第五章 存储器主要内容一、存储器的主要性能指标 二、存储器的分类 三、内存的基本组成 四、存储系统的层次结构 五、SRAM和DRAM六、存储器的接口设计 七、cache八、虚拟存储器一、存储器的主要性能指标 存储器性能指标主要有五项： 容量、速度、功耗、可靠性、集成度。1、存储器容量2、存取速度3、功耗4、可靠性5、集成度1、存储器容量v存储器容量: 通常计算机编址单元是字节/字二个字节定义成一 个字），存储器的容量是指一个存储器中单元总数 ，用字数或字节数表示。也可以用二进制位（bit ）来表示。 如64K字=64K16位，512KB（B表示字节）=512K8位。外存为了表示更大的容量，采用MB、GB、TB等。 其中:1KB=2 10B，1MB=220 B， 1GB=2 30B，1TB=2 40B2、存取速度v 存取速度： 存储器的存取速度: 是指访问（读/写）一次存储器所需要的时间。常用存储器的存取时间(Memory Access Time) 和存储周期表示， MOS工艺的存储器存取周期数为数十 - - 数百nS， 双极型RAM存取周期最快可达10nS以下， 一般存储周期略大于存取时间， 其差别取决于主存的物理实现细节。3.功耗 维持功耗 操作功耗4.可靠性 指存储器对电磁场及温度等变化的抗干挠能力5.集成度指单位毫米芯片上集成的存储电路数二、 存储器分类1按用途分类2按存储器存取方式不同3. 按适用的机器类型1按用途分类 按存储器用途可以分为主存储器和辅助存储器。 主存储器（Main Memory） 主存又称内存，用来存放计算机正在执行的或经常 使用的程序和数据。CPU可以直接对它进行访问， 一般是由半导体存储器构成，通常装在主板上，存 取速度快，但容量有限，其大小受地址总线位数的 限制。 如在8086系统中， 有20条地址总线，CPU可以寻址内存1MB空间， 用来存放系统软件及当前运行的应用软件。 辅助存储器（External Memory） 辅助存储器又称外存，是主存的后援，一般不安装在 主机板上，属计算机的外部设备。 辅存是为弥补内存容量的不足而配置的，用来存放不 经常使用的程序和数据，需要时成批调入主存供CPU使 用，CPU不能直接访问它。 最广泛使用的外存是磁盘、光盘等。辅存容量大，成 本低，所存储信息既可以修改也可以长期保存，但存 取速度慢。 外存需要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问， 如硬盘、软盘驱动器等。计算机工作时存储器工作情况： 一般由内存ROM中引导程序启动系统， 从外存储器读取系统程序和应用程序， 送到内存RAM中； 程序运行时中间结果放在RAM中， 程序运行结束时将结果存入外存。2按存储器存取方式不同对内、外存储器进行进一步分类： 外存储器分类 内存储器按使用属性分类外存储器信息存取方式特点例如顺序存取存储器 SAM以文件或数据形式 按顺序存取磁带不同地址读/写 需时间不同。 容量大,价格低 存取速度慢。直接存取存储器 DAM先指向一个小区 （如一个磁道）， 在小区内顺序检索存取信息时间与 地址有关磁盘 、外存储器分类 顺序存取存储器SAM（Sequential Access Memory） 直接存取存储器DAM（Direct Access Memory） 、内存储器按使用属性分类内存储器种类繁多，按使用属性分为: 随机存取存储器RAM（Random Access Memory）只读存储器 ROM（Read Only Memory）随机存取存储器RAM （Random Access Memory） SRAM 静态RAM(Static RAM) DRAM动态RAM（Dynamic RAM） IRAM组合RAM NVRAM非易失性随机读写存储器 随机存取存储器RAM （Random Access Memory）v 随机存取存储器RAM（Random Access Memory）： RAM也称读写存储器，对该存储器内部的任何一个存储 单元，既可以读出（取），也可以写入（存）； 存取用的时间与存储单元所在的物理地址无关；主要用作主存，也可作为高速缓存使用；通常说的内存容量均指RAM容量。一般RAM芯片掉电时信息将丢失， 目前有内带电池芯片，掉电后信息不丢失的RAM，称 为非易失性RAM（NVRAM）。微机中大量使用MOS型（按制造工艺分成MOS型和双极 型）RAM芯片。 按集成电路内部结构不同，RAM又可以分为静态RAM和 动态RAM。随机存取存储器RAM分类表内存特点用途用作主存 高速缓存RAM细分SRAM 静态RAMDRAM动态RAM信息存取方式掉电时信息丢失，存取时间 与物理地址无关 集成度低，结构复杂，功耗大， 不需刷新，速度非常快，读（取）/写入（存） （六个MOS管组成1位）读/写（一个晶体管、电容 组成1位）信息10-3或10-6 mS后自动消失必须周期性地刷新， 集成度高，成本低，功耗低， 必须外加刷新电路。PC机标准存储器IRAM组合RAM读/写，刷新逻辑电路和 DRAM集成在一起，动态RAM集成度，又不要刷新。标准存储器读/写， 由静态RAM和E2PROM共同构 成。用于掉电保护及 存放重要信息。正常情况如同静态RAM， 掉电及电源故障瞬间信息保存在 E2PROM中。