微机原理与接口技术第5章半导体存储器

微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 第 5章 半导体存储器 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 第 5章 半导体存储器 本章要点 随机存储器（ 只读存储器（ 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 高速缓冲存储器（ 虚拟存储器 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 存储器是用以存放信息的部件，其职能是存放用二进制数表示的程序和数据，有了它，计算机才能“记住”信息，并按程序的规定自动运行。 存储器是具有记忆功能的部件，它是由大量的记忆单元（或称基本存储电路）组成，而记忆单元是用一种具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数的 0和 1，这种物理器件可以是磁芯、半导体器件等。位 (二进制数最基本的单位，一个记忆单元能存储二进制数的一位。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 由于硬件技术的限制，可以制造出容量很小、速度很快但价格很高的存储器，也可以制造出容量很大、速度很慢但价格相对便宜的存储器。但不可能两边的好处都占着，不可能制造出访问速度又快、容量又大、价格有便宜的存储器。因此，现代计算机都把存储器分成若干级，称为照离 存、硬盘、外部三级辅助存储器（磁带、光盘等），越靠近们组织成了一个快慢搭配、有层次结构的、访问速度快、容量大且性价比最优的存储系统。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 图 5体分析见表 5 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 现代计算机都把存储器分成若干级，称为照离 存、硬盘，越靠近 图给出了各种存储器的容量和访问速度的典型值。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 对这个表格总结如下： 寄存器、 称为易失性存储器（ 与之相对的，硬盘是一种非易失性存储器（ 除了访问寄存器由程序指令直接控制之外，访问其它存储器都不是由指令直接控制的，有些是硬件自动完成的，有些是操作系统配合硬件完成的。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 作系统从硬盘读数据时会预读几个页面缓存起来，都是希望这些数据以后会被程序访问到。大多数程序的行为都具有局部性（ 特点：它们会花费大量的时间反复执行一小段代码（例如循环），或者反复访问一个很小的地址范围中的数据（例如访问一个数组）。所以预读缓存的办法是很有效的： 把和它相邻的指令也都缓存起来， 把和它相邻的数据也都缓存起来， 想有两台计算机，一台有256一台没有 台计算机的内存都是 512盘都是 100然多出来 256盘的容量相比微不足道，但访问盘快几个数量级，由于局部性原理， 速存储器的容量只能做得很小，却能显著提升计算机的性能，这就是 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 如图 5们都见过像这样挂在墙上的很多个邮箱，每个邮箱有一个房间编号，根据房间编号找到相应的邮箱投入信件或取出信件。内存与此类似，每个内存单元有一个地址（ 内存地址是从 0开始编号的整数， 其中的指令或者读写其中的数据。与邮箱不同的是，一个地址所对应的内存单元不能存很多东西，只能存一个字节，以前讲过的 种情况下数据的地址是它所占内存单元的起始地址。图 5 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 2 现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（ 制，这需要处理器中的 存管理单元）提供支持。 先引入两个概念，虚拟地址和物理地址。如果处理器没有 者有 内存芯片（称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址（ 称 如下图 5 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 如果处理器启用了 称 而就是将 A，如下图 5 如果是 32位处理器，则内地址总线是 32位的，与中只是示意性地画了 4条地址线），而经过 2位的。也就是说，虚拟地址空间和物理地址空间是独立的， 32位处理器的虚拟地址空间是 4物理地址空间既可以大于也可以小于 4 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 单位的，32位处理器的页尺寸通常是 4如， 0果 实际访问到的物理地址是 0理内存中的页称为物理页面或者页帧（ 虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（ 描述的，页表保存在物理内存中， A。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 操作系统和 作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置 诉 置好之后， 址转换操作由硬件自动完成，不需要用指令控制 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被 成了 以在启用 序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发 为什么要设计这么复杂的内存管理机制呢？多了一层 in be by of 算机科学中的任何问题都可用另一层的间接来解决） 了一层间接必然是为了解决什么问题的。