08-内部存储器

本讲关注存储器层次架构中的“主存”部分

存储器

由一定数量的单元构成，每个单元可被唯一标识，每个单元具有储存一个数值的能力

• 地址：单元的唯一标识

• 地址空间：单元总数

• 寻址能力：单元储存信息的位数

半导体存储器

位元 Memory Cell

• 半导体存储器的基本元件，储存1位数据

• 特性

  • 呈现两种稳态/半稳态：对应0&1

  • 至少能被写入1次

  • 能被读取

分类

类型	种类	可擦除性	擦除级别	写机制	易失性
随机存取存储器 RAM	读-写存储器	电可擦除	字节级	电	易失
只读存储器 ROM	只读存储器	不可擦除	-	掩膜（光刻）	非易失
可编程ROM PROM	主要进行读操作的存储器	不可擦除	-	电	非易失
可擦除PROM EPROM	主要进行读操作的存储器	紫外线可擦除	芯片级	电	非易失
电可擦除PROM EEPROM	主要进行读操作的存储器	电可擦除	字节级	电	非易失
快闪存储器	主要进行读操作的存储器	电可擦除	块级	电	非易失

RAM

• 可快速读/写

• 易失：供电中断后数据消失

动态RAM DRAM

• 在电容器上用电容充电的方式储存数据：有电荷1，无电荷0

• 需要周期性充电刷新：电容漏电

• 通过阈值判断为1或0

• 地址复用：$2^{2n}$的地址只需用$n$根线，先传行，再传列

静态RAM SRAM

• 使用触发器、逻辑门储存二进制值

• 有电源就可以维持数据

• 行列独立：SRAM的储存线性排列，$2^{n}$的地址用$n$根线

DRAM vs SRAM

• 相同：易失，需持续供电

• 不同

  • DRAM比SRAM具有更简单、更小的位元，但需要能刷新的电路

  • DRAM密度更高，价格更低，功耗低：结构简单，元件少

  • DRAM速度慢：需要刷新

• DRAM用于大容量存储器（主存），SRAM用于高速缓存

高级的DRAM架构

同步DRAM SDRAM

• 传统DRAM是异步的

  • 处理器向内存提供地址、控制信号：在xx读/写数据

  • DRAM执行内部功能，处理器等待存取时间的延迟

  • 在延迟后DRAM读/写

• SDRAM的读写受系统时钟控制，以总线的最高速度运行，无需插入等待状态

• 在SDRAM处理读写时，CPU可完成其他工作

• 每周期向CPU传送一次数据

双速率DRAM Double-Data-Rate SDRAM DDR

• 每个时钟周期发送两次数据，一次在时钟脉冲的上升沿，一次在下降沿

• DDR->DDR2->DDR3->DDR4：提高RAM芯片的操作频率和预取缓冲区

ROM

只读存储器 ROM

• 非易失

• 只能写入一次，此后可读不可写

• 应用：防止数据篡改的场景（微程序设计、系统编程、函数表……）

• 问题

  • 无出错处理机会：写错即报废

  • 用户无法写入数据

可编程ROM PROM

• 非易失

• 只能写入一次，此后可读不可写

• 与ROM的不同

  • 写入时用特殊设备

  • 电写入

• 对比

  • ROM：大批量生产

  • PROM：灵活

可擦除PROM EPROM

• 光擦除

  • 紫外线下

  • 所有单元重置

  • 耗时约20min

• 电写入

• 比PROM更贵，能多次改写

电可擦除PROM EEPROM

• 电擦除

• 随时写入

• 擦除范围小：字节级

• 耗时相对较短，写需几百微秒

• 比EPROM更贵，密度低，支持小容量芯片

Flash Memory

• 电擦除

• 擦除时间在EPROM和EEPROM之间

• 擦除范围在EPROM和EEPROM之间：块级擦除

• 密度达到EPROM

• 价格在EPROM和EEPROM之间

从位元到主存

寻址单元

• 由若干相同地址的位元组成

• 寻址模式：Byte（常用）/Word

储存阵列

• 方形结构

  • 若$1*2^{2n}$的长方形，需要1个$2^{2n}$大小的译码器

  • 若$2^n*2^n$的正方形，则需要2个$2^{n}$大小的译码器，更省

  • 方形结构连线长度更短，访存更快

• 随机访问：读取地址->定位行->定位列->选中的耗时相同

寻址

• 地址译码器

• $n$位地址，$2^n$种输出

刷新

• 都是逐行刷新

• 行数越多，刷新开销越大

集中式刷新

• 停止读写操作，逐行刷新

  • 逐行：DRAM看成正方形的行数

• 刷新时无法操作内存

• 刷新次数：单个DRAM芯片的行数

  • 并行刷新，与DRAM芯片的个数无关

分散式刷新

• 在每个储存周期中，当完成读写操作时刷新

• 增加储存周期的时间

异步刷新：常用

• 将刷新周期分配给所有行，使得每一行在刷新周期内仅被刷新一次

• 每行各自以刷新周期为间隔刷新

• 效率高

芯片

• 芯片引脚

  • Address：A0 –A19

  • Data：D0 – D7

  • Vcc：电源

  • Vss：地线

  • CE：芯片允许引脚

  • Vpp：程序电压

  • WE：写允许

  • OE：读允许

  • RAS：行地址选通

  • CAS：列地址选通

数据线不编码、不复用，有几位数据就是几根数据线，几个引脚。

模块组织

位拓展

• 拓展位数

• 8块4k*1bit=>4k*8bit

• 数据线增加，地址线不变

字拓展

• 拓展地址范围

• 8块4k*8bit=>32k*8bit

• 地址线增加，数据线不变

字、位同时拓展

• 位拓展+字拓展

内存条&插槽

• 插槽：组合多个储存模块

其他

• 存储器地址寄存器（MAR）的位数取决于设计的最大地址空间而非当前实际安装的内存容量

• 注意选择题里面说xx区域是RAM区还是ROM区

交叉编址

• 在不改变存取周期的前提下，提高存储器带宽，因为可以在一个访问周期下，访问多个不同的存储体

• 访存一次要走4步，4个储存块交叉访问完美利用时间

• 当访存地址在相邻的四次访存中，出现在同一存储块内，就会发生访存冲突

大端/小端

• 数据：12345678H，假设左侧地址低

  • 大端：12|34|56|78

  • 小端：78|56|34|12

• 现代计算机常用小端

  • 低字节内存地址低

  • 拓展不用改变数据的起始地址