第3章 多層次的存儲(chǔ)器

1、幾個(gè)概念：幾個(gè)概念： 1、存儲(chǔ)位元：存儲(chǔ)一位（、存儲(chǔ)位元：存儲(chǔ)一位（bit）二進(jìn)制代碼的）二進(jìn)制代碼的存儲(chǔ)元件稱為基本存儲(chǔ)單元（或存儲(chǔ)位元）存儲(chǔ)元件稱為基本存儲(chǔ)單元（或存儲(chǔ)位元） 2、存儲(chǔ)單元：主存中最小可編址的單位，是、存儲(chǔ)單元：主存中最小可編址的單位，是對(duì)主存可訪問(wèn)操作的最小單位；每個(gè)由對(duì)主存可訪問(wèn)操作的最小單位；每個(gè)由若干個(gè)存儲(chǔ)位元組成。若干個(gè)存儲(chǔ)位元組成。 3、存儲(chǔ)器：多個(gè)存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則組成一、存儲(chǔ)器：多個(gè)存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則組成一個(gè)整體。個(gè)整體。第三章第三章 多層次的存儲(chǔ)器多層次的存儲(chǔ)器l按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：磁表面按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：磁表面/半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 l按存取方式分類：隨機(jī)

2、按存取方式分類：隨機(jī)/順序存取順序存取l按讀寫功能分類：按讀寫功能分類：ROM，RAM lRAM：隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器：隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器lROM：只讀存儲(chǔ)器：只讀存儲(chǔ)器l按信息的可保存性分類：永久性和非永久性的按信息的可保存性分類：永久性和非永久性的 l按存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的作用分類：主按存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的作用分類：主/輔輔/緩緩/控控n高速緩沖存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱高速緩沖存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱cache，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)高它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)高速小容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。速小容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。 n主存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱主存，是計(jì)算主存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱主存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)器，用來(lái)機(jī)系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)器，用來(lái)存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行

3、期間的大量程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)。 n外存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱外存，它是大外存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱外存，它是大容量輔助存儲(chǔ)器。容量輔助存儲(chǔ)器。lSRAMSRAM中中, ,用一個(gè)鎖存器作為存儲(chǔ)元。用一個(gè)鎖存器作為存儲(chǔ)元。l只要直流供電電源一直加在這個(gè)記憶電路上，只要直流供電電源一直加在這個(gè)記憶電路上，它就無(wú)限期地保持記憶的它就無(wú)限期地保持記憶的1 1狀態(tài)或狀態(tài)或0 0狀態(tài)。如果狀態(tài)。如果電源斷電，那么存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)電源斷電，那么存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(1(1或或0)0)就會(huì)丟失就會(huì)丟失 ?；眷o態(tài)存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)圖基本靜態(tài)存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)圖補(bǔ)充：補(bǔ)充：n正邏輯體制：高電平正邏輯體制：高電平VH用邏輯用邏輯“1”表示，低電平表示，低電平VL用邏用邏

4、輯輯“0”來(lái)表示，這種邏輯體制稱為正邏輯體制。來(lái)表示，這種邏輯體制稱為正邏輯體制。n負(fù)邏輯體制：高電平負(fù)邏輯體制：高電平VH用邏輯用邏輯“0”表示，低電平表示，低電平VL用邏用邏輯輯“1”來(lái)表示，這種邏輯體制稱為負(fù)邏輯體制。來(lái)表示，這種邏輯體制稱為負(fù)邏輯體制。n每種邏輯門用不同的邏輯體制來(lái)描述其邏輯功能是不同每種邏輯門用不同的邏輯體制來(lái)描述其邏輯功能是不同的，即每種邏輯門都有兩種等效邏輯符號(hào)，兩種邏輯符的，即每種邏輯門都有兩種等效邏輯符號(hào)，兩種邏輯符號(hào)可以進(jìn)行等效。號(hào)可以進(jìn)行等效。n兩種邏輯符號(hào)等效變換規(guī)則：兩種邏輯符號(hào)等效變換規(guī)則：1）只要在一種邏輯符號(hào)）只要在一種邏輯符號(hào)的所有輸入、輸出端

5、同時(shí)加上或者去掉小圈（當(dāng)一根線的所有輸入、輸出端同時(shí)加上或者去掉小圈（當(dāng)一根線上有兩個(gè)小圈，相當(dāng)于兩次取反，則無(wú)需畫圈）上有兩個(gè)小圈，相當(dāng)于兩次取反，則無(wú)需畫圈）2）將）將原來(lái)的符號(hào)互換（與原來(lái)的符號(hào)互換（與或、同或或、同或異或）即可。異或）即可。n由此可得到：正與由此可得到：正與 = 負(fù)或負(fù)或 正與非正與非 = 負(fù)或非負(fù)或非 正或正或 = 負(fù)與負(fù)與 正或非正或非 = 負(fù)與非負(fù)與非負(fù)邏輯的或非門負(fù)邏輯的或非門（相當(dāng)于與非門）（相當(dāng)于與非門） 正邏輯的或非門正邏輯的或非門正邏輯的與門正邏輯的與門負(fù)邏輯的與門負(fù)邏輯的與門（相當(dāng)于或非門）（相當(dāng)于或非門）讀命令讀命令10011001100100000

