《磁盘及伺服面》PPT课件

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1、计 算 机 系 统 原 理第 五 章 存 储 器 2 第 五 章 存 储 器 3 p本 章 的 特 点n内 容 繁 杂 、 联 系 广 泛涉 及 学 科 多 ： 电 、 磁 、 光 、 机 械 、 半 导 体 等涉 及 对 象 多 ： 电 路 、 芯 片 、 设 备 、 系 统涉 及 课 程 多 ： 物 理 、 导 论 、 电 子 技 术 、 数 字 逻 辑n名 词 术 语 、 概 念 多n设 备 器 件 更 新 变 化 快新 型 芯 片 不 断 涌 现 、 集 成 度 越 来 越 高设 备 器 件 淘 汰 快计 算 机 专 用 设 备 不 断 推 出第 五 章 存 储 器 4 主 要 内 容

2、p存 储 器 的 组 织 和 基 本 原 理n存 储 器 概 述 基 本 概 念 、 存 储 层 次 结 构n主 存 储 器 半 导 体 存 储 器n高 速 缓 冲 存 储 器n辅 助 存 储 器 磁 表 面 存 储 器 、 光 盘 存 储 器 、闪 存 5 1. 存 储 器 概 述n知 识 点存 储 器 的 基 本 概 念存 储 器 的 层 次 结 构分 类 与 性 能 指 标主 要 内 容 6 主 要 内 容2. 内 主 存 储 器 （ Internal Memory）n亦 称 主 存 储 器 （ Main Memory） 。 内 存 比 主 存的 内 涵 大 ， 内 存 还 包 括 高

3、速 缓 冲 存 储 器 （ Cache） 、 接 口 电 路 等n知 识 点随 机 访 问 存 储 器 RAM (Random Access Memory)只 读 存 储 器 ROM (Read Only Memory) 相 联 存 储 器 AM (Associative Memory)， 亦 称 按 内 容 寻址 存 储 器 CAM (Content Addressed Memory) 7 主 要 内 容3. 高 速 缓 冲 存 储 器n知 识 点Cache的 工 作 原 理 Cache 主 存 地 址 映 射 Cache的 分 类 Cache的 替 换 策 略 8 主 要 内 容4. 外

4、存 储 器 （ External Memory）n亦 称 辅 助 存 储 器 （ Auxiliary Memory）n知 识 点磁 表 面 存 储 器 MSM（ Magnetic Surface Memory）光 盘 存 储 器 ODM（ Optical Disk Memory）闪 存 （ Flash Memory ） 9 本 讲 简 要 说 明p目 的 与 要 求 ： 了 解 存 储 器 在 计 算 机 中 的 作 用 和 地位 ， 理 解 存 储 器 的 层 次 结 构 以 及 存 储 器 分 类 ； 了 解主 存 储 器 的 基 本 组 成 及 操 作 过 程 ， 理 解 主 存 储 器

5、 中的 数 据 组 织 、 主 存 储 器 的 主 要 技 术 指 标 及 其 采 用 的选 址 方 式p授 课 重 点 ： 存 储 器 的 层 次 结 构 以 及 存 储 器 分 类 ， 主存 储 器 中 的 数 据 组 织 、 主 存 储 器 的 主 要 技 术 指 标 及其 采 用 的 选 址 方 式p授 课 难 点 ： 存 储 器 层 次 结 构 ， 主 存 储 器 选 址 方 式p阅 读 章 节 ： 第 5.1节 、 第 5.2节 的 第 一 部 分 概 述p作 业 安 排 ： P203 5.3 、 5.4 、 5.6 、 5.7 10 p存 储 程 序 思 想n二 进 制 表 示

6、程 序 01011001n程 序 与 数 据 一 样 放 在 存 储 器 中 存 储 器 程 序 和 数 据n指 令 的 自 动 执 行 指 令 i指 令 i+1指 令指 令5.1.1 基 本 概 念 指 令 的 执 行 顺 序 ：取 指 译 码 指令 的 控 制 执 行 11 p存 储 器 (Memory/Storage)nMemory： 本 意 为 “ 记 忆 装 置 ” 。 多 指 存 储 器 的整 体 (包 括 ： 记 录 介 质 ， 有 关 电 路 和 其 他 部 件 )nStorage： 本 意 为 “ 仓 库 ” 。 多 指 记 录 介 质 本 身(包 括 ： 磁 带 、 磁 盘

7、 、 磁 卡 、 磁 鼓 、 存 储 矩 阵 )5.1.1 基 本 概 念 12 5.1.1 基 本 概 念p存 储 器 在 计 算 机 中 的 作 用 和 地 位 以 存 储 器 为 中 心 的 计 算 机 系 统 结 构 作 用 ：1) 向 CPU提 供数 据 和 指 令2) 控 制 输 入 /输 出 设 备 读 写地 位 ： 在 整 个 计 算 机 信 息 传 输 中 处 于 中 心 地 位现 代 计 算 机 系 统 以 存 储 器 为 中 心存 储 器运 算 器 控 制 器 输 出 输 入 13 5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构p面 临 的 挑 战 之 一 ： 存 储 墙 问

8、 题n存 储 器 读 写 速 度 远 远 低 于 CPU处 理 速 度 ， 90ns：0.3ns 1990 1980 2000 2010 1 10 10 Re lat ive p er fo rm an ce Calendar year Processor Memory 3 6 14 p从 用 户 的 角 度 来 看 ， 决 定 存 储 器 的 三 个 基 本参 数 容 量 、 速 度 和 价 格 1） 容 量 (S) S = W*L*M W 存 储 器 字 长 L 每 个 存 储 体 的 字 数 M 存 储 体 的 个 数5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 15 5.1.2 存 储

