《存储器示意》课件

存储器示意图了解计算机内部存储机制的可视化示意图,快速掌握不同类型存储器的特点和应用存储器的发展历程年代19401首个电子计算机诞生,使用电子管存储数据,存储容量很小年代19502磁芯存储器问世,存储容量和速度有所提高但制造成本高昂年代19603半导体存储器出现,采用集成电路技术,性能优越,价格便宜存储器的基本结构和工作原理基本结构工作原理内部结构存储器由存储单元阵列、地址解码器、数据存储器的读写操作通过地址线选择存储单元,存储芯片内部由存储单元阵列、行列选择电读写电路等基本组成部分构成存储单元负控制线控制读写方向,数据线实现数据的传路、读写控制电路等部分组成行列选择电责数据的存储,地址解码器用于选择特定的输地址解码器将地址输入转换为选择特定路负责选择特定的存储单元,读写控制电路存储单元,数据读写电路则控制数据的读写存储单元的控制信号则控制数据的读写过程存储器的分类按存储介质分类按存储特性分类包括半导体存储器、磁存储器和包括随机存取存储器RAM和只光存储器它们具有不同的材料读存储器ROM前者可随机读特性和存储方式写,后者只能读不能写按存储容量分类按存储速度分类从字节到TB不等,容量大小决定了包括静态RAM、动态RAM和闪存存储器的应用领域和性能要求等,根据访问时间的快慢不同半导体存储器概述半导体存储器是利用半导体材料和集成电路制造技术制造的存储器件它具有体积小、重量轻、耗电低、速度快、可靠性高等优点,广泛应用于各种电子设备和计算机系统中半导体存储器可分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM两大类RAM可以进行读写操作,ROM则只能进行读取操作这些存储器件为计算机和电子产品提供了高效的数据存储和处理能力随机存取存储器SRAM基本特点工作原理SRAM具有快速访问速度、低功耗、无需刷新等特点,适用于CPU SRAM利用双稳态锁存器电路存储数据,通过对读写控制端的操作缓存和高速缓冲存储SRAM采用锁存器电路构成,每个存储单元进行数据的读写SRAM具有无需刷新的特点,所存数据可以无限由6个晶体管组成,结构相对复杂期保持动态随机存取存储器DRAM刷新机制存储容量大12DRAM需要定期刷新以保持存DRAM通过集成高密度的电容储的数据,每隔数毫秒就需要重式存储单元,可以实现比SRAM新读取和写回数据更大的存储容量电源消耗高访问时间长34DRAM需要持续不断的刷新操DRAM的存取时间相对于作,因此电源消耗较高,不适合低SRAM要长,但仍可满足大多数功耗场景使用计算机系统的需求静态随机存取存储器与动态随机存取存储器的对比SRAM DRAM闪存FLASH闪存是一种非易失性半导体存储器,具有高速、高密度和可擦写等优点它采用电子方式进行数据存取,无需机械部件,与硬盘等传统存储设备相比,更加耐冲击和抗磨损闪存广泛应用于计算机、手机、相机等电子产品中磁存储器磁存储器利用磁性材料记录和存储信息,拥有稳定性高、存储密度大、访问速度快等特点它包括硬盘驱动器HDD、软盘驱动器等,曾经是主流的存储设备,直到闪存和固态硬盘SSD崛起尽管磁存储设备的性能有所下降,但其仍在大容量存储领域发挥着重要作用光存储器光盘存储器光纤存储器全光存储器光盘存储器采用激光技术在光盘上记录和读光纤存储器利用光纤传输数据,在数据中心全光存储器利用光学原理直接在光介质上记取数据,具有容量大、访问速度快等优点和通信网络中广泛应用它能提供高带宽、录和读取数据,无需电转光或光转电的转换常见的光盘格式包括CD、DVD和蓝光光盘低延迟和抗干扰的