信息存储材料.ppt

1 第四章信息存储材料 2 本章主要介绍 半导体存储器磁性材料存储器光存储器 3 信息存储材料指能够用于纪录和存储信息的材料 这类材料在外场 光 电 磁 热等 作用下 其物理性质或状态将发生突变 变化后的状态可以保持较长的时间 传感材料与存储材料的区别传感材料在外场作用下其物理性质会发生与外场强度相关的变化 外场撤出后立即恢复以前的状态 存储材料在外场作用下其物理性质发生突变 外场撤出以后不会立即恢复 0 信息材料概论 4 存储器就是用来存储程序和数据的硬件 存储体系是指由各具特色 不同类型的存储器构成相互依存 相互支持的多个层次 以及与此相关的软 硬件 单一品种的存储器不能同时满足计算机系统的各项要求 而存储体系可以较好地做到统筹兼顾 充分发挥整体优势 5 信息的输入与输出 6 总线的基本概念 总线就是一组信号线的集合 它定义了各引线的信号 电气和机械特性 使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系 进行数据传递和通信 规定了各引线的信号 时序 电气和机械特性为计算机系统内部各部件 各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路采用总线标准设计 生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性 总线的定义 总线的特点 7 按照总线内部信息传输的性质 总线可分为 总线的分类 数据总线 DB用于传送数据信息 地址总线 AB是专门用来传送地址的 控制总线 CB控制总线包括控制 时序和中断信号线 电源总线 PB用于向系统提供电源 DB AB CB PB 8 按照总线在系统结构中的层次位置 总线可分为 片内总线 On ChipBUS 在集成电路的内部 用来连接各功能单元的信息通路 内部总线 InternalBus 用于计算机内部模块 板 之间通信 外部总线 ExternalBus 又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信 9 根据总线的数据传输方式 总线可分为 并行总线 每个信号都有自己的信号线 串行总线 所有信号复用一对信号线 10 计算机总线结构示意图 11 数据总线D 用于传递数据信息 总线宽度 数据信号线的根数 决定设备获得最大性能影响计算机系统性能 地址总线宽度 地址线的根数决定直接寻址能力避免IO地址与内存地址的重叠 地址总线A 用于传递地址信息 控制总线C 包括控制 时序和中断信号线 用于传递各种控制信息 决定了总线的性能好坏 电源总线P 提供电源 12 PCI总线结构 13 PCI总线引线示意图 地址和数据 AD31 AD0C BE 3 BE 0 接口控制 FRAME TRDY IRTY STOP DEVSEL IDSEL REQ GNT PERR SERR CLKRST 64位扩充 PAR64REQ64 ACK64 INTA INTB INTC INTD TD1TD0TCKTMSTRST 出错 仲裁 系统 AD63 AD32C BE 7 BE 4 LOCK 接口控制 中断 JTAG PAR PCI卡 14 存储器的存储媒介有多种 应用范围也非常广泛 软磁盘 磁带 硬盘 内存条 光盘 优盘 数码相机用SM卡 15 存储器按其在微机系统中的位置可分成两大类 16 存储器的分类 1 按存储介质分 可分3种 半导体存储器 磁存储器和光存储器 2 按存取方式分 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 顺序存取存储器 SAM 和直接存取存储器 DAM 3 按信息的可保护性分 易失性存储器和非易失性存储器 17 4 按所处位置及功能分 内存 主存 位于主机内部 具有总线地址 可以被CPU直接访问 外存 辅存 位于主机外部 只有调入内存 CPU才能应用 起后备辅助作用 注 半导体ROM RAM用于主存 磁盘 光盘用于外存 18 存储体系与层次结构 1 计算机对存储系统的要求 容量 读写速度 价格 支持系统启动和开发的能力 安全性和后备存储能力 2 存储体系的形成 从用户角度分析 容量 速度与价格主存RAM的速度 ROM的固化 减少错误率 外存独立的存储及容量形成了三个层次结构 19 存储系统的层次结构 CPU CACHE 主存 内存 辅存 外存 根据各种存储器的存储容量 存取速度和价格比的不同 将它们按照一定的体系结构组织起来 