1、2023-2-161中国计算机学会中国计算机学会“21“21世纪大学本科计算机专业系列教材世纪大学本科计算机专业系列教材”2023-2-1622023-2-163本章学习内容本章学习内容n5.1 存储系统的组成存储系统的组成n5.2 主存储器的组织主存储器的组织n5.3 半导体随机存储器和只读存储器半导体随机存储器和只读存储器n5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制n5.5 提高主存读写速度的技术提高主存读写速度的技术n5.6 多体交叉存储技术多体交叉存储技术n5.7 高速缓冲存储器高速缓冲存储器n5.8 虚拟存储器虚拟存储器2023-2-164本章学习要求本章学习要求n 了解：存储
2、器的分类方法和存储系统的层次了解：存储器的分类方法和存储系统的层次n 理解：主存储器的基本结构、存储单元和主存理解：主存储器的基本结构、存储单元和主存储器的主要技术指标储器的主要技术指标n 掌握：数据在主存中的存放方法掌握：数据在主存中的存放方法n 了解：半导体随机存储器（静态了解：半导体随机存储器（静态RAM和动态和动态RAM）的基本存储原理的基本存储原理n 理解：动态理解：动态RAM的刷新的刷新n 了解：了解：RAM芯片的基本结构芯片的基本结构n 理解：各种不同类型的理解：各种不同类型的ROMn 掌握：主存储器容量的各种扩展方法掌握：主存储器容量的各种扩展方法n 理解：主存储器和理解：主存
3、储器和CPU的软连接的软连接n 了解：了解：Cache存储系统和虚拟存储器的概念存储系统和虚拟存储器的概念2023-2-1655.1 存储系统的组成存储系统的组成 存储系统和存储器是两个不同的概存储系统和存储器是两个不同的概念，下面首先介绍各种不同用途的存储器，念，下面首先介绍各种不同用途的存储器，然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。2023-2-1665.1.1 5.1.1 存储器分类存储器分类 1.按存储器在计算机系统中的作用分类按存储器在计算机系统中的作用分类高速缓冲存储器高速缓冲存储器 高速缓冲存储器用来存放正在执行高速缓冲存储器用来存放正在执行
4、的程序段和数据的程序段和数据。高速缓冲存储器的存取。高速缓冲存储器的存取速度可以与速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容的速度相匹配，但存储容量较小，价格较高。量较小，价格较高。主存储器主存储器 主存用来存放计算机运行期间所需主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据要的程序和数据，CPU可直接随机地进行可直接随机地进行读读/写访问。写访问。2023-2-1671.按存储器在计算机系统中的作用分类（续）按存储器在计算机系统中的作用分类（续）辅助存储器辅助存储器 辅助存储器用来存放当前暂不参与辅助存储器用来存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要永久性保运行的程序和数据以及一些需要永久性保
5、存的信息存的信息。辅存设在主机外部，。辅存设在主机外部，CPU不能不能直接访问它。辅存中的信息必须通过专门直接访问它。辅存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，的程序调入主存后，CPU才能使用。才能使用。2023-2-168随机存取存储器随机存取存储器RAM CPU可以对存储器中的内容随机地可以对存储器中的内容随机地存取，存取，CPU对任何一个存储单元的写入和对任何一个存储单元的写入和读出时间是一样的，即存取时间相同，与读出时间是一样的，即存取时间相同，与其所处的物理位置无关。其所处的物理位置无关。只读存储器只读存储器ROM ROM可以看作可以看作RAM的一种特殊形式，的一种特殊形式，其特点是
6、：存储器的内容只能随机读出而其特点是：存储器的内容只能随机读出而不能写入。这类存储器常用来存放那些不不能写入。这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。需要改变的信息。2.按存取方式分类按存取方式分类 2023-2-169顺序存取存储器顺序存取存储器SAM SAM的内容只能按某种顺序存取，存取时的内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，所以所以SAM只能用平均存取时间作为衡量存取速只能用平均存取时间作为衡量存取速度的指标。度的指标。直接存取存储器直接存取存储器DAM DAM既不像既不像RAM那样能随机地访问任一那样能随机地访
