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1、第第3 3章章 存储器和存储体系存储器和存储体系l存储器概述存储器概述l半导体随机存取存储器半导体随机存取存储器l半导体只读存储器半导体只读存储器l主存储器的组织主存储器的组织l并行存储器并行存储器l高速缓冲存储器高速缓冲存储器l虚拟存储器虚拟存储器l存储体系的层次结构存储体系的层次结构10/25/202213.1 3.1 存储器概述存储器概述、存储器分类、存储器分类1 1按与按与CPUCPU的连接和功能分类的连接和功能分类l主存储器（主存储器（主存、内存主存、内存）CPUCPU能够直接访问的存储器。能够直接访问的存储器。l辅助存储器（辅助存储器（辅存、外存辅存、外存）CPUCPU不能直接访问
2、的存储器。不能直接访问的存储器。l高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）是一种介于主存与是一种介于主存与CPUCPU之间用于解决之间用于解决CPUCPU与主存间速度匹配问题的与主存间速度匹配问题的高速小容量的存储器。高速小容量的存储器。CacheCache用于存放用于存放CPUCPU立即要运行或刚使用过立即要运行或刚使用过的程序和数据。的程序和数据。用于存放当前运行的程序和数据。用于存放当前运行的程序和数据。存放当前不参加运行的程序和数据。存放当前不参加运行的程序和数据。当需要运行程序和数据时，将它们成批调入内存供当需要运行程序和数据时，将它们成批调入内存供CPUCPU使用使用
3、。10/25/202222 2按存取方式分类按存取方式分类l随机存取存储器随机存取存储器(RAMRAM,Random Access Memory),Random Access Memory)存储器任何单元的内容均可存储器任何单元的内容均可按其地址随机按其地址随机地读取或地读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。写入，且存取时间与单元的物理位置无关。RAMRAM主要主要用于组成用于组成主存主存。l只读存储器只读存储器(ROMROM,Read Only Memory),Read Only Memory)存储器的内容只能随机地读出而不能随便写入和修存储器的内容只能随机地读出而不能随便写入和修改。
4、改。ROMROM可作为主存的一部分可作为主存的一部分，用于存放不变的程序，用于存放不变的程序和数据。和数据。ROMROM还可用作其它固定存储器还可用作其它固定存储器，如存放微程，如存放微程序的控制存储器、存放字符点阵图案的字符发生器等。序的控制存储器、存放字符点阵图案的字符发生器等。10/25/20223l顺序存取存储器顺序存取存储器(SAMSAM,Sequential Access Memory),Sequential Access Memory)存储器所存信息的存储器所存信息的排列、寻址和读写排列、寻址和读写操作均是操作均是按顺序按顺序进行进行的，没有唯一对应的地址，并且的，没有唯一对应的
5、地址，并且存取时间与存取时间与信息在存信息在存储器中的储器中的物理位置有关物理位置有关。如磁带存储器。如磁带存储器。l直接存取存储器直接存取存储器(DAMDAM,Direct Access Memory),Direct Access Memory)介介于于R RA AMM和和S SA AMM之之间间的的存存储储器器。也也称称半半顺顺序序存存储储器器。典典型型的的D DA AMM如如磁磁盘盘，当当进进行行信信息息存存取取时时，先先进进行行寻寻道道，属属于于随随机机方方式式，然然后后在在磁磁道道中中寻寻找找扇扇区区，属属于于顺顺序序 方式。方式。10/25/202243 3按存储介质分类按存储介质
6、分类l磁存储器磁存储器 由由磁性材料磁性材料制成的存储器。利用磁性材料的制成的存储器。利用磁性材料的两个不两个不同剩磁状态表示二进制的同剩磁状态表示二进制的“0”“0”和和“1”“1”。早期有磁芯存。早期有磁芯存储器。现多为储器。现多为磁表面磁表面存储器，如磁盘、磁带等。存储器，如磁盘、磁带等。l半导体存储器半导体存储器 用用半导体器件半导体器件组成的存储器。根据工艺不同，可分组成的存储器。根据工艺不同，可分为双极型和为双极型和MOSMOS型。型。l光存储器光存储器 利用利用光学原理光学原理制成的存储器。通过激光束照在基体制成的存储器。通过激光束照在基体表面引起物理或化学的变化，记忆二进制信息
