《內(nèi)部存儲器》PPT課件

1、1，第3章內(nèi)部存儲器，3.1存儲器概述3.2隨機(jī)存取存儲器3.3隨機(jī)存取存儲器3.4只讀存儲器和閃存3.5并行存儲器3.6高速緩沖存儲器，返回，2，3.1存儲器概述，1。按存儲介質(zhì)分類：磁表面/半導(dǎo)體存儲器按存取方式分類；隨機(jī)/順序存儲器(磁帶)按讀寫功能分類；只讀存儲器隨機(jī)讀寫存儲器按信息可存儲性分類；易失性存儲器非易失性存儲器在存儲器系統(tǒng)中按功能分類：主存儲器/輔助存儲器/高速緩存/控制存儲器，3.3.1存儲器概述，2。存儲器分級結(jié)構(gòu)1。當(dāng)前存儲器低成本存儲器速度慢且容量大。在設(shè)計計算機(jī)內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)時，我們希望內(nèi)存系統(tǒng)具有高性能和低價格，因此在設(shè)計內(nèi)存系統(tǒng)時，我們應(yīng)該綜合考慮內(nèi)存容量、速度

2、和價格等因素，建立一個如下圖所示的分層內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)。4、3.1.2內(nèi)存層次，2、層次緩存，是計算機(jī)系統(tǒng)中的一種高速小容量半導(dǎo)體內(nèi)存。主存儲器，簡稱主存儲器，是計算機(jī)系統(tǒng)的主存儲器，用于存儲計算機(jī)運(yùn)行過程中的大量程序和數(shù)據(jù)。外部存儲器簡稱為外部存儲器，是一種大容量的輔助存儲器。5，3.1.2存儲器層次，層次存儲器系統(tǒng)之間的連接關(guān)系，6，3.1.3主存儲器的技術(shù)指標(biāo)，字存儲單元：用于存儲機(jī)器字的存儲單元，對應(yīng)的單元地址稱為字地址。字節(jié)存儲單元：存儲一個字節(jié)的單元，相應(yīng)的地址稱為字節(jié)地址。存儲容量：指內(nèi)存中可容納的存儲單元總數(shù)。存儲容量越大，可以存儲的信息就越多。存取時間，也稱為存儲器存取時間，是指

3、從發(fā)出讀操作命令到完成操作和將數(shù)據(jù)讀取到數(shù)據(jù)總線上所經(jīng)過的時間。一般來說，讀寫操作的時間等于讀取操作的時間，所以稱之為內(nèi)存訪問時間。存儲周期：指兩次連續(xù)讀取操作之間的最短時間。通常，存儲周期略大于訪問時間，其時間單位為ns。內(nèi)存帶寬：單位時間內(nèi)存訪問的信息量，通常以位/秒或字節(jié)/秒為單位。7、3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，主存儲器(內(nèi)部存儲器)是半導(dǎo)體存儲器。根據(jù)信息存儲機(jī)制的不同，可將其分為兩類：靜態(tài)讀寫存儲器(SRAM)，其存取速度較快，但存儲容量不如DRAM大。動態(tài)讀寫存儲器：8，3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，1?；眷o態(tài)存儲單元陣列1、存儲位2、三組信號線、地址線、數(shù)據(jù)線、行線(64)、列線控

4、制線、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器特征：鎖存器用作存儲單元。只要鎖存器一直通電，它將無限期地保持1或0的記憶。斷電時數(shù)據(jù)會丟失。6條地址線，存儲容量為26=64個存儲單元；4條數(shù)據(jù)線，存儲器的字長為4位；那么內(nèi)存總位數(shù)=644=256。9，3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，2。基本靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器邏輯結(jié)構(gòu)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片大多采用雙重解碼模式，以組織更大的存儲容量。采用兩級解碼：地址分為X方向和Y方向。第一級在X方向(行解碼)和Y方向(列解碼)上執(zhí)行獨立解碼；然后，在存儲器陣列中完成第二階段交叉解碼。10，3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，32k8位靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)圖，共15條地址線，8條X方向，256條線