7、问任一个存储单元，也不像个存储单元，也不像SAM那样完全按顺序存取，那样完全按顺序存取，而是介于两者之间。当要存取所需的信息时，而是介于两者之间。当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个存储器中的某个小区域；第一步直接指向整个存储器中的某个小区域；第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读目的地后再进行读/写操作。写操作。2.按存取方式分类（续）按存取方式分类（续）2023-2-1610磁芯存储器磁芯存储器 采用磁性材料，利用两种不同的剩采用磁性材料，利用两种不同的剩磁状态表示磁状态表示“1”或或“0”。半导体存储器半导体存储器 采用半导体
8、器件制造的存储器，主采用半导体器件制造的存储器，主要有要有MOS型存储器和双极型存储器两大型存储器和双极型存储器两大类。类。MOS型存储器集成度高、功耗低、型存储器集成度高、功耗低、价格便宜、存取速度较慢；双极型存储器价格便宜、存取速度较慢；双极型存储器存取速度快、集成度较低、功耗较大、成存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高。本较高。3.按存储介质分类按存储介质分类2023-2-1611磁表面存储器磁表面存储器 在金属或塑料基体上，涂复一层磁性在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。由于它的容量大、价格低、存取磁带等
9、。由于它的容量大、价格低、存取速度慢，故多用作辅助存储器。速度慢，故多用作辅助存储器。光存储器光存储器 采用激光技术控制访问的存储器，一采用激光技术控制访问的存储器，一般分为只读式、一次写入式、可读写式般分为只读式、一次写入式、可读写式3种，它们的存储容量都很大，是目前使用种，它们的存储容量都很大，是目前使用非常广泛的辅助存储器。非常广泛的辅助存储器。3.按存储介质分类（续）按存储介质分类（续）2023-2-1612n易失性存储器易失性存储器l断电后，存储信息即消失的存储器断电后，存储信息即消失的存储器n非易失性存储器非易失性存储器l断电后信息仍然保存的存储器断电后信息仍然保存的存储器 如果某
10、个存储单元所存储的信息被读出时，原存如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出；如果读出时，被信息将被破坏，则称破坏性读出；如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。具读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破坏的信息。坏的信息。4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类 2023-2-16135.1.2 5.1.2 存储系统层次结构存储系统层次结构 为了解决存储容量、存取速
11、度和价为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。统。2023-2-1614多级存储层次多级存储层次CPUM1M2Mn存储层次 图图5-1 多级存储层次多级存储层次2023-2-1615Cache主存存储层次（主存存储层次（Cache存储系统）存储系统）CPUCache主存辅助硬件 Cache存储系统是为解决主存速度不足而存储系统是为解决主存速度不足而提出来的。从提出来的。从CPU看，速
12、度接近看，速度接近Cache的速度，的速度，容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价格。由于格。由于Cache存储系统全部用硬件来调度，存储系统全部用硬件来调度，因此它因此它对系统程序员和系统程序员都是透明的对系统程序员和系统程序员都是透明的。图图5-2(a)Cache存储系统存储系统2023-2-1616主存主存辅存存储层次（虚拟存储系统）辅存存储层次（虚拟存储系统）CPU主存辅存辅助软硬件 虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的。从出来的。从CPU看，速度接近主存的速度，容看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地