9、器 的 层 次 结 构 2） 速 度 (T) n存 取 时 间 （ Ta） ： 从 接 收 读 /写 命 令 到 信 息 从存 储 器 读 出 /写 入 所 需 的 时 间n存 储 周 期 （ TM)： 连 续 两 次 启 动 同 一 存 储 器 所需 的 最 小 时 间 间 隔n存 储 带 宽 (Bm)： 存 储 器 连 续 访 问 时 ， 可 提 供 信息 的 传 送 速 率 ， 即 每 秒 传 送 的 信 息 位 数 Bm= w / T M 16 3） 价 格 (C) 每 位 价 格 C = 总 价 格 / 容 量 三 个 参 数 之 间 的 关 系 ：n 存 储 器 速 度 越 快 ，

10、 每 位 价 格 就 越 高n 存 储 器 容 量 越 大 ， 存 储 器 速 度 就 越 慢 组 成 存 储 系 统 的 关 键 ： 把 速 度 、 容 量 和 价 格 不 同 的多 个 物 理 存 储 器 组 织 成 一 个 存 储 系 统 ， 这 个 存 储 系 统要 求 速 度 最 快 、 存 储 容 量 最 大 、 单 位 容 量 的 价 格 最 便宜 。5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 17 5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 2 1存 储 层 次 结 构 CPU 主 机 本 地 18 p提 高 访 存 速 度 的 措 施n 提 高 主 存 数 据 传 输 率 的

11、 并 行 主 存 系 统n 提 高 CPU访 存 速 度 的 Cache主 存 层 次n 扩 大 用 户 编 程 逻 辑 空 间 的 主 存 辅 存 层 次5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 19 p存 储 访 问 的 局 部 性 原 理n指 程 序 在 执 行 的 过 程 中 ， 对 存 储 器 中 的 内 容 的 访问 不 是 随 机 的 ， 而 是 相 对 集 中 的最 近 访 问 的 存 储 单 元 在 不 久 的 将 来仍 将 被 访 问 （ 如 程 序 循 环 ）下 次 访 问 的 存 储 单 元 很 可 能 就 在 刚刚 访 问 的 存 储 单 元 附 近 （ 程 序 中

12、 大 部 分 指 令 都 是顺 序 存 储 和 顺 序 取 出 执 行 ， 数 据 是 聚 集 存 放 如向 量 、 数 组 、 树 、 表 ）5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 20 5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构p“Cache 主 存 ” 层 次 （ Cache存 储 系 统 ）n目 的 ： 弥 补 主 存 速 度 的 不 足 21 p“主 存 辅 存 ” 层 次 （ 虚 拟 存 储 系 统 ）n目 的 ： 弥 补 主 存 容 量 的 不 足5.1.2 存 储 器 的 层 次 结 构 22 存 储 层 次CPU对 第 二 级 的访 问 方 式比 较 项 目目 的存 储

13、管 理 实 现 访 问 速 度 的 比 值(第 一 级 和 第 二 级 )典 型 的 块 (页 )大 小失 效 时 CPU是 否 切 换 “Cache 主 存 ” 层 次 “主 存 辅 存 ” 层 次为 了 弥 补 主 存 速 度 的 不 足 为 了 弥 补 主 存 容 量 的 不 足主 要 由 专 用 硬 件 实 现 主 要 由 软 件 实 现几 比 一 几 百 比 一几 十 个 字 节 几 百 到 几 千 个 字 节可 直 接 访 问 均 通 过 第 一 级不 切 换 切 换 到 其 他 进 程“Cache 主 存 ” 与 “ 主 存 辅 存 ” 层 次 的 区 别5.1.2 存 储 器

14、的 层 次 结 构 23 5.1.3 存 储 器 分 类 p分 类 标 准n按 存 储 器 的 存 储 介 质 分n按 存 储 器 的 存 取 方 式 分n按 存 储 器 在 计 算 机 中 的 作 用 分 24 p按 存 储 器 的 存 储 介 质 分n存 储 介 质 特 点两 种 稳 定 的 物 理 状 态方 便 地 检 测 出 属 于 哪 种 稳 定 状 态状 态 之 间 容 易 相 互 转 换n半 导 体 存 储 器 （ SCM）存 储 位 元 是 由 半 导 体 器 件 组 成 的 存 储 器 速 度 快 ， 用 作 内 存记 忆 原 理 ： 双 稳 态 触 发 器 、 电 容 （

15、静 态 、 动 态 ）按 制 造 工 艺 分 为 l 双 极 型 (TTL)半 导 体 存 储 器l MOS半 导 体 存 储 器 5.1.3 存 储 器 分 类 25 p按 存 储 器 的 存 储 介 质 分n磁 表 面 存 储 器 MSM用 陶 瓷 、 非 磁 性 金 属 或 塑 料 作 载 磁 体 ， 磁 化 后 具 有 两种 不 同 的 剩 磁 状 态 记 录 信 息 “ 1”和 “ 0”容 量 大 ， 用 作 外 存按 载 磁 体 形 状 的 不 同 分 为l 磁 盘 存 储 器l 磁 带 存 储 器l 磁 鼓 存 储 器 5.1.3 存 储 器 分 类 26 p按 存 储 器 的

16、存 储 介 质 分n光 盘 存 储 器 ODM用 有 机 玻 璃 作 载 磁 体 ， 利 用 光 学 原 理 存 储 数 据 并 用 光 学读 写 头 来 存 取 信 息 可 靠 性 好 ， 记 录 密 度 高 ， 存 储 容 量 大 且 易 于 更 换 ， 光 盘数 据 的 保 存 时 间 比 磁 表 面 存 储 器 的 长 5.1.3 存 储 器 分 类 27 p按 存 储 器 的 存 取 方 式 分n存 取 方 式 ： 访 问 存 储 单 元 的 方 法n两 个 名 词 术 语存 储 位 元 ： 记 录 （ 存 储 ） 一 位 二 进 制 信 息 的 存 储 介质 区 域 或 存 储 元