使所放的程序和数据按照一定的层次分布在各种存储器中 按照存储器在计算机系统中作用的不同 可将它们划分为主存储器 内存 辅助存储器 外存 和高速缓冲存储器等 20 21 计算机对存储器的要求 容量大 速度快 成本低 分级存储器结构 目的 提高速度 增加容量 降低成本 CPU 内部寄存器 高速缓冲存储器 内存 主存 外存 辅存 主存 辅存层次 cache 主存层次 速度降 容量增 虚拟存储器 22 Cache技术与虚拟存储器技术意义 Cache解决CPU与内存之间的速度差 以低成本提高了计算机系统的整体速度 提升了系统性价比 虚拟存储器技术以外存储器作为硬件保证 解决了大容量程序的储存和运行问题 23 主存和高速缓存之间的关系 Cache引入 为解决cpu和主存之间的速度差距 提高整机的运算速度 在cpu和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大 但速度很高的存储器作为缓冲区 Cache特点存取速度最快 容量小 存储控制和管理由硬件实现 Cache工作原理 程序访问的局部性在较短时间内由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内 指令分布的连续性和循环程序及子程序的多次执行 这种对局部的存储器地址频繁访问 而对此范围以外的地址范围甚少的现象就成为程序访问的局部性 数据分布不如指令明显 但对数组的访问及工作单元的选择可使存储地址相对集中 24 Cache CPU RAM ROM 外存 主存 带Cache的结构层次 25 缓存主存层次和主存辅存层次 虚拟存储器 虚地址 逻辑地址 实地址 物理地址 主存储器 速度 容量 26 图4 1存储器的逻辑结构示意图 27 CPUARDR 主存储器 地址总线数据总线控制总线 Ready 读写线 K N 主存储器与CPU的联系 28 存储器与CPU接口的基本技术 用16K 4芯片构成64K 8RAM A0 A13 D0D1D2D3D4D5D6D7 译码器 A14 A15 M IO 29 内存条构造 30 存储器的 半导体 主要性能指标 1 存储器容量 存储器以字节为单元 每个单元包含8位二进制数 存储器存储单元的多少由地址码的位数确定 即n位地址码 可译码2n个不同的地址 2 存取时间与存取速度 或称存取周期 计算机的运行速度与存储器的存取周期有着直接的关系 存取周期越短 计算机运行的速度越快 存储器系统的存取周期 存取路径中的缓冲器以及地址 数据线的延时都对存取速度产生影响 31 3 功耗 半导体存储器属于大规模集成电路 集成度高 体积小 散热不容易 因此在保证速度的前提下应尽量减少功耗 4 可靠性 是指存储器对电磁场 温度变化等因素千万干扰的抵抗能力 或称电磁兼容性 以及在高速使用时也能正确存取 或称动态可靠性 32 5 集成度 存储器的集成度越高 构成相同容量的存储器芯片数就越少 集成度常以 位 片 表示 也用 字节 片 表示 动态存储器的集成度高于表态存储器 这也是动态存储器普遍用做微型计算机主存的原因 6 其它 通常考虑输入 输出电平是否与外电路兼容 对cpu总线负载能力的要求 使用是否方便灵活以及成本价格等 33 性能 价格比性能主要包括存储容量 存取速度可可靠性三项指标 性价比是一项综合性指标 对不同用途的存储器要求不同 例如 对外存 要求存储容量大 对高速缓存 则要求速度快 在满足性能要求的条件下 尽量选择价格便宜的存储器 34 一 半导体存储器 35 1半导体存储器的特点与应用 半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路 集成度高 体积小 可靠性高 价格低 外围电路简单且易于接口 便于自动化批量生产 半导体存储器主要用于电子计算机和某些数字系统 存放程序 数据 资料等 36 按工艺结构分类双极型和金属氧化物型存储器按存储器原理分类静态存储器SRAM和动态存储器DRAM按数据传输的宽度分类并行I O的存储器 串行I O的存储器按存取方式分类随机存取存储器RAM 只读存储器ROM 2半导体存储器分类 37 半导体存储器的分类 38 固定ROM 出厂时已完全固定下来 使用时无法再更改 也称掩模编程ROM PROM 允许用户根据需要写入 但只能写一次 EPROM 允许用户根据需要写入 可以擦除后重新写入 但操作复杂 费时 E2PROM 允许用户根据需要写入 可以擦除后重新写入 操作比较简便 快捷 闪存储器 仍是ROM 兼有EPROM