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1、存储器组成、工作原理,-,学习目标,?,(1),了解半导体存储器的基本特性及其在,PC,中的主要应用。,?,(2),掌握主存储器管理的工作原理及与内存,条的组成形式、使用及选购等相关的知识,包,括,:DRAM,的内部结构及工作原理、提高,DRAM,读,/,写速度的几种技术、内存的奇偶校验与,ECC,内存、内存条的组成形式与使用场合等。,?,(3),了解与,PC,机中高速缓冲存储器,Cache,相关,的知识,包括,:Cache,的作用及种类、,Cache,的,工作原理与特点等。,3.4,内储器,3.4.1 PC,中常用的半导体内储,器类型,?,半导体存储器芯片按照是否能随机地进行,读写,分为,?
2、,随机存取存储器,(Random Access,Memory,RAM),?,和只读存储器,(Read Only Memory,ROM),两大类,1.,随机存取存储器,(RAM),?,1,按保存数据的机理分为动态,DRAM,和静态,SRAM,?,(1)DRAM,电路简单、集成度高、功耗低、成,本较低,适合作内存储器的主体部分。,DRAM,是靠,MOS,电路中栅极电容上电荷来记忆信息，,由于电容上的电荷会泄漏,为防止数据丢失,需,定时给电容上的电荷进行补充。,DRAM,必须,在一定的时间间隔,(,约,2ms),内将数据读出并,再写人,这一过程称为,DRAM,的刷新,?,(2)SRAM,利用半导体双
3、稳态触发器电路的两,个稳定状态表示,1,和,0,以达到保存和记忆信,息的目的。,SRAM,存储数据时只有在执行写,命令时才发生刷新操作。主要特点是,:,工作速,度快、不需要刷新电路、,因此使用简单。在,读出时不会破坏原来存放的信息,2.,只读存储器,ROM,?,DRAM,、,SRAM,当关机或断电时,其中的信息都,将随之丢失。,ROM,是一种能够永久或半永久性地保,存数据的存储器,即使掉电,(,或关机,),后,存放在,ROM,中的数据也不会丢失,因此,常被看作非易失性,存储器。按照,ROM,的内容是否,(,或怎样,),改写,ROM,可分为以下几类,?,(1)Mask ROM(,掩膜,ROM,或
4、固化,ROM),这类,ROM,中,的信息是由厂家在生产过程中一次形成的,即,ROM,中的内容已经固化,用户无法进行修改。这类,RAM,适用于大批量生产,?,(2)PROM(Programmable ROM,可编程,ROM)PROM,中的内容在使用前由专用设备一次写入,以后不能,改变。,?,(3)EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可,编程,ROM)EPROM,和前两种,ROM,的不同点在于,ROM,中,的内容可以用特殊的装置擦除和重写。一般是将该,芯片在紫外线下照射,15-20,分钟左右以擦除其中的,内容,然后用专用设备,(,如,EPROM,写入器,),将信息
5、重,新写入。一旦写入则相对固定。在,Flash ROM,大,量应用之前,EPROM,常用于软件的开发过程中。,?,(4),EEPROM(,电可擦除编程,ROM,),?,通过给定一定的电压或电流来擦除信息，然,后重新写入。,?,(5)Flash ROM,是一种新型的非易失性存储,器,其中的内容或数据既不像,RAM,一样需要,电源支持才能保存,但又像,RAM,一样具有可写,性。在某种低电压下,其内部信息可读不可写,这时类似于,ROM,。,?,Flash ROM,在较高的电压下,其内部信息可以,更改和删除,类似于,RAM,。,Flash ROM,可以,用软件在,PC,中改写或在线写入,信息一旦写,入
6、即相对固定。,?,Flash ROM,由于其单片存储容量大,易于修,改,因此,在,PC,机中用于存储主板,BIOS,程序。,另外,也常用于数码相机和优盘中。,半导体存储器类型小结,半,导,体,存,储,器,只读,存储器,ROM,随机读写,存储器,RAM,掩膜,ROM,可编程,ROM,（,PRO,M,）,可擦除,ROM,（,EPPR,OM,）,电擦除,ROM,（,EE,PROM,）,静态,RAM,（,SRAM,）,动态,RAM,（,DRAM,）,闪烁存储器,Flash ROM,3.3.2,主存储器,的工作原理,?,PC,中的主存储器由,DRAM,组成,由于,DRAM,的速度,较慢,需采用相应的,D