17、 器 件存 储 单 元 ： 存 储 一 个 机 器 字 或 一 个 字 节 ， 且 具 有 唯一 地 址 的 存 储 场 所例 ： 某 存 储 器 为 16 4位表 示 ： 16个 存 储 单 元 、 每 个 存 储 单 元 有 4个 存 储 位 元5.1.3 存 储 器 分 类 28 p按 存 储 器 的 存 取 方 式 分n随 机 访 问 存 储 器 （ RAM）存 储 器 的 任 意 单 元 都 可 随 时 读 出 或 写 入 且 访 问 所 需时 间 都 是 相 同 的 ， 速 度 快 (ns级 )访 问 时 间 与 存 储 单 元 所 处 的 物 理 位 置 无 关n只 读 存 储

18、器 （ ROM）正 常 工 作 时 只 读 ， 能 随 机 读 出 ， 不 能 随 机 写 入l MROM： 只 读 l PROM： 一 次 写l 可 多 次 改 写 ROM： EPROM、 E2PROM 5.1.3 存 储 器 分 类 29 5.1.3 存 储 器 分 类p按 存 储 器 的 存 取 方 式 分n按 内 容 访 问 存 储 器 （ CAM） ： 相 联 存 储 器除 随 机 存 储 外 ， 还 具 有 比 较 功 能速 度 快 (ns级 )， 价 格 高 30 p按 存 储 器 的 存 储 方 式 分n顺 序 存 储 器 （ SAS）信 息 以 文 件 形 式 组 织 ， 一

19、 个 文 件 包 含 若 干 个 数 据 块 ，一 个 数 据 块 包 含 若 干 字 节存 储 时 以 数 据 块 为 单 位 存 储 ， 数 据 的 存 取 时 间 与 数 据所 处 的 物 理 位 置 关 系 极 大 ， 速 度 慢 (s级 )容 量 大 、 成 本 低 ， 用 作 后 援 外 存 。 例 ： 磁 带n直 接 存 取 存 储 器 DAS/DAM： RAM SAS信 息 的 组 织 同 SAS， 介 于 随 机 和 顺 序 存 取 之 间对 信 息 的 存 储 分 两 步 ： 先 随 机 查 找 数 据 区 域 ， 然 后 再顺 序 存 取 ， 速 度 慢 (ms级 )。

20、例 ： 磁 盘5.1.3 存 储 器 分 类 31 p按 存 储 器 在 计 算 机 中 的 作 用 分n高 速 缓 冲 存 储 器 (Cache)存 放 当 前 正 在 执 行 程 序 的 部 分 程 序 段 或 数 据 ， 位 于 主存 和 CPU之 间速 度 O(ns)、 容 量 O(KB)n主 存 储 器存 放 当 前 机 器 中 所 有 处 于 活 动 状 态 的 程 序 和 相 关 数 据能 与 CPU直 接 交 换 信 息 速 度 O(ns)、 容 量 O(MB)5.1.3 存 储 器 分 类 32 p按 存 储 器 在 计 算 机 中 的 作 用 分n辅 助 存 储 器存 放

21、需 要 长 期 保 存 但 当 前 暂 时 不 用 的 程 序 和 数 据 不 能 由 CPU的 指 令 直 接 访 问 ， 必 须 通 过 专 门 的 程 序 或专 门 的 通 道 把 所 需 的 信 息 与 主 存 进 行 成 批 交 换 ， 调 入主 存 后 才 能 使 用联 机 ： 速 度 O(ms)、 容 量 O(GB ) O(TB)脱 机 ： 速 度 O(s)、 容 量 O(海 量 )5.1.3 存 储 器 分 类 33磁 盘 磁 带 光 盘 高 速 缓 冲 存 储 器 （ Cache）存储器 主 存 储 器辅 助 存 储器 MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM 静

22、态 RAM动 态 RAMp 存 储 器 分 类 小 结 5.1.3 存 储 器 分 类 34 5.2 主 存 储 器 p主 存 储 器 的 基 本 组 成 及 操 作 过 程p随 机 访 问 存 储 器 RAMpRAM存 储 芯 片p只 读 存 储 器 ROM 35 5.2.1 概 述1.主 存 储 器 的 基 本 组 成 存 储 体地 址 驱 动 器地 址 译 码 器 MAR 时 序 控 制电 路读写电路 MBR. . .CPU内 部 地 址 总 线 CPU内 部数 据总 线读 写 36 p存 储 体n亦 称 存 储 矩 阵 MM ， 是 存 储 器 的 核 心n组 成 ： 由 存 储 单

23、元 构 成n功 能 ： 信 息 驻 在 地 ， 即 存 储 信 息 的 基 体p选 址 系 统n组 成 ： MAR、 地 址 译 码 器 、 地 址 驱 动 器n功 能 ： 寻 址 并 驱 动 相 应 存 储 单 元 以 实 现 读 写5.2.1 概 述 37 p读 写 系 统n组 成 ： MBR， 写 入 线 路 ， 读 出 线 路n功 能 ： 实 现 读 出 、 写 入 ， 或 者 重 写 (破 坏 性 读 出 ）p时 序 控 制 电 路n组 成 ： 控 制 触 发 器 ， 门 电 路 ， 延 迟 线n功 能 ： 产 生 主 存 储 器 所 需 的 一 系 列 控 制 信 号5.2.1 概