13、址空间，每位价格是接近于辅存量是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统的价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此来调度，因此对系统程序员是不透明的，但对对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的应用程序员是透明的。图图5-2(b)虚拟存储系统虚拟存储系统2023-2-1617计算机中存储器的层次结构计算机中存储器的层次结构cache主存主存(RAM和和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器内存储器外存储器外存储器寄存器寄存器典型容量典型容量1KB1MB2
14、56MB1GB40GB200GB10TB100TB典型存取时间典型存取时间1ns(0.51cycle)2ns(13cycle)10ns(10100cycle)10ms(10100c)10 s2023-2-1618传统存储器分级体系结构传统存储器分级体系结构五层金字塔形分五层金字塔形分层系统从上到下层系统从上到下的特点：的特点：1.每位价格降低每位价格降低2.容量增大容量增大3.存取时间增大存取时间增大4.访问频度降低访问频度降低Traditional Memory Hierarchy传统结构传统结构2023-2-1619现代存储器分级体系结构现代存储器分级体系结构Contemporary Me
15、mory Hierarchy（现代结构）（现代结构）开辟一部分内存区，开辟一部分内存区，用作用作“Disk Cache”，用于存放将被送到磁用于存放将被送到磁盘上的数据。盘上的数据。引入引入“Disk Cache”的好处：的好处：(1)写盘时按写盘时按“簇簇”进进行，以避免频繁地小行，以避免频繁地小块数据写盘。块数据写盘。(2)有些中间结果数据有些中间结果数据在写回盘之前可被快在写回盘之前可被快速地再次使用。速地再次使用。2023-2-1620内存与外存的关系及比较内存与外存的关系及比较n 内存储器（简称内存或主存）内存储器（简称内存或主存）l 存取速度快存取速度快l 成本高、容量相对较小成本
16、高、容量相对较小l 直接与直接与CPU连接，连接，CPU对内存中的对内存中的指令及数据进行读、写操作指令及数据进行读、写操作l 属于属于易失易失性存储器性存储器(volatile)，用于，用于临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据内存储器内存储器外存储器外存储器CPU指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n程序程序数据数据1数据数据2数据数据m数据数据程序和数据从程序和数据从外存成批传送到外存成批传送到内存内存CPUCPU从内存中逐从内存中逐条读取指令及相条读取指令及相关数据关数据将指令处理结将指令处理结果送回内存保存果送回内存保存将处理结果成将处理结果成批传送到外存以批传送
17、到外存以长久保存长久保存逐条执逐条执行指令，行指令，按指令要按指令要求完成对求完成对数据的运数据的运算和处理算和处理n 外存储器（简称外存储器（简称外存外存或辅存）或辅存）l 存取速度慢存取速度慢l 成本低、容量很大成本低、容量很大l 不与不与CPU直接连接，先传送到内存，直接连接，先传送到内存，然后才能被然后才能被CPU使用。使用。l 属于非易失性存储器属于非易失性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息用于长久存放系统中几乎所有的信息2023-2-16215.2存储器的基本构成存储器的基本构成存储器的基本构成存储器的基本构成l存储矩阵存储矩阵由若干存储单元排列成矩
18、阵形式由若干存储单元排列成矩阵形式l地址译码器地址译码器根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的存根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的存储单元，把数据送往输出缓冲器储单元，把数据送往输出缓冲器l输出缓冲器输出缓冲器增加数据输出负载能力，同时提供三态控制，增加数据输出负载能力，同时提供三态控制，以便和系统总线相连以便和系统总线相连地址译码器输出缓冲器存储矩阵数据输出地址输入三态控制2023-2-1622地址寄存器地址译码器读写控制电路控制线读/写控制信号记忆单元数据线读/写 的 数据(64位位)主存地址地址线(36位位)0110100110101010存储内容00001000000001000011
