《存儲(chǔ)器外部電路》課件

存儲(chǔ)器外部電路存儲(chǔ)器外部電路是連接存儲(chǔ)器芯片與其他系統(tǒng)部件的重要電路。它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制、地址譯碼、數(shù)據(jù)輸入輸出等功能。了解存儲(chǔ)器外部電路的工作原理對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)至關(guān)重要。課程簡(jiǎn)介1重點(diǎn)介紹本課程將詳細(xì)講解存儲(chǔ)器外部電路的基本原理和設(shè)計(jì),涵蓋了存儲(chǔ)器的分類(lèi)、工作原理、存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及電路性能指標(biāo)。2知識(shí)體系課程內(nèi)容包括存儲(chǔ)器控制電路、地址譯碼電路、讀寫(xiě)控制電路和數(shù)據(jù)輸入輸出電路等關(guān)鍵部分。3實(shí)踐應(yīng)用通過(guò)深入分析存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展技術(shù)以及與CPU的接口,為學(xué)生未來(lái)的工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。存儲(chǔ)器基礎(chǔ)知識(shí)回顧存儲(chǔ)器基礎(chǔ)存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的關(guān)鍵部件。它包括各種不同的存儲(chǔ)技術(shù)和結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中,每個(gè)單元可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位(bit)。存儲(chǔ)容量取決于單元數(shù)量。存取特性存儲(chǔ)器能快速隨機(jī)存取任意存儲(chǔ)單元,讀寫(xiě)速度快且可重復(fù)使用。這些特性決定了存儲(chǔ)器的性能。存儲(chǔ)器分類(lèi)按存儲(chǔ)器的工作方式分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。RAM可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作,而ROM只能讀取不能寫(xiě)入。按存儲(chǔ)器的揮發(fā)性分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。易失性存儲(chǔ)器斷電后會(huì)丟失數(shù)據(jù),非易失性存儲(chǔ)器斷電不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。按存儲(chǔ)器的集成度分為小規(guī)模集成存儲(chǔ)器(SSI)、中規(guī)模集成存儲(chǔ)器(MSI)和大規(guī)模集成存儲(chǔ)器(LSI)等。集成度越高,存儲(chǔ)容量也越大。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)集成電路結(jié)構(gòu)SRAM使用集成電路技術(shù)制造,采用CMOS工藝,集成度高,可集成成千上萬(wàn)個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)SRAM的存儲(chǔ)單元由6個(gè)晶體管組成,實(shí)現(xiàn)電路的寫(xiě)入、保持和讀取功能。讀寫(xiě)電路SRAM采用地址譯碼、讀寫(xiě)控制、輸入輸出緩沖等電路對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行高速讀寫(xiě)操作。SRAM的工作原理1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)SRAM利用雙穩(wěn)態(tài)反饋電路存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)。2讀取過(guò)程通過(guò)位線和字線選擇存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀取。3寫(xiě)入過(guò)程向位線施加電壓改變存儲(chǔ)單元狀態(tài)。SRAM的工作主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取和寫(xiě)入三個(gè)過(guò)程。它利用雙穩(wěn)態(tài)反饋電路保持存儲(chǔ)狀態(tài),通過(guò)選擇位線和字線來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。這種工作機(jī)制使SRAM具有數(shù)據(jù)保持時(shí)間長(zhǎng)、讀寫(xiě)速度快的特點(diǎn)。SRAM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)SRAM的存儲(chǔ)單元采用了反向耦合的六管晶體管電路結(jié)構(gòu),由兩個(gè)互鎖的反相器組成,形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)的存儲(chǔ)單元。這種結(jié)構(gòu)能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài),即使斷電后也不會(huì)丟失存儲(chǔ)內(nèi)容。存儲(chǔ)單元的優(yōu)點(diǎn)是讀取和寫(xiě)入速度快,能夠?