半导体存储器概述在线视频

大家好 我们已经学习完了

有关8086的指令系统

也学习完了汇编语言的

一些程序设计的方法

那么也就是说

我们现在应该已经具备

利用汇编语言编写

一些简单程序的基础

也就是说具有一定的

软件的设计的基础了

那么从这一讲开始

我们开始涉及我们这门课中

和硬件技术相关的一些内容

今天 我们先来学习半导体存储器

之前我们也接触到半导体存储器

或者说存储器的很多的概念

我们在学习指令集的时候

我们曾今学过 比如用MOVE指令

去读内存或者写内存

在8086指令集里头

我们一次对内存的操作

可以是一个字节或者是一个字

当时我们所说的内存

我们基本上应该说都是

从逻辑的层面来描述的

也就是说我们说

存储器是由若干个单元来组成

每一个单元都放的是8位二进制码

那么到这一章

我们开始来从芯片的角度

来描述存储器

这一章的第一部分的内容

首先是半导体存储器的一些基本的概念

以及现在微机系统里头的

两种主要的存储器系统的基本概念

那么 因为从这一章我们要

描述的是半导体存储器

而且是从芯片的角度

因此这一章主要希望大家掌握的是这两点

第一个就是

怎么样将一个半导体存储器芯片

实现它和系统的连接

另外 更重要的是

我们如何利用我们已有的

一些存储器芯片

来构造一个我们需要的存储器空间

这就是所谓的半导体存储器的扩展技术

当然 在这样子的一个扩展技术里

最主要希望大家掌握的

是半导体存储器接口电路的设计

最后 我们会花一点时间

简单的给大家介绍

今天计算机中

依然是非常重要的一项内容

就是高速缓冲存储器

或者是Cache

下边 我们先来

为大家介绍

有关半导体存储器的一些基本概念

所谓半导体存储器

是由能够表示二进制0或者1

具有记忆功能的

半导体器件来构成的

我们现在来看下边这个图

这个图就是我们俗称的内存条

在今天的计算机系统中

如果你打开主机箱

你可以看得到

这样一个类似的东西

大家仔细的去看

会发现这个内存条上

实际上它由8片主要的芯片来组成

为什么由这样8片的芯片

才能组成一个内存条？

这一点 我先把问题留给大家

我们在后边的内容中

我们会逐渐回答给你

那么 能够表示一位二进制0

或者说 能够记忆一位0

或者一位1的器件

我们称为存储元

我们已经知道

一个存储单元是由8位

能够存放8位二进制码

那么也就是说

我们一个存储器单元里头

需要有 8个存储元来构成

半导体存储器

总体来讲分成这样两种类型

一种我们称为随机存取存储器

也就是所谓的RAM

还有一种叫做只读存储器

也就是ROM

下面是这两种存储器芯片

是两个不同型号或者不同类型

我们随便选了两个型号

以图片给大家展示一下

所谓RAM 它的最主要的特点

从它的名字上 大家就能够看的出来

就是随机存取

意思就是说 我想读就读想写就写

而只读存储器 从名字上来看

似乎它是只能够读取 而不能够写操作的

其实 这是它们的两个特点

那么随机存取存储器 也就是RAM

它除了能够随时的读和写

这是它的最主要的优势

如果它的这个优势和ROM比起来

有这么明显的话

似乎我们ROM存在就没有价值了

但是 事实上 这个RAM

它也有它的非常大的一个不足

就是说 它必须要有后备电源

意味着 如果掉电的话

RAM上存储的信息就没有了

而ROM 从它的这个名字上

虽然它只读

但是 它不需要后备电源

这就意味着 在断电之后

它上面的信息依然是保存着

因此 这两种类型的存储器芯片是各有千秋

它上面的信息依然
是保存着

也就是说 RAM虽然读写起来很方便

但是 它一定要有电

但是 ROM

它虽然看上去只读

但实际上

我们今天的ROM也是可以写的

但是它的写是非常不方便的

但是不管怎么样

它可以不需要后备电源

也就是关机之后

ROM上面的内容是不会丢掉的