7、。如光盘。表面引起物理或化学的变化，记忆二进制信息。如光盘。10/25/202254.4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类l易失性存储器易失性存储器 电源掉电后，信息自动丢失。电源掉电后，信息自动丢失。l非易失性存储器非易失性存储器 电源掉电后，信息仍能继续保存。电源掉电后，信息仍能继续保存。10/25/20226二、主存的组成与操作二、主存的组成与操作1.1.几个概念几个概念l存储元件存储元件（存储元、存储位存储元、存储位）能够能够存储一位二进制信息存储一位二进制信息的物理器件。存储元是存储器的物理器件。存储元是存储器中中最小的存储单位最小的存储单位。作为存储元的条件：作为存储元的条
8、件：有两个稳定状态有两个稳定状态，对应二进制的，对应二进制的“0”“0”、“1”“1”。在外界的激励下，在外界的激励下，可写入可写入“0”“0”、“1”“1”。能够识别器件当前的状态。即能够识别器件当前的状态。即可读出可读出所存的所存的“0”“0”、“1”“1”。10/25/20227l存储单元存储单元 由由一组存储元件一组存储元件组成，可以同时进行读写。组成，可以同时进行读写。l存储体存储体（存储阵列存储阵列）把把大量存储单元大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存电路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般排列成阵列形式，所以又称储体。存储体一般排列成阵列形式，所以又称存储阵列存储
9、阵列。l存储单元的地址存储单元的地址 存储体中每个存储单元被赋予的一个存储体中每个存储单元被赋予的一个唯一的编号唯一的编号，该，该编号就是存储单元的地址。当访问某存储单元时，必须编号就是存储单元的地址。当访问某存储单元时，必须首先给出该存储单元的地址。首先给出该存储单元的地址。10/25/20228l存储单元的编址存储单元的编址 按字节编址：相邻的两个单元是两个按字节编址：相邻的两个单元是两个字节字节。按字编址：相邻的两个单元是两个按字编址：相邻的两个单元是两个字字。10/25/202292.2.主存的基本组成主存的基本组成10/25/2022102n1MAR译码器存储阵列读放电路写驱动电路M
10、DRn0RDWRDBAB10/25/202211、存储器的主要性能指标、存储器的主要性能指标1 1存储容量：存储容量：l存储容量的表示：存储容量的表示：在在以字节为编址单位以字节为编址单位的机器中，常用的机器中，常用字节字节表示存储容量。表示存储容量。例如：例如：4MB4MB表示主存可容纳表示主存可容纳4 4兆个字节信息。兆个字节信息。对于存储器芯片，用对于存储器芯片，用存储单元数存储单元数每个单元的位数每个单元的位数表示。表示。例如：例如：512k16512k16位，表示主存有位，表示主存有512k512k个单元，每个单元为个单元，每个单元为 16 16位。位。存储器所能存储的二进制信息总量
11、。存储器所能存储的二进制信息总量。10/25/202212l存储容量的主要计量单位：存储容量的主要计量单位：1K 1K 1M 1M 1G 1Gl容量与存储器地址线的关系容量与存储器地址线的关系:1K 1K 需要需要 根地址线根地址线 1M 1M 需要需要 根地址线根地址线 256M 256M 需要需要 根地址线根地址线2 21010102410242 22020 2 21010K K104857610485762 23030 2 21010MM1073741824107374182410102 210102 2202020202 22828282810/25/2022132 2速度速度 访问时
12、间访问时间T TA A （读写时间、存取时间读写时间、存取时间）从启动一次存储器存取操作到完成该操作所需的时间。从启动一次存储器存取操作到完成该操作所需的时间。l读出时间读出时间：从存储器接到有效地址开始到产生有效输出所：从存储器接到有效地址开始到产生有效输出所需的时间。需的时间。l写入时间写入时间：从存储器接到有效地址开始到数据写入被选中：从存储器接到有效地址开始到数据写入被选中单元为止所需的时间。单元为止所需的时间。存取周期存取周期T TMM（存储周期、读写周期存储周期、读写周期 ）存储器相邻两次存取操作所需的最小时间间隔。存储器相邻两次存取操作所需的最小时间间隔。10/25/202214