6、001100寫命令寫命令11001100圖圖3.2的邏輯圖的邏輯圖圖圖3.3 32K8位位SRAM結(jié)構(gòu)圖和邏輯圖結(jié)構(gòu)圖和邏輯圖DRAM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)位元是由一個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)位元是由一個(gè)MOS晶體管和電容器組成的記憶電路，其中晶體管和電容器組成的記憶電路，其中MOS管作為開(kāi)關(guān)使用，而所存儲(chǔ)的信管作為開(kāi)關(guān)使用，而所存儲(chǔ)的信息息1或或0則是有電容器上的電荷量來(lái)體則是有電容器上的電荷量來(lái)體現(xiàn)，即當(dāng)電容器充滿電荷時(shí)表示存儲(chǔ)現(xiàn)，即當(dāng)電容器充滿電荷時(shí)表示存儲(chǔ)1，當(dāng)電容器放完電沒(méi)有電荷時(shí)，表示存儲(chǔ)當(dāng)電容器放完電沒(méi)有電荷時(shí)，表示存儲(chǔ)0。補(bǔ)充：三態(tài)門簡(jiǎn)介補(bǔ)充：三態(tài)門簡(jiǎn)介 補(bǔ)充：三態(tài)門簡(jiǎn)介補(bǔ)充：三態(tài)門簡(jiǎn)介XGYXGY

7、三態(tài)門符號(hào)圖（三態(tài)門符號(hào)圖（a）三態(tài)門符號(hào)圖（三態(tài)門符號(hào)圖（b）補(bǔ)充：補(bǔ)充：MOS管簡(jiǎn)介管簡(jiǎn)介 MOS管是一種由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成的管是一種由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成的場(chǎng)效應(yīng)管，其符號(hào)下圖所示，其中場(chǎng)效應(yīng)管，其符號(hào)下圖所示，其中G為柵極，為柵極，S為源極，為源極，D為漏極。當(dāng)為漏極。當(dāng)W（連接?xùn)艠O）為高電位（連接?xùn)艠O）為高電位時(shí)，時(shí)，MOS管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，R點(diǎn)（連接漏極點(diǎn)（連接漏極D）與）與VCC（連接源極（連接源極S）同電位。）同電位。 10101、讀、讀/寫周期寫周期 n讀周期、寫周期的定義是從行選通信號(hào)讀周期、寫周期的定義是從行選通信號(hào)RAS下降沿開(kāi)始，到下一個(gè)下降沿開(kāi)始，到下一個(gè)

8、RAS信號(hào)的下信號(hào)的下降沿為止的時(shí)間，也就是連續(xù)兩個(gè)讀周期降沿為止的時(shí)間，也就是連續(xù)兩個(gè)讀周期的時(shí)間間隔。通常為控制方便，讀周期和的時(shí)間間隔。通常為控制方便，讀周期和寫周期時(shí)間相等。寫周期時(shí)間相等。 2、刷新周期、刷新周期 n刷新周期：刷新周期：DRAM存儲(chǔ)位元是基于電容器上存儲(chǔ)位元是基于電容器上的電荷量存儲(chǔ)，這個(gè)電荷量隨著時(shí)間和溫度的電荷量存儲(chǔ)，這個(gè)電荷量隨著時(shí)間和溫度而減少，因此必須定期地刷新，以保持它們而減少，因此必須定期地刷新，以保持它們?cè)瓉?lái)記憶的正確信息。原來(lái)記憶的正確信息。 n刷新操作有兩種刷新方式：刷新操作有兩種刷新方式： n集中式刷新集中式刷新:DRAM的所有行在每一個(gè)的所有行

9、在每一個(gè)刷新周期中都被刷新。刷新周期中都被刷新。 n分散式刷新分散式刷新:每一行的刷新插入到正常的每一行的刷新插入到正常的讀讀/寫周期之中。寫周期之中。 集中式刷新：集中式刷新：n例如刷新周期為例如刷新周期為8ms的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，所有行的的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，所有行的集中式刷新必須每隔集中式刷新必須每隔8ms進(jìn)行一次。為此將進(jìn)行一次。為此將8ms時(shí)間分為兩部分：前一段時(shí)間進(jìn)行正常時(shí)間分為兩部分：前一段時(shí)間進(jìn)行正常的讀的讀/寫操作，后一段時(shí)間（寫操作，后一段時(shí)間（8ms至正常讀至正常讀/寫周期時(shí)間）做為集中刷新操作時(shí)間。寫周期時(shí)間）做為集中刷新操作時(shí)間。 分散式刷新：分散式刷新：n例如例如p70圖圖3.7所示