19、001001111011111存储单元地址MDRMARCPUMM主存的结构主存的结构一个存储器由许多存储单元组成，每个存储一个存储器由许多存储单元组成，每个存储单元存放单元存放1 1位二进制值数据。位二进制值数据。2023-2-16231存储体存储体n存储体存储体是一个由存储单元按照一定规则排列起是一个由存储单元按照一定规则排列起来的存储阵列来的存储阵列n存储体是存储器的核心，是存储信息的实体存储体是存储器的核心，是存储信息的实体2023-2-16242寻址系统寻址系统n 寻址系统寻址系统就是读出和写入信息的地址选择机构，包括就是读出和写入信息的地址选择机构，包括存储器地址寄存器（存储器地址寄
20、存器（MAR）和地址译码器）和地址译码器n 地址译码器地址译码器接收来自地址寄存器的接收来自地址寄存器的n位地址，经译码位地址，经译码后产生后产生2n 个地址选择信号，并从个地址选择信号，并从2n个单元中选出一个单元中选出一个单元个单元l通常用通常用X选择线选择线（行线）和（行线）和Y选择线选择线（列线）的交（列线）的交叉来选择所需要的单元叉来选择所需要的单元n 存储器地址寄存器存储器地址寄存器MAR具有地址缓冲功能，可使具有地址缓冲功能，可使CPU和主存的速度都得到充分发挥和提高和主存的速度都得到充分发挥和提高lMAR从功能上看属于主存，但在一些微型机中常从功能上看属于主存，但在一些微型机中
21、常被放在被放在CPU内，并可兼作别用内，并可兼作别用在速度要求较高的计算机中，在速度要求较高的计算机中，CPU与主存中都与主存中都设有地址寄存器设有地址寄存器2023-2-16253存储器数据寄存器（存储器数据寄存器（MDR）n一般把一般把存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR作为存作为存储器接收输入数据和发出输出数据用储器接收输入数据和发出输出数据用的数据缓冲器件的数据缓冲器件n在数据传送中可以起到在数据传送中可以起到数据缓冲数据缓冲作用，作用，使使CPU与主存速度相匹配，从而使两与主存速度相匹配，从而使两者的速度都能得到发挥和提高者的速度都能得到发挥和提高2023-2-16264读写系统读
22、写系统n 包括写入信息和读出信息所需线路包括写入信息和读出信息所需线路l写入写入信息所需线路包括写入线路、写驱动器等信息所需线路包括写入线路、写驱动器等l读出读出信息所需线路包括读出线路、读驱动器和读信息所需线路包括读出线路、读驱动器和读出放大器等出放大器等2023-2-16275控制线路控制线路n 无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的连续操作步骤来完成连续操作步骤来完成l存储器控制线路存储器控制线路主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制线路、写或重写逻辑控制线路以及动态存储线路、写或重写逻辑控制线路以及动态
23、存储器的定时刷新线路等器的定时刷新线路等l存储器控制线路控制逻辑电路接收片选信号存储器控制线路控制逻辑电路接收片选信号CS（Chip Select）及来自）及来自CPU的读的读/写控制信号，写控制信号，形成芯片内部控制信号，并控制数据的读出和形成芯片内部控制信号，并控制数据的读出和写入写入2023-2-16285.2.2 5.2.2 主存储器的存储单元主存储器的存储单元 （续）（续）IBM 370机是字长为机是字长为32位的计算机，主存位的计算机，主存按字节编址，每一个存储字包含按字节编址，每一个存储字包含4个单独编址的个单独编址的存储字节，它被称为存储字节，它被称为大端方案大端方案，即字地址
24、等于，即字地址等于最高有效字节地址，且字地址总是等于最高有效字节地址，且字地址总是等于4的整数的整数倍，倍，正好用地址码的最末两位来区分同一个字正好用地址码的最末两位来区分同一个字的的4个字节个字节。图图5-4(a)00144889101156723字地址字节地址2023-2-16295.2.2 5.2.2 主存储器的存储单元主存储器的存储单元 （续）（续）PDP-11机是字长为机是字长为16位的计算机，主存位的计算机，主存也按字节编址，每一个存储字包含也按字节编址，每一个存储字包含2个单独编址个单独编址的存储字节，它被称为的存储字节，它被称为小端方案小端方案，即字地址等，即字地址等于最低有效
25、字节地址，于最低有效字节地址，且字地址总是等于且字地址总是等于2的整的整数倍，正好用地址码的最末数倍，正好用地址码的最末1位来区分同一个字位来区分同一个字的两个字节。的两个字节。图图5-4(b)004412235字地址字节地址2023-2-16305.2.3 5.2.3 主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标 1.存储容量存储容量 对于字节编址的计算机，以字节数对于字节编址的计算机，以字节数来表示存储容量；对于字编址的计算机，来表示存储容量；对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示存储容量。以字数与其字长的乘积来表示存储容量。如某机的主存容量为如某机的主存容量为64K16，表示它有
