《存儲器系統(tǒng)B》課件

存儲器系統(tǒng)B本課程將深入探討存儲器系統(tǒng)的各個組成部分及其工作原理。從硬件和軟件兩個層面,全面系統(tǒng)地介紹不同類型存儲器的特點、性能和應(yīng)用場景。課程簡介課程概覽本課程旨在深入探討存儲器系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和設(shè)計原理,涵蓋半導(dǎo)體存儲器、主存儲器、高速緩存以及磁性存儲器等。學(xué)習(xí)內(nèi)容通過系統(tǒng)講解存儲器的分類、工作原理、性能指標(biāo)以及發(fā)展趨勢,幫助學(xué)生全面掌握存儲器系統(tǒng)的設(shè)計知識。實踐應(yīng)用結(jié)合實際工程案例,培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識進(jìn)行存儲器系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的能力。課程目標(biāo)提高理解能力通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠更好地理解計算機(jī)存儲系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計特點。掌握重要知識點學(xué)習(xí)存儲器分類、DRAM、SRAM等主要存儲器技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。培養(yǎng)創(chuàng)新能力鍛煉學(xué)生的分析問題和解決問題的能力,為將來從事存儲器設(shè)計工作打下堅實基礎(chǔ)。存儲器分類根據(jù)存儲器技術(shù)存儲器按照其存儲技術(shù)可分為半導(dǎo)體存儲器、磁性存儲器和光學(xué)存儲器等。這些存儲技術(shù)各有特點,適用于不同的應(yīng)用場景。根據(jù)存儲器功能存儲器還可以按照主存儲器、輔助存儲器和緩存存儲器等功能進(jìn)行分類。主存儲器用于直接存儲和訪問數(shù)據(jù),輔助存儲器用于大容量存儲,緩存存儲器用于加速訪問速度。根據(jù)存儲器特性按照存儲器特性,存儲器可分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。RAM可讀寫,ROM只能讀取不能寫入。根據(jù)存儲時間存儲器還可以分為易失性存儲器和非易失性存儲器。易失性存儲器斷電后數(shù)據(jù)丟失,非易失性存儲器斷電后數(shù)據(jù)仍保存。半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器是一種基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制造的數(shù)字存儲設(shè)備。它具有體積小、訪問速度快、功耗低等優(yōu)點。常見的半導(dǎo)體存儲器包括動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)和閃存等。它們廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備等領(lǐng)域。主存儲器主存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分之一,負(fù)責(zé)臨時存儲數(shù)據(jù)和指令,為中央處理器提供訪問。它通過高速的接口與CPU直接通信,是CPU與外圍設(shè)備之間的橋梁。主存儲器由多個存儲單元組成,每個單元都有唯一的地址編碼。CPU通過地址總線尋址訪問存儲單元,通過數(shù)據(jù)總線讀寫數(shù)據(jù)。主存儲器的容量和訪問速度直接影響計算機(jī)系統(tǒng)的整體性能。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)1存儲元件DRAM利用電容存儲數(shù)據(jù),每個存儲單元由一個晶體管和一個電容組成。2數(shù)據(jù)存儲DRAM需要定期刷新電容以保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失,這是其區(qū)別于SRAM的關(guān)鍵特點。3工作速度DRAM的訪問速度比SRAM略慢,但其制造成本更低,應(yīng)用廣泛。4低功耗設(shè)計DRAM通過電壓和電流控制優(yōu)化,可實現(xiàn)低功耗動態(tài)隨機(jī)存儲設(shè)計。