13、 带宽带宽B Bm m （存储器数据传输率、频宽存储器数据传输率、频宽 ）存储器单位时间内所存取的二进制信息的位数。存储器单位时间内所存取的二进制信息的位数。lWW：存储器总线存储器总线的宽度。对于单体存储器，的宽度。对于单体存储器，WW就是数据就是数据总线的根数。总线的根数。l带宽的单位：带宽的单位：KB/sKB/s，MB/sMB/sl提高存储器速度的途径提高存储器速度的途径 提高总线宽度提高总线宽度 W W，如采用多体交叉存储方式。，如采用多体交叉存储方式。减少减少T TMM，如引入，如引入CacheCache。B Bm m=WWT TMM10/25/2022153.2 3.2 半导体随机
14、存取存储器半导体随机存取存储器一、半导体存储器的分类一、半导体存储器的分类SRAMSRAM（静态静态随机存取存储器）随机存取存储器）DRAMDRAM（动态动态随机存取存储器）随机存取存储器）TTL TTL型、型、ELLELL型、型、I I2 2L L型型固定掩膜固定掩膜ROMROM可编程可编程ROMROM（PROMPROM）可擦除可编程可擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）电可擦除可编程电可擦除可编程ROMROM（EEPROMEEPROM）闪烁存储器（闪存，闪烁存储器（闪存，Flash MemoryFlash Memory）RAMRAMROMROM双极型双极型MOSMOS型型10/2
15、5/2022163.2.1 3.2.1 静态随机存取存储位元静态随机存取存储位元l 分类及特点分类及特点l双极型半导体存储器双极型半导体存储器TTL TTL、发射极耦合电路存储器、发射极耦合电路存储器ECLECLo其特点：其特点：速度高速度高、驱动能力强，但集成度低、功耗、驱动能力强，但集成度低、功耗大、大、价格高价格高，o一般用于小容量的高速存储器。一般用于小容量的高速存储器。lMOSMOS场效应晶体管存储器（分场效应晶体管存储器（分动态动态、静态静态两种）两种）o其特点：其特点：集成度高集成度高、功耗小、工艺简单、功耗小、工艺简单、成本低成本低，但但速度相对较低速度相对较低o一般用于大容量
16、存储器一般用于大容量存储器10/25/202217l每一个每一个存储单位存储单位都由一个都由一个触发器触发器构成，可以存储构成，可以存储一个二进制位，每个触发器由一个二进制位，每个触发器由6 6个个MOSMOS管构成。管构成。l存储原理：用晶体管导通与存储原理：用晶体管导通与 截止来表示截止来表示0 0和和1 1。l存储存储0 0：T0T0导通、导通、T1T1截止截止l存储存储1 1：T0T0截止、截止、T1T1导通导通l工作原理：工作原理：l写入操作写入操作l保持状态保持状态l读出操作读出操作10/25/202218存储原理：双稳态触发器存储原理：双稳态触发器lT0T0、T1T1组成触发器组
17、成触发器lT2T2、T3T3门控管门控管lT4T4、T5T5负载管负载管l存储存储0 0：T0T0导通、导通、A A点电位点电位接地，为低电平接地，为低电平l存储存储1 1：T0T0截止、截止、A A点电位点电位接接VccVcc，为高电平，为高电平lT1T1相反相反字线WVccDDABT2T3T4T5T0T110/25/202219读出操作读出操作:W:W高高,D,D读出数据读出数据lWW高电平，高电平，T2 T2导通导通l位线位线D D与与A A点连接点连接l读读0 0：A A为低电平，为低电平，D D输出低输出低电平电平l读读1 1：A A为高电平，为高电平，D D输出高输出高电平电平lT
18、1T1相反相反字线WVccDDABT2T3T4T5T0T110/25/202220VCC高电平高电平导通导通导通导通地地高电平高电平VCC读出读出非破坏性读出非破坏性读出10/25/202221写入操作写入操作:W:W高高,D,D写入数据写入数据lWW高电平，高电平，T2 T2导通导通l位线位线D D与与A A点连接点连接l写写0 0：D D输入低电平，输入低电平，A A点电点电位下降，位下降，T0 T0导通，存储位导通，存储位元变为元变为0 0l写写1 1：D D输入高电平，输入高电平，A A点电点电位上升，位上升，T0T0截止，存储位截止，存储位元变为元变为1 1lT1T1相反相反字线WV
