计算机组成原理学习笔记——半导体随机存储器

• 主存主要由 DRAM 实现，靠近处理器的那一层，也就是 Cache 则是用 SRAM 实现，都是易失性的存储器，DRAM 每比特成本低于 SRAM，速度也慢于 SRAM，价格差异主要是 DRAM 需要更多的硅。

一、DRAM 和 SRAM

1、回顾

• 把存放一个二进制位的物理器件称为存储元，是存储器的最基本构件。
• 地址码相同的多个存储元构成一个存储单元。
• 存储单元再组成存储体，进而构成存储器。

2、SRAM 的工作原理

• SRAM，也就是静态随机存储器，其存储元采用双稳态触发器（六晶体管MOS）进行信息记忆，因此信息被读出后，仍保持原状态而不需要再生。SRAM 的特点就是存取速度快，缺点是集成度低、功耗大；一般用于制作 Cache 层。

3、DRAM 工作原理

• DRAM，也就是动态随机存储器，采用存储元电路中栅极电容上的电荷进行信息存储，其基本存储元通常只使用一个晶体管，因此可以比 SRAM 的密度高很多。在地址上采用地址复用技术，地址线为原来的1/2，地址信号分行、列两次传输。优点是易集成、位价低、容量大和功耗低，缺点就是速度比较慢；DRAM 一般用于制作主存。

3.1、电荷维持时长

• DRAM 电容上的电荷一般只能维持 1~2 ms，即便电源不断供电信息也会消失，因此需要每隔一段时间进行刷新，常取 2 ms，称为刷新周期，刷新方式有：集中刷新、分散刷新和异步刷新。

1）集中刷新：

• 指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生，此期间停止对存储器的读写操作，称为“死时间”，也称访存“死区”。其优点就是读写操作时不受刷新工作的影响，因此系统的存取速度较高；缺点就是在刷新期间不能访问存储器。

2）分散刷新：

• 将每行的刷新分散到各个工作周期中，因此存储器的工作周期分为前后两部分，前半部分用于正常的读写操作，后半部分用于刷新某一行。这种方式的优点就是没有“死区”，但因此增加了系统的存取周期，往往时芯片存取周期的两倍，降低了整机的速度。

3）异步刷新

• 该方法是前两种方法的结合，有着缩短“死时间”的同时充分利用最大刷新间隔 2 ms 的特点，具体就是将刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的时间间隔 t，利用逻辑电路每隔时间 t 产生一次刷新请求。从而避免让 CPU 连续等待的时间过长，也减少刷新次数，提高整机工作效率。

4）透明刷新

• 将刷新安排在不需要访问存储器的译码阶段，既不会加长存取周期也不会产生“死时间”，是分散刷新的一种发展，称之为“透明刷新”。

5）刷新要注意的问题

• ① 刷新对 CPU 是透明的，即刷新不依赖于外部的访问
• ② 动态 RAM 的刷新单位是行，因此刷新操作仅需要行地址
• ③ 刷新操作类似于读操作，不同在于刷新操作仅给栅极电容补充电荷而不需要信息输出，也不需要选片。

6）刷新与易失性存储器的区别

• 易失性是指断电后数据丢失，SRAM 和 DRAM 都符合；但是需要刷新的只有 DRAM。

4、读写周期

• DRAM 和 SRAM 都是 RAM，因此读写周期主要针对 RAM。

4.1、读周期

4.2、写周期

5、SRAM 和 DRAM 的各自特点

二、ROM

• ROM，也就是只读存储器，顾名思义，这种存储器允许读取内容，但不许写入信息。

1、ROM 的特点

• 虽然 ROM 也是随机存储器，但是与 RAM 有着很大的不同，ROM 一旦有了信息便不会轻易改变，断电也不会丢失，其显著 特点如下：
• 1）结构简单，位密度比可读可写存储器高；
• 2）非易失性，可靠性高。

2、ROM 的种类

• 根据制作工艺，ROM 可分为：掩模式只读存储器（MROM）、一次可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、闪速存储器（Flash Memory）和固态硬盘（Solid State Drivers）

1）MROM

• 这种类型存储器的内容往往有半导体制造厂商按用户提出的要求在芯片的生产过程中直接写入，写入以后便不会改变；具有可靠性高，集成度高，价格便宜的优点，缺点就是灵活性很差。

2）PROM

• PROM 允许用户利用专门设备，如编程器写入程序，一旦写入，内容就无法改变。

3）EPROM

• EPROM 允许多次修改内容，修改时先将原有内容擦除，再编程；EPROM 可分为紫外线擦除（UVEPROM）和电擦除（E^2 PROM)，虽然可读可写，但是无法取代 RAM，因为 EPROM 的编程次数有限，而且写入速度很慢。

4）Flash Memory

• 这种 ROM 可以在不加电的情况下长期保存信息，又可以在加电的时候快速擦除重写内容，比起 EPROM 价格便宜，集成度也高。

5）SSD

• 基于闪存的固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH 芯片）组成，保留了 Flash Memory 长期保存信息、快速擦除与重写的特点，比传统硬盘具有读写速度快、低功耗的特点，但是价格不便宜。

三、存储器的基本组成

• 由存储元件构成的存储体是存储器的核心。存储元件也就是记忆单元，记忆单元具有两种稳态的能表示二进制 0 和 1 的物理器件。通常为了组织信息的存储，必须对存储单元进行编号，也就是编址；编制单位是指具有相同地址的存储元件构成的一个单位，可按字编址、字节编址，现代计算机中普遍采用字节编址，一个地址中有 1 字节。

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