NVRAM非易失性 随机读写存储器DRAMFP DRAM：又叫快页内存 EDO DRAM：EDO RAMExtended Date Out RAM外扩充数据模 式存储器SDRAM（同步DRAM)SIMM是Single-In Line Memory Module的简写，即单边接触内存模组,72 线DIMM是Dual In-Line Memory Module的简写，即双边接触内存模组，168 线DDR-SDRAM：DDR SDRAM（Double Data Rate DRAM）或称之为 SDRAMRambus DRAM：数据宽度16bit，频率400MHzSLDRAM (SyncLink DRAM,同步链接内存） Virtual Channel DRAM：Virtual Channel “虚拟信道”只读存储器ROM （Read Only Memory）v 只读存储器ROM ： ROM中存储器的信息是在使用之前或制作时写入的，作 为一种固定存储； 运行时只能随机读出，不能写入； 电源关断，信息不会丢失，属于非易失性存储器件； 常用来存放不需要改变的信息。 如操作系统的程序（BIOS）或用户固化的程序。 ROM按集成电路内部结构不同可分为五种： 掩膜编程ROM（Mask programmed ROM） PROM可编程ROM(Programable ROM) EPROM光可擦除PROM（Erasable Programable ROM） E2PROM电可擦除PROM（Electrically Erasable PROM） Flash Memory快速电擦写存储器ROM掩膜ROM内容只能读出，不能改变.半导体厂家用掩膜技术写入程序 成本低，适用于批量生产 不适用研究工作PROM可编程ROM内容只能读出，不能改变.用户使用特殊方法进行编程，只 能写一次，一次编程不能修改。适用于批量生产 不适用研究工作EPROM光可擦除PROM固化程序用紫外线光照5 15分钟擦除， 擦除后可以重新固化新的程 序和数据。用户可以对芯片进行多次编程 和擦除。适用于研究工作 不适用于批量生 产。E2PROM电可擦除 PROM实现全片和字节擦写改写，作为非易失性 RAM使用。集成度和速度不及EPROM， 价格高， 擦写在原系统中在线进行。Flash Memory 快速电擦写存储器可以整体电擦除（时间1S） 和按字节重新高速编程。CMOS 低功耗； 编程快（每个字节编程100s整个芯片0. 5s）； 擦写次数多（通常可达到10万） 与E2PROM比较：容量大、价格 低、可靠性高等优势。用于PC机内装操 作系统和系统不 能丢失初始功能 的专门领域。 需要周期性地修 改被存储的数据 表的场合。内存细分信息存取方式特点用途只读存储器ROM分类按适用的机器类型 台式机：速度、容量 笔记本：散热 服务器：稳定 手持设备：体积 三、内存的基本组成 内存是一种接收、保存和取出信息（程序、数据、文件）的设 备；一种具有记忆功能的部件；是计算机的重要组成部分，是 CPU最重要的系统资源之一。 CPU与内存的关系如下图所示。DS ES SS CSIPPSW标志 寄存器执行部件控制电路指令译码器4 3 2 1数据暂存器AX BX CX DXAH BH CH DH SI DI BP SPAL BL CL DL寄存器组指 令 队 列地址总线AB数据总线DB总线 接口 控制 电路控制总线CB运 算 器地 址 加 法 器地址译码器、 指令1指令2指令3指令4、 数据1数据29AH、指令MOV AL, BX包含一个从存储器读操作存储器CPU存储器的结构存储器地址线位数n，存储单元数为N， 他们之间的关系为N=2n。地 址 译 码 驱 动读 写 放 大 电 路.存储体时序控制线路n位地址总线控制信号线X位数据总线 地址译码驱动电路地址译码驱动电路: 用来对地址码进行译码， 带有一定驱动能力， 作为地址单元选择线。四、存储系统的层次结构1程序的局部性原理：P171 时间局部性空间局部性2多级存储系统的组成三级层次的存储器结构存储系统的层次结构外存 External Memory主存Main Memory高速缓存 Cache存储系统的层次结构速度容量寄存器五、SRAM和DRAM一、静态随机存取存储器（SRAM）构成器件：双极型快速稳定，集成度低，工艺复杂。 MOS速度较双极型低，比DRAM快。 特点：存取周期快（双极型10nS,MOS 几十-几百nS），不需刷新，外电 路简单，基本单元晶体管数目较 多，适于小容量。六管基本存储器T1T2双稳态触发器T3T4负载管T5T6控制管特点：非破坏性读出，双稳态保持稳态不用刷新。 SRAM结构框图：地址译码器采用双译码存储矩阵可选用位结构矩阵或字结构矩阵控制逻辑和三态数据缓冲器 通过读/写端和CS片选端控制 由I/O电路对存储器单元输入/输出信号。SRAM芯片1KX8bit 结构，10根地 址线，8 根数据线WE、OE 读/写允许线CE 片选端SRAMA0A9WECED0D7OE二、动态RAM（DRAM） 基本单元：有4管、3管及单管 单管动态RAM基本存储单元 原理：通过电容C存储信息 缺点：漏电和破坏性读出 改进：加刷新放大器，速度几百次/秒改进动态RAM特点： 读写操作二次打入先输RAS，后CAS 刷新操作只输入RAS 刷新周期不能进行读写操作 DRAM的刷新电容C上高电平保持时间：约2mS刷新时间间隔：2mSDRAM内刷新：矩阵内一行行地进行，刷新一行的时间为刷新周期。刷新控制：由读写控制电路系统地完成DRAM刷新注：读写过程也有刷新功能，但是随机的，不保证所有RAM单元都能经读写刷新。刷新控制器(图6-5)；协调完成前述DRAM特点中三项。构成： 地址多路器 刷新地址计数器刷新定时器 仲裁电路定时发生器刷新定时器定时发出刷新请求CPU发出读/写申请定时发生器按刷新或读写要求提供RAS、CAS和 WE给DRAM芯片。 地址多路器CPU地址转换为行地 址，列地址分两次送入 DRAM芯片，实现两次打 入。先RAS，后CAS刷新地址计数器产 生行扫地址，由RAS打 入，无列扫地址。仲裁电路对优先权仲裁。注意在 刷新周期不接受CPU的申请。六、存储器芯片的接口设计 了解各种常用存储器芯片接口特性是用户设计微机