RAM又根据它的存储元的

性质的不一样

又可以细分为这样两种RAM

一种叫静态RAM

还有一种叫动态RAM

所谓静态RAM

就是它的存储元

是由双稳态电路来构成的

双稳态电路

这里给出了大家一个示意图

所谓双稳态

就是任何一个时刻

它都有稳定的状态

那么这种电路

它上面只要有电存在

它上面存放的信息是非常稳定的

就是说 任意一个时刻它的输出

或者0或者1

因此 由这样子的存储元所构成的存储器

它有这样的特点

就是它速度会非常快

信息会非常稳定

但是 它有一个不足

就是它的价格会比较高

所以这种存储元

因为它的稳定性

所以它不需要有复杂的外围的

辅助控制电路

但是因为它价格贵

所以今天 实际上

并没有用它来作为主内存

而是用它来作为

我们刚才提到的

高速缓冲存储器

是用这种存储元来做的

另外一种动态RAM

它的存储元

是由我们很熟悉的电容来做成

大家都知道

电容只要有回路存在

它就有泄露

所以电容上所存放的信息是不稳定的

那么为了保证它上面的存放

原来存的1还要一直是1

原来是0就一直是0

所以我们 必须要在

定时的 要给它保证这一点

也就是说 如果它上面是满电荷

我们定时的要给它再充充电

让它保持满电荷

如果它原来是没有电荷 是放光的

那么我们定期也要给它放放光

让它永远是零电荷

所以

由电容做存储元

所构成的这种DRAM存储器芯片

它的外围

需要有比较复杂的外围控制电路

因为这样子的一些原因

所以这种DRAM存储器

不太适合于我们在教学环境中使用

所以 下边我们要想

我们主要用来做示例

帮助大家

学习存储器芯片和系统连接方法的

我们所选择的存储器芯片

都是这种SRAM型的芯片

以它为主

ROM 我们刚才讲了

从它的名字上 大家看

就是Read Only的缩写

也就是说 它是只读的

但是事实上

真正只有上面这两种是只读的

就是所谓的掩模ROM

和一次性可写ROM

这两种ROM

它都是将我们的程序或者是数据

用光刻的方法

刻写在集成芯片上的

刻写在硅片上的

所以这种ROM芯片上所存放的数据
或者程序

是永远不可能被改变的

就是说你就是把芯片砸烂了

你也不能修改上的数据

所以上面的信息是非常非常的稳定的

也是不可能被病毒之类的感染的

但是这两种芯片因为它这样的特点

所以这种ROM

它就变得非常的不方便

就是说 我们如果现在希望

我们改一下程序或者改一下数据

我们变成了不可能

因此这两种芯片在今天的计算机系统里头

已经不用来作为存储器芯片来使用了

我们今天的计算机系统中的ROM存储器

都是用下边的这两种类型的存储器来

来存放的来使用的

也就是说下边这两种

我们称为可读写的只读存储器

这个说法似乎听上去有点拗口

但是它的确是可写

但是 后边我们会介绍给大家

这种写

和RAM的写

完全是 两回事

RAM 是随便就写了

而ROM的写是要有一定的条件的

半导体存储器芯片从它的指标上来讲

我们有这样一些指标

首先是存储容量

我们之前说

我们在从

第一章一直讲到我们上一章结束

我们说我们针对的8088这个芯片

它的能够管理的内存空间都是1M个字节

我们从来没有 跟大家这样子讲

说它是1M乘8位的存储器

从来都不这样讲

你们今天个人自己的计算机里头

你们的内存可能是8G的 4G的等等

我们也说过8G什么 4G什么呢

实际上是字节

理由就是 你的这个存储器

有8G个单元或者是4G个单元

但是因为在今天的内存中

每个单元里都是8位二进制码

也就是说都是一字节

所以我们也就是说

它是8G个字节或者是4G个字节

但是现在我们说我们已经在讲芯片

所以每一个芯片上

不管它有多少个单元

它不一定

每个单元里都一定是8位二进制

所以我们在半导体存储芯片这个角度上

我们去描述它的存储容量的话