26、表示它有64K个存储单元，每个存储单元的字长为个存储单元，每个存储单元的字长为16位，若改用字节数表示，则可记为位，若改用字节数表示，则可记为128K字节（字节（128KB）。）。2023-2-16312.存取速度存取速度 存取时间存取时间Ta 存取时间又称为访问时间或读写时间，存取时间又称为访问时间或读写时间，它是它是指从启动一次存储器操作到完成该操指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间作所经历的时间。n例如：例如：l读出时间是指从读出时间是指从CPU向主存发出有效地址和向主存发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间；止所
27、用的时间；l写入时间是指从写入时间是指从CPU向主存发出有效地址和向主存发出有效地址和写命令开始，直到信息写入被选中单元为止写命令开始，直到信息写入被选中单元为止所用的时间。显然所用的时间。显然Ta越小，存取速度越快。越小，存取速度越快。2023-2-16322.存取速度（续）存取速度（续）存取周期存取周期Tm 存取周期又可称作读写周期、访内存取周期又可称作读写周期、访内周期，是指周期，是指主存进行一次完整的读写操作主存进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次访问存储器所需的全部时间，即连续两次访问存储器操作之间所需要的最短时间操作之间所需要的最短时间。n一般情况下，一般情况下，TmT
28、a。l因为对于任何一种存储器，在读写操作之后，因为对于任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于破坏性读出的破坏性读出的RAM，存取周期往往比存取时存取周期往往比存取时间要大得多，甚至可以达到间要大得多，甚至可以达到Tm=2Ta，这是因这是因为存储器中的信息读出后需要马上进行重写为存储器中的信息读出后需要马上进行重写（再生）。（再生）。2023-2-16332.存取速度（续）存取速度（续）主存带宽主存带宽Bm 主存的带宽又称为数据传输率，表示主存的带宽又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为每秒从主存进出信息的
29、最大数量，单位为字每秒或字节每秒或位每秒。字每秒或字节每秒或位每秒。n目前，主存提供信息的速度还跟不上目前，主存提供信息的速度还跟不上CPU处理指令和数据的速度，所以，主存的带处理指令和数据的速度，所以，主存的带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。为了提高主存的带宽，可以采取的措施有：为了提高主存的带宽，可以采取的措施有：l缩短存取周期；缩短存取周期；l增加存储字长；增加存储字长；l增加存储体。增加存储体。2023-2-16343.可靠性可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读写的概率。通常，用平均无故器无故障读写的
30、概率。通常，用平均无故障时间障时间MTBF来衡量可靠性。来衡量可靠性。4.功耗功耗 功耗是一个不可忽视的问题，它反功耗是一个不可忽视的问题，它反映了存储器件耗电的多少，同时也反映了映了存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。通常希望功耗要小，这对其发热的程度。通常希望功耗要小，这对存储器件的工作稳定性有好处。大多数半存储器件的工作稳定性有好处。大多数半导体存储器的工作功耗与维持功耗是不同导体存储器的工作功耗与维持功耗是不同的，后者大大地小于前者。的，后者大大地小于前者。2023-2-16355.2.4 5.2.4 数据在主存中的存放数据在主存中的存放 在采用字节编址的情况下，数据在主存储
31、器在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中的中的3种不同存放方法。设存储字长为种不同存放方法。设存储字长为64位（位（8个个字节），即一个存取周期最多能够从主存读或写字节），即一个存取周期最多能够从主存读或写64位数据。读写的数据有位数据。读写的数据有4种不同长度，它们分别种不同长度，它们分别是字节（是字节（8位）、半字（位）、半字（16位）、单字（位）、单字（32位）和位）和双字（双字（64位）。请注意：此例中数据字长（位）。请注意：此例中数据字长（32位）位）不等于存储字长（不等于存储字长（64位）。位）。字节字节半半字字单单字字双双字字2023-2-1636n 主存储器通常分为主存储器通