10、的所示的DRAM有有1024行，如行，如果刷新周期為果刷新周期為8ms，則每一行必須每隔，則每一行必須每隔8ms1024=7.8us進(jìn)行一次。進(jìn)行一次。 1、字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展、字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展 給定的芯片字長(zhǎng)位數(shù)較短，不滿足設(shè)計(jì)要求的給定的芯片字長(zhǎng)位數(shù)較短，不滿足設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器字長(zhǎng)，此時(shí)需要用多片給定芯片擴(kuò)展存儲(chǔ)器字長(zhǎng)，此時(shí)需要用多片給定芯片擴(kuò)展字長(zhǎng)位數(shù)。三組信號(hào)線中，地址線和控制線字長(zhǎng)位數(shù)。三組信號(hào)線中，地址線和控制線公用而數(shù)據(jù)線單獨(dú)分開(kāi)連接。公用而數(shù)據(jù)線單獨(dú)分開(kāi)連接。圖圖3.9 SRAM字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展2、字存儲(chǔ)容量擴(kuò)展、字存儲(chǔ)容量擴(kuò)展 給定的芯片存儲(chǔ)容量較?。ㄗ?jǐn)?shù)少），不滿足給定的芯片

11、存儲(chǔ)容量較?。ㄗ?jǐn)?shù)少），不滿足設(shè)計(jì)要求的總存儲(chǔ)容量，此時(shí)需要用多片給設(shè)計(jì)要求的總存儲(chǔ)容量，此時(shí)需要用多片給定芯片來(lái)擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。三組信號(hào)組中給定芯片定芯片來(lái)擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。三組信號(hào)組中給定芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線公用，控制總線中的地址總線和數(shù)據(jù)總線公用，控制總線中R/W公用，使能端公用，使能端EN不能公用，它由地址不能公用，它由地址總線的高位段譯碼來(lái)決定片選信號(hào)。所需芯總線的高位段譯碼來(lái)決定片選信號(hào)。所需芯片數(shù)仍由（片數(shù)仍由（d=設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器容量設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器容量/選擇選擇芯片存儲(chǔ)器容量）決定。芯片存儲(chǔ)器容量）決定。 3、存儲(chǔ)器模塊條、存儲(chǔ)器模塊條 n存儲(chǔ)器通常以插槽用模塊條形式供應(yīng)市場(chǎng)。這種模存

12、儲(chǔ)器通常以插槽用模塊條形式供應(yīng)市場(chǎng)。這種模塊條常稱為內(nèi)存條，它們是在一個(gè)條狀形的小印制塊條常稱為內(nèi)存條，它們是在一個(gè)條狀形的小印制電路板上，用一定數(shù)量的存儲(chǔ)器芯片，組成一個(gè)存電路板上，用一定數(shù)量的存儲(chǔ)器芯片，組成一個(gè)存儲(chǔ)容量固定的存儲(chǔ)模塊。如圖所示。儲(chǔ)容量固定的存儲(chǔ)模塊。如圖所示。 n內(nèi)存條有內(nèi)存條有30腳、腳、72腳、腳、100腳、腳、144腳、腳、168腳等腳等多種形式。多種形式。 n30腳內(nèi)存條設(shè)計(jì)成腳內(nèi)存條設(shè)計(jì)成8位數(shù)據(jù)線，存儲(chǔ)容量從位數(shù)據(jù)線，存儲(chǔ)容量從256KB32MB。 n72腳內(nèi)存條設(shè)計(jì)成腳內(nèi)存條設(shè)計(jì)成32位數(shù)據(jù)總線位數(shù)據(jù)總線 n100腳以上內(nèi)存條既用于腳以上內(nèi)存條既用于32位數(shù)

13、據(jù)總線又用于位數(shù)據(jù)總線又用于64位數(shù)據(jù)總線，存儲(chǔ)容量從位數(shù)據(jù)總線，存儲(chǔ)容量從4MB512MB。 ROM叫做只讀存儲(chǔ)器。顧名思義，只讀的意思是叫做只讀存儲(chǔ)器。顧名思義，只讀的意思是在它工作時(shí)只能讀出，不能寫入。然而其中存儲(chǔ)的原始在它工作時(shí)只能讀出，不能寫入。然而其中存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，必須在它工作以前寫入。只讀存儲(chǔ)器由于工作可數(shù)據(jù)，必須在它工作以前寫入。只讀存儲(chǔ)器由于工作可靠，保密性強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。主要靠，保密性強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。主要有兩類：有兩類： n掩模掩模ROM：掩模：掩模ROM實(shí)際上是一個(gè)存儲(chǔ)內(nèi)容固定的實(shí)際上是一個(gè)存儲(chǔ)內(nèi)容固定的ROM，由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品。，

