《MOS存储器系统》课件

存储器系统MOS存储器是一种常见的半导体存储器技术，广泛应用于现代电子设备MOS本课件将深入探讨存储器系统的原理、结构和工作机制，以及各种类型的MOS存储器，例如和MOS SRAM DRAMdh bydhse hsfdw存储器的特点MOS体积小速度快存储器体积小巧，可集成在集成电路中，存储器访问速度快，可以满足现代电子设MOS MOS方便集成到其他电子系统中备高速处理数据的需求功耗低成本低存储器工作时的功耗低，可以节省能源，存储器生产成本低，可以降低电子设备的MOS MOS延长设备的使用时间生产成本存储器的分类MOS按存储介质分类按读写方式分类按结构分类按用途分类存储器根据存储介质的不存储器根据读写方式的不存储器根据结构的不同可存储器根据用途的不同可MOS MOS MOS MOS同可分为静态随机存储器同可分为随机存储器（）分为单管存储单元和双管存储分为高速缓存存储器RAM（）和动态随机存储器和只读存储器（）单元（）、主存储器和外存SRAM ROMCache（）储器DRAM单管存储单元MOS单管存储单元是最基本的存储单元，它由一个管和一个电容组成MOS MOS管作为开关，控制着电容的充放电，而电容则用来存储数据当管导MOSMOS通时，数据被写入电容；当管截止时，数据被存储在电容中MOS单管存储单元简单，易于制造，但是容量有限，而且易受噪声影响MOS单管存储单元的工作原理写入操作当写入数据时，将要写入的数据通过数据线写入到存储单元，同时将地址线设置为要写入单元的地址写使能信号为低电平，使存储单WS元处于可写入状态写入数据通过管的导通路径被写入存储单MOS元读取操作当读取数据时，将地址线设置为要读取单元的地址读使能信号为RS低电平，使存储单元处于可读取状态存储单元中的数据通过管MOS的导通路径被读取到数据线上读写操作读写操作是通过对读使能信号和写使能信号的控制来实现的当RS WS为低电平、为高电平时，进行读取操作；当为高电平、为RS WSRS WS低电平时，进行写入操作存储单元的结构DRAM存储晶体管电容选择线存储单元的核心是单个晶体管，用于存储数据使用电容，用于存储电荷电容的每个存储单元连接选择线，用于控制单元的DRAM存储数据每个晶体管对应一个存储位大小决定了存储单元的容量访问和读写操作存储单元的工作原理DRAM存储单元的工作原理基于电容的充放电过程，其工作原理如下DRAM写入通过向存储单元的位线施加电压，使存储单元的电容充电，从而存储数据1保持2存储单元中的电容会逐渐放电，因此需要定期刷新，以保持数据读取3通过读取存储单元的位线电压，判断电容是否带电，从而判断数据存储单元结构简单，成本低廉，但由于电容会逐渐放电，因此需要定期刷新，以保持数据DRAM存储单元的结构SRAM存储单元由六个晶体管构成，包括两个反相器和两个开关SRAM管反相器构成基本存储电路，两个开关管负责控制数据读写每个反相器包含一个管和一个管，它们共同构成一个NMOS PMOS反相器其中，管的栅极连接到数据线，管的栅极连NMOS PMOS接到字线存储单元的工作原理SRAM读操作1当读地址信号有效时，选择相应的存储单元，数据从该单元的输出端输出写操作2当写地址信号有效时，选择相应的存储单元，数据被写入到单元的输入端数据保持3通过内部锁存器来保存数据，无需刷新SRAM存储单元工作原理基于锁存器，利用锁存器的状态来保存数据通过控制信号来选择读写操作，并保证数据在存储单元中保持稳SRAM定静态随机存储器SRAM存储单元结构存储原理存储单元由个晶体管组成，通过晶体管的导通或截止状态来存储单元中，数据通过晶体管的导通或截止状态来保存，不需SRAM6SRAM表示数据或要刷新，数据可以长时间保存“1”“0”优点缺点速度快，读写速度比高，并且访问时间短，数据保持时集成度低，成本高，功耗大，存储容量远不如，使用范SRAM DRAMSRAM DRAM间长围相对较小动态随机存储器DRAM高速高密度数据读取速度快，能够满足现代单个芯片上可以存储大量数据，计算机系统对数据访问速度的要有效降低了系统成本求低成本相比于，的制作成本更低，更加经济实惠SRAMDRAM的刷新机制DRAM电容泄漏1存储单元使用电容存储数据，但电容会随着时间推移而泄DRAM漏电荷，导致数据丢失刷新周期2为了防止数据丢失，需要定期对进行刷新，即重新写入数DRAM据到电容中刷新操作3刷新操作通常是通过周期性地读取并重新写入存储单元的内容来实现的的读写工作过程DRAM读操作1首先，将要读取的数据的地址信息写入到的地址线，然后，向发送读命DRAM DRAM令根据地址信息找到对应的数据单元，并将其数据写入到数据线，最终，从DRAM CPU数据线读取数据写操作2首先，将要写入数据的地址信息写入到的地址线，然后，向发送写命令DRAM DRAM接着，将要写入的数据写入到的数据线，最终，根据地址信息将数据存DRAM DRAM储到对应的数据单元3的主要性能指标DRAM10ns100M访问时间带宽数据从存储器读取到CPU的时间存储器每秒可传输的数据量256M

1.5V容量电压存储器能够存储的最大数据量DRAM工作所需的电压的容量扩展DRAM芯片组堆叠单个芯片的容量有限多个芯片可以组合成更大的容量不同芯片间多个芯片垂直堆叠，通过内部连接实现高容量存储每个芯片都有独DRAM DRAM通过地址线和数据线连接，实现容量扩展立的地址空间，多个芯片共同构成一个更大的存储空间存储系统的组成DRAM芯片存储控制器

1.DRAM

2.12存储系统的核心部件，管理芯片，控制读写操DRAM DRAM存储数据作地址译码器时序电路

3.

