计算机存储器

1、存储器概述存储器概述 存储器的分类存储器的分类一、存储器基本概念一、存储器基本概念 存储器由大量的记忆单元组成，记忆单元是一种存储器由大量的记忆单元组成，记忆单元是一种具有两个稳定状态的物理器件，可用来表示二进制具有两个稳定状态的物理器件，可用来表示二进制的的0 0和和1 1，这种物理器件一般由半导体器件或磁性材，这种物理器件一般由半导体器件或磁性材料等构成料等构成 由若干个最基本的存储单元存储一个字，字长由若干个最基本的存储单元存储一个字，字长有有4 4位、位、8 8位、位、1616位以及位以及3232位等，在微机中，存储位等，在微机中，存储器一律按器一律按8 8位二进制数（一个字节）编址，

2、习惯上位二进制数（一个字节）编址，习惯上把一个地址所寻址的把一个地址所寻址的8 8位二进制数称为一个存储单位二进制数称为一个存储单元元 存储器容量一般都很大，无论内存还是外存，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，常用的有均以字节为单元，常用的有2 21010字节字节=1KB=1KB，2 22020字节字节=1024KB=1MB=1024KB=1MB，2 23030字节字节=1024MB=1GB=1024MB=1GB，2 24040字节字节=1024GB=1TB=1024GB=1TB 存储器的容量与微机的地址线有关存储器的容量与微机的地址线有关n毫秒毫秒(ms) 10-3sn

3、微秒微秒(s) 10-6sn纳秒纳秒(ns) 10-9sCPUCACHE主存（内存）主存（内存）辅存（外存）辅存（外存）微机中存储器的层次微机中存储器的层次用于存放当前计算机正在执行或经常要使用于存放当前计算机正在执行或经常要使用的程序或数据，用的程序或数据，CPUCPU可直接从内存中读取指令可直接从内存中读取指令并执行，还可直接从内存中存取数据。并执行，还可直接从内存中存取数据。速度快，容量有限速度快，容量有限 只读存储器只读存储器 ROMROM内存内存 随机存储器随机存储器 RAMRAM1.1.内存内存n只读存储器（只读存储器（ROM） ROM表示只读存储器（表示只读存储器（Read On

4、ly Memory），在制造），在制造ROM的时候，信息（数的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。这些信息据或程序）就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。这些数据也不会丢失。 n随即存储器随即存储器(RAM） 随机存储器（随机存储器（Random Access Memory）表示既）表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器电源可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。关闭时，存于其中的数据就会丢失。 我们通常购买或升级的我们通常购买或升级的内存条内存条就是用作电

5、脑的内存，就是用作电脑的内存，内存条（内存条（SIMM）就是将）就是将RAM集成块集中在一起的集成块集中在一起的一小块一小块电路板电路板，它插在计算机中的，它插在计算机中的内存插槽内存插槽上，以上，以减少减少RAM集成块占用的空间。集成块占用的空间。把要永久保存的、大量的数据存储在外存上把要永久保存的、大量的数据存储在外存上，一般是由磁性材料以及运用激光技术等实现一般是由磁性材料以及运用激光技术等实现的存储器，分为硬磁盘、软磁盘、光盘等。的存储器，分为硬磁盘、软磁盘、光盘等。容量大，但存取速度慢容量大，但存取速度慢2.外存或辅存外存或辅存3.3.高速缓冲存储器高速缓冲存储器n位于位于CPU与内

6、存之间，是一个读写速度比内与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当存更快的存储器。当CPU向内存中写入或读向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当储器中。当CPU再次需要这些数据时，再次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要的数据在较慢的内存，当然，如需要的数据在Cache中没有，中没有，CPU会再去读取内存中的数据。会再去读取内存中的数据。 CPUCACHE主存（内存）主存（内存）辅存（外存）辅存（外存）半导体存储器的主要性能指标半导体存储

