7. 内部存储器

1. 回顾：存储器

存储器（Memory）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，即内存中能被单独识别并独立存放一个数据的最小内存空间
  • 大多数存储器是字节寻址的，而执行科学计算的计算机通常是64位寻址的，也就是2⁶⁴
  • 字节可寻址(64b/32b)、字可寻址(8b)、按位寻址(1b)

1. 寻址能力的影响因素:归根结底是因为设计时的地址的长度。
   1. 地址总线的根数
   2. 寻址机制的不同
2. 计算机的内存真正能真正使用的内存大小的影响因素:
   1. 地址空间
   2. 寻址能力
   3. 最终是由上面两个之一来决定的。
      • 例子:4G内存的电脑加上8G的内存条，不会变快，因为寻址能力不会变强，被制约。
3. 地址空间越大，容量会越大吗？
   • 不一定，每个单元(屋子)的大小不同。

2. 半导体存储器

用半导体芯片作主存储器是目前的主流做法

2.1 位元（memory cell）

半导体存储器的基本元件，用于存储1位数据

1. 特性：

   1. 呈现两种稳态（或半稳态）：分别表示二进制的0和1
   2. 它们能够至少被写入（write）数据一次：用来设置状态
   3. 它们能够被读取（read）来获得状态信息

2. 操作：

   

2.2 类型

2.3 随机存取存储器（RAM）

Random-Access Memory（RAM）：随机访问：对存储器中任意数据的访问所花费的时间与数据所在位置无关。

1. 特性：
   1. 可以简单快速地进行读/写操作
   2. 易失的（Volatile）（断电就丢数据）
2. 类型：
   1. 静态RAM（SRAM）
   2. 动态RAM（DRAM）

2.3.1 静态RAM（SRAM）

1. 不会漏电，只要有电，不需要刷新数据就可以保存
2. 用传统的触发器逻辑门来存储数据
   • 相同的逻辑部件被应用在处理器中
3. 它会在有电的时候存储数据（没电就丢数据）

2.3.2 动态RAM（DRAM）

1. 电容器中存在或不存在电荷被识别为1或者0
2. 需要时常刷新来保证数据
   • 电容器有丢失电荷的倾向
   • 存在一个阈值来决断他是0还是1
     • 它本质上是一个模拟设备

解决漏电问题:我们刷新，给该有电的电容充电。

• 刷新是异步刷新。

2.3.3.1 高级的DRAM架构

1. 问题：传统DRAM是异步的（频率通常不超过66MHz）
   1. 处理器向内存提供地址和控制信号，表示内存中特定单元的一组数据应该被读出或写入DRAM
   2. DRAM执行各种内部功能，如激活行和列地址线的高电容，读取数据，以及通过输出缓冲将数据输出，处理器只能等待这段延迟，即存取时间
   3. 延时后，DRAM才写入或读取数据
2. 解决：高级DRAM架构是同步的
   1. 同步DRAM（Synchronous DRAM, SDRAM）（频率通常不超过133MHz）
   2. 双速率SDRAM（Double-Data-Rate SDRAM，DDR SDRAM / DDR）（DDR5频率可达4800MHz）

2.3.3.2 同步DRAM（SDRAM）

DDR SDRAM

Double Data Rate：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 ➔ DDR5

• 增加操作频率
• 增加预取缓冲区

2.3.3 SRAM和DRAM对比

• 无论多贵的电脑里面，内存用的都是DRAM。
  1. SRAM的集成度低，造成其体积比较大。
  2. DRAM的集成度高。
• DRAM多用于主存，SRAM多用于寄存器。

1. 相同点

   1. 易失性

2. 不同点

   1. DRAM有比SRAM更简单更小的单元，但是需要周期性的刷新

      • DRAM相对于SRAM更加高密度并且廉价

      • DRAMS经常被用在数据量比较大的存储的时候

   2. SRAM一般会比DRAM访问更快

   3. Cache用SRAM，主存用DRAM

2.4 只读存储器（ROM）

Read-only memory（ROM）：一种可以长期保存信息的存储器，具有断电后信息仍可继续保存的特点，在正常工作时只可读取数据，而不能写入数据

1. 特性：
   1. 非易失的：不要求供电来维持数据
   2. 可读，但不能写入新数据
2. 应用：微程序设计，库子程序，系统程序，函数
3. 问题：
   1. 无出错处理机会：如果有一位出错，整批的ROM芯片只能报废
   2. 用户无法写入数据：唯一的数据写入机会在出厂时完成