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)訪問(wèn),但缺點(diǎn)是功耗較高,并且單元面積較大,難以實(shí)現(xiàn)高密度集成。SRAM的讀取和寫(xiě)入過(guò)程1地址選擇通過(guò)地址總線尋址選擇目標(biāo)存儲(chǔ)單元2讀取/寫(xiě)入將數(shù)據(jù)從/寫(xiě)入到存儲(chǔ)單元3信號(hào)控制讀寫(xiě)控制信號(hào)控制讀取或?qū)懭氩僮鱏RAM的讀取和寫(xiě)入過(guò)程包括三個(gè)主要步驟:首先通過(guò)地址總線選擇目標(biāo)存儲(chǔ)單元;然后執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮?將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元中讀出或?qū)懭?整個(gè)過(guò)程由讀寫(xiě)控制信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。這種精細(xì)的工作機(jī)制確保了SRAM的高速和可靠性。SRAM電路性能指標(biāo)SRAM電路主要性能指標(biāo)包括訪問(wèn)時(shí)間、功耗、存儲(chǔ)密度和可靠性等。這些指標(biāo)直接決定了SRAM在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)是一種常見(jiàn)的主存儲(chǔ)器芯片。它利用電容器存儲(chǔ)數(shù)據(jù),需要定期刷新以防止數(shù)據(jù)丟失。DRAM具有簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、工業(yè)控制、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。DRAM的存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成,通過(guò)控制晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。整個(gè)存儲(chǔ)陣列采用行列地址線進(jìn)行尋址訪問(wèn),單元單元都能獨(dú)立讀寫(xiě)。DRAM的工作原理1儲(chǔ)存原理DRAM利用電容器的充放電原理來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。電容器的充電狀態(tài)代表1,放電狀態(tài)代表0。2刷新機(jī)制由于電容器不可能永遠(yuǎn)保持充電狀態(tài),DRAM需要定期對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行充電刷新,保證數(shù)據(jù)不丟失。3讀寫(xiě)過(guò)程DRAM通過(guò)行地址選擇和列地址選擇來(lái)讀寫(xiě)單個(gè)存儲(chǔ)單元,并通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DRAM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的存儲(chǔ)單元采用電容電路來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)訪問(wèn)晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)電容器組成。當(dāng)選通電壓加在訪問(wèn)晶體管的柵極時(shí),存儲(chǔ)電容器會(huì)被充電或放電,從而存儲(chǔ)1或0的數(shù)據(jù)。DRAM存儲(chǔ)單元具有較高的集成度,但數(shù)據(jù)需要定期刷新以防止丟失。因此DRAM設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,需要額外的刷新電路。DRAM的讀取和寫(xiě)入過(guò)程行地址選擇首先,DRAM控制電路會(huì)選擇需要讀寫(xiě)的行地址。行激活然后,會(huì)激活相應(yīng)的行,將存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)送到位線上。列地址選擇接著,控制電路會(huì)選擇需要讀寫(xiě)的列地址。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)最后,控制電路完成對(duì)應(yīng)的讀取或?qū)懭氩僮?。DRAM電路性能指標(biāo)250M存儲(chǔ)密度每芯片可達(dá)250兆位存儲(chǔ)容量400訪問(wèn)速度內(nèi)存周期時(shí)間可達(dá)400毫秒25W功耗單芯片功耗一般在25瓦以?xún)?nèi)存儲(chǔ)器控制電路地址譯碼存儲(chǔ)器控制電路負(fù)責(zé)將CPU提供的地址譯碼為具體的行和列選擇信號(hào),以訪問(wèn)目標(biāo)存儲(chǔ)單元。讀寫(xiě)控制控制電路還需要根據(jù)CPU的讀寫(xiě)命令,生成相應(yīng)的讀寫(xiě)控制信號(hào),保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。數(shù)據(jù)緩存為了緩解CPU與存儲(chǔ)器之間的速度差異,控制電路還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出緩存。電源管理對(duì)于DRAM等易揮發(fā)性存儲(chǔ)器,控制電路還需要負(fù)責(zé)其電源的管理,保證數(shù)據(jù)的持久性。地址譯碼電路1地址解碼地址譯碼電路能夠?qū)⒌刂沸盘?hào)轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)單元的選擇信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的定址和選擇。