📚 文档目录
合集-数的二进制表示-定点运算-BCD 码-浮点数四则运算-内置存储器-Cache-外存-纠错-RAID-内存管理-总线-指令集: 特征- 指令集:寻址方式和指令格式

Memory

存储器由一定数量的单元构成，每个单元可以被唯一标识，每个单元都有存储一个数值的能力.

  • 地址:单元的唯一标识符(采用二进制).
  • 地址空间:可唯一标识的单元总数.
  • 寻址能力: 存储在每个单元中的信息的位数
    • 大多数存储器是字节可寻址的,执行科学计算的计算机通常是64位寻址的.

半导体存储器

  • 主存中广泛地运用了半导体芯片.
  • Memory Cell:半导体主存的基本元素.
    • 特性:
      • 它们展示了两种稳定(半稳定)的状态,可以用于表示二进制0和1.
      • 能够被写入至少一次.
      • 可以被读.

半导体存储器类型

半导体存储器类型

RAM

RAM

  • Random-Access Memory
  • Characteristics
    • 易于读/写且快速
    • 易失(断电丢失数据)
  • 类型
    • DRAM:Dynamic RAM
    • SRAM:Static RAM

DRAM

  • 以电容器上的电荷来存储数据

    • 电容器中是否存有电荷被解释称二进制1和0

  • 需要定期刷新来维持数据,因为电容器有放电的趋势

  • 本质是模拟设备,因为电容可以存储一定范围内的任何电荷值,因此需要使用一个阈值来确定保存的是1还是0.

DRAM

SRAM

  • 用传统的触发逻辑门配置存储数据
    • 处理器中使用了相同的逻辑单元
  • 只要供应电力就能一直保存数据(无需刷新)
    SRAM

DRAM 和 SRAM 之间的比较

  • 相似点:

    • 易失.必须持续供应电力来保存位值

  • 不同点:

    • DRAM 比 SRAM 的单元更小且更简单,但是需要刷新电路
      • DRAM 比 SRAM 集成度更高,更便宜
      • DRAM 通常用于大内存需求
    • SRAM 通常比 DRAM 快
    • SRAM 用于 Cache DRAM 用于主存

高级DRAM 组织

  • 问题
    传统的DRAM 芯片受限于其内部结构及其与处理器的存储总线的连接.
  • 解决方案:
    • SDRAM(Synchronous DRAM)
    • DDR (DDR SDRAM)

SDRAM

  • 传统的 DRAM 是异步的.
    • 处理器将地址和控制信号提供给存储器,表示存储器中特定单元的一组数据应当被读出或写入DRAM.
    • 经过一段延时后,DRAM写入或读出数据.在这段时间内,DRAM 执行各种内部功能，如激活行地址线或列地址线的高电容， 读取数据，以及通过输出缓冲将数据输出,而处理器只是等待,降低了性能.
    • SDRAM 与处理器交换数据同步于外部时钟信号,可以以处理器/存储器总线全速运行,而不必等待.
    • 由于SDRAM随系统时钟移动数据,CPU 知道数据何时能够准备好.
      SDRAM

DDR SDRAM

  • Double-data-rate SDRAM双速率 SDRAM.
  • 每个时钟周期发送两次数据,一次在脉冲上升沿,一次在下降沿.
  • DDR 技术的更迭
    • 提升操作频率
    • 提升预取缓冲器位数
      DDR

ROM

Read-only memory

ROM

  • 只读存储器
  • 特点
    • 不易失性:无需电源来维持数据.
    • 可读但不可写.
  • 应用
    • 微程序设计，库子程序，系统程序,函数表.
  • 问题
    • 固化数据需要较大的固定成本，不论是制造一片还是复制上千片特殊的ROM 。
    • 无出错处理机会，如果一位出错．则整批的ROM 芯片只能报废。

PROM

  • Programmable ROM
  • 特征
    • 非易失性
    • 可以但只能写入一次
      • 用电信号写
      • 需要特殊设备
  • 与ROM相比
    • PROM 更灵活方便
    • ROM在大批量生产领域仍具有吸引力

Read-mostly Memory

  • 特征
    • 读操作比写操作更为频繁
    • 非易失性存储
  • 类型
    • EPROM
    • EEPROM
    • Flash Memory

EPROM

  • Erasable PROM
  • 特点
    • 用电信号读写
    • 擦除:在写入新的数据之前,用紫外线辐射芯片
      • 所有的存储位元都还原为初始状态
      • 需要20分钟
  • 与 PROM 相比
    • EPROM更贵,但可以多次改写

EEPROM

  • Electrical EPROM

  • 特点

    • 任何时候都可以写入,无需擦除原有数据
    • 只需要更新寻址到的一个或者多个字节
    • 写操作耗费时间更长,每个字节需要几百微秒

  • 与 EPROM 相比

    • EEPROM 更加昂贵,且密度更小,适合小容量芯片

Flash Memory

  • 特点
    • 电擦除
    • 擦除至多需要数秒,比 EPROM 要快得多
    • 可以擦除存储器中的某些块,但不能提供字节级擦除
    • 相较于 EEPROM ,闪存与EPROM有一样的高存储密度

芯片逻辑

  • 可寻址单元
    • 由拥有相同地址的存储位元(memory cell)组成
  • 寻址模式
    • 字节可寻址
    • 字
  • 存储阵列(Memory array)
    • 由许多存储单元组成(如下图中有$2048\times 2048$个存储单元)
      RAM

刷新(Refreshing)

  • 集中式刷新
    • 停止读写操作,刷新每一行.
    • 当刷新时存储器不能进行操作
  • 分散式刷新
    • 在每一个存储周期内当读写操作完成后对一部分刷新
    • 增加了存储的时间
  • 异步刷新
    • 64ms 内对每一行刷新完毕,每行刷新间隔不变
    • 效率高

字扩展,位扩展和字位扩展

  • 字扩展
    • 增加了存储器中字的个数,地址线增加,数据线不变.由片选信号来区分各芯片的地址范围.
  • 位扩展
    • 增加了字长.地址线不变,数据线增加.读写的时候,一个地址对应几块芯片的同一位置.
  • 字位扩展
    • 二者结合