《MOS存儲(chǔ)器系統(tǒng)》課件

MOS存儲(chǔ)器系統(tǒng)MOS存儲(chǔ)器是一種常見的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備。本課件將深入探討MOS存儲(chǔ)器系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，以及各種類型的MOS存儲(chǔ)器，例如SRAM和DRAM。dhbydhsehsfdwMOS存儲(chǔ)器的特點(diǎn)體積小MOS存儲(chǔ)器體積小巧，可集成在集成電路中，方便集成到其他電子系統(tǒng)中。速度快MOS存儲(chǔ)器訪問速度快，可以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備高速處理數(shù)據(jù)的需求。功耗低MOS存儲(chǔ)器工作時(shí)的功耗低，可以節(jié)省能源，延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。成本低MOS存儲(chǔ)器生產(chǎn)成本低，可以降低電子設(shè)備的生產(chǎn)成本。MOS存儲(chǔ)器的分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類MOS存儲(chǔ)器根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的不同可分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）。按讀寫方式分類MOS存儲(chǔ)器根據(jù)讀寫方式的不同可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。按結(jié)構(gòu)分類MOS存儲(chǔ)器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為單管存儲(chǔ)單元和雙管存儲(chǔ)單元。按用途分類MOS存儲(chǔ)器根據(jù)用途的不同可分為高速緩存存儲(chǔ)器（Cache）、主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。單管MOS存儲(chǔ)單元單管MOS存儲(chǔ)單元是最基本的存儲(chǔ)單元，它由一個(gè)MOS管和一個(gè)電容組成。MOS管作為開關(guān)，控制著電容的充放電，而電容則用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入電容；當(dāng)MOS管截止時(shí)，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在電容中。單管MOS存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單，易于制造，但是容量有限，而且易受噪聲影響。單管存儲(chǔ)單元的工作原理寫入操作當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，將要寫入的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線寫入到存儲(chǔ)單元，同時(shí)將地址線設(shè)置為要寫入單元的地址。寫使能信號(hào)WS為低電平，使存儲(chǔ)單元處于可寫入狀態(tài)。寫入數(shù)據(jù)通過MOS管的導(dǎo)通路徑被寫入存儲(chǔ)單元。讀取操作當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將地址線設(shè)置為要讀取單元的地址。讀使能信號(hào)RS為低電平，使存儲(chǔ)單元處于可讀取狀態(tài)。存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)通過MOS管的導(dǎo)通路徑被讀取到數(shù)據(jù)線上。讀寫操作讀寫操作是通過對(duì)讀使能信號(hào)RS和寫使能信號(hào)WS的控制來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)RS為低電平、WS為高電平時(shí)，進(jìn)行讀取操作；當(dāng)RS為高電平、WS為低電平時(shí)，進(jìn)行寫入操作。DRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)晶體管DRAM存儲(chǔ)單元的核心是單個(gè)晶體管，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)晶體管對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)位。電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)使用電容，用于存儲(chǔ)電荷。電容的大小決定了存儲(chǔ)單元的容量。選擇線每個(gè)存儲(chǔ)單元連接選擇線，用于控制單元的訪問和讀寫操作。DRAM存儲(chǔ)單元的工作原理DRAM存儲(chǔ)單元的工作原理基于電容的充放電過程，其工作原理如下：1寫入通過向存儲(chǔ)單元的位線施加電壓，使存儲(chǔ)單元的電容充電，從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。2保持存儲(chǔ)單元中的電容會(huì)逐漸放電，因此需要定期刷新，以保持?jǐn)?shù)據(jù)。3讀取通過讀取存儲(chǔ)單元的位線電壓，判斷電容是否帶電，從而判斷數(shù)據(jù)。DRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于電容會(huì)逐漸放電，因此需要定期刷新，以保持?jǐn)?shù)據(jù)。SRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)SRAM存儲(chǔ)單元由六個(gè)晶體管構(gòu)成，包括兩個(gè)反相器和兩個(gè)開關(guān)管。反相器構(gòu)成基本存儲(chǔ)電路，兩個(gè)開關(guān)管負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)讀寫。每個(gè)反相器包含一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管，它們共同構(gòu)成一個(gè)反相器。其中，NMOS管的柵極連接到數(shù)據(jù)線，PMOS管的柵極連接到字線。SRAM存儲(chǔ)單元的工作原理1讀操作當(dāng)讀地址信號(hào)有效時(shí)，選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)從該單元的輸出端輸出。2寫操作當(dāng)寫地址信號(hào)有效時(shí)，選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)被寫入到單元的輸入端。3數(shù)據(jù)保持SRAM通過內(nèi)部鎖存器來保存數(shù)據(jù)，無需刷新。SRAM存儲(chǔ)單元工作原理基于鎖存器，利用鎖存器的狀態(tài)來保存數(shù)據(jù)。通過控制信號(hào)來選擇讀寫操作，并保證數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)單元中保持穩(wěn)定。