脚: 控制列地址控制列地址,DRAM芯片特有的引脚芯片特有的引脚 电源端和接地端引脚电源端和接地端引脚: Vcc、 VEE 、 VDD和和GND 、 VSS 其它引脚：其它引脚： NC、T/TF、 、WE或或W或或WR/OEGCSCERASCASPGMF读出逻辑：读出逻辑：CS=0,OE=0,WE=1写入逻辑写入逻辑:CS=0,OE=1,WE=0高阻：高阻：CS1 静态静态 RAM 芯片举例芯

53、片举例（1） Intel 2114 外特性外特性基本单元电路由六个基本单元电路由六个MOS管组成管组成存储容量存储容量1K4位位.I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel 2114A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读15031

54、1647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/

55、O4WECS0000000000150311647326348 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电

56、路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0163248CSWE （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECSCSWE

57、15031164732634801632480000000000 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE1503116473263480163248 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组15031

58、1647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路1503116473263480163248I/O1I/O2I/O3I/O4 （2） Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读 (3) 静态静态 RAM 读读 时序时序 tAtCOtOHAtOTDtRCACSDOUT地址有效地址有效地址失效地址失效片选失效片选失效数据有效数据有效

59、数据稳定数据稳定高阻高阻片选有效片选有效读周期读周期 tRC ：地址有效地址有效 下一地址有效下一地址有效读时间读时间 tA ： 地址有效地址有效数据稳定数据稳定 tCO 片选有效片选有效数据稳定数据稳定tOTD 片选失效片选失效输出高阻输出高阻tOHA 地址失效后的地址失效后的数据维持时间数据维持时间双极型双极型RAM存储芯片（存储芯片（BiRAM）例：例：F100474 1K4位：位：ECL RAM芯片芯片 参见图参见图5.8特点特点速度快：最快速度快：最快3ns、最慢最慢 30ns位功耗大：工作功耗一般为位功耗大：工作功耗一般为0.2mW/位位集成度低：最大集成度集成度低：最大集成度64

60、Kb/片片非破坏性读出，通常陶瓷封装非破坏性读出，通常陶瓷封装地址引脚不复用：芯片需多少位地址码，地址引脚不复用：芯片需多少位地址码，则有多少个地址引脚则有多少个地址引脚数据引脚也不复用：一位数据需要数据引脚也不复用：一位数据需要2个引个引脚，一个引脚作数据输入用，一个引脚作脚，一个引脚作数据输入用，一个引脚作数据输出用（目的：为了数据输出用（目的：为了BiRAM的速度）的速度） MOS型型RAM存储芯片存储芯片 SRAM(Static Random Access Memory) BiCMOS RAM(Bipolar CMOS RAM) DRAM(Dynamic Random Access M