E2PROM RAM的特点 既有存储内容非丢失性 又有快速擦写和读取的特性 半导体存储器按数据的写入方式分 39 半导体存储器按在计算机中的作用分类高速缓冲存储器主存储器 内存 辅助存储器 外存 半导体存储器按存取方式分类随机存储器RAM RandomAccessMemory 只读存储器ROM Read OnlyMemory 串行访问存储器 SerialAccessStorage 40 存储容量存储器包含基本存储单元的总数 一个基本存储单元能存储 位 Bit 的信息 即一个0或一个1 存储器的读写操作是以字为单位的 每一个字可包含多个位 例如 存取时间反映存储器的工作速度 通常用读 或写 周期来描述 3半导体存储器的主要技术指标 41 由若干个最基本的存储单元存储一个字 字长有4位 8位 16位以及32位等 在微机中 存储器一律按8位二进制数 一个字节 编址 习惯上把一个地址所寻址的8位二进制数称为一个存储单元存储器容量一般都很大 无论内存还是外存 均以字节为单元 常用的有210字节 1KB 220字节 1024KB 1MB 230字节 1024MB 1GB 240字节 1024GB 1TB存储器的容量与微机的地址线有关 42 RAM主存储器 内存储器 RAM是一种读写存储器 其内容可以随时根据需要读出或写入新的信息 这种存储器可以分为静态RAM和动态RAM两种 静态SRAM的特点是 只要存储单元上加有工作电压 它上面存储的信息就将保持 由双稳态电路构成 动态DRAM由于是利用MOS管极间电容保存信息 因此随着电容的漏电 信息会逐渐丢失 为了补偿信息的丢失 要每隔一定时间对存储单元的信息进行刷新 不论是静态SRAM还是动态DRAM 当电源电压去掉时 RAM中保存的信息都将全部丢失 43 地址译码器 接收来自CPU的n位地址 经译码后产生2n个地址选择信号 实现对片内存储单元的选址 控制逻辑电路 接收片选信号CS及来自CPU的读 写控制信号 形成芯片内部控制信号 控制数据的读出和写入 数据缓冲器 寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据 存储体 存储体是存储芯片的主体 由基本存储元按照一定的排列规律构成 4半导体存储芯片组成 44 存储矩阵 字结构 同一芯片存放一个字的多位 如8位 优点是 选中某个单元 其包含的各位信息可从同一芯片读出 缺点是芯片外引线较多 成本高 适合容量小的静态RAM 位结构 同一芯片存放多个字的同一位 优点是芯片的外引线少 缺点是需要多个芯片组和工作 适合动态RAM和大容量静态RAM 一个基本单元电路只能存放一位二进制信息 为保存大量信息 存储器中需要将许多基本单元电路按一定的顺序排列成阵列形式 这样的这列称为存储矩阵 排列方式 字结构和位结构 45 半导体存储芯片组成 46 主存储器芯片的基本组成 主存储器由大量的存储器芯片按照一定的规则组合而成 1 存储体 按一定结构组成的存储单元的组合体 2 地址接口电路 从外部地址总线上接收地址信号 3 读写控制接口电路 完成对选中单元的读写及数据缓冲控制 4 数据接口电路 与外部数据总线连接的接口 47 地址译码器 功能 接收系统总线传来的地址信号 产生地址译码信号后 选中存储矩阵中的某个或几个基本存储单元 从结构类型上分类 单译码 双译码单译码方式适合小容量的存储器例如 地址线12根对应4096个状态 需要4096根译码线双译码方式适合大容量存储器 也称为矩阵译码器 分X Y两个方向的译码例如 地址线12根X Y方向各6根 64 64 4096个状态 128根译码线 48 地址译码电路 单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构 49 单译码存储结构 64 8位 0 0 0 7 63 0 63 7 X地址译码器 A0 A5 X0 X63 三态双向缓冲存储器 D0D7 R W CE 50 2位地址单译码示例 2位地址码产生4条译码线 0 有效 A1 A0 F0 F1 F2 F3 51 0 08位 0 638位 63 08位 63 638位 X地址译码器 A0 A5 双译码存储结构 行地址 列地址 1位 8片位扩展 X0 X63 Y地址译码器 A6 A11 Y0 Y63 I ODB8位 52 5存储器控制电路 功能 通过存储器控制信号的引线端 接收来自CPU或外部电路的控制信号 经过组合变换后 对存储矩阵 地址译码器和三态双向缓冲器DR进行控制 基本引脚CS R W 53 