存储单元存储单元1什么是什么是SoCSoC逻辑单元逻辑单元Analog静态静态RAMCPU 内核内核PAD2Memory wallMemory wall3核心是解决容量、速度、价格间的矛盾，建立起多层存储结构。 一个金字塔结构的多层存储体系 充分体现出容量和速度关系 Cache主存层次 ：解决CPU与主存的速度上的差距 ；主存辅存层次 ： 解决存储的大容量要求和低成本之间的矛盾 。多层存储结构概念多层存储结构概念4SoCSoC中存储系统层次性结构中存储系统层次性结构芯片级芯片级板级板级嵌入式处理器核（寄存器）嵌入式处理器核（寄存器）紧紧密密耦耦合合存存储器储器TCMTCM片上片上SRAMSRAM片外片外SDRAMSDRAM、SRAMSRAMFLASHFLASH及及其其他他非非易易失失存储器存储器CacheCache缓冲器缓冲器每每bitbit价格降低价格降低容量增大容量增大存取时间增大存取时间增大访问频度降低访问频度降低存取能耗增大存取能耗增大5主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标存储容量 存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量（寻址空间，由CPU的地址线决定） 实际存储容量：在计算机系统中具体配置了多少内存。 存取速度：存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，又称为读写周期。可靠性：可靠性是用平均故障间隔时间来衡量（MTBF, Mean Time Between Failures） 功耗：通常是指每个存储元消耗功率的大小 6存储结构存储结构7存储器基本结构存储器基本结构: :译码器译码器Word 0Word 1Word 2Word N-2Word N-1StoragecellM bitsM bitsN wordsS0S1S2SN -2A0A1AK -1K = log2NSN -1Word 0Word 1Word 2Word N-2Word N-1StoragecellS0Input-Output(M bits)直接实现的直接实现的 N x M存储器结构存储器结构Too many select signals:N words = N select signalsK = log2N译码器减少了地址位的数目译码器减少了地址位的数目Input-Output(M bits)Decoder8存储器结构存储器结构: :阵列阵列阵列结构的存储器组织阵列结构的存储器组织9存储器结构存储器结构: :层次化层次化层次化的存储结构。块选择器层次化的存储结构。块选择器使每次只有一个存储块工作。使每次只有一个存储块工作。10随机存取存储器RAM a. 静态RAM 同步SRAM 在统一时钟的控制下同步操作，一般支持突发操作FIFO 先进先出Multi-SRAM 具有多数据端口非挥发 SRAM(NV SRAM) 静态加后备电源类SRAM 用动态RAM，内部加刷新电路 b. 动态RAMSDRAMDDR II SDRAMDDRIII SDRAM只读存储器ROMa. 掩膜式ROM b. 可编程的PROM c. 可用紫外线擦除、可编程的EPROM d. 可用电擦除、可编程的E2PROM等 e. 在线编程擦除的FLASH半导体存储器的分类半导体存储器的分类11按构成存储器的器件和存储介质分类半导体存储器 磁盘和磁带等磁表面存储器 光电存储器 按存取方式分类 随机存储器RAM (Random Access Memory) 只读存储器ROM（Read-Only Memory） 串行访问存储器(Serial Access Storage)按在计算机中的作用分类 主存储器(内存) 辅助存储器(外存) 高速缓冲存储器 存储器的分类存储器的分类12RAMRAMSRAM面积大速度快DRAM需要隔一定的周期进行刷新面积小（13个晶体管）速度慢SDRAMSynchronous Dynamic Random Access Memory（同步动态随机存储器）数据的读写需要时钟来同步DDR SDRAMDouble Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory（双数据率同步动态随机存储器） 允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能加倍提高SDRAM的速度 13FLASHFLASHNOR FLASH容量小价格贵可以按位读写NAND FLASH容量大价格便宜不能按位读写，需要按block进行读写14NOR FLASHNOR FLASHNOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。NOR技术Flash Memory具有以下特点：（程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。15NAND FLASHNAND FLASH技术技术NAND技术 Flash Memory具有以下特点：以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器基于NAND的存储器可以取代硬盘或其他块设备。