数据传输过程,具有超高速和超大容量的特点存储器的容量和性能指标32G5000MB/s容量带宽现代台式机和笔记本电脑常见的内存高端内存模组的峰值读写速度容量10ns5W读取时间功耗静态随机存取存储器的典型访问延迟一条双通道内存模组的典型功耗存储器的存取时间存取时间存储器的存取时间是指读取或写入存储器所需的时间它是衡量存储器性能的重要指标之一DRAM存取时间DRAM的存取时间相对较长,通常在10-100纳秒范围内但随着技术发展,DRAM存取时间也不断缩短SRAM存取时间SRAM的存取时间相对更短,通常在1-10纳秒范围内但SRAM存储单元更复杂,成本也更高存取时间的影响存储器的存取时间会直接影响系统的性能,较短的存取时间有利于提高系统的运行速度存储器的功耗1W30%功耗存储器占总功耗比重50mW300mWSRAM每芯片功耗DRAM每芯片功耗存储器作为计算机系统中重要的组成部分,其功耗是整个系统功耗的重要组成部分存储器功耗包括静态功耗和动态功耗,占总功耗的30%左右SRAM每芯片功耗约50mW,DRAM每芯片功耗约300mW降低存储器功耗是电子系统设计的重要目标之一存储器的可靠性存储器的可靠性是指存储器在使用过程中能够正常工作并存储数据不丢失的能力这对计算机系统的稳定运行至关重要存储器可靠性取决于多方面因素,包括制造工艺、工作环境、使用寿命等为保证存储器的可靠性,需要采取有效的测试和维修措施,如ECC纠错、热管理、环境监控等技术同时需要对存储器芯片进行严格的质量检测,确保其在高温、高湿、强磁场等恶劣环境下也能正常工作存储器芯片的封装存储器芯片需要经过严格的封装工艺来保护芯片免受外界环境的影响封装过程包括引线连接、衬底安装、密封等步骤封装材料主要有塑料、陶瓷和金属等,根据不同应用对芯片的可靠性、散热和成本有不同的要求芯片封装技术随着集成度的提高不断发展,从早期的单一封装到现代的多芯片封装和系统级封装SiP封装质量直接影响存储器系统的性能和可靠性存储器芯片的测试与维修批量测试1对每个芯片进行全面检测故障诊断2确定故障原因并制定维修策略维修更换3及时更换或修复故障芯片存储器芯片的测试与维修是保证存储系统稳定运行的关键首先需要对每个芯片进行批量测试,检测其各项指标是否达标一旦发现故障,及时进行故障诊断,确定故障原因并制定相应的维修策略最后执行维修操作,及时更换或修复存在缺陷的芯片,确保整个存储系统的可靠性存储芯片的制造工艺晶圆制造1从硅锭切割、晶圆加工到清洗和抛光光刻工艺2使用光刻机在晶圆表面刻蚀出电路图案离子注入3向晶圆表层注入不同元素以制造电子元件金属布线4利用真空沉积技术在晶圆上形成互连线路封装测试5将裸片封装成芯片并进行各种测试存储芯片制造工艺由多个关键步骤组成,包括晶圆制造、光刻、离子注入、金属布线和封装测试等这些步骤共同构成了集成电路从原材料到成品芯片的全流程制造过程,体现了半导体制造的复杂性和精密性存储器的应用计算机系统移动设备存储器是计算机系统的核心组件,用于智能手机、平板电脑等便携式设备大存储程序和数据,是计算机运行的基础量使用各种类型的存储器,满足高性能和大容量需求云存储嵌入式系统海量的数据存储需求推动了云存储的各种智能设备和物联网系统都需要存发展,利用分布式存储技术为用户提供储器保存程序和数据,满足实时性和低安全可靠的数据存储功耗要求存储系统的设计与分析需求分析确定系统的存储需求,包括容量、速度、可靠性等,制定合理的存储方案架构设计根据需求设计存储系统的层次结构,包括缓存、主存、辅存等部分性能分析对系统的响应时间、吞吐量等进行建模和仿真分析,优化系统性