《存储器外部电路》课件

存储器外部电路存储器外部电路是连接存储器芯片与其他系统部件的重要电路。它负责存储器的读写控制、地址译码、数据输入输出等功能。了解存储器外部电路的工作原理对于设计和优化存储系统至关重要。课程简介1重点介绍本课程将详细讲解存储器外部电路的基本原理和设计,涵盖了存储器的分类、工作原理、存储单元结构及电路性能指标。2知识体系课程内容包括存储器控制电路、地址译码电路、读写控制电路和数据输入输出电路等关键部分。3实践应用通过深入分析存储器系统结构、扩展技术以及与CPU的接口,为学生未来的工程实践奠定基础。存储器基础知识回顾存储器基础存储器是计算机系统中用于临时存储数据和程序的关键部件。它包括各种不同的存储技术和结构。数据存储数据以二进制形式存储在存储单元中,每个单元可存储一个二进制位(bit)。存储容量取决于单元数量。存取特性存储器能快速随机存取任意存储单元,读写速度快且可重复使用。这些特性决定了存储器的性能。存储器分类按存储器的工作方式分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。RAM可以进行读写操作,而ROM只能读取不能写入。按存储器的挥发性分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器断电后会丢失数据,非易失性存储器断电不会丢失数据。按存储器的集成度分为小规模集成存储器(SSI)、中规模集成存储器(MSI)和大规模集成存储器(LSI)等。集成度越高,存储容量也越大。静态随机存取存储器(SRAM)集成电路结构SRAM使用集成电路技术制造,采用CMOS工艺,集成度高,可集成成千上万个存储单元。存储单元结构SRAM的存储单元由6个晶体管组成,实现电路的写入、保持和读取功能。读写电路SRAM采用地址译码、读写控制、输入输出缓冲等电路对存储单元进行高速读写操作。SRAM的工作原理1数据存储SRAM利用双稳态反馈电路存储逻辑状态。2读取过程通过位线和字线选择存储单元进行读取。3写入过程向位线施加电压改变存储单元状态。SRAM的工作主要包括数据存储、读取和写入三个过程。它利用双稳态反馈电路保持存储状态,通过选择位线和字线来进行读写操作。这种工作机制使SRAM具有数据保持时间长、读写速度快的特点。SRAM的存储单元结构SRAM的存储单元采用了反向耦合的六管晶体管电路结构,由两个互锁的反相器组成,形成一个稳态的存储单元。这种结构能够保持数据状态,即使断电后也不会丢失存储内容。存储单元的优点是读取和写入速度快,能够实现随机访问,但缺点是功耗较高,并且单元面积较大,难以实现高密度集成。SRAM的读取和写入过程1地址选择通过地址总线寻址选择目标存储单元2读取/写入将数据从/写入到存储单元3信号控制读写控制信号控制读取或写入操作SRAM的读取和写入过程包括三个主要步骤:首先通过地址总线选择目标存储单元;然后执行读取或写入操作,将数据从存储单元中读出或写入;整个过程由读写控制信号进行协调和控制。这种精细的工作机制确保了SRAM的高速和可靠性。SRAM电路性能指标SRAM电路主要性能指标包括访问时间、功耗、存储密度和可靠性等。这些指标直接决定了SRAM在实际应用中的性能表现。动态随机存取存储器(DRAM)动态随机存取存储器(DRAM)是一种常见的主存储器芯片。它利用电容器存储数据,需要定期刷新以防止数据丢失。DRAM具有简单、集成度高、功耗低等优点,广泛应用于个人电脑、工业控制、移动设备等领域。DRAM的存储单元由一个晶体管和一个电容器组成,通过控制晶体管的开关状态实现数据的读写。整个存储阵列采用行列地址线进行寻址访问,单元单元都能独立读写。DRAM的工作原理1储存原理DRAM利用电容器的充放电原理来存储数据。电容器的充电状态代表1,放电状态代表0。2刷新机制由于电容器不可能永远保持充电状态,DRAM需要定期对存储单元进行充电刷新,保证数据不丢失。3读写过程DRAM通过行地址选择和列地址选择来读写单个存储单元,并通过数据线进行数据传输。DRAM的存储单元结构动态随机存取存储器(DRAM)的存储单元采用电容电路来存储数据。每个存储单元由一个访问晶体管和一个存储电容器组成。当选通电压加在访问晶体管的栅极时,存储电容器会被充电或放电,从而存储1或0的数据。DRAM存储单元具有较高的集成度,但数据需要定期刷新以防止丢失。因此DRAM设计更加复杂,需要额外的刷新电路。DRAM的读取和写入过程行地址选择首先,DRAM控制电路会选择需要读写的行地址。行激活然后,会激活相应的行,将存储单元的数据送到位线上。列地址选择接着,控制电路会选择需要读写的列地址。数据读写最后,控制电路完成对应的读取或写入操作。DRAM电路性能指标250M存储密度每芯片可达250兆位存储容量400访问速度内存周期时间可达400毫秒25W功耗单芯片功耗一般在25瓦以内存储器控制电路地址译码存储器控制电路负责将CPU提供的地址译码为具体的行和列选择信号,以访问目标存储单元。读写控制控制电路还需要根据CPU的读写命令,生成相应的读写控制信号,保证数据的正确传输。数据缓存为了缓解CPU与存储器之间的速度差异,控制电路还需要实现数据的输入输出缓存。