24、 述 38 p读 操 作 过 程n送 地 址控 制 器 通 过 CPU内 部 地 址 总 线 将 地 址 送 MARn发 读 命 令控 制 器 通 过 CPU内 部 控 制 总 线 将 “ 读 存 储 器 ” 信 号 R送 主 存 储 器 的 时 序 控 制 电 路n从 存 储 器 读 出 数 据时 序 控 制 电 路 依 信 号 R产 生 一 系 列 存 储 器 的 内 部 控 制信 号 。 MAR中 的 地 址 经 地 址 译 码 器 选 中 并 驱 动 存 储矩 阵 中 的 某 一 个 存 储 单 元 ， 读 出 该 单 元 中 所 有 存 储 位元 的 信 息 ， 送 MBR5.2.1

25、 概 述 39 p写 操 作 过 程n送 地 址n控 制 器 通 过 CPU内 部 地 址 总 线 将 地 址 送 MARn送 数 据n将 要 写 入 存 储 矩 阵 信 息 经 CPU内 部 数 据 总 线 送 MBR n发 写 命 令n控 制 器 通 过 CPU内 部 控 制 总 线 将 “ 写 存 储 器 ” 信 号W送 主 存 储 器 的 时 序 控 制 电 路n将 数 据 写 入 存 储 器n时 序 控 制 电 路 依 信 号 W产 生 一 系 列 存 储 器 的 内 部 控制 信 号 。 MAR中 的 地 址 经 地 址 译 码 器 选 中 并 驱 动 存储 矩 阵 中 的 某 一

26、 存 储 单 元 ， 将 MBR中 的 数 据 写 入 被选 中 存 储 单 元 的 各 存 储 位 元 中5.2.1 概 述 40 高 位 字 节 地 址 为 字 地 址 低 位 字 节 地 址 为 字 地 址设 地 址 线 24 根 按 字 节 寻 址按 字 寻 址若 字 长 为 16 位 按 字 寻 址若 字 长 为 32 位字 地 址 字 节 地 址 111098 7654 3210840 字 节 地 址字 地 址 45 23 014202 主 存 储 器 中 的 数 据 组 织 224 = 16 M8 M4 MIBM370 PDP-115.2.1 概 述 41 2 主 存 储 器 中

27、 的 数 据 组 织 字 地 址 为 低 字 节 地 址字 地 址 为 高 字 节 地 址37 62 15 40字 地 址04 低 字 节04 51 26 73字 地 址04 低 字 节小 端 法大 端 法 43 65 A4 7F7F A4 65 435.2.1 概 述 42 2 主 存 储 器 中 的 数 据 组 织 地 址 （ 十 进 制 ） 0 4 812162024283236 双 字双 字 （ 地 址 32）双 字双 字 （ 地 址 24） 半 字 （ 地 址 20）半 字 （ 地 址 22） 半 字 （ 地 址 16）半 字 （ 地 址 18） 字 节 （ 地 址 8）字 节 （

28、地 址 9）字 节 （ 地 址 10）字 节 （ 地 址 11） 字 （ 地 址 4）字 （ 地 址 0）字 节 （ 地 址 14） 字 节 （ 地 址 15） 字 节 （ 地 址 13） 字 节 （ 地 址 12）边 界 对 准 地 址 （ 十 进 制 ）048字 节 ( 地 址 7) 字 节 ( 地 址 6)字 ( 地 址 2)半 字 ( 地 址 10) 半 字 ( 地 址 8)半 字 ( 地 址 0)字 ( 地 址 4)边 界 未 对 准 43 地 址 （ 十 进 制 ）例 : 边 界 对 准 地 址 （ 十 进 制 ）例 : 边 界 未 对 准 048字 节 ( 地 址 7) 字 节

29、( 地 址 6)A4 7F半 字 ( 地 址 10) 半 字 ( 地 址 8)半 字 ( 地 址 0)43 652 主 存 储 器 中 的 数 据 组 织5.2.1 概 述半 字 ( 地 址 0)半 字 ( 地 址 10) 04843 65 半 字 ( 地 址 8)半 字 ( 地 址 0)A4 7F 44 2) 存 储 速 度3 主 存 储 器 的 主 要 技 术 指 标 1) 存 储 容 量 主 存 存 放 二 进 制 位 （ bit） 数 的 总 和 读 出 时 间 写 入 时 间 存 储 器 的 访 问 时 间n 存 取 时 间n 存 储 周 期 读 周 期 写 周 期连 续 两 次 独

30、 立 的 存 储 器 操 作 所 需 的 最 小 间 隔 时 间 存 储 周 期 存 取 时 间5.2.1 概 述存 储 容 量 存 储 单 元 个 数 存 储 字 长 /8 45 3 主 存 储 器 的 主 要 技 术 指 标 3) 存 储 器 的 带 宽 单 位 时 间 内 传 输 的 最 大 数 据 量（ 位 /秒 ）例 ： 存 取 周 期 为 400ns， 每 个 存 储 周 期 可 访 问 32位数 据 ， 则 带 宽 为 32 1 109/400=80M位 /秒 5.2.1 概 述n 衡 量 数 据 传 输 速 率 的 重 要 技 术 指 标n 改 善 机 器 性 能 的 一 个

31、关 键 因 素 46 4 主 存 储 器 的 选 址 方 式n如 何 找 到 存 储 单 元 ？选 址 是 关 键 部 件译 码 方 法 直 接 影 响 到 存 储 器 的 组 织 与 结 构n选 址 方 法线 选 法 二 维 存 储 矩 阵重 合 法 三 维 存 储 矩 阵5.2.1 概 述 47 0,015,0 15,70,7 读 /写 控 制 电 路 地址译码器 字 线015 16 8矩 阵 0 7D 0 7D 位 线 读 / 写 选 通 A 3A 2A 1A 0 4 主 存 储 器 的 选 址 方 式 1) 线 选 法 0000读 写 选 通5.2.1 概 述 48 A 3A 2A 1