DRAM基本結(jié)構(gòu)動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)采用單個晶體管和一個電容的基本單元結(jié)構(gòu)。每個單元儲存一個二進(jìn)制位的信息。當(dāng)電容充電時表示"1"，放電時表示"0"。整個DRAM由成千上萬個這樣的基本單元組成，構(gòu)成一個二維矩陣結(jié)構(gòu)。DRAM采用行列地址選擇方式訪問數(shù)據(jù)。行地址選擇行中的某個單元，列地址選擇該行中的某個單元。通過控制邏輯電路完成DRAM的讀寫操作。DRAM工作原理1數(shù)據(jù)存儲DRAM利用電容器來存儲數(shù)據(jù)位。每個存儲單元由一個電容器和一個晶體管組成,電容器的充電狀態(tài)代表數(shù)據(jù)"1"或"0"。2讀寫操作當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時,通過對應(yīng)的行線和列線施加電壓,可以檢測電容器的充電狀態(tài),從而讀取存儲的數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)時則反向充放電電容器。3刷新機(jī)制由于電容器會自然放電,DRAM需要定期對存儲單元進(jìn)行刷新操作,以保證數(shù)據(jù)不丟失。這是DRAM與SRAM的一個主要區(qū)別。DRAM設(shè)計特點集成度高DRAM能集成大量存儲單元，容量大而體積小，對系統(tǒng)集成度有重要貢獻(xiàn)。功耗低DRAM設(shè)計有優(yōu)化功耗的機(jī)制，避免在無數(shù)據(jù)訪問時浪費過多能量。成本低廉DRAM采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝，可批量生產(chǎn)，單元成本較低?？蓴U(kuò)展性強(qiáng)DRAM可通過優(yōu)化工藝、增加存儲單元提高容量，滿足不同應(yīng)用需求。DRAM讀寫操作1行地址選通選擇讀寫的行地址2數(shù)據(jù)讀出從對應(yīng)的行中讀取數(shù)據(jù)3列地址選通選擇讀寫的列地址4數(shù)據(jù)寫入將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的單元格DRAM的讀寫操作包括行地址選通、數(shù)據(jù)讀出、列地址選通和數(shù)據(jù)寫入四個步驟。首先通過行地址選通選擇要讀寫的行，然后從對應(yīng)的行中讀出數(shù)據(jù)。接著通過列地址選通選擇要讀寫的列，最后完成數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。該過程確保了DRAM的高效訪問和數(shù)據(jù)存取。DRAM刷新機(jī)制定期刷新DRAM單元中存儲的數(shù)據(jù)會隨時間逐漸丟失,需要定期刷新以維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。自動刷新DRAM芯片內(nèi)部會自動執(zhí)行刷新操作,無需CPU參與,提高系統(tǒng)性能。行刷新DRAM采用逐行刷新的機(jī)制,每隔一段時間就對每一行進(jìn)行刷新,確保全部存儲區(qū)域得到及時更新。定時刷新DRAM通常會按照預(yù)設(shè)的刷新時間間隔,定期進(jìn)行全面刷新,保證存儲數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。DRAM性能指標(biāo)30ns訪問時間DRAM的典型訪問時間為30納秒級2400Mbps數(shù)據(jù)帶寬現(xiàn)代DRAM可以實現(xiàn)2400Mb/s的高數(shù)據(jù)帶寬8GB存儲容量單顆DRAM芯片容量可達(dá)8GB以上100pJ能耗最新DRAM單位比特能耗僅100皮焦耳DRAM發(fā)展趨勢容量提升單顆DRAM芯片的容量將持續(xù)提升,現(xiàn)已達(dá)到數(shù)百GB級別,滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求。制程縮小DRAM制造工藝將不斷縮小,從而實現(xiàn)更高的集成度和性能,同時降低成本。功耗降低新型DRAM架構(gòu)和工藝的發(fā)展將大幅降低DRAM的功耗,提高能源效率。接口升級DRAM接口技術(shù)的不斷更新,如DDR、LPDDR等,將進(jìn)一步提升傳輸帶寬和能效。