我们都是用这样的表达式

也就是说

存储单元的个数乘以每单元的位数

这样的形式来表示的

比如我们说

某个存储器芯片

它的容量是1M乘1位的

这就意味着这个芯片是有1M个单元

但是一个单元里只有一位二进制

只有一位二进制码的存储器芯片

是不能构成

我们所希望的

或者说我们现在

所说的存储器

那么也就是说

这种容量的芯片

它作为一片芯片

它是没有意义的

那么 如果它的每个单元里

是8位二进制码的话

我们就可以说它是1M乘8位的

也可以写成1M字节

所以未来大家在学这一章的时候

我们说每一个半导体存储器芯片的容量

我们通常给大家是多少乘多少

那么如果是乘8位

我们也可以直接表示成

用一个大的B来表示

就是说多少字节

如果是乘1位的

我们就直接用一个小写的b来描述

就表示它是每单元是一位

除了存储容量以外

作为存储器芯片

它当然只有两种操作 读和写

那么 读也好写也好

对它的都是一种访问

这种访问也就是对它的一种存取的操作

那么每一个半导体存储器芯片

它的第二项技术指标

就是它的所谓的存取时间

所谓存取时间

就是实现一次读或者写

所需要的时间

还有一个和这相关的叫存取周期

就是连续启动两次读写操作

它们所需要的间隔

除了这些之外

当然还有些其他的指标

比如它的功耗 可靠性等等

作为工程上的应用

这些指标都是非常重要的

那么 在我们的教学中

大家知道有这样一项指标就可以了

好 这就是有关半导体存储器

的一些基本的概念和东西

下边我们来为大家介绍

今天微型计算机中的存储器系统

在今天的微机系统中

存储器主要就这两大类

内存和外存

这个大家都清楚没有问题

那么 内存储器又可以细分为

主内存和高速缓冲存储器

大家现在看到的

这个条状的东西就是主内存

高速缓冲存储器就是Cache

因为今天它

很少在主板上能够以独立的芯片存在

所以我们这里也没有截图

那么 外存储器又可以分为

联机外存和脱机外存

所谓联机外存就是我们的硬盘

就是今天计算机的一个标配设备

脱机外存就是包括光盘在内的

各种移动存储设备

我们都可以称为脱机外存

这两种存储器

不论是在工作速度

它的容量

它的价格

制造材料等等各方面

都存在着巨大的差异

这张表里给出了这两大类存储器

它们的一些主要的区别

从容量上来讲

肯定硬盘要比内存要大得多

因为硬盘现在今天我们都是按T来算的

而内存大家都是几个G

而从这个速度上来讲

内存要比外存要快得多

而从价格上来讲

单位容量的价格

也就是每个单元的价格

内存一定比外存要贵得多

制作材料上

内存都是半导体材料

而外存

像硬盘我们都是用磁性材料来做的

而其他的光盘这种

都是复合材料来做的

那么 这两种完全不一样的存储器

我们现在 在整个计算机中

我们希望把它构成一个系统

也就是说

构成这个系统是怎么构呢？

我们将两种完全不一样的存储器

通过软件的方法

或者通过硬件的方法

或者通过软硬件相结合的方法

把它们连接在一起

连接在一起构成这么一个系统

构成这个系统的目的是什么？

就是希望从整个系统的角度来看

也就是说 从我们外边来看这个系统

速度像里边那个快的存储器那么快

它的容量能够像大的那个存储器那么大

而它的价格能够像便宜的那个存储器

那么便宜

也就是说我们希望做到那个最佳组合

是不是能够做到这一点呢？

答案是肯定的

那么下边我们来

通过这两种微机中的

常见的这种存储器系统

给大家简单的解释一下

为什么做到了这一点

今天微机中的存储器系统

主要就是两种

一种叫Cache存储器系统

一种叫虚拟存储器系统

Cache存储器系统是由

高速缓冲存储器和主内存构成的

它们是通过硬件来管理

所以 它们之间的这种信息的交互

完全对程序员是透明的

所谓透明 在计算机中是个专有的名词

也就是说本来一个存在的东西