7、RAM,的访问与控制技术以改,善其性能,?,为提高,DRAM,芯片的集成度,减少芯片的引脚数,目,DRAM,芯片的地址线是分时复用的,:,全部地址宽,度分为行地址和列地址两部分。一般地,行地址占,高位地址,列地址占低位地址。与行、列地址相对,应,DRAM,芯片内部的存储单元组成一个方阵,同,一芯片的每个存储单元存储信息的,位数相同。,根,据芯片型号的不同,有些芯片的存储单元存储,1,位,信息,有些是,4,位的,有些是,8,位的等等。,1.DRAM,的内部结构及工作原理,PD424256,的,DRAM,芯片的内部,结构及读,/,写控制,?,PD424256,的容量为,256Kx4bit,即芯片内
8、,部,有,256K,个存储单元,每个存储单元可存,储,4,位信息。芯片内部有,256K,个存储单元,因此需,18,根地址线,芯片外部地址只有,A0-,A8,共,9,根。对芯片中的某个存储单元进行访,问时,应先将行地址送到芯片的,A0-A8,并发,出行地址选通信号,RAS,这样,行地址就被,锁存到芯片内部。,?,接着,再将列地址送到芯片的,A0-A8,并发出,列地,址选通信号,CAS,将列地址锁存到芯片,内部的列地址锁存器。这样,在芯片内部,锁存的行、列地址经行、列,地址译码器译码,后选中存储方阵中的一个存储单元,在读,/,写信号控制下,完成数据的读出或写入。,2.PC,中的常用主存,?,内存读
9、写周期经历步骤,:,选中地址。,CPU,向内存控制器发出地址,内存,控制器再向内存芯片传送地址,芯片内的辑电,路将地址转换为存储单元的行地址和列地址,把数据从选中的存储单元传送到内存芯片的,输出电路,内存芯片输出数据到外部。存储器控制技术,就是要减少其中的一步或多步所用的时间,从而减少总的读写时间。,?,RAM,的工作频率,?,存储器的存取时间是指在存储器地址被选定后,存,储器读出数据并送到,CPU(,或,CPU,把数据写人存储,器,),所需的时间。,?,例如：当一个,200 MHz,的处理器试图从,16 MHz,存,储器读取多个数据字节时,由于存储器每,63ns(16,MHz),一个周期,处
10、理器每,5ns(200 MHz),一个周期,因此,处理器在第,13,个周期存储器数据就绪前必须执,行,12,个等待状态。,提高,DRAM,读,/,写速度的几种技术,?,(1)SDRAM(synchronous DRAM,同步,DRAM),与当时芯片组的北桥芯片的前端总线同步运行,内,部的命令发送和数据传输都以前端总线频率为基准。,SDRAM,支持突发模式。,?,(2)DDR SDRAM(Double Data Rate,?,SDRAM,DDR),基本原理是利用存储器总线时,钟的上升沿与下降同一个时钟内实现两次数,据传送。,?,(3)DDR2 SDRAM(Double Data Rate2,SD
11、RAM,DDR),2004,年中,期出现了第一个支,持,DDR2,的芯片组、主板和系统。,?,(4)DDR3 SDRAM(Double Data3 Rate,SDRAM,DDR),DDR3,采用,8,位预取技术,加上使用,DDR,技术,(,利用时钟脉冲上下沿传输数据,),总体上,可将存储器外部传输速率提升至核心频率的,8,倍。,?,(5)RDRAM(Rambus DRAM),?,RDRAM,是,Rambus,公司开发的一种芯片到,芯片的存储器总线,总线具有一个可以以非,常高的速率交换信息的特殊装置。是窄通道,(,narrow-channel),装置,每次传送,16,位,(,加上,可选的两个奇偶
12、校验位,),但传送速率要快得,多。,?,3.,内存的奇偶校验与,ECC,内存,?,(1),内存的奇偶校验,为提高内存条数据读,/,写的可靠性,往往,采用奇偶校验,(Parity Check),的方式。,?,(2)ECC,内存,ECC,是错误检测和校正,(Error Checking,and Correcting),的缩写。,ECC,内存的主要,特点是,可以自动检查和纠正内存中数据访,问和传送过程中产生的错误。,3.3.3,内存条的组成形式,?,1.,内存条的组成形式,?,(1),单列直插式内存条模块,(Single In-,line,Memory Modules,简称,SIMM,内存条,),?