14、由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品。 n可編程可編程ROM：用戶后寫入內(nèi)容，有些可以多次寫入。：用戶后寫入內(nèi)容，有些可以多次寫入。 n一次性編程的一次性編程的PROM n多次編程的多次編程的EPROM和和EEPROM。1、掩模、掩模ROM(1) 掩模掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)元的陣列結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)元 掩模掩模ROM存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元 當(dāng)行選線與當(dāng)行選線與MOS管柵管柵極連接時(shí)，極連接時(shí)，MOS管導(dǎo)管導(dǎo)通，表示存儲(chǔ)通，表示存儲(chǔ)1。當(dāng)行選線與當(dāng)行選線與MOS管管不連接時(shí)，不連接時(shí)，MOS管管截止，表示存儲(chǔ)截止，表示存儲(chǔ)0。168掩模掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)的陣列結(jié)構(gòu)(2) 掩膜掩膜ROM的邏輯符號(hào)和內(nèi)部邏輯框圖的邏輯符號(hào)和內(nèi)部

15、邏輯框圖 2、可編程、可編程ROM （1） EPROM存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元nEPROM叫做光擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。它叫做光擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。它的存儲(chǔ)內(nèi)容可以根據(jù)需要寫入，當(dāng)需要更新的存儲(chǔ)內(nèi)容可以根據(jù)需要寫入，當(dāng)需要更新時(shí)將原存儲(chǔ)內(nèi)容抹去，再寫入新的內(nèi)容。時(shí)將原存儲(chǔ)內(nèi)容抹去，再寫入新的內(nèi)容。n現(xiàn)以浮柵雪崩注入型現(xiàn)以浮柵雪崩注入型MOS管為存儲(chǔ)元的管為存儲(chǔ)元的EPROM為例進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)構(gòu)如下圖所示。為例進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖圖3.19 EPROM存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元當(dāng)當(dāng)G1柵有電子積累時(shí)，該柵有電子積累時(shí)，該MOS管的開(kāi)啟管的開(kāi)啟電壓變得很高，即使電壓變得很高，即使G2柵為高電平，該柵為高電平，該管仍不

16、能導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了管仍不能導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了“0”。反。反之，之，G1柵無(wú)電子積累時(shí)，柵無(wú)電子積累時(shí)，MOS管的開(kāi)管的開(kāi)啟電壓較低，當(dāng)啟電壓較低，當(dāng)G2柵為高電平時(shí)，該管柵為高電平時(shí)，該管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了“1”。EPROM的主要結(jié)構(gòu)圖：的主要結(jié)構(gòu)圖：（1 1）如上圖所示）如上圖所示, ,這是這是EPROMEPROM的寫入過(guò)程的寫入過(guò)程, ,在漏極加高壓在漏極加高壓, ,電子從源極流向漏極溝道充分開(kāi)啟。在高壓的作用電子從源極流向漏極溝道充分開(kāi)啟。在高壓的作用下下, ,電子的拉力加強(qiáng)電子的拉力加強(qiáng), ,能量使電子的溫度極度上升能量使電子的溫度極度上升, ,變變?yōu)闊犭娮?/p>

17、。此時(shí)，若在為熱電子。此時(shí)，若在G2G2柵上加正電壓，形成方向柵上加正電壓，形成方向與溝道垂直的電場(chǎng)與溝道垂直的電場(chǎng), ,使熱電子能躍過(guò)使熱電子能躍過(guò)SiO2SiO2的勢(shì)壘的勢(shì)壘, ,注注入到浮柵中。在沒(méi)有別的外力的情況下入到浮柵中。在沒(méi)有別的外力的情況下, ,電子會(huì)很好電子會(huì)很好的保持著。（的保持著。（即：寫入即：寫入“0”0”的過(guò)程。的過(guò)程。）（2 2）在需要消去電子時(shí)）在需要消去電子時(shí), ,利用紫外線進(jìn)行照射，給電子利用紫外線進(jìn)行照射，給電子足夠的電量能逃逸出浮柵。（足夠的電量能逃逸出浮柵。（即可以抹成即可以抹成“1”1”）。）。 EPROM的寫入過(guò)程的寫入過(guò)程（2） EEPROM存儲(chǔ)元