19、ccDDABT2T3T4T5T0T110/25/202222写入（以写写入（以写“0”“0”为例）为例）高电平高电平导通导通导通导通地地高电平高电平地地高电平高电平10/25/202223保持状态保持状态:W:W低，内部稳定低，内部稳定lWW低电平，低电平，T2 T2截止截止l位线位线D D与与A A点断开点断开l只要只要VccVcc不断电，原有信息不断电，原有信息保持不变保持不变字线WVccDDABT2T3T4T5T0T110/25/202224保持保持地地断开断开断开断开地地高电平高电平10/25/2022253.2.2 3.2.2 动态随机存取存储位元动态随机存取存储位元l存储原理：存储
20、原理：l利用电容利用电容CsCs存储电荷存储电荷存储信息存储信息l电容电容CsCs充有电荷表示充有电荷表示1 1，l电容电容CsCs没有电荷表示没有电荷表示0 0。10/25/202226读取读取高电平高电平导通导通高电平高电平读取过程中，读取过程中，CsCs的电平最终的电平最终会变为中间电会变为中间电平，即原来存平，即原来存储的数据丢失，储的数据丢失，需要将读出的需要将读出的数据重新写入，数据重新写入，称为称为再生再生中间电平中间电平电压上升电压上升10/25/202227写入写入高电平高电平导通导通高电平高电平高电平高电平10/25/202228保持保持 由于电容存在漏电，经由于电容存在漏
21、电，经过一段时间后，过一段时间后，CsCs上的上的电荷会全部泄漏，为了电荷会全部泄漏，为了保持数据的正确性，必保持数据的正确性，必须隔一段时间，进行一须隔一段时间，进行一次次刷新操作刷新操作(Refresh)(Refresh)地地断开断开高电平高电平10/25/202229l刷新刷新:SRAM SRAM是靠是靠_存储信息的，所存的存储信息的，所存的信息表现为双稳态电路的电平，所以不需要刷信息表现为双稳态电路的电平，所以不需要刷新。新。DRAM DRAM是靠是靠_存储信息的，所存信息表现为存储信息的，所存信息表现为电容上的电荷。由于电路中存在一定的漏电流，电容上的电荷。由于电路中存在一定的漏电流
22、，致使电容慢慢放电，导致所存信息丢失。因此致使电容慢慢放电，导致所存信息丢失。因此必须在电容放电到一定程度前，重新写入信息，必须在电容放电到一定程度前，重新写入信息，这一过程称为这一过程称为刷新刷新。触发器电路触发器电路电容电容10/25/2022302.2.动态存储器的刷新动态存储器的刷新l刷新最大周期刷新最大周期 设存储电容为设存储电容为C C，其两端电压为，其两端电压为u u，电荷，电荷Q QCuCu，则泄，则泄漏电流为：漏电流为：刷新间隔为刷新间隔为:若若C C，u u1V1V，I I，则刷新间隔为，则刷新间隔为t t就是刷新最大间隔，即就是刷新最大间隔，即刷新最大周期刷新最大周期。1
23、0/25/202231l刷新基本方法刷新基本方法 按行进行刷新，每次由刷新地址计数器给出刷新行地按行进行刷新，每次由刷新地址计数器给出刷新行地址，每刷新址，每刷新1 1行，地址计数器自动加行，地址计数器自动加1 1。l刷新方式刷新方式 设刷新周期为设刷新周期为2ms2ms，存储体排成，存储体排成64646464阵列，需要刷阵列，需要刷新新6464行。每读行。每读/写一次或刷新一行的时间为写一次或刷新一行的时间为200ns200ns。有下列。有下列几种刷新方式：几种刷新方式：集中式刷新集中式刷新 分散式刷新分散式刷新 异步式刷新异步式刷新10/25/202232l 集中式刷新集中式刷新l在允许的
24、最大刷新间隔在允许的最大刷新间隔(2ms)(2ms)内，按照存储器芯片内，按照存储器芯片容量的大小集中安排刷新时间。容量的大小集中安排刷新时间。l假设存储周期为假设存储周期为200ns200ns，在，在2ms2ms的时间内完成的时间内完成1000010000次存储操作，即次存储操作，即1000010000个存储周期。个存储周期。l例如对例如对4k14k1位芯片，存储矩阵为位芯片，存储矩阵为64646464，每个存，每个存储单元电路都刷新一次需储单元电路都刷新一次需6464个周期，因此在个周期，因此在2ms2ms内，留出内，留出6464个周期专用于刷新。个周期专用于刷新。10/25/202233
25、刷新方式刷新方式l集中刷新方式集中刷新方式优点：控制简单，速度快优点：控制简单，速度快缺点：有缺点：有“死区死区”012993599369999读写操作9936个周期刷新操作64个周期刷新间隔（2ms）10/25/202234刷新方式刷新方式l分散刷新方式分散刷新方式优点：控制简单，无明显优点：控制简单，无明显“死区死区”缺点：速度慢，存储器速度较快时，存在时间上缺点：速度慢，存储器速度较快时，存在时间上的浪费的浪费读写刷新刷新间隔（2ms）读写刷新读写刷新周期0周期1周期499910/25/202235刷新方式刷新方式l异步刷新方式异步刷新方式优点：无明显优点：无明显“死区死区”，无时间上的