13、,(2),双列直插式内存条模块,(Double In-,line,Memory Modules,简称,DIMM,内存条,),?,(3)RAMBUS,内存条模块,(RAMBUS In-line,Memory Modules,简称,RIMM,内存条,),?,2.,内存条的选配原则,(1),组合原则,内存条组合原则的基本思想主要是,内存条,数据宽度必须适合,CPU,的数据宽度,并以此,来决定内存条的插槽及安装数目,(2),速度原则,(3),电压原则,3.3.4,高速缓冲存储器,?,1.Cache,的作用及种类,(1),程序访问局部性原理,:,在程序运行的一,个较短的时间间隙内,由程序产生的地址往,往
14、集中在存储器的一个很小的地址空间内。,指令地址本来就是连续分布的,因此对这些,地址中的内容的,访问就自然的具有时间集中,分布的倾向。这种对局部范围的存储器地址,的频繁访问,而对此范围外的地址访问很少的,现象被称为程序访问的局部性。,?,Cache:,如果把一段时间内在一定地址范围,中被频繁访问的信息,集合成批地从主存中读,到一个能高速存取的小容量存储器中存放起,来供,CPU,在这段时间内随时使用而减,少或,不再去访问速度较慢的主存,就可以加快程,序的运行速度。这个介于,CPU,和主存之间,的高速小容量存,储器被称为高速缓冲存储器,简称,Cache,?,随着,CPU,运行速度的加快,CPU,与动
15、态存储,器,DRAM,配合工作时往往需要插入等待状,态,这显乐专,以发挥出,CPU,的高速特性,也,难以提高整机的性能。如果采用高速的静态,存储器,SRAM,作为主存,虽可解决该问题,但,SRAM,价格高,并且,SRAM,体积大、集成度,低。为解决这个问题,在,386DX,以上的主板,中采用了高速缓冲存储器,即,Cache,技术。,?,Cache,技术其基本思想：用,SRAM,作为,CPU,与,DRAM,存储系统之间的缓冲区，,Cache,位于,CPU,和主板之间。由芯片组中,Cache,控制器和内存控制器协调工作。,?,Cache,提高速度原理,:,大部分常用的信息只,占要使用的信息的一少部
16、分。只要把经常使,用的信息存放高速存储区内,就可以提高系统,的速度。此时,CPU,大部分时间是在与高速,的储区打交道，可以承担,85%,的内存请求而,不需,CPU,增加额外的等待周期。,?,Cache,的一个重要指标是命中率,。,?,(2)Cache,的种类：,PC,系统中一般设有一级,缓存,(L1 Cache,和二级缓存,L2Cache),。,?,一级缓存是直接将它和,CPU,做在一起的,故,又称为内部,Cache,或,L1 Cache,其速度与,CPU,一致,容量小,在几,KB,至几十,KB,间。,?,由于,586,以上微处理器的时钟频率很高,L1,Cache,未命中,CPU,性能将明显恶
17、化，可采用,在微处理器芯片外再加,Cache,的办法来改善。,称此,Cache,为二级缓存,(,又称为,L2 Cache,、,外,部,Cache,或片外,Cache),。,?,2,.,Cache,的工作原理与特点,?,(1),原理,:Cache,中保存着主存储器内容的,部,分,副本,，,当,CPU,进行主存储器存取时,先访,问,Cache,，检查所需内容是否在,Cache,中,如在则直接存取其中的数据,由于,Cache,的速,度与,CPU,相当,因此,CPU,就能在零等待状态,下迅速地完成数据的读写,而不必插入等待状,态,这种情况叫命中。当,CPU,所需信息不在,Cache,中时,则需访问主存,这时,CPU,要插,入等待状态,这种情况称未命中。,?,若未命中,在,CPU,存取主存的同时,数据也要,写入到,Cache,中以使下次访问,Cache,时能,命中。,?,(2),主要特点：,Cache,虽然也是一类存储器,但是不能由用户直接访问,Cache,的容量不大,目前的,PC,系统中一般为,256 KB-2 MB,左右。,为了保证,CPU,访问时有较高的命中,Cache,中的内容应该按一定的算法更换。,Cache,中,的内容应该与主存中对应的部分保持一致,。,