32、常分为l RAM和和ROM两大部分。两大部分。RAM可读可写可读可写ROM只能读不能写。只能读不能写。5.3 5.3 半导体随机存储器和只读存储器半导体随机存储器和只读存储器2023-2-1637内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用n内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：种类型：半导体半导体存储器存储器只读只读存储器存储器(ROM)随机存取随机存取存储器存储器(RAM)静态存储器静态存储器SRAM动态存储器动态存储器DRAM 不可在线改写内容的不可在线改写内容的ROM闪存（闪存（Flash ROM）（用作（用作Cache）（用作主存储器）（用作主存
33、储器）每个存储单元每个存储单元(cell)由由6个晶体管组成个晶体管组成 只要加上电源，信息就能一直保持只要加上电源，信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感 比比DRAM更快，也更贵更快，也更贵 每个存储单元由每个存储单元由1个电容和个电容和1个晶体管组成个晶体管组成.每隔一段时间必须刷新一次每隔一段时间必须刷新一次 对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感 比比SRAM慢，但便宜慢，但便宜（用作（用作BIOS）2023-2-1638MOSn MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）即半导体金属氧）即半导体金属氧化物，它是化物，它是集成电路集成电路中的材
34、料，现在也可指代芯片。中的材料，现在也可指代芯片。n MOS内部的结构和内部的结构和三极管三极管差不多，由差不多，由P-N结构成。由于正结构成。由于正负离子的作用，在负离子的作用，在MOS内部形成了耗尽层和沟道，耗尽内部形成了耗尽层和沟道，耗尽层里的正负离子相互综合，达到了稳定的状态，而沟道是层里的正负离子相互综合，达到了稳定的状态，而沟道是电子流通的电子流通的渠道渠道，耗尽层和沟道一般是相对的，耗尽层窄，耗尽层和沟道一般是相对的，耗尽层窄了，沟道就宽了，反之亦然。了，沟道就宽了，反之亦然。n MOS器件分为器件分为NMOS和和PMOS,而而CMOS是指互补的是指互补的MOS管组成的电路，也就
35、是管组成的电路，也就是PMOS,NMOS组成组成,NMOS是指沟是指沟道在栅电压控制下道在栅电压控制下p型衬底反型变成型衬底反型变成n沟道，靠电子的流沟道，靠电子的流动动 PMOS是指是指 n型型 p沟道，靠空穴的流动沟道，靠空穴的流动2023-2-1639双极型晶体管与场效应晶体管双极型晶体管与场效应晶体管n 双极型晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子双极型晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶体管。体管。n 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写缩写（F
36、ET）简称场效应管。是由多数载流子参与导电，）简称场效应管。是由多数载流子参与导电，它与双极型相反，也称为单极型晶体管。它与双极型相反，也称为单极型晶体管。2023-2-1640场效应晶体管场效应晶体管在两个高掺杂的在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的区中间，夹着一层低掺杂的N区（区（N区一般做得很薄），形成了两个区一般做得很薄），形成了两个PN结。结。在在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两区上也做上欧姆电极，并把这两P区连起来，就区连起来，就构成了一个场效应管。构成了一个场效应管。2023-2-1641场效应晶体管场效
37、应晶体管2023-2-1642n记忆单元记忆单元 存放一个二进制位的物理器件存放一个二进制位的物理器件l记忆单元是存储器的最基本构件，地址码记忆单元是存储器的最基本构件，地址码相同的多个记忆单元构成一个存储单元。相同的多个记忆单元构成一个存储单元。l记忆单元可以由各种材料制成，但最常见记忆单元可以由各种材料制成，但最常见的由的由MOS电路组成。电路组成。lRAM又可分为静态又可分为静态RAM，即即SRAM（Static RAM）和动态和动态RAM，即即DRAM（Dynamic RAM）两种。两种。5.3.1 5.3.1 RAMRAM记忆单元电路记忆单元电路2023-2-16431.6管管SRA