2地址線數(shù)量地址線的數(shù)量決定了存儲(chǔ)容量,每個(gè)地址線提供1位地址信息。3譯碼器電路地址譯碼電路通常由多級(jí)譯碼器電路實(shí)現(xiàn),可以將二進(jìn)制地址轉(zhuǎn)換成獨(dú)熱碼信號(hào)。4性能指標(biāo)譯碼速度、功耗、集成度是地址譯碼電路的重要性能指標(biāo)。讀寫(xiě)控制電路讀取控制讀取控制電路負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器的讀取操作。它根據(jù)系統(tǒng)總線上的控制信號(hào)確定何時(shí)從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU。寫(xiě)入控制寫(xiě)入控制電路負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器的寫(xiě)入操作。它根據(jù)系統(tǒng)總線上的控制信號(hào)確定何時(shí)向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入數(shù)據(jù),并從CPU中獲取要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。時(shí)序控制讀寫(xiě)控制電路還需要提供精確的時(shí)序,以確保讀取和寫(xiě)入操作的正確執(zhí)行。它需要協(xié)調(diào)存儲(chǔ)器與CPU之間的交互。狀態(tài)管理讀寫(xiě)控制電路還需要跟蹤存儲(chǔ)器的狀態(tài),以確保操作的正確性。它需要監(jiān)控存儲(chǔ)器的忙碌狀態(tài)并相應(yīng)地控制讀寫(xiě)操作。數(shù)據(jù)輸入輸出電路數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于在存儲(chǔ)器和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)。其寬度決定了單次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。讀寫(xiě)控制讀寫(xiě)控制電路根據(jù)CPU的指令決定數(shù)據(jù)的傳輸方向和時(shí)序。確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。緩沖放大數(shù)據(jù)輸入輸出電路需要緩沖放大能力,以驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器和其他設(shè)備的負(fù)載。存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器系統(tǒng)包含多個(gè)層次的存儲(chǔ)設(shè)備,從最快但容量小的高速緩存到最慢但容量大的外存設(shè)備。各層次之間通過(guò)總線連接,形成整體的存儲(chǔ)系統(tǒng)。存儲(chǔ)器總線存儲(chǔ)器總線負(fù)責(zé)CPU和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸,包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。總線的設(shè)計(jì)直接影響存儲(chǔ)器系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展性。CPU與存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器系統(tǒng)需要與CPU進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換,接口電路負(fù)責(zé)管理讀寫(xiě)操作、同步時(shí)序、緩存一致性等關(guān)鍵功能。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)1主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器提供可直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間,是計(jì)算機(jī)的主要工作區(qū)域。它包括SRAM和DRAM等不同類(lèi)型的內(nèi)存芯片。2高速緩存存儲(chǔ)器高速緩存存儲(chǔ)器位于CPU和主存之間,以更快的訪問(wèn)速度彌補(bǔ)主存的性能差距。它可以大大提高系統(tǒng)的整體性能。3外部存儲(chǔ)器外部存儲(chǔ)器主要包括硬盤(pán)、光驅(qū)等大容量存儲(chǔ)設(shè)備,它們提供了更大的存儲(chǔ)空間,但訪問(wèn)速度較慢。高速緩存存儲(chǔ)器高速緩存存儲(chǔ)器是介于CPU和主存之間的一種快速訪問(wèn)的臨時(shí)存儲(chǔ)器。它可以有效地緩解CPU與主存之間的速度差異,提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。高速緩存存儲(chǔ)器的工作原理是根據(jù)程序的局部性原理,將頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令快速緩存到高速緩存中,以減少對(duì)主存的訪問(wèn)。高速緩存存儲(chǔ)器的容量雖然較小,但訪問(wèn)速度卻大大高于主存。通過(guò)合理的緩存策略和替換算法,可以大幅提高系統(tǒng)的整體性能。與CPU的接口CPU控制信號(hào)存儲(chǔ)器與CPU通過(guò)總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。