18、存儲(chǔ)元nEEPROM，叫做電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。其，叫做電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)元是一個(gè)具有兩個(gè)柵極的存儲(chǔ)元是一個(gè)具有兩個(gè)柵極的NMOS管，如圖管，如圖(a)和和(b)所示，所示，G1是控制柵，它是一個(gè)浮柵，是控制柵，它是一個(gè)浮柵，無(wú)引出線；無(wú)引出線；G2是抹去柵，它有引出線。在是抹去柵，它有引出線。在G1柵柵和漏極和漏極D之間有一小面積的氧化層，其厚度極之間有一小面積的氧化層，其厚度極薄，可產(chǎn)生隧道效應(yīng)。如圖薄，可產(chǎn)生隧道效應(yīng)。如圖(c)所示，所示，當(dāng)當(dāng)G2柵加?xùn)偶?0V正脈沖正脈沖P1時(shí)，通過(guò)隧道效應(yīng)，電子由襯底時(shí)，通過(guò)隧道效應(yīng)，電子由襯底注入到注入到G1浮柵，相當(dāng)于存儲(chǔ)了浮柵，相

19、當(dāng)于存儲(chǔ)了“1”。利用此方利用此方法可將存儲(chǔ)器抹成全法可將存儲(chǔ)器抹成全“1”狀態(tài)。狀態(tài)。 圖圖3.20 EEPROM存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元EEPROMEEPROM的寫入過(guò)程的寫入過(guò)程, ,是利用了隧道效應(yīng)是利用了隧道效應(yīng), ,即能量小于能量即能量小于能量勢(shì)壘的電子能夠穿越勢(shì)壘到達(dá)另一邊。勢(shì)壘的電子能夠穿越勢(shì)壘到達(dá)另一邊。 EEPROMEEPROM寫入過(guò)程寫入過(guò)程, ,如上圖所示如上圖所示, ,根據(jù)隧道效應(yīng)根據(jù)隧道效應(yīng), ,包圍浮柵包圍浮柵的的SiOSiO2 2, ,必須極薄以降低勢(shì)壘必須極薄以降低勢(shì)壘 。源漏極接地源漏極接地, ,處于導(dǎo)通狀態(tài)。在控制柵上施加高于閾值處于導(dǎo)通狀態(tài)。在控制柵上施加高于閾值電

20、壓的高壓電壓的高壓, ,以減少電場(chǎng)作用以減少電場(chǎng)作用, ,吸引電子穿越。吸引電子穿越。 EEPROM的寫入過(guò)程：的寫入過(guò)程：要達(dá)到消去電子的要求要達(dá)到消去電子的要求,EEPROM,EEPROM也是通過(guò)隧道效應(yīng)達(dá)也是通過(guò)隧道效應(yīng)達(dá)成的。如上圖所示成的。如上圖所示, ,在漏極加高壓在漏極加高壓, ,控制柵為控制柵為0V,0V,翻翻轉(zhuǎn)拉力方向轉(zhuǎn)拉力方向, ,將電子從浮柵中拉出。將電子從浮柵中拉出。 EEPROM消去電子的過(guò)程：消去電子的過(guò)程： FLASH存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非失易失性的讀高密度非失易失性的讀/寫存儲(chǔ)器。高密度寫存儲(chǔ)器。高密度意味著它具有巨

21、大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量。意味著它具有巨大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量。非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源的非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源的情況下可以長(zhǎng)期保存?？傊?，它既有情況下可以長(zhǎng)期保存?？傊扔蠷AM的優(yōu)點(diǎn)，又有的優(yōu)點(diǎn)，又有ROM的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展。技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展。 1、FLASH存儲(chǔ)元存儲(chǔ)元在在EPROM存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由此存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由此可以看出創(chuàng)新與繼承的關(guān)系可以看出創(chuàng)新與繼承的關(guān)系 。n如下圖所示為閃速存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單如下圖所示為閃速存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單個(gè)個(gè)MOS晶體管組成，除漏極晶體管組成，除漏極D和源極和源極S外，

22、外，還有一個(gè)控制柵和浮空柵。還有一個(gè)控制柵和浮空柵。 2、FLASH存儲(chǔ)器的基本操作存儲(chǔ)器的基本操作編程操作、讀取操作、擦除操作編程操作、讀取操作、擦除操作 在控制柵加正向電壓，在控制柵加正向電壓，電子從源極流向浮空柵，電子從源極流向浮空柵，使浮空柵帶負(fù)電荷，即使浮空柵帶負(fù)電荷，即可以寫入可以寫入“0”。所有存儲(chǔ)元的初始狀態(tài)所有存儲(chǔ)元的初始狀態(tài)均處于均處于“1”狀態(tài)，因此狀態(tài)，因此編程時(shí)只寫編程時(shí)只寫0，不寫，不寫1。若浮柵原來(lái)存有負(fù)電若浮柵原來(lái)存有負(fù)電荷，在控制柵加高電荷，在控制柵加高電位從漏極到源極無(wú)電位從漏極到源極無(wú)電流流過(guò)，表示讀出流流過(guò)，表示讀出0.若浮柵原來(lái)沒(méi)有負(fù)電若浮柵原來(lái)沒(méi)有負(fù)