但是从某个角度看上去它似乎是不存在

那么我们就认为它是透明的

Cache存储器系统的主要的设计目标

就是为了

能够提高整个的存储器速度

因为从容量的角度来讲

主内存的容量今天依然

不能满足我们对信息存储的要求

所以它们所构成的系统

就是希望能够提高存取速度

为什么能够提高存取速度？

就是因为Cache

是用我们刚才说的静态SRAM

来组成的

而这种RAM

因为它的存储元是

类似双稳态电路

这样的一个电路来构成的

所以它们的主要特点

就是速度高

而主内存

通常现在都是由

电容做存储元的这种

半导体芯片来构成

它的特点是价格便宜

容量容易做的很大

但是它的速度比较低

那么 因为内存

主内存跟CPU之间

有很大的速度差异

那么 我们又希望整个系统的存取速度能够高

所以我们才有了这个Cache

下边我们就以Cache存储器为例

来给大家介绍一下

有关存储器系统

为什么能够达到

刚才我们需要的

就是我们希望的 那样子的一个最优组合

Cache存储器在整个

系统中的位置

可以用这个示意图来描述一下

就是说 我们这边是 比如CPU

这边是主内存

因为主内存跟CPU之间的速度差异比较大

那么 就像我们一个人要和一个开着车的人

这边走路 这边开着车 要想说话一样

如果我们不借助手机

又不借助各种步话机

这种通信设备的话

我们要想面对面聊天

唯一的办法就是开着车的那个人

让车怠速前进

而走路的这个人可能还要需要走的比较快

那么 像这样子的话

我们那个车就相当于没必要

我们还不如下来 对吧？

所以这个CPU要想和这个主内存之间

直接进行信息交换的话

那么 唯一的办法就是让CPU慢下来

因为主内存没办法升上去

那么如果要是这样的话

我们就没有必要

让CPU这样一代一代不停地

提高它的性能了 对吧？

所以这种时候我们就

设置了中间这么一个东西

就是高速缓冲存储器

你说我们主内存

为什么不能用Cache来做出

这种半导体存储器芯片

来做这个主内存呢？

当然是可以的

如果要想那样的话

我们内存

也可以把速度做的跟CPU的速度很接近

但是那样的我们成本就会提高

所以为了要降低这个成本

又想达到这个高速的要求

所以这个

我们就中间就加了这么一个东西

这样一个Cache

因为它的存储速度会比较高

今天实际上

我们的一级Cache 二级Cache

都是跟CPU集成在一起了

所以它的速度基本上就是CPU的速度

所以这样子的话

CPU每一次去访问

或者说要去在对存储器

进行读和写的时候

它都是希望

能够直接到Cache中读写

那么你说我的数据实际上

都在内存里 它怎么就到Cache里头呢？

我们待会儿到后边

我们来给大家用一个图来描述

这个图首先让大家感觉到

Cache在整个存储系统中

在Cache存储系统中 它的位置

也就是说 它介于CPU和主内存之间

每一次CPU去访问的时候

它都首先去访问Cache

如果访问到了就OK了

访问不到了它才到内存去

这个是我们用这个示意图来描述给大家

如果它访问Cache 找到了

我们把这个词叫做命中

如果没找到

那么它就不命中

它就再到主存去

如何来保证这个Cache和主内存

构成的样的一个存储器系统

让CPU从它外边的这个角度看上去

整个系统的速度能像Cache这么快

价格能像内存那么便宜

而这个 整个的容量又像主内存那么大

我们用这样子的一个图来描述

这个图 实际上是一个简化版的

有关Cache管理的

Cache存储器管理的一个示意图

Cache因为它很贵

所以一般Cache容量都做的比较小

它小 那么现在是这样

Cache开始的情况下里面是空的

我们把Cache从逻辑上

把它分成一个一个的区或者是一个个的块

假设我们就把它按区算

不同的系统说法是不一样的

那么 比如现在我们这里一道一道的一个区