2.5 可编程ROM（PROM）

Programmable ROM

1. 特性：
   1. 非易失的
   2. 只能被写入一次
      1. 写过程是用电信号执行
      2. 需要特殊设备来完成写或“编程”过程
2. 与ROM的对比
   1. PROMs提供了灵活性和便利性
   2. ROM对于大容量生产运行仍然具有吸引力，在量产的时候PROM成本高

2.6 主要进行读操作的存储器

Read-Mostly Memory

1. 特性：
   1. 非易失的
   2. 写操作与读操作相比，较为困难
2. 应用：
   1. 读操作比写操作频繁得多的场

2.6.1 光可擦除/可编程只读存储器（EPROM）

Erasable programmable read-only memory（EPROM）

1. 特性：
   1. 电写入读出
   2. 在写入前，擦除需要专门的紫外线仪器
      1. 所有的存储单元会被处理成相同的状态
      2. 耗时20min
   3. 与PROM对比：
      1. 比较贵，但是可以被更新
   4. 写入时电写入，擦除使用紫外线照射20min左右，清除全部数据

2.6.2 电可擦除/可编程只读存储器（EEPROM）

Electrically erasable programmable read-only memory（EEPROM）

1. 特性：
   1. 可以在任何时候写入和更新字符，不需要擦除
   2. 只更新寻址到的一个或多个字节
2. 写操作每字节需要大约5ms，而读一个字节大约0.5μs
3. 每次擦除仅需4~6ms，可擦除百万次
4. 与EPROM对比：
   1. EEPROM比EPROM贵，密度低

2.6.3 快闪存储器（Flash Memory）

1. 特性：
   1. 电可擦除：与EEPROM原理类似，优于EPROM
   2. 可以在块级擦除，不能在字节级擦除：优于EPROM，不如EEPROM
   3. 需要先擦除再写入
   4. 达到了和EPROM一样的高密度

3. 从位元到主存

3.1 寻址单元

1. 寻址单元（Addressable unit）：由若干相同地址的位元组成
2. 每个寻址单元内的数据不能进行局部修改,都是整体修改。

3.2 芯片

3.3 存储阵列

存储阵列（Memory Array）：由大量寻址单元组成

注意上图的存储列阵的一个框代表的是一个寻址单元，而不是一个位元

1. 为什么是用方形结构?

   • 很简单，因为比线性省电

2. 选中就是对行和列进行加电，然后同时被加电的地方被选中。

3. 能够随机访问的原因？

   • 因为我们都是读取地址，然后找到行，找到列，然后选中。所以无论什么单元，都是一样的访问时间。

3.3.1 如何寻址

1. 行访问

   

2. 列访问

   

3. 地址译码器

   1. 一个 n 位译码器有2 n种输出
   2. 当所有 n 个寻址位都满足条件时， 该输出为1
   3. 任何时候，只有一个输出是1，其他的都是0

   

3.3.2 如何刷新

约束：刷新会占用片选线、地址线、地址译码器

3.3.2.1 集中式刷新（Centralized refresh）

1. 停止读写操作，并逐行刷新
2. 刷新时无法操作内存（死区）

3.3.2.2 分散式刷新（Decentralized refresh）

1. 在每个存储周期中，当读写操作完成时进行刷新
2. 一次读写刷新一行，逐行刷新
3. 会增加每个存储周期的时间

3.3.2.3 异步刷新（Asynchronous refresh）

1. 每一行各自以固定间隔（小于最大刷新周期，毫秒级）刷新
2. 将DRAM的刷新安排在CPU对指令的译码阶段，可有效避免死区
3. 效率高：常用

3.4 模块组织

地址线：用来地址寻址

数据线：用来把地址里的数据传进来传出去

1. 位扩展：地址线不变，数据线增加
   1. 使用 8 块 4K1 bit 的芯片组成 4K8 bit 的存储器
2. 字扩展：地址线增加，数据线不变
   1. 使用 4 个 16K8 bit 的芯片组成 64K8 bit 的存储器
3. 字、位同时扩展：地址线增加，数据线增加
   1. 使用 8 个 16K4 bit 的芯片组成 64K8 bit 的存储器

3.5 主存

插槽：组合多个存储模块