23、電荷，在控制柵加高電荷，在控制柵加高電位從漏極到源極有電位從漏極到源極有電流流過(guò)，表示讀出流流過(guò)，表示讀出1.源極加正向電壓使電源極加正向電壓使電子從浮柵中流出使存子從浮柵中流出使存儲(chǔ)元又變成儲(chǔ)元又變成1狀態(tài)。狀態(tài)。3、FLASH存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu) nFLASH存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)如下圖所示。存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)如下圖所示。在某一時(shí)間只有一條行選擇線被激活。讀操在某一時(shí)間只有一條行選擇線被激活。讀操作時(shí)，假定某個(gè)存儲(chǔ)元原存作時(shí)，假定某個(gè)存儲(chǔ)元原存1，那么晶體管，那么晶體管導(dǎo)通，與它所在位線接通，有電流通過(guò)位線，導(dǎo)通，與它所在位線接通，有電流通過(guò)位線，所經(jīng)過(guò)的負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)電壓降。

24、這個(gè)電壓所經(jīng)過(guò)的負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)電壓降。這個(gè)電壓降送到比較器的一個(gè)輸入端，與另一端輸入降送到比較器的一個(gè)輸入端，與另一端輸入的參照電壓做比較，比較器輸出一個(gè)標(biāo)志為的參照電壓做比較，比較器輸出一個(gè)標(biāo)志為邏輯邏輯1的電平。如果某個(gè)存儲(chǔ)元原先存的電平。如果某個(gè)存儲(chǔ)元原先存0，那，那么晶體管不導(dǎo)通，位線上沒(méi)有電流，比較器么晶體管不導(dǎo)通，位線上沒(méi)有電流，比較器輸出端則產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志為邏輯輸出端則產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志為邏輯0的電平。的電平。 由于由于CPU和主存儲(chǔ)器之間在速度上是不匹配和主存儲(chǔ)器之間在速度上是不匹配的，這種情況便成為限制高速計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的的，這種情況便成為限制高速計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。為了提高主要問(wèn)題。

25、為了提高CPU和主存之間的數(shù)據(jù)和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸率，除了主存采用更高速的技術(shù)來(lái)縮短傳輸率，除了主存采用更高速的技術(shù)來(lái)縮短讀出時(shí)間外，還可以采用并行技術(shù)的存儲(chǔ)器。讀出時(shí)間外，還可以采用并行技術(shù)的存儲(chǔ)器。 1、雙端口存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)、雙端口存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu) 雙端口存儲(chǔ)器由于同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組雙端口存儲(chǔ)器由于同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫控制電路而得名。由于進(jìn)相互獨(dú)立的讀寫控制電路而得名。由于進(jìn)行并行的獨(dú)立操作，因而是一種高速工作行并行的獨(dú)立操作，因而是一種高速工作的存儲(chǔ)器，在科研和工程中非常有用。的存儲(chǔ)器，在科研和工程中非常有用。 舉舉例說(shuō)明，雙端口存儲(chǔ)器例說(shuō)明，雙端口存儲(chǔ)器IDT7133

26、的邏輯框的邏輯框圖圖 。如下頁(yè)圖。如下頁(yè)圖。左端口讀左端口讀/寫寫右端口讀右端口讀/寫寫雙端口存儲(chǔ)器簡(jiǎn)單示例雙端口存儲(chǔ)器簡(jiǎn)單示例2、無(wú)沖突讀寫控制、無(wú)沖突讀寫控制 當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行讀寫操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)任一進(jìn)行讀寫操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)任一端口被選中驅(qū)動(dòng)時(shí)，就可對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行端口被選中驅(qū)動(dòng)時(shí)，就可對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取，每一個(gè)端口都有自己的片選控制存取，每一個(gè)端口都有自己的片選控制(CE)和輸出驅(qū)動(dòng)控制和輸出驅(qū)動(dòng)控制(OE)。讀操作時(shí)，端口的。讀操作時(shí)，端口的OE(低電平有效低電平有效)打開(kāi)輸出驅(qū)動(dòng)器，由存儲(chǔ)矩打開(kāi)輸出

27、驅(qū)動(dòng)器，由存儲(chǔ)矩陣讀出的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)在陣讀出的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)在I/O線上。線上。 表表3.4 無(wú)沖突讀寫控制無(wú)沖突讀寫控制3、有沖突讀寫控制、有沖突讀寫控制 當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，便發(fā)生讀寫沖突。為解決此問(wèn)題，特設(shè)置了便發(fā)生讀寫沖突。為解決此問(wèn)題，特設(shè)置了BUSY標(biāo)志。在這種情況下，片上的判斷邏標(biāo)志。在這種情況下，片上的判斷邏輯可以決定對(duì)哪個(gè)端口優(yōu)先進(jìn)行讀寫操作，輯可以決定對(duì)哪個(gè)端口優(yōu)先進(jìn)行讀寫操作，而對(duì)另一個(gè)被延遲的端口置而對(duì)另一個(gè)被延遲的端口置BUSY標(biāo)志標(biāo)志(BUSY變?yōu)榈碗娖阶優(yōu)榈碗娖?，即暫時(shí)關(guān)閉此端口。，即暫時(shí)關(guān)閉此端口。有沖突讀