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式（ 特权模式（ 分，如图 5作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在 些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后，当 问内存的目的是读数据、写数据还是取指令，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成 则不允许访问，产生一个异常（ 异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由 断产生的原因和 异常的产生就是由于 如访问内存的指令被 法指令的除数为 0等都会产生异常。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 通常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间。例如： 2位系统中，总虚拟内存地址空间为 4吉字节(默认情况下，操作系统为内核模式进程保留了 2仅限应用程序使用剩下的 2以使用 件中的 /3关，将 2位版本配置为对应用程序分配 3 0300用户空间，后 100内核空间。 在 64位系统上，处理器厂商只实现 44位的地址总线，提供了 16可以预见的未来内这么大的虚拟地址空间是绰绰有余了。在 辑上将 16外 84位的进程都能寻址达 8 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 用户程序加载到用户空间，在用户模式下执行，不能访问内核中的数据，也不能跳转到内核代码中执行。这样可以保护内核，如果一个进程访问了非法地址，顶多这一个进程崩溃，而不会影响到内核和整个系统的稳定性。 会自动切换模式，从用户模式切换到特权模式，因此从中断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行。事实上，整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的。在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序，在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序，处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 我们经常遇到的段错误是这样产生的： （ 1）用户程序要访问的一个 （ 2） 转到内核代码中执行异常服务程序； （ 3）内核把这个异常解释为段错误，把引发异常的进程终止掉。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 半导体存储器的分类 半导体存储器具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，已被广泛地采用组成微型计算机的内存储器，其种类很多。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 1按制造工艺分类 可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。 （ 1）双极型 双极（ 由 体管逻辑电路构成。该类存储器件的工作速度快，与 集成度低、功耗大、价格偏高，在微机系统中常用作高速缓存器（ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 2）金属氧化物半导体型 金属氧化物半导体（ 简称 类型有多种制作工艺，如 用来制作多种半导体存储器件，如静态 态 类存储器的集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较双极型器件慢。微机的内存主要由 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 2按存取方式分类 可分为随机存取存储器 只读存储器 大类。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 1）随机存取存储器 写存储器，即 以， 能用来存放暂时性的输入 /输出数据、中间运算结果和用户程序，也常用它来与外存交换信息或用作堆栈。通常人们所说的微机内存容量就是指 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 按照 静态 称 特点是：基本存储电路一般由 个触发器可存放一位二进制的 0或 1。只要不断电，所存信息就不会丢失。因此，定可靠，不需要外加刷新电路，使用方便。但它的基本存储电路所需的晶体管多（最多的需要 6个），因而集成度不易做得很高，功耗也较大。一般 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 动态 称 于电容总会存在泄漏现象，时间长了 此需要周期性地“充电”以防止数据丢失。因为有周期性的刷新（ 即对电容补充电荷。这种 静态随机存储器 (对应。集成度可以做得很高，成本低、功耗少，但它需外加刷新电路。 此工作速度更快，且更节能，但是价格比 此，主流的计算机内存都采用 如 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 2）只读存储器 一种一旦写入信息之后，在程序运行中只能读出而不能写入的固定存储器。断电后， 以， 此，微型系统中常用 监控程序、操作系统中的 本输入 /输出系统）、 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 按照构成 掩膜 利用掩膜工艺制造，由存储器生产厂家根据用户要求进行编程，一经制作完成就不能更改其内容。因此，只适合于存储成熟的固定程序和数据，大批量生产时成本较低。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 可编程 该存储器在出厂时器件中没有任何信息，是空白存储器，由用户根据需要，利用特殊的方法写入程序和数据。但只能写入一次，写入后不能更改。它类似于掩膜 合于小批量生产。