电源管理对于DRAM等易挥发性存储器,控制电路还需要负责其电源的管理,保证数据的持久性。地址译码电路1地址解码地址译码电路能够将地址信号转换为存储单元的选择信号,实现对存储单元的定址和选择。2地址线数量地址线的数量决定了存储容量,每个地址线提供1位地址信息。3译码器电路地址译码电路通常由多级译码器电路实现,可以将二进制地址转换成独热码信号。4性能指标译码速度、功耗、集成度是地址译码电路的重要性能指标。读写控制电路读取控制读取控制电路负责管理存储器的读取操作。它根据系统总线上的控制信号确定何时从存储器中读取数据,并将数据传输到CPU。写入控制写入控制电路负责管理存储器的写入操作。它根据系统总线上的控制信号确定何时向存储器中写入数据,并从CPU中获取要写入的数据。时序控制读写控制电路还需要提供精确的时序,以确保读取和写入操作的正确执行。它需要协调存储器与CPU之间的交互。状态管理读写控制电路还需要跟踪存储器的状态,以确保操作的正确性。它需要监控存储器的忙碌状态并相应地控制读写操作。数据输入输出电路数据总线数据总线用于在存储器和CPU之间传输数据。其宽度决定了单次可传输的数据量。读写控制读写控制电路根据CPU的指令决定数据的传输方向和时序。确保数据可靠传输。缓冲放大数据输入输出电路需要缓冲放大能力,以驱动存储器和其他设备的负载。存储器系统结构存储器层次结构存储器系统包含多个层次的存储设备,从最快但容量小的高速缓存到最慢但容量大的外存设备。各层次之间通过总线连接,形成整体的存储系统。存储器总线存储器总线负责CPU和存储器之间的数据传输,包括地址总线、数据总线和控制总线。总线的设计直接影响存储器系统的性能和扩展性。CPU与存储器接口存储器系统需要与CPU进行高效的数据交换,接口电路负责管理读写操作、同步时序、缓存一致性等关键功能。存储器层次结构1主存储器主存储器提供可直接访问的存储空间,是计算机的主要工作区域。它包括SRAM和DRAM等不同类型的内存芯片。2高速缓存存储器高速缓存存储器位于CPU和主存之间,以更快的访问速度弥补主存的性能差距。它可以大大提高系统的整体性能。3外部存储器外部存储器主要包括硬盘、光驱等大容量存储设备,它们提供了更大的存储空间,但访问速度较慢。高速缓存存储器高速缓存存储器是介于CPU和主存之间的一种快速访问的临时存储器。它可以有效地缓解CPU与主存之间的速度差异,提高整个系统的运行效率。高速缓存存储器的工作原理是根据程序的局部性原理,将频繁访问的数据和指令快速缓存到高速缓存中,以减少对主存的访问。高速缓存存储器的容量虽然较小,但访问速度却大大高于主存。通过合理的缓存策略和替换算法,可以大幅提高系统的整体性能。与CPU的接口CPU控制信号存储器与CPU通过总线接口进行数据传输和控制。包括地址总线、数据总线和控制总线。存储器映射CPU通过地址总线访问存储器,每个存储单元都有唯一的地址。将存储器映射到CPU地址空间。时序协议CPU和存储器需通过时序协议进行读写等操作,如CPU握手信号、读写周期等。保证数据正确传输。存储器总线定义存储器总线是连接CPU和存储器之间的数据传输通道。它负责传输地址、数据和控制信号。功能存储器总线能实现CPU与存储器之间的高速数据交换,为CPU提供及时的数据支持。类型常见的存储器总线包括地址总线、数据总线和控制总线,分别用于传输地址、数据和控制信号。性能指标总线宽度、传输速率和时序特性是决定存储器总线性能的关键指标。存储器扩展技术容量扩展通过增加存储芯片数量或使用大容量存储器芯片来扩大存储容量。同时需要考虑电源、散热等因素。速度扩展采用并行访问技术、高速总线等方式提高存储访问速度。还可利用高速缓存存储器优化系统性能。可靠性扩展通过使用纠错码、热备份等技术提高存储系统的可靠性和容错能力，确保数据安全性。成本优化在满足性能和可靠性需求的前提下，合理选择成本较低的存储器技术和架构。容量扩展模块化设计采用可拆卸的模块化设计,便于根据需求灵活扩展存储容量。堆叠式存储利用垂直堆叠的多层存储器芯片技术,在有限空间内实现大容量存储。容量优化通过存储密度优化和设备集成度提高,不断扩大单芯片容量。异构融合将不同类型的存储器如DRAM和NANDFlash集成在同一芯片上,实现混合存储。速度扩展1缓存技术引入高速缓存存储器可以显著提高存储系统的访问速度,减少存储器与CPU之间的速度差距。2并行存取通过多个存储器独立工作,可以实现多通道并行存取,大幅提升整体存取速度。3存储介质优化采用诸如固态硬盘(SSD)等更快的存储介质,可以显著提升存储系统的访问速度。可靠性扩展冗余存储采用数据冗余技术,如RAID技术,可以提高存储系统的可靠性和数据可用性。纠错编码在存储单元中采用纠错编码技术,可以有效检测和修正存储数据中的错误。备份与恢复定期备份数据,并制定完善的容灾预案,可以确保关键数据在发生故障时能够得到恢复。小结系统概述本课程全面介绍了存储器的基本知识、分类、工作原理、电路结构、性能指标以及各类控制电路和系统结构。重点内容讨论了SRAM和DRAM的工作机制、存储单元结构、读写过程，并分析了各自的优缺点和应用场景。思考提示课程还阐述了存储器系统的扩展技术,以及存储器与CPU的接口,供学生进一步思考和探讨。思考题