5、解碼后輸出。Y方向有7列，解碼后輸出128列。存儲器陣列具有256行、128列和8位的三維結(jié)構(gòu)(有8條數(shù)據(jù)線，字長為8位)。11、3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，存儲體(2561288)通常在一個芯片中集成相同字的相同位(32K1=322101=3210241=2561281)，并且32K位以256128的矩陣排列。八部電影可以組成32KB。地址解碼器采用雙重解碼(減少選擇線的數(shù)量)。A0A7是行地址解碼線，A8A14是列地址解碼線，12，3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，在讀和寫的互鎖邏輯控制信號中，CS是芯片選擇信號，當(dāng)CS有效(低電平)時，門G1和G2都打開。OE是讀使能信號。當(dāng)運(yùn)行經(jīng)驗有效(低電平)

6、時，門G2打開。在讀操作中，寫命令WE=1(高電平)，G1門關(guān)閉。在寫入操作中，WE=0，門G1打開，門G2關(guān)閉。請注意，G1門和G2門是互鎖的，當(dāng)一個門打開時，另一個門必須關(guān)閉，從而確保讀時不寫，寫時不讀。與非門，與非門，13，3.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，3。讀寫周期讀出時間tAQ讀周期時間tRC寫周期時間tWC寫周期時間tWD存取周期讀周期時間tRC=寫周期時間tWC，地址位首先有效，14，3.3 DRAM存儲器，1。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器的存儲原理靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器的存儲位是一個觸發(fā)器。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器的存儲位是由金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管和電容器組成的存儲電路，如圖3.6所示。15，3.3 D

7、RAM內(nèi)存，1。金屬氧化物半導(dǎo)體管用作開關(guān)，存儲的1或0信息由電容器上的電荷量表示。當(dāng)電容充滿電時，表示存儲1；當(dāng)電容放電時，表示存儲0。2.圖(a)顯示將1寫入存儲位。此時，輸出緩沖器關(guān)閉，刷新緩沖器關(guān)閉，輸入緩沖器打開(R/W為低)，輸入數(shù)據(jù)DIN=1被發(fā)送到存儲單元的位線，并且行線選擇為高，這使金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管導(dǎo)通，因此位線上的高電平對電容器充電，指示1被存儲。3.圖(b)顯示將0寫入存儲位。此時，輸出緩沖器和刷新緩沖器關(guān)閉，輸入緩沖器打開，輸入數(shù)據(jù)DIN=0被發(fā)送到存儲單元位線；當(dāng)行線選擇為高時，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管導(dǎo)通，因此電容器上的電荷通過金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管和位線放電，

8、表示0被存儲。4。圖(c)顯示從存儲器位讀取1。輸入緩沖器和刷新緩沖器關(guān)閉，輸出緩沖器/讀取/播放打開(讀/寫為高)。當(dāng)行線選擇為高電平時，導(dǎo)通金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，存儲在電容中的1被發(fā)送到位線，并通過輸出緩沖器/讀出放大器發(fā)送到DOUT，即DOUT=1。5.圖(d)顯示(c)讀出1后，存儲器位覆蓋1。由于(c)中1的讀出是破壞性的，因此有必要恢復(fù)存儲器位中的原始1。此時，輸入緩沖器關(guān)閉，刷新緩沖器打開，輸出緩沖器/讀取/播放打開。DOUT=1通過刷新緩沖器發(fā)送到位線，然后通過金屬氧化物半導(dǎo)體管寫入電容。注意，輸入緩沖器和輸出緩沖器總是互鎖的。這是因為讀和寫操作是互斥的，不會同時發(fā)生。金屬氧

9、化物半導(dǎo)體晶體管，電容器，關(guān)，關(guān)，開，關(guān)，開，關(guān)，關(guān)，開，開，開，關(guān)，關(guān)，關(guān)，動態(tài)隨機(jī)存取存儲器存儲位，這是一個存儲電路。在四種情況下，線路選擇總是處于高電平，以便打開金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，該晶體管用作存儲位的開關(guān)，以形成對電容器充電或放電的路徑。16，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，2。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片的邏輯結(jié)構(gòu)圖3.7(a)顯示了1M4位動態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片的管腳圖，為了對稱，它有兩個電源管腳、兩個接地管腳和一個空管腳。圖3.7(b)是芯片的邏輯結(jié)構(gòu)圖。與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器不同：(1)增加了行地址鎖存器和列地址鎖存器。為了避免增加芯片地址線的管腳數(shù)，采用的方法是分時傳輸?shù)刂反a。如果地址

