内部存储器.ppt

第五章内部存储器 本章主要讲述内部存储器的功能 组成 半导体存储器的工作原理 并简要介绍PC机中常用的内存类型和内存管理方面的知识 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 1存储器的类型DRAM DDR2 DRR3内存SRAM CPU内部Cache存储器半导体 闪存 SSD U盘 外存磁介质 HDD光介质 CD RAM DVD BD 计算机硬件技术基础 微机存储系统的层次结构 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 1存储器的类型传统内存定义 直接与CPU进行数据交换的存储器称为内存 不能直接与CPU进行数据交换的存储器称为外存 本书内存定义 采用DRAM芯片构成的存储系统 它由安装在主板上的内存条组成 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 1存储器的类型 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 1存储器的类型外存材料和原理更加多样化 外存要求 容量大 价格便宜 断电后数据不会丢失 外存类型 半导体材料 如SSD U盘 CF卡等 磁介质材料 如硬盘 软盘 磁带机等 光介质材料 如CD ROM DVD ROM BD ROM等 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 2半导体存储技术发展CMOS工艺制造的DRAM 只需要1个晶体管和1个电容就可以存储1位数据 内存芯片制程工艺达到了45nm线宽 单内存芯片存储容量达到了2Gbit DRAM与SRAM的性能差别在缩小 SRAM是对晶体管锁存器进行读写 DRAM是对存储器电容进行读写 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 3内存基本类型JEDEC制定了一系列的内存技术标准 SDRAM可以实现与CPU的同步工作 因此称为 同步动态存储器 SDRAM属于DRAM 它不是SRAM SDRAM内部有几个P Bank 物理存储阵列组 通过多个存储阵列组的切换 读写数据的效率得到了成倍提高 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 3内存基本类型DDR在时钟上升和下降沿都可传输数据 SDRAM仅在时钟下降沿传输数据 一般将DDRSDRAM内存统称为DDR内存 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 4内存组成形式不同标准的内存条 外观上并没有太大区别 但它们的工作电压 引脚数量 功能定义和定位口位置不同 互相不能兼容 DDR内存 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 4内存组成形式 DDR内存 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 4内存组成形式SPD是一个8引脚 TSOP封装 容量为255字节的EEPROM芯片 工作频率多为100kHz SPD芯片记录了内存的类型 工作频率 芯片容量 工作电压 各种主要操作时序 版本等技术参数 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 4内存组成形式 内存时钟频率获取 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 4内存组成形式内存条金手指镀金厚度为0 4 m 1 3 m 据测试 0 4 m的镀金厚度插拔200次 1 3 m的镀层可以插拔2000次左右 金手指 计算机硬件技术基础 5 1存储器类型与组成 5 1 5内存芯片封装形式封装形式 DIP TSOP BGADDR3内存采用FBGA封装形式 计算机硬件技术基础 5 2存储单元工作原理 5 2 1DRAM存储单元工作原理 内存条基本组成 计算机硬件技术基础 5 2存储单元工作原理 5 2 1DRAM存储单元工作原理DRAM存储单元的工作原理类似于一个水桶中的浮动开关 高位为 1 低位为 0 水桶总是漏水 计算机硬件技术基础 5 2存储单元工作原理 5 2 1DRAM存储单元工作原理晶体管M控制电容CS的充电和放电 电容CS用于存储数据 电容CS有电荷时 存储单元为逻辑1 电容CS没有电荷时 存储单元为逻辑0 计算机硬件技术基础 5 2存储单元工作原理 5 2 1DRAM存储单元工作原理动态刷新是周期性的对DRAM中的数据进行读出 放大 回写操作 DDR内存刷新周期为54ms左右 计算机硬件技术基础 5 2存储单元工作原理 5 2 2SRAM存储单元工作原理SRAM工作原理类似于一个开关 开 1 关 0 一个SRAM存储单元由5个MOS晶体管组成 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 1内存芯片电路结构DDR内存芯片组成 存储阵列 逻辑控制单元 地址总线 数据输入 输出总线 刷新计数器 数据掩码逻辑单元 数据选取脉冲发生器 延迟锁定环路等 