《存储器相关概念》课件

存储器相关概念存储器是计算机系统中非常重要的硬件组件。它用于存储程序指令和数据,以供处理单元临时使用或长期保存。掌握存储器的基本概念对于理解和设计计算机系统至关重要。存储器的分类按存取方式分类存储器按照访问方式可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。按存储介质分类存储器可分为半导体存储器、磁性存储器和光学存储器等。按易失性分类存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。存储器的特性1容量大小存储器的容量从KB级到现在的TB级，容量越来越大。2读写速度存储器的读写速度越来越快，从毫秒到纳秒级别。3能耗低存储器的功耗越来越低，电子集成度越来越高。4价格便宜存储器的单位成本一直在下降，价格越来越便宜。随机存取存储器(RAM)定义随机存取存储器(RAM)是计算机中主要的内部存储器,可以直接读取和写入数据,是运行程序和处理数据的主要存储空间。功能RAM用于临时存储正在使用的程序和数据,支持快速的数据读写,以满足CPU的高速运算需求。特点可读可写断电后数据丢失存储容量有限存取速度较快RAM的分类静态RAM(SRAM)可快速读写,适用于缓存和高速缓存。无需定期刷新,但占用更多芯片面积。动态RAM(DRAM)结构简单,集成度高,价格低廉。需要定期刷新以保持数据,适用于主内存。同步RAM(SDRAM)与系统时钟同步工作,提高了内存访问速度。广泛应用于个人电脑和服务器。动态随机存取存储器(DRAM)基本原理DRAM使用电容器储存数据,需要定期刷新以防止数据丢失。相比SRAM,DRAM拥有更高的存储密度和较低的功耗。主要特点DRAM通过刷新电路维持数据,访问速度较慢但价格便宜。广泛应用于个人电脑、手机等需要大容量存储的设备。工作机制DRAM通过控制电容器充放电来读写数据。需要周期性刷新电容器以防止数据丢失,这是DRAM的核心特点。静态随机存取存储器(SRAM)基于晶体管的存储器SRAM采用高密度的微型晶体管电路进行数据存储,无需刷新即可保持数据。读取速度快SRAM的读写速度非常快,适用于需要高速访问的场景。功耗较低SRAM在不读写时仅需要很少的维持功率,功耗较低。成本较高SRAM的制造工艺较为复杂,单位成本较高。只读存储器(ROM)定义ROM是一种只能读取的非易失性存储器,数据一旦被写入就无法被删除或修改。特点ROM具有高存储密度、价格低廉、访问时间短等优点,广泛应用于需要保存永久性数据的电子设备中。分类常见的ROM类型包括掩蔽ROM、可编程ROM、可擦除可编程ROM等。ROM的分类掩蔽型ROM(MaskROM)由制造商在生产过程中一次性写入的只读存储器,内容不可更改。制造成本较低,适用于大批量生产的情况。可编程只读存储器(PROM)由用户用专用编程设备一次性编程的只读存储器,内容可永久保存。可提供更灵活的应用,但编程成本较高。可擦除可编程只读存储器(EPROM)可通过紫外线擦除内容并重新编程的只读存储器,可重复使用。提供更高的灵活性,但需要专用的擦除设备。电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)可通过电信号擦除内容并重新编程的只读存储器,可重复使用。不需要专用的擦除设备,操作更加简单方便。掩蔽型ROM(MaskROM)简介掩蔽型ROM是一种在制造过程中利用掩膜将数据固定编程入芯片内部的只读存储器。特点制造过程简单,成本低廉,但数据一旦写入不可修改。适用于大批量生产固定程序的场合。应用常用于嵌入式系统、家用电子产品、游戏机等需要大批量固定程序的场合。可编程只读存储器(PROM)独立编程PROM可以由用户独立编程,不需要制造商参与。熔断式编程PROM使用熔断式编程,通过向特定位置通电烧断保险丝来实现编程。一次性编程PROM在编程后就无法再次编程,是一种只读存储器。可擦除可编程只读存储器(EPROM)特点EPROM可通过紫外线照射擦除旧数据,再重新编程存储新数据。擦写操作简单、安全可靠。工作原理EPROM利用浮栅结构的MOS管存储信息,通过隧穿效应在浮栅上存储电荷来保存数据。应用场景EPROM广泛应用于计算机、通信等领域的嵌入式系统,充当只读存储器或可重写的程序存储器。电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)可擦除重写EEPROM可以通过电子方式进行擦除和重写,可以随时更新存储的数据,灵活性强。简单操作EEPROM的擦除和编程只需要通过简单的电压操作即可完成,使用非常方便。数据保持时间长EEPROM存储的数据可以保持10年以上,数据保存非常稳定可靠。闪存(FLASH)高密度集成闪存芯片通过精密的制造工艺实现了高度集成,使得存储容量可以不断提升,小体积存储大容量成为可能。