32、A 0A 4 0,310,031,0 31,31 Y 地 址 译 码 器 X地址译码器 32 32 矩 阵 A 9 I/OA 8 A 7 A 56AY0 Y31 X 0X 31 D读 /写4 主 存 储 器 的 选 址 方 式2) 重 合 法 0 0 0 0 000000 读 49 p两 种 选 址 方 法 比 较n线 选 法 的 选 择 线 较 多 ， 重 合 法 的 选 择 线 相 对 较 少n线 选 法 需 要 一 次 译 码 ， 重 合 法 需 要 两 次 译 码n线 选 法 适 合 于 容 量 较 小 的 存 储 器 ， 重 合 法 适 用 于容 量 较 大 的 存 储 器n线 选

33、法 的 负 载 轻 (字 线 上 的 负 载 为 字 长 个 位 元 )， 对位 元 电 路 、 驱 动 器 要 求 都 不 高 ， 速 度 快n重 合 法 每 个 存 储 单 元 需 要 的 控 制 信 号 增 加 ， 字 线上 的 负 载 较 大 ， 需 要 增 加 选 择 线 的 负 载 驱 动 能 力 。对 位 元 电 路 、 驱 动 器 要 求 较 高 ， 速 度 较 慢5.2.1 概 述 50 p存 储 芯 片 片 选 线 的 作 用用 16K 1位 的 存 储 芯 片 组 成 64K 8位 的 存 储 器 32片 当 地 址 为 65 535 时 ， 此 8 片 的 片 选 有

34、效 8片16K 1位 8片16K 1位 8片16K 1位 8片16K 1位5.2.1 概 述 51 小 结 p存 储 器 概 述n基 本 概 念n计 算 机 的 存 储 层 次 结 构提 高 访 存 速 度 的 Cache主 存 层 次扩 大 存 储 容 量 的 主 存 辅 存 层 次n存 储 器 分 类p主 存 储 器n基 本 组 成 及 读 写 过 程n主 存 储 器 中 的 数 据 组 织n主 要 技 术 指 标n选 址 方 式 第 五 章 存 储 器 第 5.2节 主 存 储 器 53 本 讲 简 要 说 明p目 的 与 要 求 ： 了 解 随 机 访 问 存 储 器 RAM的 存 储

35、原 理 以 及 读 写 过 程 ， 了 解 半 导 体 只 读 存 储 器ROM的 存 储 原 理 以 及 读 写 过 程 ， 知 道 半 导 体 存储 器 的 连 接p授 课 重 点 ： 从 存 储 位 元 存 储 芯 片 存 储 器的 渐 近 层 次 ， 讲 解 随 机 访 问 存 储 器 RAM和 只 读存 储 器 ROM的 存 储 原 理 以 及 读 写 过 程 ； 重 点 讲解 半 导 体 存 储 器 的 连 接p授 课 难 点 ： 如 何 理 解 半 导 体 存 储 器 的 连 接p阅 读 章 节 ： 第 5.2节 的 其 余 部 分p作 业 安 排 ： P203 5.11 、 5

36、.13 、 5.14 54 主 要 内 容 p主 存 储 器 的 基 本 组 成 及 操 作 过 程p随 机 访 问 存 储 器 RAMpRAM存 储 芯 片p只 读 存 储 器 ROM 55 p存 储 矩 阵 由 若 干 存 储 单 元 构 成p每 个 存 储 单 元 由 多 个 存 储 位 元 构 成p一 个 存 储 单 元 对 应 唯 一 的 物 理 地 址p一 个 存 储 单 元 包 含 的 存 储 位 元 个 数 是 字 节 的整 数 倍 ， 称 为 计 算 机 的 字 长5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 56 p半 导 体 RAM存 储 位 元 电 路n记 忆 原 理

37、触 发 器 ： 互 补 的 两 个 状 态电 容 ： 充 放 电晶 体 管 ： 导 通 与 截 止n存 储 位 元 电 路 与 存 储 器存 储 位 元 存 储 单 元 存 储 矩 阵 存 储 芯 片 (译 码 、驱 动 、 读 /写 电 路 ) 存 储 模 块 (内 存 条 ) 存 储 器 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 57 p按 工 作 状 态 与 存 储 原 理 的 不 同 分 为n静 态 RAMn动 态 RAM5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 58 1） SRAM的 基 本 单 元 电 路n当 没 有 外 界 信 号 作 用 时 ，可 长 久 保 持 其

38、 稳 定 状 态nMOS静 态 存 储 位 元 电 路 静 态 互 补 位 元 电 路n由 六 个 MOS管 组 成 的 触 发 器 构 成 1 静 态 RAM VccT3A B I/O 列 地 址 选 择 线 Y I/OD数据位线 D数据位线T4T1 T2T5 T6T7 T8行 地 址 选 择 线 X 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 59 A T5 T6T7 T8A写 放 大 器 写 放 大 器 DIN 写 选 择 读 选 择读 放 位 线 A位 线 A 列 地 址 选 择行 地 址 选 择 D OUT 2） SRAM的 读 写 过 程 行 选 T5、 T6 开T7、 T8

39、开列 选 读 放 D OUTVA T6 T8T1 T2 T3 T4 静 态 RAM存 储 位 元电 路 的 读 操 作 60 T5 T6T7 T8A AD IN 位 线 A位 线 A 列 地 址 选 择行 地 址 选 择写 放 写 放 读 放 D OUT写 选 择 读 选 择 静 态 RAM存 储 位 元电 路 的 写 操 作 行 选 T5、 T6 开 两 个 写 放 DIN列 选 T7、 T8 开（ 左 ） 反 相 T 5 A（ 右 ） T8 T6 ADINDIN T7 T1 T2 T3 T4 2） SRAM的 读 写 过 程 61 n优 点存 取 速 度 快依 触 发 器 的 工 作 特