26、浪费，无时间上的浪费缺点：控制复杂缺点：控制复杂l，每隔，每隔31us刷新一次刷新一次刷新间隔（2ms）读写刷新31s 0.2s 读写刷新31s 0.2s 读写刷新31s 0.2s 10/25/2022363.2.3 3.2.3 半导体随机存取存储芯片半导体随机存取存储芯片l1 1、地址译码驱动方式、地址译码驱动方式l一维译码方式一维译码方式l二维译码方式二维译码方式l二维译码方式的字选方式二维译码方式的字选方式 10/25/202237（1 1）一维译码方式的存储器芯片）一维译码方式的存储器芯片（648648位）位）1 11 11 11 11 11 110/25/202238（2 2）二维二
27、维结构的存储器芯片（结构的存储器芯片（4K1 4K1位）位）双译码双译码方式、方式、位片位片方式方式0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 110/25/202239（3 3）二维地址译码的）二维地址译码的字选字选方式方式（5128 5128位位=6464=6464）改成每次读出改成每次读出一个字，就是一个字，就是字选方式。字选方式。优点：译码电路简优点：译码电路简单，且同一个字在单，且同一个字在同一块芯片中。同一块芯片中。8 8根数据线根数据线行行译译码码器器列列 译译 码码 器器读 写 电 路A0A1A5A6A88位字08位字18位字7078对 8*88*8对
28、位线对位线8 8根列选线根列选线读写64根线512/88*8位位A71 11 11 10 00 00 010/25/2022402.2.静态静态SRAMSRAM芯片举例芯片举例-Intel 2114-Intel 2114芯片（芯片（1K4 1K4位）位）1010根地址线，用于寻根地址线，用于寻址址10241024个存储单元个存储单元4 4根双向数据线根双向数据线读读/写控制线写控制线片选信号线片选信号线10/25/202241Intel 2114Intel 2114内部结构图内部结构图 10/25/202242SRAMSRAM的工作时序的工作时序l 读周期时序读周期时序l 写周期时序写周期时序
29、读出数据TRCAddrCSOEDataAddrTWCCSWE写入数据Data10/25/2022433 3、DRAMDRAM芯片实例芯片实例 2164 2164 l基本特征基本特征l64K*164K*1位位=4*=4*（128*128128*128）l存取时间为存取时间为150ns150ns或或200ns200ns；l每每2ms2ms需刷新一遍，需刷新一遍，每每次同时刷新次同时刷新512512个存储单个存储单元元，2ms2ms内需有内需有128128个刷个刷新周期。新周期。l引脚引脚l地址线复用地址线复用A0A7A0A7l行地址选通行地址选通RASRASl列地址选通列地址选通CASCAS，也起
30、，也起片选作用片选作用l分开的输入分开的输入DinDin和输出和输出数据线数据线DoutDout10/25/20224421642164内部结构示意图内部结构示意图 10/25/202245DRAMDRAM读写时序读写时序 Addr读周期读出数据RASCASRDData行列RASCASWRDataAddr行列写入数据写周期Review 216410/25/202246DRAMDRAM刷新时序刷新时序lRAS only refreshRAS only refreshl在在DRAMDRAM芯片外部设芯片外部设置专门的刷新计数器置专门的刷新计数器来产生行地址来产生行地址l只送行地址，不送列只送行地址
31、，不送列地址地址lHidden refreshHidden refreshlDRAMDRAM芯片内部提供芯片内部提供刷新计数器刷新计数器l刷新分散在每次的读刷新分散在每次的读或写操作之后或写操作之后AddrRASCAS刷新周期AddrRASCASRDData读周期读出数据行列刷新周期10/25/202247静态存储器静态存储器 vs vs 动态存储器动态存储器lSRAMSRAMlStaticStaticl集成度较低（六管），集成度较低（六管），单片容量较小单片容量较小l不需要刷新不需要刷新l速度快，曾在速度快，曾在PentiumPentium主板上用作主板上用作二级高速缓存二级高速缓存(图图)