主内存 也同样划成一个大小一个大小的区

这里的主内存的一个区和Cache的一个区

是完全一样大的

但是因为主内存容量大得多

所以它的区块数会要很多个

那么 在初始情况下

主内存里

因为它的数据或者是信息都是从硬盘里

由操作系统来把它调到主内存

那么 Cache里一开始是空的

那么 主内存里的东西

第一次访问的时候

我们假设我们的CPU要去取我们第一条指令的时候

因为Cache是空的

所以它肯定在Cache里找不到

它一定要到主内存去找

那么到了主内存找到了

这条指令之后 或者是要访问这个的信息之后

根据有一种原理

这种原理称为什么？

称为程序的局部性原理

这一点我们后面讲Cache的时候还会跟大家再讲

所谓局部性原理

就是由人对若干若干的程序

做了若干若干次的测试

后来发现了这么一条规律

这条规律就是什么呢？

就是我们现在访问的

执行的这条指令

在未来的一段时间内

它所要访问的其他指令

都跟我们刚才访问的这条指令

都是很接近的

意思就是说 我这条指令执行完

在绝大多数情况下

我们会执行下一条指令

再下一条指令

即使我们的循环或者分支

我们要走的地方都不是很远

其实现在大家回忆我们前面学的LOOP指令

和各种条件转移指令

它的转移范围都是正负128个字节

都是非常近的

即使是说JUMP这种无条件转移指令

它似乎可以在段间进行转移

但是这种指令 我们是

被提醒 大家是谨慎使用的指令

就是实际上 它用的并不是很多

在程序中大部分时间是循环和条件转移

那么 作为过程调用

我们很多时候也是段内调用

所以 也就是说 它的转移

或者分支也好

循环也好 整个程序结构

它们的距离在一段时间内

各条指令之间的距离都是比较近的

这就是局部性

所以根据这样的局部性

系统就会这样子认为

CPU要访问的第一条指令

如果在这样一个块里的话

它未来很长一段时间

要访问的指令都会在这样一个块的范围内

假设这个块 比如有 2000行指令

那么它就认为 根据这样的局部性原理

它第一条指令 你在这里找

它认为后边的2000条指令

都会在这一块里

所以它就把这2000条指令

给倒进Cache里

倒进Cache里头

这里有个专有名词叫映射

也就是像照相一样

被照进来

连内容带地址

一起被照到了这个Cache里

那么 也就是说

假设我们现在第一个内存第一个单元的地址是0

那么 现在Cache这个第一块第一个单元也是0

好了 这个零号单元里原来内存

里放的是80这个数

那么 倒进来

这个第零号单元也是80这个数

就相当于把这一块给照过来了一样

好 那么根据局部性原理

CPU刚才第一条指令没有在Cache里访问到

到内存去访问了

那么后边的1999条很可能都在这一块里找

都在Cache里能找到

好了 不管怎么样

总归这2000行指令是有执行结束的时候

那么到了第2001行

就没有了

那么这个时候它又要到主内存去找

好了 到内存里再去找过来

那么也同样的根据局部性原理

它又把这一块的数据又搬到Cache里

那么因为Cache要比内存要小得多

现在一般我们建议它是100多比1

120多比1这样的一个比例

那么所以呢

这边可能假设只有2块

可是那边 有那么那么多块

那么总有Cache不够的时候

不够怎么办呢？

它根据各种不同的算法

比如其中有一种算法 它就认为

你下面的2000行都在底下这个块里了

前面那一块已经很长时间没访问了

那么 它就把这一块的内容

又调进到内存中

调回到原来它来的那个地方

重新被写回去

然后 它又从新的地方

再换一块占到开始这个位置

这就是Cache存储系统的一些调度算法

那么从这样一个CPU的角度来讲

CPU看不到它中间的数据是怎么样来回调的

所以从它的角度

它看的是这个虚线框所构成的

总体的一个Cache存储系统