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)SRAM基本結(jié)構(gòu)SRAM采用六個晶體管組成的存儲單元,可以穩(wěn)定地保存一位數(shù)據(jù),無需刷新操作。這種結(jié)構(gòu)簡單但運行速度快,是主存儲器和高速緩存的理想選擇。SRAM工作原理SRAM通過兩個交叉耦合的反相器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀寫。當(dāng)給定地址時,存儲單元的兩個狀態(tài)之一將被選中并放在位線上進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮?。SRAM性能指標(biāo)SRAM具有訪問時間快、功耗低、可靠性高等優(yōu)點,但容量有限且成本較高。它通常用于高速緩存和寄存器文件等對速度要求較高的領(lǐng)域。SRAM基本結(jié)構(gòu)SRAM(StaticRandomAccessMemory)的基本結(jié)構(gòu)由多個存儲單元組成,每個存儲單元包含6個晶體管,采用雙穩(wěn)態(tài)鎖存器電路結(jié)構(gòu)。SRAM具有讀寫速度快、功耗低等特點,廣泛應(yīng)用于CPU緩存、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。SRAM存儲單元的6個晶體管分為兩部分:一個存儲雙穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的鎖存器,和兩個用于讀寫控制的通道晶體管。通過行列地址選擇,可以對每個存儲單元進(jìn)行獨立的讀寫控制。SRAM工作原理穩(wěn)定狀態(tài)SRAM單元包含兩個交叉連接的反相器,形成穩(wěn)定的互鎖狀態(tài)。單元呈現(xiàn)0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。讀取操作通過選通對應(yīng)行線,將單元的存儲狀態(tài)傳輸?shù)搅芯€上,并通過放大器檢測得到輸出數(shù)據(jù)。寫入操作向列線施加電壓,通過選通行線改變單元的二進(jìn)制狀態(tài),完成數(shù)據(jù)的寫入。SRAM設(shè)計特點低功耗SRAM設(shè)計通常采用低功耗工藝技術(shù),以減少功耗并提高能效。高速特性SRAM讀寫操作非?？焖?延遲時間短,適合CPU主存使用。易失性存儲SRAM需要持續(xù)供電才能保存數(shù)據(jù),斷電后數(shù)據(jù)會丟失。小尺寸集成SRAM單元結(jié)構(gòu)簡單,可以高度集成在芯片上,占用面積小。SRAM讀寫操作1讀操作根據(jù)地址選擇需要讀取的單元格，并將存儲的數(shù)據(jù)傳出2寫操作根據(jù)地址選擇需要寫入的單元格，將新的數(shù)據(jù)寫入其中3不破壞性讀取讀操作不會改變單元格中已存儲的數(shù)據(jù)SRAM可以進(jìn)行高速讀寫操作,因為它采用觸發(fā)器電路作為存儲單元,不需要刷新操作。但由于每個存儲單元需要更多晶體管,因此成本較高,適用于對速度要求更高的場合。SRAM性能指標(biāo)SRAM作為構(gòu)建高速緩存的主要器件,其性能指標(biāo)直接影響緩存的性能。包括訪問時間、功耗、集成度和價格等指標(biāo)。這些指標(biāo)反映了SRAM在不同應(yīng)用場景中的優(yōu)缺點,需要根據(jù)具體需求進(jìn)行權(quán)衡取舍。SRAM應(yīng)用領(lǐng)域1高速緩存SRAM常用作CPU和內(nèi)存之間的高速緩存,提高系統(tǒng)性能。2可編程邏輯器件SRAM可用作FPGA和CPLD等可編程邏輯器件的存儲元件。3嵌入式系統(tǒng)SRAM廣泛應(yīng)用于微控制器、數(shù)字信號處理器等嵌入式系統(tǒng)中。4高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SRAM可用作路由器、交換機(jī)等高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的緩存和緩沖存儲器。存儲器層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)存儲器系統(tǒng)通常采用分層的存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計,從快速但容量小的高速緩存到容量大但訪問速度慢的磁盤存儲器。這種分層設(shè)計可以充分利用不同存儲器技術(shù)的優(yōu)缺點,提高整個系統(tǒng)的性能和成本效益。