32、l通常是字选方式通常是字选方式lDRAMDRAMlDynamicDynamicl集成度高（单管），集成度高（单管），单片容量较大单片容量较大l需要定时刷新需要定时刷新l速度较低，多用作主速度较低，多用作主存储器存储器l通常是位选方式通常是位选方式10/25/202248用作用作L2 CacheL2 Cache的的SRAMSRAM10/25/2022493.2.4 3.2.4 高级高级DRAMDRAMlFPM(Fast Page Mode,FPM(Fast Page Mode,快页型快页型)DRAM)DRAM l快速页快速页l突发模式突发模式10/25/202250EDO DRAMEDO DRA
33、M（扩展数据输出）（扩展数据输出）l可以在输出一个数据的过程中准备下一个数据的输出可以在输出一个数据的过程中准备下一个数据的输出 10/25/202251SDRAM(Synchronous DRAM)SDRAM(Synchronous DRAM)同步型同步型RAMRAMl其地址信号和数据信号由同一个时钟驱动。其地址信号和数据信号由同一个时钟驱动。clockclock同步是指同步是指内存能够与内存能够与CPUCPU同步存取资料，可以取消等待周期，减少同步存取资料，可以取消等待周期，减少数据传输的延迟，因此可提升计算机的性能和效率数据传输的延迟，因此可提升计算机的性能和效率10/25/202252
34、DDR SDRAM(Synchronous DRAM)DDR SDRAM(Synchronous DRAM)l即同步动态即同步动态RAMRAMlDDR SDRAMDDR SDRAM不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据而且还能在下降沿读出数据据而且还能在下降沿读出数据 l等效传输频率是工作频率的两倍等效传输频率是工作频率的两倍 lDDRDDR的标准的标准oDDR266DDR266、DDR333DDR333和和DDR400DDR400lDDRDDR对应的规范对应的规范 oPC2100/PC2700/PC3200PC2100/PC2700/PC3200l工作电压工作电压10
35、/25/202253DDRIIDDRII，DDRIIIDDRIIIlDDRII(Double Data Rate Synchronous DRAMDDRII(Double Data Rate Synchronous DRAM，第二代同步双倍速率动态随机存取存储器第二代同步双倍速率动态随机存取存储器)l4bit4bit数据预读取数据预读取 l工作电压采用工作电压采用1.8v 1.8v lDDRIIIDDRIIIl8bit8bit数据预读取数据预读取 l点对点的拓扑架构点对点的拓扑架构 P2P P2P、P22P P22P l工作电压降为工作电压降为1.5v 1.5v 10/25/202254RDR
36、AM(Rambus DRAM,RDRAM(Rambus DRAM,高频动态随机存取高频动态随机存取存储器存储器)lRambusRambus公司独立设计完成的一种内存模式，速度一般公司独立设计完成的一种内存模式，速度一般可以达到可以达到500530MB/s500530MB/s，是，是DRAMDRAM的的1010倍以上。倍以上。184个接触点个接触点 目前的目前的RDRAMRDRAM内存只能以双数条形式存在，而且由于内存只能以双数条形式存在，而且由于RDRAMRDRAM采用了串联的设计，因此所有未用的采用了串联的设计，因此所有未用的RIMMRIMM插槽插槽都必须用一个被称作都必须用一个被称作“连通
37、器连通器”的电路板占用的电路板占用.RIMM(RAMBUS In-line Memory Module)RIMM(RAMBUS In-line Memory Module)10/25/2022553.3 3.3 半导体只读存储器半导体只读存储器ROMROM的特点的特点l 特性：特性：正常工作时只能读出信息，而不能写入的随机存储正常工作时只能读出信息，而不能写入的随机存储器。信息的写入是通过器。信息的写入是通过特殊方法特殊方法。与与RAMRAM相比相比：速度相当、结构简单、集成度高、造：速度相当、结构简单、集成度高、造价低、功耗小、价低、功耗小、可靠性高、无掉电信息丢失、无读出可靠性高、无掉电信