因为在绝大多数情况下

按照我们刚才的描述

在1999条指令的时候

它都能在Cache里找到

只有一条指令在Cache里找不到

假设是这样

那么 它的命中率就会非常的高

所以这种时候 从CPU的角度来看

整个虚线框所构成的这个存储器系统

它的速度就相当于Cache的存储速度

那么它的容量 因为是由内存

一块一块循环搬到Cache里

所以它的容量 从CPU的角度看上去

这个容量 相当于主内存的容量

虽然Cache比较贵

但是因为 它的比例

和主内存比起来它非常小

所以它的整个从系统的角度

它的价格的提升是非常有限的

所以它的价格也就接近于主内存的价格

所以从这样一点来讲

它就达到了我们前面说的

那样一个最佳的组合

对于能够访问到Cache

还是不能够访问到Cache

这个叫命中或者不命中

这个命中率的高低

直接决定了

你这个Cache存储器系统存在的价值

大家可以设想

如果我们100条 每100次访问

有90次在Cache里头找不到

那么我们Cache存储系统就没必要了

但是如果我们100次里有90次

在Cache里都找到了

那么我们存在就是有价值的

所以整个Cache存储器系统的存取时间

就等于它的命中率

乘以对Cache的存取速度

加上存取时间 再加上

不命中率乘上主内存的存取时间

如果用这个大写字母H来表示命中率

用T1来表示这个快速的存储器

也就是这里高速的Cache的存取时间的话

用T2来表示主内存的存取时间

那么我们整个的Cache存储器系统的存取速度

或者存取时间

就可以用底下这个表达式来描述

和Cache存储器系统管理

实际上完全类似的一种

微机中的存储器系统

就是虚拟存储器系统

虚拟存储器

大家的概念是有的

此虚拟存储器系统

是由主内存和部分硬磁盘

来合在一个构成的

它们的管理是由操作系统

来负责管理的

所以由硬盘的数据

什么时候调到了内存

从系统程序员的角度

它们是知道的

但是从我们应用程序员的角度

我们实际上是不知道的

所以整个虚拟存储器系统

对于应用程序员

它是透明的

如果Cache存储器系统

它的设计目标是为了提高

整个系统的存取时间的话

那么虚拟存储器系统

它的设计目标就是扩大存储容量

因为主内存的速度已经都不够我们的要求

那么硬盘的速度就更不够我们要求了

所以整个这个系统 它设计的目标

就是希望能够借助于硬盘

这样一个庞大的存储空间

能够使我们程序员在编写程序的时候

不用再去顾忌我们这个程序

是不是能够在内存里放的下

因为我们的程序要运行的时候

必须要到内存里

变成进程 它才能够运行

所以 我们早先的程序员

因为没有这样的一个操作系统的管理

所以它在编写的时候

它必须要考虑他所编写的程序

是不是能够一次调用到内存

能够放得下

今天我们就已经不再考虑这个问题了

虚拟存储器的管理

也就是说内存到硬盘之间的来回的调度

它的很多的调度算法

跟Cache存储器系统是完全一致的

所以这里

我们也就不再详细的讲下去了

整个微机系统中的存储器从层次角度

有这样子的一个宝塔形的结构

最底下的两层我们称为是外存储器

也就是联机外存和脱机外存

再向上就是内存

包括Cache和主内存

最顶上的就是我们CPU的片内存储器

包括我们的寄存器

还有我们今天的指令缓冲栈

数据缓冲栈等等这些

从这个塔我们可以看出来

越向上它的容量越小

它的价格越高

它的速度越快

越向下 它的容量越大

它的价格越便宜 它的速度越慢

我们这里说的价格

不是整个一块硬盘的价格

而是单位容量的价格

在我们这一章里头

我们不再会去涉及外存储器

我们有关片内存储设备

也就是寄存器

我们在第二章的课程中

已经给大家介绍完了

所以我们下边要学习的内容

主要的就是中间的这一部分

内存储器

好 有关半导体存储器的概述部分

我们就介绍到这里