40、性 存 储 信 息 ， 属 非 破 坏 性 读 出只 要 供 电 ， 信 息 能 长 久 保 持 ， 不 需 刷 新n缺 点功 耗 较 大 ， 尤 其 是 双 极 型 存 储 位 元 电 路所 用 元 器 件 多 ， 集 成 度 低 ， 成 本 较 高3） SRAM的 特 性5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 62 n SRAM存 储 芯 片 的 特 性 通 常 塑 料 封 装地 址 引 脚 不 复 用 ： 芯 片 需 多 少 位 地 址 码 ， 则 有 多 少个 地 址 引 脚 数 据 引 脚 复 用 ： 一 位 数 据 仅 需 要 1个 引 脚 ， 该 引 脚既 作 数 据 输

41、 入 又 作 数 据 输 出 用 ， 此 时 ， 芯 片 必 须 加 输出 使 能 端 引 脚 或 注 意 ： 当 芯 片 字 位 结 构 为 一 位 结 构 时 ， 数 据 引 脚 不 复用 ， 原 因 是 复 用 仍 须 加 输 出 使 能 端 引 脚 或 ， 并 未 减 少 总 的 引 脚 个 数 ， 且 使 芯 片 内 部 结 构 复 杂OE G OE G4） SRAM的 典 型 芯 片 举 例5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 63 n Intel 2114 外 特 性基 本 单 元 电 路 由 六 个 MOS管 组 成 存 储 容 量1K 4位. I/O1I/O2I/O

42、3I/O4A0A8A9 WE CS CCV GNDIntel 2114 4） SRAM的 典 型 芯 片 举 例5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 64 A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O 1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 65 150 3116 4732 6348150 3116 4

43、732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组000000000 0 n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 66 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 n In

44、tel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 67 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 68 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1

45、I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 69 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 70 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 47

46、32 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 71 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 读 写 电 路 读

47、写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 n Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 72 2 动 态 RAM1） DRAM的 基 本 单 元 电 路n利 用 MOS晶 体 管 极 电 容 (或 MOS电 容 )上 充 积的 电 荷 来 存 储 信 息n刷 新由 于 有 漏 电 阻 存 在 ， 电 容 上 的 电 荷 不 能 长 久 保 存 ，需 要 周 期 性 地 对 电 容 进 行 充 电 ， 以 补 充 泄 漏 的 电 荷n动 态 存 储 位 元 电 路 克 服 了 静 态 存 储 位 元 电 路的 缺 点 ， 使 MOS器 件 的 优 点 更 得 以 发 挥5.2.

48、2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 73 1） DRAM的 基 本 单 元 电 路读 出 时 数 据 线 有 电 流 为 “ 1”数 据 线 CsT字 线 01 写 入 时 CS充 电 为 “ 1”、 放 电 为 “ 0”无 电 流有 电 流单 管 式2 动 态 RAM5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 74 2） DRAM的 读 写 过 程n保 持电 容 上 是 否 有 电 荷 来 表 示 存 储 的 信 息由 于 T漏 电 不 能 长 久 保 存 信 息 ， 需 要 刷 新n写 入W选 通 打 开 T， 电 荷 充 /放 电W 结 束 T关 闭 ， 写 入 的 信 息 以

49、电 荷 形 式 保 存 在 电 容 上n读 出预 充 电 ， W选 通 打 开 T， 放 大 D上 的 信 号W 结 束 T关 闭 ， 破 坏 原 信 号 ， 需 要 恢 复 （ 刷 新 ）n对 数 据 线 D预 充 电 的 原 因 提 高 读 出 的 灵 敏 度 ， 避 免 对 “ 1”的 读 出 时 间 过 长5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 75 3） DRAM的 特 性n破 坏 性 读 出 ， 读 后 需 恢 复 信 息n需 对 D预 充 电 ， 故 速 度 较 慢n相 对 静 态 存 储 位 元 电 路功 耗 小 （ 简 单 ）集 成 度 高5.2.2 随 机 存 取

50、存 储 器 RAM 76 4)DRAM的 刷 新n按 一 定 时 间 间 隔 为 记 忆 电 容 补 充 电 荷 的 过 程n刷 新 的 原 因DRAM存 储 位 元 的 特 点 ： 靠 电 容 上 的 电 荷 存 储 效 应 记忆 信 息 ， MOS电 阻 存 在 (10121015)， 会 泄 漏 电 荷虽 然 读 写 操 作 可 恢 复 单 元 的 电 荷 ， 但 由 于 读 写 操 作 是随 机 的 ， 不 能 保 证 所 有 位 元 在 规 定 的 时 间 间 隔 内 都 有这 种 充 电 的 机 会 ， 所 以 必 须 设 置 专 门 的 刷 新 机 构5.2.2 随 机 存 取

51、存 储 器 RAM 77 4)DRAM的 刷 新nDRAM刷 新 的 有 关 参 数a) 信 息 保 持 时 间 Tref从 信 息 以 电 荷 形 式 存 入 电 容 起 ， 到 电 荷 经 过 一 段 时 间 泄漏 ， 读 放 仍 能 鉴 别 出 原 存 信 息 止 的 时 间b) 刷 新 周 期 Trc（ refresh cycle）对 同 一 存 储 位 元 连 续 两 次 刷 新 ， 仍 能 保 证 鉴 别 出 原 存 信息 的 最 大 允 许 间 隔 时 间 。 亦 称 为 刷 新 间 隔 时 间 Tri（ refresh interval） （ Trc Tref） l 在 Trc