16NOR NOR 与与 NAND FLASHNAND FLASH的比较的比较NORNAND性能比较读取速度稍快擦除和写入速度远远大于NOR flash擦除Nor器件时是以64128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为15s；擦除Nand器件是以832KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。接口差别Nor Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内容的每一字节。用作程序存储器Nand器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。Nand的读和写操作采用固定大小的块，这一点有点像硬盘管理此类操作。容量和成本小 ，116MB,成本高，存储代码非常大，Nand Flash的单元尺寸几乎是Nor器件的一半。由于生产过程更为简单，Nand结构可以在给定的尺寸内提供更高的容量。 16MB512B以上，存储数据可靠性和耐用性可擦写10万次可擦写100万次存在位反转和坏区的问题，需要进行EDC/ECC算法校验和坏区标识管理易用性可以非常直接地使用基于Nor的闪存，像SRAM存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，Nand要复杂得多。各种Nand器件的存取方法因厂家而异。在使用Nand器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其它操作。17SRAMSRAM和和DRAMDRAM186 6管管SRAMSRAMWLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQP485196 6管管SRAMSRAM的版图的版图206 6管管SRAMSRAM掩膜掩膜218x8SRAM8x8SRAM阵列阵列223 3管管DRAMDRAMNo constraints on device ratiosReads are non-destructiveValue stored at node X when writing a “1” = VWWL-VTnWWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTVVDD-VTBL 2BL 1XRWLWWL23单管单管DRAMDRAM Write: Cs is charged or discharged by asserting WL and BL.Read: Charge redistribution takes places between bit line and storage capacitanceVoltage swing is small; typically around 250 mV.24ROMROMWLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGND二极管二极管ROMMOS ROM 1MOS ROM 225读写时序读写时序读出时间：从存储器中读出数据所需要的时间，等于从提出读请求到数据在输出端读出时间：从存储器中读出数据所需要的时间，等于从提出读请求到数据在输出端上有效之间的延时。上有效之间的延时。写入时间：从提出写请求到最终把输入数据写入存储器之间所经过的时间。写入时间：从提出写请求到最终把输入数据写入存储器之间所经过的时间。读读/写周期时间：在前后两次读或写操作之间所要求的最小时间间隔。这一时间通写周期时间：在前后两次读或写操作之间所要求的最小时间间隔。这一时间通常大于存取时间。常大于存取时间。26时序控制时序控制DRAM TimingSRAM Timing地址变化启动存储器操作地址变化启动存储器操作27SRAMSRAM接口时序（接口时序（SRAMSRAM，FLASH)FLASH)28SDRAM SDRAM 存储器接口存储器接口SDRAM是随机存储器中价格最低的一种，在大多数计算机系统中用做主存储器；数据以电荷形式储存在电容上，并会在几ms内泄漏掉。为了长期保存，SDRAM必须定期刷新；但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器；工作时序比较复杂 A0A10：地址输入引脚，当ACTIVE命令和READ/WRITE命令时，来决定使用某个bank内的某个基本存储单元。CLK：时钟信号输入引脚CKE：Clock Enable，高电平时有效。当这个引脚处于低电平期间，提供给所有bank预充电和刷新的操作/CS：芯片选择（Chip Select，这个引脚就是用于选择进行存取操作的芯片/RAS:行地址选择(Row Address Select)/CAS:列地址选择(Column Address Select)/WE:写入信号(Write Enable)DQ0DQ15:数据输入输出接口BA：Bank地址输入信号引脚，BA信号决定了由激活哪一个bank、进行读写或者预充电操作；BA也用于定义Mode寄存器中的相关数据。29基于基于SEP3203SEP3203的的 存储系统设计存储系统设计30FlashFlash存储器接口设计存储器接口设计Flash设计实例Nor Flash Nand Flash31