38、M记忆单元电路记忆单元电路n SRAM记忆单元是用记忆单元是用双稳态触发器来记忆双稳态触发器来记忆信息的，如图所示信息的，如图所示字线位线I/OT3T2T1T4位线I/OVccT5T6ABT1T1T6T6管构成一个记忆单元的主体管构成一个记忆单元的主体T1T1、T2 T2 管构成存储信息的双稳态触发器管构成存储信息的双稳态触发器T3T3、T4T4管构成门控电路，控制读写操作管构成门控电路，控制读写操作T5T5、T6T6是是T1T1、T2T2管的负载管管的负载管SRAMSRAM的存取速度快，但集成度低，功耗的存取速度快，但集成度低，功耗也较大，所以一般用来组成高速缓冲存也较大，所以一般用来组成高
39、速缓冲存储器和小容量主存系统。储器和小容量主存系统。2023-2-16442.4管管DRAM记忆单元电路记忆单元电路n 将前述将前述6管管SRAM记忆单记忆单元电路中的两个负载管元电路中的两个负载管（T5、T6）去掉，便形成去掉，便形成4管管DRAM记忆单元电路。记忆单元电路。n 负载回路断开后，保持状负载回路断开后，保持状态时没有外加电源供电，态时没有外加电源供电，因而因而T1、T2管不再构成双管不再构成双稳态触发器，所以动态稳态触发器，所以动态MOS记忆单元是靠记忆单元是靠MOS电路中的栅极电容电路中的栅极电容C1、C2来存储信息的。来存储信息的。字线位线 I/OC1T3C2T2T1T4预
40、充预充位线 I/OVccABDRAMDRAM集成度高，功耗小，但存取速度慢，一般用来组成大集成度高，功耗小，但存取速度慢，一般用来组成大容量主存系统。容量主存系统。2023-2-16453.单管单管DRAM记忆单元记忆单元n 进一步减少记忆单元中进一步减少记忆单元中MOS管的数目可形成更简管的数目可形成更简单的单的3管管DRAM记忆单元记忆单元或单管或单管DRAM记忆单元。记忆单元。n 单管动态记忆单元由一单管动态记忆单元由一个个MOS管管T1和一个存储电和一个存储电容容C构成。构成。n 显然，单管显然，单管DRAM记忆记忆单元与单元与4管管DRAM记忆单记忆单元比较，具有功耗更小、元比较，具
41、有功耗更小、集成度更高的优点。集成度更高的优点。字线位线CCdT12023-2-16461.刷新间隔刷新间隔n 为了维持为了维持DRAM记忆单元的存储信息，记忆单元的存储信息，每隔一定时间必须刷新。每隔一定时间必须刷新。n刷新和重写（再生）是两个完全不同的概刷新和重写（再生）是两个完全不同的概念，切不可加以混淆。念，切不可加以混淆。l 重写是重写是随机的随机的，某个存储单元只有在破坏性读，某个存储单元只有在破坏性读出之后才需要重写。出之后才需要重写。l刷新是刷新是定时的定时的，即使许多记忆单元长期未被访，即使许多记忆单元长期未被访问，若不及时补充电荷的话，信息也会丢失。问，若不及时补充电荷的话
42、，信息也会丢失。l重写一般是重写一般是按存储单元进行按存储单元进行的，而刷新通常以的，而刷新通常以存储体矩阵中的存储体矩阵中的一行为单位进行一行为单位进行的。的。5.3.2 5.3.2 动态动态RAMRAM的刷新的刷新2023-2-16472.刷新方式刷新方式 集中刷新方式集中刷新方式 在允许的最大刷新间隔（如在允许的最大刷新间隔（如2ms）内，按照存储芯片容量的大小集中安排若内，按照存储芯片容量的大小集中安排若干个刷新周期，刷新时停止读写操作。干个刷新周期，刷新时停止读写操作。刷新时间刷新时间=存储矩阵行数刷新周期存储矩阵行数刷新周期 注：刷新周期是指刷新一行所需要的时间，注：刷新周期是指刷
43、新一行所需要的时间，由于刷新过程就是由于刷新过程就是“假读假读”的过程，所以的过程，所以刷新周期就等于存取周期。刷新周期就等于存取周期。2023-2-16482.刷新方式（续）刷新方式（续）对具有对具有1024个记忆单元（个记忆单元（3232的存储的存储矩阵）的存储芯片进行刷新，刷新是按行进行矩阵）的存储芯片进行刷新，刷新是按行进行的，且每刷新一行占用一个存取周期，所以共的，且每刷新一行占用一个存取周期，所以共需需32个周期以完成全部记忆单元的刷新。假设个周期以完成全部记忆单元的刷新。假设存取周期为存取周期为500ns（0.5 s），），从从03967个周个周期内进行读写操作或保持，而从期内进
44、行读写操作或保持，而从39683999这这最后最后32个周期集中安排刷新操作。个周期集中安排刷新操作。图图5-9 集中刷新方式示意图集中刷新方式示意图刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读写操作读写操作刷新刷新013967396839993968个周期（个周期（1984 s）32个周期（个周期（16 s）2023-2-16492.刷新方式（续）刷新方式（续）n 集中刷新方式的优点集中刷新方式的优点l读写操作时不受刷新工作的影响，因此系统读写操作时不受刷新工作的影响，因此系统的存取速度比较高。的存取速度比较高。n缺点缺点l在集中刷新期间必须停止读写，这一段时间在集中刷新期间必须停止读写，这一段时间称为