7、器的主要性能指标 存储容量存储容量微机存储器的容量是指存储器所微机存储器的容量是指存储器所能容纳的最大字节数能容纳的最大字节数 存取周期存取周期存取周期是指存储器从接收到地存取周期是指存储器从接收到地址，到实现一次完整的读出和写入数据的时间，址，到实现一次完整的读出和写入数据的时间，也称为存取时间也称为存取时间易失性易失性指存储器的供电电源断开后，存指存储器的供电电源断开后，存储器中的内容是否丢失储器中的内容是否丢失功功 耗耗半导体存储器在额定工作电压下，半导体存储器在额定工作电压下，外部电源保证它正常工作的前提下所提供的外部电源保证它正常工作的前提下所提供的最大电功率称之为功耗最大电功率称之

8、为功耗 可靠性可靠性指它抵抗干扰，正确完成读指它抵抗干扰，正确完成读/写写数据的性能数据的性能 半导体存储器的分类n存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量芯片的存储容量2MN存储单元数存储单元数存储单元的位数存储单元的位数 M：芯片的：芯片的地址线根数地址线根数 N：芯片的：芯片的数据线根数数据线根数 地址译码电路译译码码器器A5A4A3A2A1A06301存储单元存储单元64个单元个单元行行译译码码A2A1A0710列译码列译码A3A4A501764个单元个单元单译码双译码静态随机存取存储器静态随机存取存储器SRAM静态随机存取存储器静态随机存取存储器

9、SRAM的基本存储单的基本存储单元一般由六管静态存储电路构成，集成度较元一般由六管静态存储电路构成，集成度较低，功耗较大，无需刷新电路，由于存取速低，功耗较大，无需刷新电路，由于存取速度快，一般用作高档微机中的高速缓冲存储度快，一般用作高档微机中的高速缓冲存储器器 地址端：地址端：21142114（1K1K4 4）1 19 910101818A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDA6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEA9A9A0A0（入）（入）数据端：数据

10、端： D3D3D0D0（入（入/ /出）出）控制端：控制端：片选片选CSCS= 0 = 0 选中芯片选中芯片= 1 = 1 未选中芯片未选中芯片写使能写使能WEWE= 0 = 0 写写= 1 = 1 读读电源、地电源、地A0A0AiAiD0D0D7D7CECE SRAM SRAMOEOEWEWE译译码码AB0AB0ABiABiDB0DB0DB7DB7 高位高位AB AB RD RD、WRWR、 IO/MIO/M控控制制逻逻辑辑与与CPUCPU相连相连动态动态RAM(DRAM) 为减少MOS管数目,提高集成度和降低功耗,出现了动态RAM器件,其基本存储电路为单管动态存储电路,存放信息靠的是电容,

11、 当电容充有电荷时，称存储的信息为 1；电容上没有电荷时，称存储的信息为 0。由于电容上存储的电荷不能长时间保存，总会逐渐放电，因此必须定时地给电容补充电荷，这称为“刷新” 由于DRAM在原理上和结构上都与SRAM不同,有两个特殊问题需要考虑:需加定时刷新电路。地址信号的输入问题,这是因DRAM芯片集成度高,存储容量大,引脚数量往往不够,需把地址转换成行地址和列地址分两次送出,这就要有两路地址锁存。存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送n行地址选通信号行地址选通信号RAS有效，开始传送行地址有效，开始传送行地址n随后，列地址选通信号随后，列地址选通信号CAS有效，传送列地址有效，传送列地

12、址n读写信号读写信号WE读有效（高电平）读有效（高电平）n数据从数据从DOUT引脚输出引脚输出2164（64K*1） A0A7为地址输入端。 DIN和DOUT是芯片上的数据线。 RAS为行地址锁存信号。 CAS为列地址锁存信号。 WE为写允许信号。 动态存储器的刷新动态刷新的实现方法动态刷新的实现方法注意注意刷新与重写刷新与重写的区别的区别n前者是前者是非破坏性非破坏性从动态从动态M读出数据，需补读出数据，需补充电荷以保持原来的信息。充电荷以保持原来的信息。n后者是在后者是在破坏性读出破坏性读出后通过重写恢复原来后通过重写恢复原来的信息的信息动态刷新的实现方法n按行刷新，并将每刷新一行所需时间