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 可擦除可编程 如K 8)、 2764（ 8K 8）。该存储器允许用户按照规定的方法和设备进行多次编程，如果编程之后需要修改，可用紫外线灯制作的抹除器照射约 20分钟，即可使存储器全部复原，用户可以再次写入新的内容。这对于工程研制和开发特别方便，应用得比较广泛。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 电可擦除可编程 以字节为单位进行擦除和改写，而不像 不需要把芯片从用户系统中取下来用编程器编程，在用户系统中即可进行改写。随着技术的发展，量也将不断提高，将可作为非易失性的 5 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 3按封装方式分类 按封装方式分为 单列直插式内存模块 (双列直插式内存模块 ( 0世纪 90年代中期被逐步淘汰，取而代之的是更高效的 买内存模块的时候买到的那个插入主板的硬件就是一个 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 1） 构建于 步计算机的系统总线同步，因此可以支持更复杂的使用方法，例如流水线操作。通过流水线操作，指令可以队列化处理，从而得到更高的执行效率。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 2） 双倍数据传输率同步 以在一个指令内将标准的 此 倍。 当前 而，随着基于 代号处理器的普及， 为 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 3）双通道内存 双通道 (构是内存控制器使用的一种技术，在支持双通道的主板上可以将标准的内存模块以“配对”的形式安装在一起，以提高内存控制器的带宽。 果 系统在内存控制器上就会产生瓶颈。双通道内存技术可以在一定程度上缓解这种压力。 此在这种架构下内存模块直接连接到 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 4）带寄存器的内存模块和不带缓冲的内存模块 带寄存器的内存模块 (模块上带有寄存器，由于寄存器的作用，这种内存模块可以降低内存控制器上的电力负载，因此采用这种内存模块的服务器可以在安装了大量内存模块的情况下仍然保持稳定性。带寄存器的内存模块要求主板提供支持。这种内存模块具有可以支持大量内存的特性，可以发现许多要求大量内存的服务器都使用这种内存模块。然而，由于这种模块的成本更高，而且性能上会有损失，因此一般只有在以可扩展性和稳定性作为首要要求的服务器或工作站上才要求使用这种内存模块。 购买台式计算机的内存模块时，可能会发现这些模块列在“非缓冲 (的一类，这只是说明这种内存模块不带有寄存器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 5）纠错码 (存 在各种干扰中，内存最容易受到背景辐射的伤害，在受到辐射的情况下，内存中存储的位值可能会发生变化。发生这种错误的几率非常低；研究表明发生这种错误的几率为每个月每千兆字节中有一位发生错误。尽管这种错误导致的后果最严重可能会使整个计算机崩溃，但是在执行关键操作的时候发生这种错误 (仅有一位的值改变 )的概率极低。 桌面系统通常不会全天候地运行，因此恰好正在使用的那部分内存发生这种故障的概率极低。再加上使用 此在桌面计算机市场， 对于常年运行的服务器来说，这种风险就更大而且后果更严重，因此大部分服务器都支持甚至要求使用 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 6）全缓冲 全缓冲 这是最近比较流行的基于 存控制器不直接向内存模块写数据，而是向 样内存的带宽更大，且具有更好的错误纠正能力 (开销稍小 )，而带来的缺点是内存请求的延迟增大。 此发热量也更大。因此有人怀疑这种技术的前途，不过尽管多年来人们并不看好这种技术， 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 目前还有新型的可编程的只读存储器 闪速存储器（ 以及在专用于显示器的 氧化物 半导体器件结合起来的新型铁电随机存取存储器（ 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 半导体存储器的组成 如图 5导体存储器由地址寄存器，译码驱动电路、存储体、读 /写控制电路、数据寄存器、控制逻辑等 6个部分组成。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 1存储体 基本存储电路是组成存储器的基础和核心，它用于存放一位二进制信息“ 0”或“ 1”。若干记忆单元（或称基本存储电路）组成一个存储单元，一个存储单元一般存储一个字节，即存放 8位二进制信息，存储体是存储单元的集合体。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 2译码驱动电路 该电路实际上包含译码器和驱动器两部分。译码器的功能是实现多选 1，即对于某一个输入的地址码， 低电平）与之对应。例如，0000时，仅有 它 40001时，仅有 它均为低电平。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 为了区分存储体中的具体存储单元，必须对它们逐一进行编号，此编号即为对应存储单元的地址。为了对某指定存储单元寻址，计算机中采用地址译码予以实现。常用的地址译码有两种方式，即单译码和双译码方式。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 1）单译码方式 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 单译码方式是一个“ ”的译码器。在图 5字线 6， 位，则地址译码器的地址输入线 位， 24=16个状态，分别控制 16条字线（ 当地址信号为 0000时，选中字线 进行读出操作，则该字线上的 4位同时被读出；若地址信号为 1111，则选中第 16条字线 时如果是写操作，则该字线上的4位便同时被写入。 