存儲器層次結(jié)構(gòu)包括寄存器、高速緩存、主存儲器(RAM/ROM)、磁盤存儲器等不同級別,以滿足CPU對數(shù)據(jù)和指令的讀寫需求。更高級別的存儲器擁有更大的容量,但響應(yīng)時間也更長。合理配置存儲器層次可以提高系統(tǒng)整體性能。高速緩存高速緩存作用高速緩存是位于CPU和主存儲器之間的一個小容量但高速的存儲器,可以有效減少CPU訪問主存的時間,提高系統(tǒng)性能。高速緩存結(jié)構(gòu)高速緩存通常由高速靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)實現(xiàn),分為一級緩存、二級緩存等多個層次。高速緩存工作原理當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時,首先檢查高速緩存,如果數(shù)據(jù)在緩存中(命中),則直接從緩存中讀取,否則(未命中)從主存取數(shù)據(jù)。高速緩存分類1按層次分包括一級緩存、二級緩存以及更高級別的緩存。層次越高,容量和訪問時間越大。2按位置分內(nèi)置式緩存集成在CPU芯片內(nèi)部,外置式緩存位于CPU外部。3按寫策略分寫回式和寫穿式。前者先寫緩存,后寫主存,后者直接寫主存。4按關(guān)聯(lián)度分直接映射、全關(guān)聯(lián)和組相聯(lián)。關(guān)聯(lián)度越高,靈活性越強(qiáng)但復(fù)雜度也越高。高速緩存基本工作原理數(shù)據(jù)訪問CPU首先嘗試從高速緩存中讀取所需數(shù)據(jù)。命中判斷如果數(shù)據(jù)在高速緩存中找到,則命中,否則為未命中。數(shù)據(jù)傳輸若命中,將數(shù)據(jù)從高速緩存快速傳輸?shù)紺PU;若未命中,則從主存加載數(shù)據(jù)到高速緩存。更新數(shù)據(jù)將新加載的數(shù)據(jù)更新到高速緩存,以備將來訪問。高速緩存性能指標(biāo)緩存容量緩存可存儲的數(shù)據(jù)量大小,決定了能夠緩存的數(shù)據(jù)規(guī)模。容量越大,能夠緩存更多數(shù)據(jù),緩存命中率越高。緩存命中率數(shù)據(jù)請求被緩存命中的概率。命中率越高,性能越好,因為數(shù)據(jù)無需從內(nèi)存中讀取。緩存訪問時間處理器訪問緩存數(shù)據(jù)所需的時間。訪問時間越短,處理器可以更快地獲取所需數(shù)據(jù)。緩存帶寬緩存每單位時間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。帶寬越大,緩存吞吐量越高,對處理器性能影響越大。高速緩存設(shè)計優(yōu)化緩存容量合理設(shè)置緩存大小可提高命中率，但需權(quán)衡成本和增加的復(fù)雜性。緩存替換算法選擇適當(dāng)?shù)奶鎿Q算法可最大化命中率,如LRU、FIFO等。緩存組相聯(lián)度調(diào)整組相聯(lián)度可以平衡命中率和訪問延遲,提升整體性能。存儲體優(yōu)化通過優(yōu)化存儲陣列布局、讀寫控制等提升緩存的工作頻率和帶寬。磁性存儲器磁性存儲器采用磁性材料作為存儲介質(zhì),利用磁性材料的特性來記錄和存儲信息。常見的磁性存儲器包括磁盤存儲器和磁帶存儲器。這類存儲器具有大容量、高可靠性和低成本等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各類計算機(jī)系統(tǒng)中。磁性存儲器具有非易失性特點,即在斷電后數(shù)據(jù)仍可保存,為計算機(jī)系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)存儲解決方案。隨著技術(shù)的發(fā)展,磁性存儲器的容量和性能不斷提高,滿足了大數(shù)據(jù)時代日益增長的存儲需求。磁盤存儲器磁盤存儲器是一種應(yīng)用廣泛的大容量非易失性存儲設(shè)備。它采用磁性記錄技術(shù),在磁性介質(zhì)上存儲數(shù)據(jù),具有快速訪問、大容量和數(shù)據(jù)永久保存的特點。磁盤驅(qū)動器廣泛應(yīng)用于個人電腦、服務(wù)器等各類計算機(jī)系統(tǒng)中。磁盤存儲器的主要組成部分包括磁盤、讀寫磁頭和磁頭定位機(jī)構(gòu)等。隨著制造工藝的不斷進(jìn)步,磁盤存儲器的容量和性能得到不斷提升。未來,基于新型磁記錄技術(shù)的高密度磁盤存儲器將會進(jìn)一步發(fā)展。磁帶存儲器磁帶存儲器是一種基于磁性媒體的大容量備份存儲設(shè)備。它利用磁性涂層材料記錄數(shù)據(jù),具