52、时 间 内 ， 应 刷 新 存 储 芯 片 中 的 所 有 存 储 位l 在 DRAM芯 片 的 主 要 性 能 参 数 中 ， 都 给 出 Trc。 通 常 为2ms、 4ms、 8ms或 64ms 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 78 4)DRAM的 刷 新nDRAM刷 新 的 有 关 参 数c) 刷 新 操 作 周 期 Troc (refresh operating cycle)刷 新 一 行 存 储 位 元 即 一 次 刷 新 操 作 所 需 时 间 。 通 常 和存 储 周 期 tRC(tWC)相 同存 储 器 的 刷 新 和 存 储 矩 阵 的 组 织 有 关l D

53、RAM存 储 芯 片 因 容 量 大 ， 大 都 采 用 重 合 法 三 维 存储 矩 阵 ， 二 维 (字 线 )用 于 选 址 ， 一 维 (位 线 )用 于 读 写l 一 般 实 现 方 法 是 ： 周 而 复 始 地 选 取 存 储 矩 阵 的 各 行进 行 刷 新 ， 同 时 刷 新 同 一 行 的 所 有 存 储 单 元 ， 且 在刷 新 周 期 内 选 取 完 存 储 矩 阵 的 所 有 行 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 79 4)DRAM的 刷 新nDRAM刷 新 的 有 关 参 数d) 刷 新 操 作 周 期 数 Nr （ number of refresh

54、 operating cycle）DRAM芯 片 的 3个 重 要 参 数 ： 刷 新 周 期 、 刷 新 操 作 周 期 、刷 新 操 作 周 期 数存 储 芯 片 所 有 位 元 刷 新 一 遍 所 需 的 刷 新 操 作 周 期 个 数 。它 与 芯 片 的 内 部 结 构 有 关如 ： DRAM存 储 芯 片 MCM4027， 其 字 位 结 构 为 4K 1位 ， 存 储 矩 阵为 64行 64列 ， 因 每 次 刷 新 操 作 刷 新 存 储 矩 阵 的 一 行 。 故 ， 每 次刷 新 64个 存 储 位 ， 需 刷 新 操 作 周 期 数 N r=64 5.2.2 随 机 存

55、取 存 储 器 RAM 80 4)DRAM的 刷 新n以 存 储 芯 片 MCM511000A为 例 说 明 刷 新 方 法DRAM的 3个 重 要 参 数l 刷 新 周 期 Trc： 8msl 刷 新 操 作 周 期 Troc： 160ns； 与 存 储 周 期 相 同 。 则 1个 刷 新 周 期 包 含 50000个 存 储 周 期l 刷 新 操 作 周 期 数 Nr： 512（ 存 储 矩 阵 行 数 ） ， 即 512个 T roc完 成 整 个 芯 片 1M 1位 的 刷 新 ， 每 个 Troc刷 新2048个 存 储 位 元 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 81

56、 n刷 新 方 法 a) 集 中 式 刷 新亦 称 批 刷 新 ， 即 从 刷 新 周 期 Trc中 抽 出 最 后 512个 访 存 周期 作 为 刷 新 操 作 周 期 集 中 进 行 刷 新 l 8ms包 含 50000个 访 存 周 期 :前 49488用 于 访 存 ,后 512用 于刷 新 。 刷 新 操 作 周 期 所 占 比 例 :512/50000=1.024% 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 82 n刷 新 方 法 a) 集 中 式 刷 新缺 点 ： 集 中 式 刷 新 使 98.976%的 时 间 用 于 访 存 ， 这 期间 存 储 器 的 效 能 得

57、以 充 分 发 挥 ， 但 有 1.024%的 时 间 ，即 在 8ms中 有 81.92s不 允 许 访 存 ， CPU要 处 于 等 待 状态 ， 影 响 了 计 算 机 的 工 作 效 率优 点 ： 控 制 逻 辑 简 单 ， 设 计 容 易 实 现 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 83 n刷 新 方 法 b) 分 布 式 刷 新把 集 中 到 一 起 的 512个 刷 新 操 作 周 期 分 散 开 ， 即 把 8ms按 存 储 位 元 的 行 数 （ 即 行 地 址 译 码 线 数 ） 分 成 512等 分 ，每 等 分 的 最 后 一 个 访 存 周 期 用 作 刷

58、 新 操 作 周 期 ， 以 完成 一 行 存 储 位 元 的 刷 新 ， 其 余 时 间 则 用 于 访 存5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 84 n刷 新 方 法 b) 分 布 式 刷 新缺 点 ： 控 制 逻 辑 复 杂 ， 设 计 不 易 实 现优 点 ： 提 高 了 计 算 机 的 工 作 效 率l 虽 然 刷 新 所 占 时 间 比 例 与 集 中 式 相 同 ， 但 每 次 只刷 新 一 行 存 储 位 元 ， 仅 占 一 个 访 存 周 期 ， 时 间 很短 ， 此 时 遇 到 CPU正 好 不 访 存 （ 执 行 与 存 储 器 无关 的 工 作 ） 的 可 能

59、 性 非 常 大 ， 这 样 就 提 高 了 计 算机 的 工 作 效 率5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 85 n刷 新 方 法 c) 透 明 式 刷 新设 一 个 系 统 的 访 存 周 期 是 存 储 器 实 际 访 存 周 期 的 两 倍 ，并 令 系 统 访 存 周 期 的 前 半 周 期 用 于 访 存 ， 后 半 周 期 用 于刷 新 ， 这 样 512个 系 统 访 存 周 期 即 完 成 整 个 芯 片 的 刷 新5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 86 n刷 新 方 法 c) 透 明 式 刷 新优 点 ： 控 制 简 单 、 设 计 容 易 ， 不