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 2内存芯片存储阵列结构存储阵列 存储单元以 位 的形式进行存储 由于 位 不便于微机处理 因此内存芯片采用 存储阵列 Bank 结构 存储单元寻址 在存储阵列中查找数据的方法与表格检索方法相同 先指定一个行 再指定一个列 根据行号和列号就可以准确地找到所需要的存储单元 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 2内存芯片存储阵列结构 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 4内存寻址过程北桥芯片中的内存控制器先确定在内存条中有几个P Bank的芯片集合 大部分内存条为1个P Bank 然后才对内存芯片进行寻址 P Bank 构成54bit位宽的一组内存芯片 内存芯片一般采用地址复用技术 也就是行地址和列地址采用同一组地址线 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 4内存寻址过程行地址确定之后 就对列地址进行寻址 列地址寻址信号与读写命令可以同时发出 RAS 行地址选通CAS 列地址选通 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 5内存数据读取与写入CL 列地址选通潜伏期 从列地址选通与读取命令发出 到第一次数据输出的时间 内存读操作 顺序读 随机读 突发读 读 写 读 预充电 读 状态中止等 内存写操作 写 写 随机写 突发写 写到读 写到预充电 写固定长度或写全页等 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 5内存刷新工作原理定时对存储单元中的电容进行充电的过程称为 动态刷新 在充电过程中 存储单元不能被访问 刷新由芯片内部自动操作 不需要寻址 标准刷新时间间隔是54ms 计算机硬件技术基础 5 3内存芯片工作原理 5 3 5内存刷新工作原理DRAM的读操作是一个放电过程 原本逻辑状态为 1 的电容在读取操作后 会因为放电而变为逻辑0 对数据进行重写由S AMP 读出放大器 来完成 写操作是一种充电过程 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 1内存时钟周期提高内存性能的方法 提高内存工作频率 减少各种内存操作中的延迟 内存有内部时钟和外部时钟 DDR2内存采用了差分时钟技术 DDR内存在时钟脉冲的上升沿和下降沿都可以传输数据 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 1内存时钟周期DDR2内存在100MHz的内部时钟频率下 外部时钟频率达到了200MHz 数据传输频率达到了400MHz 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 2内存主要技术参数tCK 时钟周期 决定内存工作频率 CL 列地址选通潜伏期 决定列寻址到数据被读取所花费的时间 tRCD 从行地址转换到列地址的延迟 决定行寻址有效至读 写命令列寻址之间的时间 tRP 行预充电有效周期 决定在同一L Bank中不同工作行转换的时间 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 2内存主要技术参数内存延迟一般用 A B C 的形式表示 它们对应的参数是 CL tRCD tRP 如图 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 4数据突发传输长度突发 在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式 连续传输的存储单元 列 数量就是突发长度 BL 内存突发长度BL一般为4或8 计算机硬件技术基础 5 4内存主要技术性能 5 4 4数据突发传输长度 内存测试参数 计算机硬件技术基础 5 5内存条基本设计 5 5 1内存条的类型Unb DIMM 无缓冲型双列直插式内存模组 市场使用最多的内存条标准 Unb DIMMDDR3 2000台式机内存条 计算机硬件技术基础 5 5内存条基本设计 5 5 1内存条的类型SO DIMM 小外型内存模组 笔记本微机使用 SO DIMMDDR22GB笔记本内存条 计算机硬件技术基础 5 5内存条基本设计 5 5 1内存条的类型Reg DIMM 寄存器型内存模组 用于服务器 几乎都是ECC型 ECC芯片 DDR芯片 Reg芯片 SPD芯片 计算机硬件技术基础 5 5内存条基本设计 5 5 1内存条的类型在相同内存芯片容量下 位宽有多种不同设计方案 内存芯片I O位宽有 4bit 8bit 15bit三种类型 P Bank 15bit 4片 54bitP Bank 8bit 8片 54bitP Bank 4bit 15片 54bit 计算机硬件技术基础 5 5内存条接口与信号 5 5 1内存条接口形式不同规格的DDR内存 断口位置不同 计算机硬件技术基础 5 5内存条基本设计 5 5 3双通道内存技术双通道内存主要依靠北桥芯片的控制技术 与内存本身无关 双通道技术 北桥芯片可以在