能成本评估权衡存储系统的硬件、软件及维护成本,选择最优的设计方案存储层次结构高速缓存主存储器12最接近处理器的存储层次,用于直接为处理器提供数据和指令,缓存频繁访问的数据,提高系统容量较大、速度次于缓存性能磁盘存储器光磁带存储/34用于大容量、非易失性存储,访主要用于长期备份存储,具有容问速度较慢但容量巨大量大、成本低的特点缓存存储器缓存的原理命中率缓存层次缓存存储器利用时间局部性和空间局部性的缓存命中率越高,系统的性能越好命中率现代处理器通常采用多级缓存架构,包括L

1、原理,存储最近使用的数据和指令,提高系统受缓存容量、替换算法等因素影响L

2、L3缓存,以满足不同性能需求访问速度虚拟内存扩展内存容量零开销性扩展虚拟内存允许程序访问超出物理虚拟内存提供了一种零开销的方内存容量的内存空间,通过将内存式来扩展可用内存,避免了物理内页面在硬盘和RAM之间交换来实存的硬性限制现页面管理机制性能与成本平衡虚拟内存系统使用页面置换算法虽然虚拟内存提升了内存容量,但来管理内存页面的换入换出,提高频繁的页面交换也会带来性能损内存利用效率耗,需要权衡之间的平衡外部存储器大容量存储持久性存储可移动性较低成本外部存储器提供海量的存储空外部存储器具有非易失性,即许多外部存储设备都可以随身相比内存,外部存储器的单位间,可存储大型文件、视频和使断电也能保持数据不丢失携带,如移动硬盘、U盘等,方便存储成本通常更低,适合大容数据库等内容它们通常采用它们可以长期存储重要的文档、在不同设备之间传输和共享数量数据的存储需求磁盘或光盘技术,能存储上百照片和备份数据据GB甚至TB级别的数据存储系统的性能评价存储容量衡量存储系统可容纳的数据量大小需要足够的容量来满足应用需求存取速度描述从存储介质中读取或写入数据的速度高速访问能够提升系统性能带宽表示单位时间内可传输的数据量带宽是评价存储系统性能的重要指标响应时间用户发起请求到接收到响应的时间长短短响应时间可提升用户体验可靠性存储系统的稳定性和抗风险能力数据的安全性和完整性很重要未来存储技术发展趋势量子计算打印存储器3D量子计算技术的不断进步可能带来新3D打印技术有望推动研发出新型存储型存储设备,提高信息存储密度和处理器件,突破现有存储技术的限制速度仿生存储节能存储模仿生物系统的存储机制,开发出基于针对能耗问题,研发出更加节能高效的生物化学的新型存储技术存储设备,满足低功耗需求固态硬盘固态硬盘SSD是一种新型的非易失性存储设备,采用闪存芯片作为存储介质相比传统机械硬盘,固态硬盘具有更快的读写速度、更低的功耗、更高的可靠性等优势固态硬盘已广泛应用于个人电脑、服务器、移动设备等领域,成为未来主流的储存技术之一其技术不断发展进步,正在推动电子产品向着更小、更轻、更快的方向发展本课程小结通过对存储器的发展历程、基本结构和工作原理、分类以及不同类型存储器的特点、性能指标等的深入学习和分析,让我们全面掌握了存储器的核心知识最后探讨了存储系统的设计与分析,以及未来存储技术的发展趋势,为后续课程奠定了坚实的基础参考文献经典教材专业期刊12《计算机组成与设计》、《计算机系统结构》等经典教材提供了《IEEE Transactionson Computers》、《ACM Transactions系统全面的存储器知识on Storage》等顶级期刊发表了大量最新的存储器研究成果会议论文工业标准34《ISCA》、《MICRO》等国际顶级学术会议上发表的论文深入JEDEC、SATA、NVM Express等工业组织制定的标准文件是存探讨了存储器的前沿技术储器设计的重要参考。