内存的基本结构和工作方式 CPU 时序 控制 MAR 地址译码器 存储体 读写驱动器 MAR 数据线 地址线 控制信号 地址码 MAR 读信号 地址码 地址码 地址译码器 译码 某存储单元 数据 读写驱动器 数据 数据 地址译码器 数据 54 存储器芯片的I O控制逻辑如图5 5所示 55 Intel6264的引脚图和内部结构框图如图5 6和图5 7所示 56 6半导体随机存储器 静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM 57 SRAM与CPU的连接 静态随机存储器SRAM CPU 存储器接口电路 SRAM 地址总线 控制总线 数据总线 地址线 An A0 数据线 I O8 I O1 OE CS WE 58 静态RAM的工作原理 选择线 I O I O Vcc Q3 Q4 Q5 Q6 Q1 Q2 59 1 静态RAM基本电路 A 触发器非端 A触发器原端 T1 T4 60 静态RAM基本电路的读操作 61 静态RAM基本电路的写操作 62 动态DRAM单管基本存储单元 集成度高 但速度较慢 价格低 一般用作主存 电容上存有电荷时 表示存储数据A为逻辑1 行选择线有效时 数据通过T1送至B处 列选择线有效时 数据通过T2送至芯片的数据引脚I O 为防止存储电容C放电导致数据丢失 必须定时进行刷新 动态刷新时行选择线有效 而列选择线无效 刷新是逐行进行的 刷新放大器 63 2 动态DRAM芯片举例 三管动态RAM芯片 Intel1103 读 读写控制电路 64 三管动态DRAM芯片 Intel1103 写 读写控制电路 65 单管动态DRAM4116 16K 1位 外特性 66 DRAM内存条的种类 SIMM SingleInlineMemoryModule单列直插式内存模块72线 32位数据 12位行列公用地址 RAS CAS 等在Pentium微型机中必须成对使用 67 动态RAM与静态RAM的比较 目前 动态RAM的应用比静态RAM要广泛得多 主存 其原因是 DRAM集成度高DRAM的功耗仅为SRAM的1 6DRAM的价格仅为SRAM的1 4DRAM的缺点DRAM由于使用动态元件 电容 速度比SRAM低 DRAM内容需要再生 故需配置再生电路因此 容量不大的高速存储器大多用静态RAM实现 如高速缓存 Cache 68 69 6只读存储器 ROM 掩膜ROM可擦除可编程的ROM EPROM 电可擦可编程ROM EEROM 70 用MOS工艺制造的ROM的存储矩阵如图 或非门 产品出厂时存的全是1 用户可一次性写入 即把某些1改为0 但不能多次擦除 71 半导体只读存储器ROM 非易失性 基本结构 特点及类型 72 由MOS管组成掩膜式只读存储器的结构图如图5 10所示 73 掩膜式ROM图中的存储阵列及位线上的公用负载管均由NMOS场效应管组成 采用单译码方式 每根译码输出选择线可以选中一个字 字长4位 共有4个字 所有的字只能读出 不能写入 存储阵列中的基本存储单元仅由一只MOS管构成 或缺省 凡有MOS管处表示存储0 反之为1 显然 字0到字3所存储的信息分别为 0001 0010 0011及0100 这种存储阵列的内容一旦制造好后 只能读出 不能写入 用户是无法改写的 74 图9 2二极管ROM结构图 75 用MOS管构成的存储矩阵 76 表9 1图9 2ROM的数据表 77 7可擦除的可编程只读存储器 EPROM 一 紫外线擦除的只读存储器 UVEPROM 是最早出现的EPROM 通常说的EPROM就是指这种 二 使用浮栅雪崩注入MOS管 Floating gateAvalanche InjuctionMOS 简称FAMOS管 擦除 用紫外线或X射线擦除 需20 30分钟 78 EPROM的基本存储电路如图5 11所示 79 编程时VCC和字线电压提高 存储单元多采用熔丝 低熔点金属或多晶硅 写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断 可编程的ROM 80 图9 6PN结击穿法PROM的存储单元 81 写入 管子原来不导通 在漏源之间加上较高电压后 如 20V 漏极PN结雪崩击穿部分高速电子积累在浮栅上 使MOS管导通 浮栅上电荷可长期保存 在125 环境温度下 70 的电荷能保存10年以上 缺点 需要两个MOS管 编程电压偏高 P沟道管的开关速度低 82 EPROM的基本存储电路和FAMOS结构 83 PROM管的结构原理图 84 