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)SRAM存儲(chǔ)單元由6個(gè)晶體管組成，通過晶體管的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)來表示數(shù)據(jù)“1”或“0”。存儲(chǔ)原理SRAM存儲(chǔ)單元中，數(shù)據(jù)通過晶體管的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)來保存，不需要刷新，數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)時(shí)間保存。優(yōu)點(diǎn)SRAM速度快，讀寫速度比DRAM高，并且訪問時(shí)間短，數(shù)據(jù)保持時(shí)間長(zhǎng)。缺點(diǎn)SRAM集成度低，成本高，功耗大，存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)不如DRAM，使用范圍相對(duì)較小。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)高速數(shù)據(jù)讀取速度快，能夠滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)訪問速度的要求。高密度單個(gè)芯片上可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，有效降低了系統(tǒng)成本。低成本相比于SRAM，DRAM的制作成本更低，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。DRAM的刷新機(jī)制1電容泄漏DRAM存儲(chǔ)單元使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但電容會(huì)隨著時(shí)間推移而泄漏電荷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。2刷新周期為了防止數(shù)據(jù)丟失，需要定期對(duì)DRAM進(jìn)行刷新，即重新寫入數(shù)據(jù)到電容中。3刷新操作刷新操作通常是通過周期性地讀取并重新寫入存儲(chǔ)單元的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)的。DRAM的讀寫工作過程1讀操作首先，將要讀取的數(shù)據(jù)的地址信息寫入到DRAM的地址線，然后，向DRAM發(fā)送讀命令。DRAM根據(jù)地址信息找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，并將其數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)線，最終，CPU從數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)。2寫操作首先，將要寫入數(shù)據(jù)的地址信息寫入到DRAM的地址線，然后，向DRAM發(fā)送寫命令。接著，將要寫入的數(shù)據(jù)寫入到DRAM的數(shù)據(jù)線，最終，DRAM根據(jù)地址信息將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。3DRAM的主要性能指標(biāo)10ns訪問時(shí)間數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器讀取到CPU的時(shí)間。100M帶寬存儲(chǔ)器每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。256M容量存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的最大數(shù)據(jù)量。1.5V電壓DRAM工作所需的電壓。DRAM的容量擴(kuò)展芯片組單個(gè)DRAM芯片的容量有限。多個(gè)芯片可以組合成更大的容量。不同芯片間通過地址線和數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展。堆疊多個(gè)DRAM芯片垂直堆疊，通過內(nèi)部連接實(shí)現(xiàn)高容量存儲(chǔ)。每個(gè)芯片都有獨(dú)立的地址空間，多個(gè)芯片共同構(gòu)成一個(gè)更大的存儲(chǔ)空間。DRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成11.DRAM芯片DRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心部件，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。22.存儲(chǔ)控制器管理DRAM芯片，控制讀寫操作。33.地址譯碼器將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，選擇特定DRAM芯片和存儲(chǔ)單元。44.時(shí)序電路控制讀寫操作的時(shí)序，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。DRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的時(shí)序控制時(shí)序控制DRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)中的時(shí)序控制是通過時(shí)序信號(hào)來控制數(shù)據(jù)讀寫操作的過程。時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)包括讀寫使能信號(hào)、地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等?？刂七壿嬁刂七壿嬝?fù)責(zé)生成各種時(shí)序信號(hào)，并根據(jù)時(shí)序信號(hào)控制DRAM存儲(chǔ)器的操作。時(shí)序關(guān)系不同的時(shí)序信號(hào)之間有著嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，以確保數(shù)據(jù)讀寫操作的正確進(jìn)行。SRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成SRAM芯片SRAM芯片是SRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，包含多個(gè)SRAM存儲(chǔ)單元。地址譯碼器地址譯碼器將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，選擇特定的SRAM存儲(chǔ)單元。讀寫控制電路讀寫控制電路負(fù)責(zé)控制SRAM芯片的數(shù)據(jù)讀寫操作，以及數(shù)據(jù)流的傳輸。數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器用于臨時(shí)存儲(chǔ)讀寫數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。SRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的時(shí)序控制SRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的時(shí)序控制是指對(duì)SRAM存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的時(shí)間控制。1地址時(shí)序確定訪問存儲(chǔ)單元地址的時(shí)序。2讀寫時(shí)序控制數(shù)據(jù)讀寫操作的時(shí)序。3數(shù)據(jù)時(shí)序保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序準(zhǔn)確性。合理控制時(shí)序可以提高SRAM存儲(chǔ)器的讀寫速度，并確保數(shù)據(jù)的正確性。高速緩存(Cache)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)Cache是位于CPU和主存之間的高速緩沖存儲(chǔ)器。Cache存儲(chǔ)器能夠提高CPU訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)的速度，從而提高系統(tǒng)性能?？焖僭L問Cache存儲(chǔ)器使用高速靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)芯片，訪問速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于主存，可以有效地減少CPU等待數(shù)據(jù)的時(shí)間。容量有限由于成本和技術(shù)限制，Cache的容量遠(yuǎn)小于主存，因此它存儲(chǔ)的是主存中使用頻率較高的數(shù)據(jù)，例如最近訪問過的數(shù)據(jù)和頻繁訪問的數(shù)據(jù)。Cache存儲(chǔ)器的工作原理1地址映射將主存地址映射到緩存地址2命中CPU訪問的數(shù)據(jù)在緩存中3不命中CPU訪問的數(shù)據(jù)不在緩存中4替換從緩存中替換一個(gè)塊緩存命中時(shí)，CPU直接從緩存中讀取數(shù)據(jù)，速度快。緩存不命中時(shí)，需要從主存中讀取數(shù)據(jù)，速度慢。為了提高效率，需要采用合理的替換算法，例如LRU算法，來選擇緩存中哪些數(shù)據(jù)需要被替換。Cache存儲(chǔ)器的映射方式直接映射直接映射方式簡(jiǎn)單，成本低，但易發(fā)生沖突，性能較差。全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射靈活性高，沖突率低，性能最佳，但成本高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射結(jié)合了前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，性能和成本都比較均衡，應(yīng)用最廣泛。Cache存儲(chǔ)器的替換算法LRU算法最近最少使用算法，根據(jù)數(shù)據(jù)塊最近使用的時(shí)間來決定替換哪個(gè)數(shù)據(jù)塊。最近使用的數(shù)據(jù)塊最可能被再次使用，因此替換最久未使用的。FIFO算法先進(jìn)先出算法，根據(jù)數(shù)據(jù)塊進(jìn)入緩存的順序來決定替換哪個(gè)數(shù)據(jù)塊。先進(jìn)入緩存的數(shù)據(jù)塊，最先被替換出緩存。隨機(jī)算法隨機(jī)算法，隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行替換。OPT算法最優(yōu)替換算法，選擇將來最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問的數(shù)據(jù)塊替換。該算法只能在知道未來訪問順序的情況下才能實(shí)現(xiàn)。Cache存儲(chǔ)器的寫策略1寫直寫數(shù)據(jù)寫入時(shí)直接寫入主存，并同時(shí)寫入緩存。這種方式保證數(shù)據(jù)一致性，但效率較低。2寫回?cái)?shù)據(jù)寫入時(shí)僅寫入緩存，僅當(dāng)緩存塊被替換時(shí)才寫入主存。這種方式效率較高，但數(shù)據(jù)一致性需要特殊處理。3寫分配僅當(dāng)緩存中已有該數(shù)據(jù)塊時(shí)才進(jìn)行寫入操作。這種方式兼顧了效率和一致性。4寫不分配不進(jìn)行緩存寫入，僅寫入主存，適合于寫操作頻繁的場(chǎng)景?？偩€仲裁機(jī)制集中式仲裁集中式仲裁由一個(gè)專門的仲裁器負(fù)責(zé)分配總線控制權(quán)。仲裁器根據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則選擇一個(gè)設(shè)備使用總線。分布式仲裁分布式仲裁中，每個(gè)設(shè)備都參與仲裁過程，通過競(jìng)爭(zhēng)的方式來獲取總線控制權(quán)。鏈?zhǔn)街俨面準(zhǔn)街俨弥?，設(shè)備以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)仲裁線。當(dāng)一個(gè)設(shè)備想要使用總線時(shí)，它會(huì)將自己的仲裁線置為低電平。獨(dú)立請(qǐng)求仲裁獨(dú)立請(qǐng)求仲裁中，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)立的總線請(qǐng)求線。仲裁器會(huì)根據(jù)請(qǐng)求線的優(yōu)先級(jí)來分配總線控制權(quán)。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)是指將不同速度、不同容量、不同價(jià)格的存儲(chǔ)器按照速度由快到慢、容量由小到大、價(jià)格由高到低的順序進(jìn)行組合，形成一個(gè)多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)充分利用了各種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能和性價(jià)比，并能夠滿足不同應(yīng)用的需求。存儲(chǔ)器系統(tǒng)的性能指標(biāo)指標(biāo)描述訪問速度存儲(chǔ)器讀寫操作的時(shí)間，單位為納秒容量存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)或字帶寬存儲(chǔ)器每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，單位為字節(jié)/秒成本存儲(chǔ)器每單位容量的價(jià)格，單位為元/字節(jié)功耗存儲(chǔ)器工作時(shí)消耗的功率，單位為瓦存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)地址譯碼地址譯碼電路用于將CPU發(fā)出的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖器用于在CPU和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，避免CPU和存儲(chǔ)器之間速度不匹配造成數(shù)據(jù)丟失?？刂齐娐房?/p>