单译码方式主要用于小容量的存储器，对于大容量的存储器，可采用双译码方式。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 （ 2）双译码方式 双译码方式采用的是两级译码电路。当字选择线的根数 N=2时可将 ：N=2p=2q+r=2q 2r=X Y，这样便将对 译码和 现以 p=10为例，可以分为：N=210=25 25=32 32=1024，其译码结构如图 5 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 图 51024个字排成 32 32的矩阵，需要 10根地址线成 两部分， 方向（行）译码器，它输出 32条字选择线，分别选择 32行（ 31）； 译码器，它输出的 32条位选择线分别选择 控制各列的位线控制门。设000000000，则 0为高电平，选中 时 ，）操作，具体选中哪一位，取决于 据此例的设定， 0应为高电平，列线 列控制的位线控制门打开，故 X、 可对这一位存储电路进行读（写）操作。如果一个存储字有 8位，就需要 8个这样的 X、 一个地址被选中时， 8个阵列同时被激励，从而构成该地址单元的 8位同时被读出（或写入）。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 在半导体存储器中，一个或几个 X， 果将存储字的 8位都集成在一块芯片内，这种存储器芯片为字结构，如 732116K 8K 8果芯片中集成的是各存储字的同一位或几位，这种芯片则称为位结构芯片，如 614A 114 存储容量分别为 64K 14微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 与单译码方式比较，双译码寻址可减少输出选择线的数目。仍以 p=10为例，采用单译码方式，译码输出需要 1024根选择线，若采用双译码，排成 32 32的矩阵，输出状态仍为 1024个，但译码输出选择线却只需要 32+32=64根，大大减少了选择线的数目。存储器容量越大，此优点越突出。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 3地址寄存器 用于存放 译码驱动后指向相应的存储单元。通常微型计算机中，访问地址由地址锁存器提供，如 8086 282；存储单元地址由地址锁存器输出后，经地址总线送到存储器芯片内直接译码。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 4读 /写电路 包括读出放大器、写入电路和读 /写控制电路，用以完成对被选中单元中各位的读出或写入操作。存储器的读 /写操作是在 有当接收到来自 写命令和后，才能实现正确的读 /写操作。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 数据寄存器用于暂时存放从存储单元读出的数据，或从 。暂存的目的是为了协调又称之为存储器数据缓冲器。 控制逻辑接收来自 选、读 /写及清除命令，经控制电路综合和处理后，产生一组时序信号来控制存储器的读 /写操作。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 半导体存储器的主要性能指标 衡量半导体存储器性能的指标有功耗、可靠性、容量、价格、电源种类、存取速度等，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的指标是存储器芯片的容量和存取速度。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 1存储容量 存储容量是指存储器（或存储器芯片）存放二进制信息的总位数，即： 存储容量 =存储单元数 每个单元的位数（或数据线位数） 存储容量常以字节或字为单位，微型机中均以字节 B（ 单位，一个字节（ 1B）定义为 8位二进制信息，所以，计算机中一个字的长度通常是 8的倍数。如存储容量为 645121了表示更大的容量，用 中： 1字节 )=1024B， 1字节，简称“兆” )=1024 1字节，又称“千兆” )=1024 1亿字节，兆兆字节 )=1024 1万亿字节，拍字节） =1024 1亿亿字节，艾字节） =1024 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 2存取时间 存储时间有称存储器访问时间。它是指从写操作，到该操作完成所经历的时间，称为存取时间。具体讲，对一次读操作的存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有效之间的时间，通常在 101102对一次写操作，存取时间就是写入时间。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 3存取周期 指连续启动两次独立的存储器读 /写操作所需的最小间隔时间。对于读操作，就是读周期时间；对于写操作，就是写周期时间。通常，存取周期应大于存取时间，因为存储器在读出数据之后还要用一定的时间来完成内部操作，这一时间称为恢复时间。读出时间加上恢复时间才是读周期。由此可见，存取时间和存取周期是两个不同的概念。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 概述 4可靠性 可靠性指存储器对环境温度与电磁场等变化的抗干扰能力。 5其他指标 其他技术指标还有功耗、体积、重量、价格等，其中功耗含维持功耗和操作功耗。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 随机存储器（ 随机存储器 动态 类。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 静态随机存储器（ 1基本存储电路 图 5管静态 态存储电路是由两个增强型的 图 5中 5、 们为同一列线上的存储单元共用。这个电路具有两个不同的稳定状态：若 =“1”（高电平），它使 是B=“0”（低电平），而 B=“0”又保证了 以，这种状态是稳定的。同样， 此，可以用这两种不同状态分别表示“ 1”或“ 0”。 微机原理与接