10、總線寬度為10位，首先發(fā)送地址代碼A0A9，并通過行選通信號RAS將其驅(qū)動到行地址鎖存器中；然后發(fā)送地址碼A10A19，并且通過列選通信號CRS將地址碼a10a19驅(qū)動到列地址鎖存器中。芯片內(nèi)部兩部分結(jié)合，地址線寬度為20位，存儲容量為1M4位。(2)增加了刷新計數(shù)器和相應(yīng)的控制電路。刷新操作與讀/寫操作交替進(jìn)行，因此刷新行地址或正常讀/寫行地址是通過1取2多路開關(guān)提供的。17，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、18，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、3。讀/寫周期讀周期和寫周期被定義為從行選通信號RAS的下降沿到下一個RAS信號的下降沿的時間，即兩個連續(xù)讀周期之間的時間間隔。通常，為了便于控制，讀周期和寫周

11、期的時間是相等的。19、3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、20、3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、4。刷新周期原因：動態(tài)隨機(jī)存取存儲器的存儲位是基于電容上的電荷量，該電荷量隨時間和溫度而減少，因此必須定期刷新，以將正確的信息保存在其原始存儲器中。刷新操作有兩種刷新模式：在每個刷新周期中刷新：內(nèi)存的所有行。分布式刷新：的每行的刷新被插入到正常的讀/寫周期中。21，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，5。內(nèi)存容量擴(kuò)展1。字長位數(shù)的擴(kuò)展給定的芯片字長位數(shù)很短，不能滿足存儲器字長的設(shè)計要求。此時，有必要用多個給定的碼片來擴(kuò)展字長數(shù)字。在三組信號線中，地址線和控制線是公共的，而數(shù)據(jù)線是分開連接的。D=設(shè)計所需的存儲容量/所選芯片

12、的存儲容量示例2使用1M4位的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片，設(shè)計了1M8位的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器。解決方案：所需的芯片數(shù)量=(1M8)/(1M4)=2個設(shè)計的存儲器如本書p74的圖3.9所示。所連接的三組信號線與示例類似，即地址線和控制線是公共的，并且數(shù)據(jù)線被分成四個高位和四個低位，但是數(shù)據(jù)線是雙向的并且與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片的輸入/輸出端連接。原始字長為4位，設(shè)計字長為8位，因此需要擴(kuò)展到8條數(shù)據(jù)線和22，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。2.給定芯片的存儲容量很小(字?jǐn)?shù)很少)，不能滿足設(shè)計所需的總存儲容量。此時，有必要使用多個給定的芯片來擴(kuò)大字?jǐn)?shù)。三個信號組中給定芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線是公共的，控制總

13、線中的讀/寫是公共的，使能端en不能是公共的。芯片選擇信號由地址總線的高階段的解碼決定。所需的芯片數(shù)量仍然取決于(d=設(shè)計所需的存儲容量/所選芯片的存儲容量)。例3用1M8位動態(tài)隨機(jī)存取存儲器芯片設(shè)計2M8位動態(tài)隨機(jī)存取存儲器：所需芯片數(shù)d=(2M8)/(1M8)=2(芯片)見本書圖3.10。字長不變，地址總線A0A19同時連接到兩個drams的地址輸入端，地址總線的最高位是A20和A20，分別作為兩個drams的芯片選擇信號，兩個芯片不會同時工作。作業(yè)：P101 1，2，2M8位=22208位=2218位，所以地址線應(yīng)該擴(kuò)展到21，23，3.3個動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。3.存儲模塊條存儲器通常以

14、插槽模塊條的形式提供給市場。這種模塊條通常被稱為存儲條，它是在具有一定數(shù)量存儲芯片的條形小印刷電路板上具有固定存儲容量的存儲模塊。如圖所示。內(nèi)存芯片有30針，72針，100針，144針，168針和許多其他形式。30針內(nèi)存模塊設(shè)計為8位數(shù)據(jù)線，存儲容量為256千字節(jié)和32兆字節(jié)。72針內(nèi)存模塊設(shè)計為32位數(shù)據(jù)總線。32位數(shù)據(jù)總線和64位數(shù)據(jù)總線都使用100引腳以上的內(nèi)存模塊。存儲容量從4 MB到512 MB不等。24，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，6。先進(jìn)的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)(自學(xué))FPM DRAM:快速頁面模式動態(tài)存儲器，它是根據(jù)程序局部性原理實現(xiàn)的。在讀和寫周期中，為了找到某個存儲單元地址，