38、息丢失、无读出信息破坏、不需要刷新。信息破坏、不需要刷新。与外存相比与外存相比：都具有掉电信息不丢失的特点，但速：都具有掉电信息不丢失的特点，但速度高。度高。10/25/202256半导体只读存储器半导体只读存储器ROMROM的应用的应用l应用应用：（主要用来存放不需要改变的信息）：（主要用来存放不需要改变的信息）o 存放软件存放软件n 如引导程序如引导程序n存放微程序存放微程序o存放特殊编码存放特殊编码n 如字符点阵如字符点阵10/25/2022573.3.1 3.3.1 掩模只读存储器掩模只读存储器MROMMROMl特点：特点：l存储的信息在芯片制时最存储的信息在芯片制时最后一道掩模后一道
39、掩模(MASKMASK)工艺由工艺由连线决定连线决定“0”“0”和和“1”“1”；l生产周期长；生产周期长；l可靠性高，信息永不丢失。可靠性高，信息永不丢失。l适用场合：适用场合：l大批量生产。大批量生产。Vcc字地址译码器读放电路D3 D2 D1 D0W1W2W3存储阵列读 MOS只读存储器只读存储器结构：结构：负载管负载管无管子的位线为高，无管子的位线为高，称为存储称为存储0有管子的有管子的位线为低，位线为低，称为存储称为存储110/25/2022583.3.2 3.3.2 一次性可编程只读存储器一次性可编程只读存储器PROMPROMSSSSSSSSSSSSSSSS地址译码 读 放 电 路
40、VccA0A1A2A3A4 D7 D6 D1 D0读熔丝熔丝10/25/202259特点：特点：使用专用设备（使用专用设备（编程器编程器），用户一次性），用户一次性写入，故称为可编程（写入，故称为可编程（ProgrammableProgrammable）。不可）。不可恢复，信息永久保存。恢复，信息永久保存。适用于适用于：小批量生产。：小批量生产。10/25/2022603.3.3 3.3.3 可擦除的只读存储器可擦除的只读存储器EPROMEPROMl基本结构基本结构l写写“1”“1”：保持原状态，浮栅上不带电：保持原状态，浮栅上不带电荷。荷。l写写“0”“0”：源极（：源极（S S）和漏极（）
41、和漏极（D D）之间）之间加高电压，使加高电压，使PNPN结处于反偏状态，发结处于反偏状态，发生瞬间击穿。浮栅上积累了负电荷，生瞬间击穿。浮栅上积累了负电荷，形成了带正电的形成了带正电的P P沟道，管子导通。沟道，管子导通。字线位线Vcc10/25/2022613.3.3 3.3.3 可擦除的只读存储器可擦除的只读存储器EPROMEPROMl擦除擦除(ErasableErasable)：l 紫外线照射，浮栅上的电子获得能量，穿越绝缘层泄紫外线照射，浮栅上的电子获得能量，穿越绝缘层泄放掉电荷。放掉电荷。l特点：特点：l 可多次擦除，通常有数千次擦除寿命可多次擦除，通常有数千次擦除寿命l 外形上有
42、玻璃外形上有玻璃 窗，避免日光或荧光灯照射。窗，避免日光或荧光灯照射。10/25/202262EPROM擦除器10/25/2022633.3.4 3.3.4 电擦除只读存储器电擦除只读存储器EEPROMEEPROMl 特点：特点：l隧道效应隧道效应l内置升压电路，电信内置升压电路，电信号擦除号擦除(Electrically Electrically ErasableErasable)l 先擦后写先擦后写l 写入速度较慢，写一写入速度较慢，写一个数据的大约时间在个数据的大约时间在2-10ms2-10ms之间。之间。l结构：结构：应用：应用：取代取代EPROMEPROM，擦除方便，擦除方便，但成本
43、较高。但成本较高。小容量串行接口的小容量串行接口的E2PROME2PROM，保存系统设置等参数。保存系统设置等参数。10/25/2022643.3.5 3.3.5 闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）l特点：特点：l 高速高速l 高集成度、低成本高集成度、低成本.l 整片电擦除或按块电擦整片电擦除或按块电擦除，可擦除除，可擦除100100万次万次l结构：存储原理存储原理具有两种状态具有两种状态：1.1.未写入状态：浮空栅极无电子，未写入状态：浮空栅极无电子，栅极电压大于栅极电压大于1V1V就开始导通。就开始导通。2.2.已写入状态：浮空栅极布满电子，已写入
44、状态：浮空栅极布满电子，栅极电压大于栅极电压大于5V5V才开始导通。才开始导通。10/25/2022653.3.5 3.3.5 闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）l写入：写入：l控制栅极和漏极都加控制栅极和漏极都加上高电压，电子由源上高电压，电子由源极向漏极移动，在漏极向漏极移动，在漏极附近产生的热电子极附近产生的热电子可以越过硅表面到可以越过硅表面到SiOSiO2 2 膜的顶峰，在膜的顶峰，在控制栅极高电压的吸控制栅极高电压的吸引下能够注入到浮空引下能够注入到浮空栅极。栅极。高电压高电压高电压高电压地地10/25/2022663.3.5 3.3.5 闪