28、寫控制判斷方法有沖突讀寫控制判斷方法 (1)如果地址匹配且在如果地址匹配且在CE之前有效，片上的控之前有效，片上的控 制邏輯在制邏輯在CEL和和CER之間進(jìn)行判斷來(lái)選擇端之間進(jìn)行判斷來(lái)選擇端 口口(CE判斷判斷)。 (2)如果如果CE在地址匹配之前變低，片上的控制在地址匹配之前變低，片上的控制邏輯在左、右地址間進(jìn)行判斷來(lái)選擇端口邏輯在左、右地址間進(jìn)行判斷來(lái)選擇端口(地地址有效判斷址有效判斷)。 無(wú)論采用哪種判斷方式，延遲端口的無(wú)論采用哪種判斷方式，延遲端口的BUSY標(biāo)志都將置位而關(guān)閉此端口，而當(dāng)允許存取標(biāo)志都將置位而關(guān)閉此端口，而當(dāng)允許存取的端口完成操作時(shí)，延遲端口的端口完成操作時(shí)，延遲端口B

29、USY標(biāo)志才標(biāo)志才進(jìn)行復(fù)位而打開(kāi)此端口。進(jìn)行復(fù)位而打開(kāi)此端口。表表3.5 左、右端口讀寫操作的功能判斷左、右端口讀寫操作的功能判斷1、存儲(chǔ)器的模塊化組織、存儲(chǔ)器的模塊化組織一個(gè)由若干個(gè)模塊組成的主存儲(chǔ)器一個(gè)由若干個(gè)模塊組成的主存儲(chǔ)器是線性編址的。這些地址在各模塊中如是線性編址的。這些地址在各模塊中如何安排，有兩種方式：何安排，有兩種方式： 一種是順序方式，一種是交叉方式一種是順序方式，一種是交叉方式 圖圖3.26 存儲(chǔ)器模塊的兩種組織方式存儲(chǔ)器模塊的兩種組織方式2、多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)、多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 下圖為四模塊交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖。主存被下圖為四模塊交叉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖。主存

30、被分成分成4個(gè)相互獨(dú)立、容量相同的模塊個(gè)相互獨(dú)立、容量相同的模塊M0，M1，M2，M3，每個(gè)模塊都有自己的讀寫控，每個(gè)模塊都有自己的讀寫控制電路、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，各自以制電路、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，各自以等同的方式與等同的方式與CPU傳送信息。在理想情況下，傳送信息。在理想情況下，如果程序段或數(shù)據(jù)塊都是連續(xù)地在主存中存如果程序段或數(shù)據(jù)塊都是連續(xù)地在主存中存取，那么將大大提高主存的訪問(wèn)速度。取，那么將大大提高主存的訪問(wèn)速度。單位時(shí)間里，存儲(chǔ)器所存取的信息量，單位時(shí)間里，存儲(chǔ)器所存取的信息量，以位以位/秒或字節(jié)秒或字節(jié)/秒為單位。秒為單位。圖圖3.30 無(wú)等待狀態(tài)成塊存取示意圖無(wú)等待狀態(tài)

31、成塊存取示意圖 由于采用由于采用m=2的交錯(cuò)存取度的成塊傳送，的交錯(cuò)存取度的成塊傳送，兩個(gè)連續(xù)地址字的讀取之間不必插入等待狀態(tài)。兩個(gè)連續(xù)地址字的讀取之間不必插入等待狀態(tài)。圖圖3.31 CPU與存儲(chǔ)器系統(tǒng)的關(guān)系與存儲(chǔ)器系統(tǒng)的關(guān)系圖圖3.32 Cache原理圖原理圖CPU與與cache之間的數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而交換是以字為單位，而cache與主存之間的數(shù)據(jù)與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位。交換是以塊為單位。當(dāng)當(dāng)CPU讀取主存中一個(gè)字時(shí)，便讀取主存中一個(gè)字時(shí)，便發(fā)出此字的內(nèi)存地址到發(fā)出此字的內(nèi)存地址到cache和和主存。此時(shí)主存。此時(shí)cache控制邏輯依據(jù)控制邏輯依據(jù)地址判斷此字是否在