15、首先由低電平行選通信號RAS確定行地址，然后由低電平列選擇信號CAS確定列地址。在下一個搜索操作中，RAS選擇行地址，CAS選擇列地址，依此類推，如下圖所示。25，3.3動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，第七版。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器主存儲器讀寫正確性的驗證(自學(xué)習(xí))動態(tài)隨機(jī)存取存儲器通常用作主存儲器，其讀寫操作的正確性和可靠性非常重要。因此，除了正常的數(shù)據(jù)位寬度之外，還增加了一個額外的電位來驗證讀/寫操作的正確性。增加的額外電位也應(yīng)與數(shù)據(jù)位一起寫入動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，以便保存。原理如圖所示。26、3.4只讀存儲器和閃存。1.只讀存儲器叫做只讀存儲器。顧名思義，只讀意味著當(dāng)它工作時只能被讀取而不能被寫入。但是，

16、存儲在其中的原始數(shù)據(jù)必須在工作之前寫入。只讀存儲器因其運(yùn)行可靠和保密性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)中。主要有兩種類型：屏蔽只讀存儲器：屏蔽只讀存儲器實際上是一個有固定存儲內(nèi)容的只讀存儲器，產(chǎn)品由制造商提供。可編程只讀存儲器：內(nèi)容可以寫在用戶之后，有些可以寫很多次。一次性可編程只讀存儲器每個字長8位，有8條列線選擇(數(shù)據(jù)線)。當(dāng)行線選擇與金屬氧化物半導(dǎo)體管連接時，金屬氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)通，列線處于高電平，表示存儲1。金屬氧化物半導(dǎo)體管存儲元件。當(dāng)線路選擇與金屬氧化物半導(dǎo)體管斷開時，金屬氧化物半導(dǎo)體管關(guān)閉，表示存儲0。28，3.4只讀存儲器和閃存，2，屏蔽只讀存儲器的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖，8條地址線，

17、總共28=256個字，4條數(shù)據(jù)線，字長4位。29、3.4只讀存儲器和閃存、3、可編程只讀存儲器(包括可編程只讀存儲器、可編程只讀存儲器和可編程只讀存儲器)(1)可編程只讀存儲器被稱為光學(xué)可擦除可編程可讀存儲器?？梢愿鶕?jù)需要寫入其存儲內(nèi)容，當(dāng)需要更新時，可以擦除原始存儲內(nèi)容，然后寫入新內(nèi)容。30，(1) EPROM，以具有浮柵雪崩注入MOS管作為存儲單元的EPROM為例，其結(jié)構(gòu)如圖(a)所示，圖(b)為電路符號。如果通過向漏極端子D施加幾十伏的脈沖電壓，溝道中的電場足夠強(qiáng)，它將引起雪崩并產(chǎn)生許多高能電子。此時，如果正電壓被施加到G2柵極以形成垂直于溝道的電場，則溝道中的電子可以穿過氧化物層并被注

18、入到G1柵極中，從而導(dǎo)致G1柵極積累負(fù)電荷。因為G1門被絕緣的二氧化硅層包圍著，所以漏電流非常小，所以一旦電子被注入G1門，它們就可以儲存很長時間。兩個漏極S，D，兩個柵極G1，G2，31，(1)當(dāng)G1柵極有電子積累時，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的導(dǎo)通電壓變得非常高，即使G2柵極處于高電平，晶體管仍然不能導(dǎo)通，這相當(dāng)于存儲“0”。相反，當(dāng)G1門沒有電子積累時，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的導(dǎo)通電壓較低，當(dāng)G2門為高電平時，晶體管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲“1”。32，(1) EPROM。該設(shè)備上方有一個應(yīng)時窗口，如圖(c)所示。當(dāng)G1浮柵被具有較高光子能量的紫外光照射時，G1中的電子獲得足夠的能量穿過氧化層并返回到襯底，如圖(e)所示。這樣，浮柵上的電子可以消失，存儲的信息可以被擦除，這相當(dāng)于將所有“1”都存儲在存儲器中。當(dāng)這種存儲器離開工廠時，存儲的內(nèi)容都是“1”狀態(tài)。在使用中，一些存儲元素可以根據(jù)需要寫成“0”。EPROM允許多次覆蓋。要清除它，使用距離為2厘米的40W紫外線燈幾分鐘。33，(2) E2PROM，E2PROM存儲單元也被寫成EEPROM，它被稱為電可擦可編程只讀存儲器。存儲單元是具有兩個柵極的NMOS晶體管，如圖(a)和(b)所示，G1是控制柵極，其是沒有引線的浮柵；G2是擦除門，它有引線。在G