60、 需 增 加 多 少 器 材缺 点 ： 存 储 器 的 效 能 仅 利 用 50 ， 仅 用 于 低 速 系 统5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 87 n DRAM存 储 芯 片 的 特 性 通 常 塑 料 封 装 地 址 引 脚 复 用 ： 芯 片 需 多 少 位 地 址 码 ， 则 地 址 引 脚个 数 为 地 址 码 位 数 的 1/2上 取 整 ， 同 时 需 加 两 个 控 制 引脚 和 数 据 引 脚 复 用 ： 一 位 数 据 仅 需 要 1个 引 脚 ， 该 引 脚 即作 数 据 输 入 又 作 数 据 输 出 用 ， 此 时 必 须 加 输 出 使 能 端引 脚

61、 或 注 意 ： 当 芯 片 字 位 结 构 为 一 位 结 构 时 ， 数 据 引 脚 不复 用 ， 原 因 同 SRAM RAS CASOE G5） DRAM的 典 型 芯 片 举 例5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 88 n Intel 2164 外 特 性基 本 单 元 电 路 由 单 个 MOS管 组 成 存 储 容 量64K 1位5） DRAM的 典 型 芯 片 举 例. DINDOUTA0A6A7 WE RAS CCV GNDIntel 2164CAS 5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 89 6） SRAM和 DRAM的 比 较 DRAM SRAM存

62、储 原 理集 成 度芯 片 引 脚功 耗价 格速 度刷 新 电 容 触 发 器高 低少 多小 （ 1/6） 大低 高慢 快有 无主 存 缓 存5.2.2 随 机 存 取 存 储 器 RAM 90 5.2.3 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM pROM： Read Only Memory RAM： 按 地 址 寻 址 ， CPU以 存 储 单 元 为单 位 ， 随 机 读 写 任 一 存 储 单 元 ， 读 写 时 间相 同 且 与 单 元 所 处 物 理 位 置 无 关 ROM： 按 地 址 寻 址 ， CPU以 存 储 单 元 为单 位 ， 只 能 随 机 读 而 不 能 随 机 写

63、的 存 储 器 91 p特 点n速 度 比 DRAM快 ， 与 SRAM相 当n可 靠 性 高 、 集 成 度 高 、 成 本 低n非 挥 发 性 存 储 、 非 破 坏 性 读 出n存 储 信 息 不 可 更 改 或 更 改 麻 烦5.2.3 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM 92 p 应 用 场 合 n 常 数 存 储 器倒 数 、 函 数 值 、 汉 字 库 、 字 符 库 等n 代 码 转 换 器（ 各 设 备 间 ） 代 码 转 换 表 、 键 盘 位 置 码 与 键 的 代 码转 换 表n 游 戏 卡n 控 制 存 储 器 CM（ PROM）n BIOS 可 多 次 改 写

64、注 意 :上 述 三 种 应 用 通 常 由 MROM实 现5.2.3 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM 93 p ROM分 类n固 定 掩 膜 MROM 只 能 读 ， 不 能 修 改n一 次 可 改 写 的 PROM只 能 修 改 一 次 ， 修 改 后 只 读n可 多 次 改 写 的 ROM可 多 次 擦 除 、 多 次 改 写 ， 改 写 之 前 要 先 擦 除光 擦 除 电 可 编 程 只 读 存 储 器 ， 亦 称 UV EPROM 电 擦 除 电 可 编 程 只 读 存 储 器 E 2PROM块 擦 除 电 可 编 程 的 快 擦 写 存 储 器 FM 5.2.3 半 导

65、体 只 读 存 储 器 ROM 94 1. 固 定 掩 膜 ROM(Fixed Mask ROM:MROM)n MROM 依 用 户 要 求 ， 由 厂 家 按 确 定 工 序 ， 用 是 否 制 造 元 器 件的 方 法 ， 实 现 信 息 写 入 。 制 造 完 成 后 ， 不 能 再 改 变 的 只 读存 储 器n MROM的 特 点结 构 简 单 、 集 成 度 高 、 价 格 便 宜宜 于 标 准 化 和 大 批 量 生 产 使 用 不 灵 活 、 一 经 生 产 为 成 品 ， 则 无 法 修 改读 出 时 间 ： 10 500ns 最 大 集 成 度 ： 32Mb/片5.2.3

66、半 导 体 只 读 存 储 器 ROM 95 2. 可 编 程 ROM (Programmable ROM: PROM） nPROM的 特 点熔 断 丝 型 的 PROM为 主 流可 根 据 需 要 编 程 一 次 ， 但 熔 断 丝 熔 断 后 信 息 不 能 改 变 ，PROM原 则 上 无 法 修 改集 成 度 （ 512kB） ， 取 数 时 间 (几 几 十 ns)对 改 写 电 流 和 工 作 电 流 有 一 定 的 要 求注 意 ： PROM既 按 地 址 又 按 位 寻 址 ， 编 程 时 是按 位 编 程 且 须 脱 机 编 程 ， 通 常 用 编 程 器 实 现 编 程5.2.3 半 导 体 只 读 存 储 器 ROM 96 3 . 可 擦 除 可 编 程 ROM（ Erasable Programmable ROM :EPROM）n EPROM的 缺 点 不 能 在 线 擦 除 和 编 程 不 对 单 个 存 储 单 元 擦 除 ， 仅 以 片 为 单 位 擦 除 芯 片 封 装 麻 烦 ， 需 留 透 明 石 英 窗 口 以 便 紫 外 线 擦 除 编 程 后