特点 浮栅与漏区间的氧化物层极薄 20纳米以下 称为隧道区 当隧道区电场大于107V cm时隧道区双向导通 当隧道区的等效电容极小时 加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区 有利于隧道区导通 存储单元 擦除和写入均利用隧道效应 10ms 擦除 写1 85 快闪存储器中的叠栅MOS管 86 EPROM芯片举例 87 EPROM 顶部开有一个圆形的石英窗口 用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器 烧写器 进行编程编程后 应该贴上不透光封条出厂未编程前 每个基本存储单元都是信息1编程就是将某些单元写入信息0 88 特点1 使内部存储信息在不加电的情况下保持10年左右 2 可以用比较快的速度将信息擦除以后重写 反复擦写达几十万次 可以实现分块擦除和重写 也可以按字节擦除与重写 还具有非易失性 可靠性能好 速度快以及容量大等许多优点 8闪烁存储器 FlashMemory 89 Flash芯片原理 NAND型Flash芯片 前面说过 闪存采用特殊的浮栅场效应管做为存储单元 这种场效应管和普通的场效应管最明显的区别是 具有两个栅极 一个和普通场效应管栅极一样 用导线引出 称为 选择栅 另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连 称为 浮栅 编程时 在选择栅上加较高的编程电压VPP 源极和漏极接地 由于隧道效应 电子穿过势垒达到浮栅 并在浮栅上形成电子团 浮栅上的电子团即使在掉电的情况下仍然会存留在浮栅上 所以信息能够长期保存 通常来说这个时间可达10年 90 闪烁存储器也称快速擦写存储器 实际上闪烁存储器属于EEPROM类型 又称FlashROM 性能优于普通EEPROM 它是Intel公司率先推出的一种新型存储器 在Pentium机主板上 用128KB或256KB的FlashROM存放BIOS 取代了EPROM和EEPROM 因此现在称BIOS为FlashBIOS 91 92 它的基本存储单元电路如图上所示 与EEPROM类似 主要还是由T1和T2两只浮置栅MOS管构成 T1MOS管浮置栅介质很薄 作为隧道氧化层 与EEPROM相同 在T2浮置栅引出的电极上加正电压时 使电子进入T1MOS管的浮置栅 T1的漏源形成导通沟道 读出操作与EPROM芯片的读出操作相同 即首先对位线上预充电电容充满电荷 当行选线为高电平时 此存储单元电路被选中 如果T1管漏源之间已形成导通沟道 则电容上存储电荷通过T3 T1形成回路放电 位线上输出0V 若T1的漏源之间未有形成导通沟道 则在位线上输出高电平 即电容两端已充满电荷所形成的高电位 93 擦除时 仍然利用隧道效应 不过把电压反过来 衬底加上较高的编程电压 选择栅接地 源极和漏极开路 从而消除浮栅上的电子 浮栅上没有电子后 就意味着信息被擦除了 94 通常情况下 浮栅不带栅电荷 则场效应管处于不导通状态 场效应管的漏极电平为高 则表示数据 1 编程时 场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压 源极则接地 这样大量电子从源极流向漏极 形成相当大的电流 产生大量热电子 并从衬底的二氧化硅层俘获电子 由于电子的密度大 有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层 这时由于选择栅加有高电压 在电场的作用下 这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅 并在浮栅上形成电子团 95 浮栅上的电子团即使在掉电的情况下 仍然会存留在浮栅上 所以信息能够长期保存 通常来说 这个时间可达10年 由于浮栅为负 所以相当于场效应管导通 漏极电平为低 即数据 0 被写入 擦除时 源极加上较高的编程电压 选择栅接地 漏极开路 根据隧道效应 浮栅上的电子将穿过势垒到达源极 浮栅上没有电子后 就意味着信息被擦除了 96 9U盘工作原理 U盘即USB盘的简称 而优盘只是U盘的谐音称呼 U盘是闪存的一种 因此也叫闪盘 最大的特点就是 小巧便与携带 存储容量大 价格便宜 是移动存储设备之一 一般的U盘容量有64M 128M 256M 512M 1G 2G 4G等 朗科公司推出的以优盘为商标的闪存盘 OnlyDisk 是世界上首创基于USB接口 采用闪存 FlashMemory 介