数据快速存取闪存拥有快速的存取速度,读写操作可以即时完成,这使其成为存储媒体的优选,广泛应用于各种数码设备。低功耗和高安全性闪存无需持续供电即可保存数据,而且具有良好的防静电和防震性能,安全性能优异。这些特点使其非常适合用于移动设备。磁性存储器1硬盘(HardDisk)硬盘是常见的大容量磁性存储设备,采用磁性盘片存储数据,具有高存储密度和快速访问速度。2软盘(FloppyDisk)软盘是早期的便携式磁性存储设备,采用灵活的磁性盘片,容量相对较小但易于携带。3磁带(MagneticTape)磁带是长期存储大容量数据的选择,可重复录制和擦除,适用于备份和数据归档。硬盘(HardDisk)磁性存储利用磁性材料在盘片上记录数据,可实现大容量高速存储。读写操作通过磁头对数据进行读取和写入,实现快速高效的数据存取。旋转盘片硬盘采用高速旋转的盘片储存数据,提供了海量的存储容量。软盘(FloppyDisk)1便携式存储设备软盘是一种便携式的磁性存储设备,可以在不同电脑间方便地传输和保存数据。2容量小但价格低廉早期软盘的容量只有几百KB,但价格便宜,是家用电脑广泛使用的存储媒体。3磁性记录技术软盘通过磁性记录技术存储数据,可以反复擦写,但磁头磨损导致数据易丢失。4逐渐被淘汰随着大容量存储设备的出现,如U盘和硬盘,软盘已逐渐被淘汰出市场。光学存储器CD-ROM光学储存媒体中最常见的就是CD-ROM，容量高达700MB，广泛应用于软件发布、音乐和视频播放等领域。DVDDVD是容量更大的光学存储媒体，最大容量可达17GB，广泛应用于高清视频和电影存储等领域。蓝光(Blu-ray)蓝光是最新一代的光学存储技术，采用蓝色激光可达到50GB的存储容量，用于存储高清视频和游戏等应用。光盘(OpticalDisk)CD-ROMCD-ROM是最早也是最普及的光盘格式。它采用激光技术读写数据,可存储多达700MB的数据。广泛应用于软件、音乐、视频等领域。DVDDVD是CD-ROM的升级版,采用更短波长的激光。它可存储4.7GB至17GB的数据,在视频、影音等领域得到广泛应用。CD-ROM数据存储CD-ROM采用光学读写技术，可以存储大量数据。其容量通常为650MB到700MB。读取方式CD-ROM驱动器利用激光束照射CD表面来读取数据，具有非接触式读取的特点。应用领域软件发布与安装多媒体内容存储与播放数据备份和归档DVD高存储密度DVD采用更先进的光学技术,可以存储更多的数据,最高可达17GB。增强视频质量DVD能以更高的分辨率和更清晰的画质播放视频内容,提升视听体验。多种版本兼容DVD光驱和光盘兼容多种版本,如DVD-R、DVD+R、DVD-RW等。半导体存储芯片的发展1晶体管的发明1947年,晶体管的发明彻底改变了电子设备的发展历程。2集成电路问世1958年,集成电路的出现让多个晶体管集成到一个芯片上成为可能。3芯片制造工艺进化随着集成电路制造工艺的不断优化,芯片尺寸和性能不断提升。4摩尔定律指引摩尔定律预测集成电路性能每18-24个月提升一倍,成为行业发展方向。摩尔定律摩尔定律每隔18-24个月,半导体集成电路上的晶体管数量会翻倍,性能也会成倍提升提出者英特尔创始人之一的戈登·摩尔应用指导了半导体产业的发展方向,推动了计算机性能的持续提升意义预测和驱动了电子设备不断提升的能力,为技术创新带来持续动力集成电路的制造工艺1晶圆制造集成电路制造始于高纯度的硅晶圆切割而成。经过洗涤、抛光等精细加工,形成光滑平整的表面。2光刻工艺在晶圆表面涂覆光刻胶,经紫外光曝光后显影,形成所需的电路图案。这一关键步骤决定了芯片的特性。3薄膜沉积在晶圆表面沉积绝缘层、导电层等薄膜材料,构建电路所需的各种薄膜结构。薄膜厚度可精确控制。4离子注入向晶圆表面注入不同离子,改变半导体特性,制造出所需的晶体管和其他电子元件。这是关键的掺杂过程。5封装测试将制造好的芯片切割、组装到引脚载体上,并进行电性能测试。封装可靠性对芯片性能有重要影响。晶体管的发展历程11947-点接触晶体管第一代晶体管,标志着半导体电子学的诞生21954-结型晶体管性能更优异,掀开了集成电路革命31958-集成电路问世多个晶体管集成于同一硅片,开创微电子时代41970年代-MOSFET问世金属氧化物半导体场效应晶体管,推动器件进一步小型化521世纪-纳米晶体管尺度达到纳米级,性能大幅提升,支持超级集成晶体管的发展历程见证了半导体电子学的不断进步。从最初的点接触晶体管到如今的纳米晶体管,晶体管的性能和集成度都有了巨大的提升。这些技术进步推动了集成电路的发展,为现代电子设备的革新奠定了基础。集成电路封装技术封装结构集成电路封装技术包括将芯片固定在载体上、加载引线、封装保护等步骤,形成一个完整的电子元件。封装工艺封装工艺涉及材料选择、制造流程、焊接连接等多个环节,需要精密控制以确保集成电路的可靠性。引线框架引线框架负责连接芯片与外部电路,其设计关系到集成电路的尺寸、功