13、定为一个按行刷新，并将每刷新一行所需时间定为一个刷新周期刷新周期n首先由首先由刷新地址计数器刷新地址计数器提供刷新行的行地址，提供刷新行的行地址，n然后发送行选信号与读命令（即然后发送行选信号与读命令（即CAS为高电平）为高电平）即可即可n每刷新一行后每刷新一行后刷新地址计数器刷新地址计数器加加1n（1）集中刷新）集中刷新n（2）分散刷新）分散刷新n（3）异步刷新）异步刷新2ms2ms内集中安排所有刷新周期。其中，内集中安排所有刷新周期。其中，死区死区优点：优点：M M利用率高，控制简单利用率高，控制简单不足：刷新期间不能访问不足：刷新期间不能访问M M，形成死区，可用，形成死区，可用在实时性

14、要求不高的场合。在实时性要求不高的场合。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新2ms2ms50ns50ns各刷新周期分散安排在存取周期中。各刷新周期分散安排在存取周期中。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新100ns100ns2ms2ms例例. .各刷新周期分散安排在各刷新周期分散安排在2ms2ms内。内。对主存速度影响最小，被大多数计算机采用对主存速度影响最小，被大多数计算机采用每隔一段时间刷新一行：每隔一段时间刷新一行：128128行行15.6 15.6 微秒微秒若若CPUCPU正在访问内存，则等待释放控制权后再安排正在访问内存，则等待释放控制权后再安排刷新周期刷新周期, ,并由并由

15、DMADMA控制器控制控制器控制DRAMDRAM的刷新。的刷新。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒刷新请求刷新请求刷新请求刷新请求（DMADMA请求）请求）（DMADMA请求）请求）只读存储器只读存储器ROM一、掩膜式只读存储器一、掩膜式只读存储器ROMROM由由MOSMOS管组成掩膜式只读存储器的结构图如图所示管组成掩膜式只读存储器的结构图如图所示R R R RVCC1 2 3 4字线位4 位3 位2 位1输出数据位4 3 2 1位位字字1 2 3 40 0 0 00

16、 0 1 10 1 0 11 0 1 0掩膜式掩膜式ROMROM图中的存储阵列及位线上的公用图中的存储阵列及位线上的公用负载管均由负载管均由NMOSNMOS场效应管组成，采用单译码方场效应管组成，采用单译码方式，每根译码输出选择线可以选中一个字，字式，每根译码输出选择线可以选中一个字，字长长4 4位，共有位，共有4 4个字，所有的字只能读出，不能个字，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写入。存储阵列中的基本存储单元仅由一只MOSMOS管构成，或缺省，凡有管构成，或缺省，凡有MOSMOS管处表示存储管处表示存储0 0，反之为反之为1 1，显然，字，显然，字0 0到字到字

17、3 3所存储的信息分别所存储的信息分别为：为：00010001、00100010、00110011及及01000100。这种存储阵列。这种存储阵列的内容一旦制造好后，只能读出，不能写入，的内容一旦制造好后，只能读出，不能写入，用户是无法改写的用户是无法改写的 可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM 二、可编程只读存储器二、可编程只读存储器PROMPROMEPROM的基本原理：的基本原理： 存储芯片可用专用写入器在存储芯片可用专用写入器在25v高压下写入信息，高压下写入信息，在在5v正常电压下只能读出不能写入，用紫外线照射正常电压下只能读出不能写入，用紫外线照射一定时间后可擦除原存信息

18、，然后重新写入，一般一定时间后可擦除原存信息，然后重新写入，一般重写次数重写次数10次或更低。次或更低。三、可擦除可编程只读存储器三、可擦除可编程只读存储器EPROMEPROMn顶部开有一个圆形的石英窗口，用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于紫外线透过擦除原有信息n一般使用专门的编程器（烧写器）一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程进行编程n编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条n出厂未编程前，每个基本存储单元出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息都是信息1n编程就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息0nEPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。 四、电擦除只读存储器四、电擦除只读存储器EEPROM EEPROM基本原理基本原理 存储器在擦除时只需加高压对指定单元产生电流，存储器在擦除时只需加高压对指定单元产生电流，形成电子隧道将该单元信息擦除，而其他未通电形成电子隧道将该单元信息擦除，而其他未通电流的单元内容保持不变。