4.34将逻辑地址转换为物理地址，控制读写操作的时序，确保数选择特定芯片和存储单据可靠传输DRAM元存储系统的时序控制DRAM时序控制存储系统中的时序控制是通过时序信号来控制数据读写操作的过程DRAM时序信号时序信号包括读写使能信号、地址信号、数据信号等控制逻辑控制逻辑负责生成各种时序信号，并根据时序信号控制存储器的操作DRAM时序关系不同的时序信号之间有着严格的时序关系，以确保数据读写操作的正确进行存储系统的组成SRAM芯片地址译码器SRAM芯片是存储系统的核心，包含多个地址译码器将逻辑地址转换为物理地址，选择SRAM SRAM存储单元特定的存储单元SRAM SRAM读写控制电路数据缓冲器读写控制电路负责控制芯片的数据读写操数据缓冲器用于临时存储读写数据，提高数据SRAM作，以及数据流的传输传输效率存储系统的时序控制SRAM存储系统的时序控制是指对存储器进行读写操作的时间控制SRAM SRAM地址时序1确定访问存储单元地址的时序读写时序2控制数据读写操作的时序数据时序3保证数据传输的时序准确性合理控制时序可以提高存储器的读写速度，并确保数据的正确性SRAM高速缓存存储器Cache存储器层次结构快速访问是位于和主存之间的高存储器使用高速静态随机存Cache CPUCache速缓冲存储器存储器能够储器芯片，访问速度远远Cache SRAM提高访问内存数据的速度，从快于主存，可以有效地减少等CPU CPU而提高系统性能待数据的时间容量有限由于成本和技术限制，的容量远小于主存，因此它存储的是主存中使Cache用频率较高的数据，例如最近访问过的数据和频繁访问的数据存储器的工作原理Cache地址映射1将主存地址映射到缓存地址命中2访问的数据在缓存中CPU不命中3访问的数据不在缓存中CPU替换4从缓存中替换一个块缓存命中时，直接从缓存中读取数据，速度快缓存不命中时，需要从主存中读取数据，速度慢为了提高效率，需要采用合理的替换算法，例CPU如算法，来选择缓存中哪些数据需要被替换LRU存储器的映射方式Cache直接映射全相联映射组相联映射直接映射方式简单，成本低，但易发生冲全相联映射灵活性高，冲突率低，性能最组相联映射结合了前两种方式的优点，性能突，性能较差佳，但成本高，实现复杂和成本都比较均衡，应用最广泛存储器的替换算法Cache算法算法LRU FIFO最近最少使用算法，根据数据块最近使用的时先进先出算法，根据数据块进入缓存的顺序来间来决定替换哪个数据块最近使用的数据块决定替换哪个数据块先进入缓存的数据块，最可能被再次使用，因此替换最久未使用的最先被替换出缓存随机算法算法OPT随机算法，随机选择一个数据块进行替换最优替换算法，选择将来最长时间不会被访问的数据块替换该算法只能在知道未来访问顺序的情况下才能实现存储器的写策略Cache写直写写回12数据写入时直接写入主存，并数据写入时仅写入缓存，仅当同时写入缓存这种方式保证缓存块被替换时才写入主存数据一致性，但效率较低这种方式效率较高，但数据一致性需要特殊处理写分配写不分配34仅当缓存中已有该数据块时才不进行缓存写入，仅写入主进行写入操作这种方式兼顾存，适合于写操作频繁的场了效率和一致性景总线仲裁机制集中式仲裁分布式仲裁链式仲裁独立请求仲裁集中式仲裁由一个专门的仲裁分布式仲裁中，每个设备都参链式仲裁中，设备以链式结构独立请求仲裁中，每个设备都器负责分配总线控制权仲裁与仲裁过程，通过竞争的方式连接，每个设备都有一个仲裁有一个独立的总线请求线仲器根据优先级规则选择一个设来获取总线控制权线当一个设备想要使用总线裁器会根据请求线的优先级来备使用总线时，它会将自己的仲裁线置为分配总线控制权低电平存储器层次结构存储器层次结构是指将不同速度、不同容量、不同价格的存储器按照速度由快到慢、容量由小到大、价格由高到低的顺序进行组合，形成一个多级存储系统这种结构充分利用了各种存储器的特点，提高了整个系统的性能和性价比，并能够满足不同应用的需求存储器系统的性能指标指标描述访问速度存储器读写操作的时间，单位为纳秒容量存储器能够存储的数据量，单位为字节或字带宽存储器每秒钟传输的数据量，单位为字节秒/成本存储器每单位容量的价格，单位为元字节/功耗存储器工作时消耗的功率，单位为瓦存储器接口电路设计地址译码数据缓冲地址译码电路用于将发出的逻数据缓冲器用于在和存储器之CPU CPU辑地址转换为物理地址，选择相间进行数据传输，提高数据传输应的存储单元进行读写操作效率，避免和存储器之间速度CPU不匹配造成数据丢失控制电路错误检测和纠正控制电路用于控制存储器的读写为了保证数据传输的可靠性，存操作，包括读写命令的发出，读储器接口电路中通常会加入错误写操作的时序控制等检测和纠正电路，例如奇偶校验电路、校验电路等CRC存储器系统的发展趋势容量不断提升速度不断提升能耗不断降低智能化水平提高存储器容量将持续增长，满足存储器速度将不断提高，以满存储器能耗将持续降低，以满存储器将融合人工智能技术，日益增长的数据存储需求足高速数据处理的要求足节能环保的要求实现智能化管理和维护。