45、速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）l擦除：擦除：l控制栅极接地，漏极控制栅极接地，漏极开路，源极加高电压，开路，源极加高电压，则浮空栅极上累积的则浮空栅极上累积的电子逃逸。电子逃逸。（增强（增强FNFN隧道注入方式）隧道注入方式）正脉冲正脉冲10/25/2022673.3.5 3.3.5 闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）l应用应用l可升级可升级BIOS(BIOS(右图右图)lU U盘盘l数码相机数码相机l掌上电脑掌上电脑lMP3MP3随身听随身听10/25/202268铁电存储器（铁电存储器（FRAM,FeRAMF
46、RAM,FeRAM）lFerroelectricFerroelectric random accessrandom access memory memory l利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，l特点特点l速度快，能够像速度快，能够像RAMRAM一样操作；一样操作；l读写功耗极低。读写功耗极低。lFRAMFRAM仍有最大访问次数的限制，目前最大访问次仍有最大访问次数的限制，目前最大访问次数是数是100100亿次（亿次（1010 10 10），超过这个次数之后，它仅，超过这个次数之后，它仅仅是没有了非易失性，仍可像普通仅是没有了非易失性，仍可像普通RAMRA
47、M一样使用。一样使用。10/25/202270磁性随机存储器磁性随机存储器MRAMMRAM lMagnetoresistiveMagnetoresistive Random Access Memory Random Access Memory l基于半导体和磁通道基于半导体和磁通道(magnetic tunnel junction-MTJ)(magnetic tunnel junction-MTJ)技术的固态存储介质，属于非挥发性芯片。技术的固态存储介质，属于非挥发性芯片。l擦写次数高于现有的不挥发存储器，可达擦写次数高于现有的不挥发存储器，可达101015 15；l读写时间可达读写时间可达7
48、0nS70nSl正在开发阶段，主要开发厂商有正在开发阶段，主要开发厂商有IBMIBM、InfineonInfineon、CypressCypress和和MotorolaMotorola。10/25/2022713.4 3.4 主存储器的组织主存储器的组织l3.4.1 3.4.1 主存储器容量的扩充主存储器容量的扩充l由于一块存储器芯片的容量总是有限的，因此一由于一块存储器芯片的容量总是有限的，因此一个存储器总是由一定数量的存储器芯片构成。个存储器总是由一定数量的存储器芯片构成。l要组成一个存储器，需要考虑的问题：要组成一个存储器，需要考虑的问题：10/25/202272 如何选择芯片如何选择芯
49、片 根据存取速度、存储容量、电源根据存取速度、存储容量、电源 电压、功耗及成本等电压、功耗及成本等方面的要求进行芯片的选择。方面的要求进行芯片的选择。所需的芯片数量所需的芯片数量 10/25/202273例：用例：用21142114芯片芯片(1K4(1K4位位)组成组成32K832K8位的存储器，所需芯片位的存储器，所需芯片数为：数为：如何把许多芯片连接起来如何把许多芯片连接起来 l通常存储器芯片在通常存储器芯片在单元数单元数和和位数位数方面都与实际存储器要求方面都与实际存储器要求有很大差距，所以需要在有很大差距，所以需要在字方向字方向和和位方向位方向两个方面进行扩两个方面进行扩展。展。l按扩
50、展方向可分为：位扩展、字扩展、字和位同时扩展。按扩展方向可分为：位扩展、字扩展、字和位同时扩展。10/25/2022741.1.位扩展位扩展l存储器芯片的字数和存储器的存储器芯片的字数和存储器的字数一致字数一致，只在位数方向，只在位数方向扩展（扩字长）。扩展（扩字长）。l例：用例：用21142114芯片构成芯片构成1K81K8位的存储器。位的存储器。A A0 0A A9 9WEWECSCS21142114I/OI/O1 1I/OI/O4 4操作操作0 00 0写写0 01 1读读1 1未选中未选中10/25/202275DDD0479AA021142114CSWE10/25/202276l位扩