45、称为“死区死区”，而且存储容量越大，死区就，而且存储容量越大，死区就越长。越长。2023-2-16502.刷新方式（续）刷新方式（续）分散刷新方式分散刷新方式n 分散刷新是指把刷新操作分散到每个存取周期分散刷新是指把刷新操作分散到每个存取周期内进行内进行n 缺点缺点l增加了系统的存取周期，增加了系统的存取周期，如存储芯片的存取周期为如存储芯片的存取周期为0.5 s，则系统的存取周期应为则系统的存取周期应为1 s。我们仍以前述的我们仍以前述的3232矩阵为例，整个存储芯片刷新一遍需矩阵为例，整个存储芯片刷新一遍需要要32 s。图图5-10 分散刷新方式示意图分散刷新方式示意图刷新间隔（刷新间隔（
46、32 s）周期周期0周期周期1周期周期31读写读写读写读写读写读写刷新刷新刷新刷新刷新刷新2023-2-16512.刷新方式（续）刷新方式（续）这种刷新方式没有死区，但是，它这种刷新方式没有死区，但是，它也有很明显的缺点，第一是加长了系统的也有很明显的缺点，第一是加长了系统的存取周期，降低了整机的速度；第二是刷存取周期，降低了整机的速度；第二是刷新过于频繁（本例中每新过于频繁（本例中每32 s就重复刷新一就重复刷新一遍），尤其是当存储容量比较小的情况下，遍），尤其是当存储容量比较小的情况下，没有充分利用所允许的最大刷新间隔没有充分利用所允许的最大刷新间隔（2ms）。）。2023-2-16522
47、.刷新方式（续）刷新方式（续）异步刷新方式异步刷新方式 该刷新方式是前两种方式的结合，该刷新方式是前两种方式的结合，它充分利用了最大刷新间隔时间，把刷新它充分利用了最大刷新间隔时间，把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内进行，故有：进行，故有：相邻两行的刷新间隔相邻两行的刷新间隔=最大刷新间隔最大刷新间隔时间行数时间行数 对于对于3232矩阵，在矩阵，在2ms内需要将内需要将32行刷新一遍，所以相邻两行的刷新时间行刷新一遍，所以相邻两行的刷新时间间隔间隔=2ms32=62.5 s，即每隔即每隔62.5 s安安排一个刷新周期。在刷新时封锁读写。排一个刷新周
48、期。在刷新时封锁读写。2023-2-16532.刷新方式（续）刷新方式（续）图图5-11 异步刷新方式示意图异步刷新方式示意图 异步刷新方式虽然也有死区，但比异步刷新方式虽然也有死区，但比集中刷新方式的死区小得多，仅为集中刷新方式的死区小得多，仅为0.5 s。这样可以避免使这样可以避免使CPU连续等待过长的时连续等待过长的时间，而且减少了刷新次数，是比较实用的间，而且减少了刷新次数，是比较实用的一种刷新方式。一种刷新方式。刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读写读写读写读写读写读写刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s2023-2-1654 为了控制刷新，往往需要增加刷新为了控制
49、刷新，往往需要增加刷新控制电路。刷新控制电路的主要任务是解控制电路。刷新控制电路的主要任务是解决刷新和决刷新和CPU访问存储器之间的矛盾。通访问存储器之间的矛盾。通常，当刷新请求和访存请求同时发生时，常，当刷新请求和访存请求同时发生时，应优先进行刷新操作。也有些应优先进行刷新操作。也有些DRAM芯片芯片本身具有自动刷新功能，即刷新控制电路本身具有自动刷新功能，即刷新控制电路在芯片内部。在芯片内部。3.刷新控制刷新控制2023-2-1655 刷新对刷新对CPU是透明的。是透明的。每一行中各记忆单元同时被刷新，故每一行中各记忆单元同时被刷新，故刷新操作时仅需要行地址，不需要列地址。刷新操作时仅需要
50、行地址，不需要列地址。刷新操作类似于读出操作，但不需要刷新操作类似于读出操作，但不需要信息输出。另外，刷新时不需要加片选信号，信息输出。另外，刷新时不需要加片选信号，即整个存储器中的所有芯片同时被刷新。即整个存储器中的所有芯片同时被刷新。因为所有芯片同时被刷新，所以在考因为所有芯片同时被刷新，所以在考虑刷新问题时，应当从单个芯片的存储容量着虑刷新问题时，应当从单个芯片的存储容量着手，而不是从整个存储器的容量着手。手，而不是从整个存储器的容量着手。DRAM的刷新要注意的问题的刷新要注意的问题2023-2-16561.RAM芯片芯片n RAM芯片通过地址线、数据线和控制线与外部芯片通过地址线、数据