32、地址判斷此字是否在cache中：中：若是，則此字立即傳送給若是，則此字立即傳送給CPU；若非，則把此字從主存讀出送到若非，則把此字從主存讀出送到CPU，與此同時(shí)，把含有這個(gè)字，與此同時(shí)，把含有這個(gè)字的整個(gè)數(shù)據(jù)塊從主存讀出送到的整個(gè)數(shù)據(jù)塊從主存讀出送到Cache中。中。局部性原理：在大部分程序的執(zhí)行中，在一段局部性原理：在大部分程序的執(zhí)行中，在一段時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，CPU總是集中地訪問(wèn)程序中的某個(gè)總是集中地訪問(wèn)程序中的某個(gè)部分而不是隨機(jī)地對(duì)程序所有部分具有平均部分而不是隨機(jī)地對(duì)程序所有部分具有平均訪問(wèn)概率。訪問(wèn)概率?！纠纠?】 CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次完成存取

33、的次數(shù)為數(shù)為1900次，主存完成存取的次數(shù)為次，主存完成存取的次數(shù)為100次，已知次，已知cache存取周期為存取周期為50ns，主存存取周期為，主存存取周期為250ns，求求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間。主存系統(tǒng)的效率和平均訪問(wèn)時(shí)間。 n無(wú)論選擇那種映射方式，都要把主存和無(wú)論選擇那種映射方式，都要把主存和cache劃分為同樣大小的劃分為同樣大小的“塊塊”。 n選擇哪種映射方式，要考慮：選擇哪種映射方式，要考慮： n硬件是否容易實(shí)現(xiàn)硬件是否容易實(shí)現(xiàn) n地址變換的速度是否快地址變換的速度是否快 n主存空間的利用率是否高主存空間的利用率是否高 n主存裝入一塊時(shí)，發(fā)生沖突的概率主存裝入一

34、塊時(shí)，發(fā)生沖突的概率 n以下我們介紹三種映射方法以下我們介紹三種映射方法全相聯(lián)映射的特點(diǎn)：全相聯(lián)映射的特點(diǎn)：（1）行與塊等長(zhǎng)；）行與塊等長(zhǎng)；（2）主存中的每一塊可以放到）主存中的每一塊可以放到cache中的任意一行中；中的任意一行中；（3）在全相聯(lián)映射中，將主存中一個(gè)塊的地址（塊號(hào)）與塊的內(nèi)容（字）在全相聯(lián)映射中，將主存中一個(gè)塊的地址（塊號(hào)）與塊的內(nèi)容（字）一起存于一起存于cache某一行中，其中塊地址存于某一行中，其中塊地址存于chache的標(biāo)記部分中。的標(biāo)記部分中。（a）全相聯(lián)映射示意圖）全相聯(lián)映射示意圖CAM(b)全相聯(lián)全相聯(lián)cache的檢索過(guò)程的檢索過(guò)程（a）直接映射示意圖）直接映射示

35、意圖直接映射的特點(diǎn)：直接映射的特點(diǎn)： 主存中的每一塊只可存到主存中的每一塊只可存到cache特定一行中特定一行中（由（由i=j mod m 決定）。決定）。（a）直接映射示意圖）直接映射示意圖直接映射的特點(diǎn)：直接映射的特點(diǎn)： 主存中的每一塊只可存到主存中的每一塊只可存到cache特定一行中特定一行中（由（由i=j mod m 決定）。決定）。在直接映射方式中，在直接映射方式中，cache將將s位的地址分成兩部分：位的地址分成兩部分：r位作為位作為cache的行地址，的行地址，s-r位作為標(biāo)記（位作為標(biāo)記（tag）與數(shù)據(jù)）與數(shù)據(jù)塊一起保存在該行中。塊一起保存在該行中。0 0 0 0 1 1 0

36、1s（共（共8位）位）rs-rn直接映射的特點(diǎn)：直接映射的特點(diǎn)： 主存中的每一塊只可存到主存中的每一塊只可存到cache特定一行中特定一行中 （由（由i=j mod m 決定）。決定）。n例例cache容量容量16字，主存容量字，主存容量256字，則字，則地址地址2，18，34.242等都存放在等都存放在cache的的地址地址2內(nèi)，如果第一次內(nèi)，如果第一次2在在cache中，下次訪中，下次訪問(wèn)問(wèn)34內(nèi)容，則不管內(nèi)容，則不管cache其他位置的內(nèi)容訪其他位置的內(nèi)容訪問(wèn)情況，都會(huì)引起問(wèn)情況，都會(huì)引起2塊內(nèi)容的替換塊內(nèi)容的替換 在直接映射方式中，在直接映射方式中，cache將將s位的地址分成兩部分：位的地址分成兩部分：r位作為位作為cache的行地址，的行地址，s-r位作為標(biāo)記（位作為標(biāo)記（tag）與數(shù)據(jù)）與數(shù)據(jù)塊一起保存在該行中。塊一起保存在該行中。（b）直接映射的）直接映射的cache檢索過(guò)程檢索過(guò)程00001 101 1000001（a）組相聯(lián)映射示意圖（）組相聯(lián)映射示意圖（4組）組）組相聯(lián)映射中，主存的每