存儲(chǔ)器映射CPU通過(guò)地址總線訪問(wèn)存儲(chǔ)器,每個(gè)存儲(chǔ)單元都有唯一的地址。將存儲(chǔ)器映射到CPU地址空間。時(shí)序協(xié)議CPU和存儲(chǔ)器需通過(guò)時(shí)序協(xié)議進(jìn)行讀寫(xiě)等操作,如CPU握手信號(hào)、讀寫(xiě)周期等。保證數(shù)據(jù)正確傳輸。存儲(chǔ)器總線定義存儲(chǔ)器總線是連接CPU和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。它負(fù)責(zé)傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信號(hào)。功能存儲(chǔ)器總線能實(shí)現(xiàn)CPU與存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)交換,為CPU提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。類(lèi)型常見(jiàn)的存儲(chǔ)器總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線,分別用于傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信號(hào)。性能指標(biāo)總線寬度、傳輸速率和時(shí)序特性是決定存儲(chǔ)器總線性能的關(guān)鍵指標(biāo)。存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)容量擴(kuò)展通過(guò)增加存儲(chǔ)芯片數(shù)量或使用大容量存儲(chǔ)器芯片來(lái)擴(kuò)大存儲(chǔ)容量。同時(shí)需要考慮電源、散熱等因素。速度擴(kuò)展采用并行訪問(wèn)技術(shù)、高速總線等方式提高存儲(chǔ)訪問(wèn)速度。還可利用高速緩存存儲(chǔ)器優(yōu)化系統(tǒng)性能?？煽啃詳U(kuò)展通過(guò)使用糾錯(cuò)碼、熱備份等技術(shù)提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，確保數(shù)據(jù)安全性。成本優(yōu)化在滿足性能和可靠性需求的前提下，合理選擇成本較低的存儲(chǔ)器技術(shù)和架構(gòu)。容量擴(kuò)展模塊化設(shè)計(jì)采用可拆卸的模塊化設(shè)計(jì),便于根據(jù)需求靈活擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。堆疊式存儲(chǔ)利用垂直堆疊的多層存儲(chǔ)器芯片技術(shù),在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。容量?jī)?yōu)化通過(guò)存儲(chǔ)密度優(yōu)化和設(shè)備集成度提高,不斷擴(kuò)大單芯片容量。異構(gòu)融合將不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器如DRAM和NANDFlash集成在同一芯片上,實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)。速度擴(kuò)展1緩存技術(shù)引入高速緩存存儲(chǔ)器可以顯著提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)速度,減少存儲(chǔ)器與CPU之間的速度差距。2并行存取通過(guò)多個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立工作,可以實(shí)現(xiàn)多通道并行存取,大幅提升整體存取速度。3存儲(chǔ)介質(zhì)優(yōu)化采用諸如固態(tài)硬盤(pán)(SSD)等更快的存儲(chǔ)介質(zhì),可以顯著提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)速度?？煽啃詳U(kuò)展冗余存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)冗余技術(shù),如RAID技術(shù),可以提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)可用性。糾錯(cuò)編碼在存儲(chǔ)單元中采用糾錯(cuò)編碼技術(shù),可以有效檢測(cè)和修正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。備份與恢復(fù)定期備份數(shù)據(jù),并制定完善的容災(zāi)預(yù)案,可以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)在發(fā)生故障時(shí)能夠得到恢復(fù)。小結(jié)系統(tǒng)概述本課程全面介紹了存儲(chǔ)器的基本知識(shí)、分類(lèi)、工作原理、電路結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)以及各類(lèi)控制電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)內(nèi)容討論了SRAM和DRAM的工作機(jī)制、存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)、讀寫(xiě)過(guò)程，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。思考提示課程還闡述了存儲(chǔ)器系統(tǒng)的擴(kuò)展技術(shù),以及存儲(chǔ)器與CPU的接口,供學(xué)生進(jìn)一步思考和探討。思考題