计算机组成原理（四）

此片主要介绍内存原理

 一、内存

 内存主要是指随机存储器(RAM，Random Access Memory)。其存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

 二、内存分类

PC上常说的内存使用的是DRAM技术，目前常见的内存有:

SDRAM

SDRAM(Syncfronous Dynamic Random-Acess Memory，同步动态随机存取内存)，SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使CPU和RAM能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升沿便开始传递数据，其工作主频在66~150MHz之间。

DDRAM

DDRAM(Double Data Rate SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器，人们习惯称为DDR)，DDRRAM是SDRAM的更新换代产品，他允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能加倍提高SDRAM的速度，随着技术的更新主要有DDR.DDR2,DDR3,DDR4等。

 在嵌入式领域，我们常见的DRAM有SDRAM和DDRRAM。超过128MB的大内存一般都是DDRRAM，在做嵌入式产品设计时，是否能采用DDRRAM 由ARM处理器是否支持这种接口决定。

 三、DRAM

.DRAM内部是由电容来存储数据的，电容里如果有电表示存储1，如果没有电就表示存储0;

·因为电容会漏电，所以DRAM在工作的时候需要刷新电路来不断刷新电容;

 四、DRAM与SRAM

DRAM的结构可谓是简单高效，每一个bit只需要一个晶体管加一个电容。但是电容不可避免的存在漏电现象，如果电荷不足会导致数据出错，因此电容必须被周期性的刷新（预充电)，这也是DRAM的一大特点。而且电容的充放电需要一个过程，刷新频率不可能无限提升（频障)，这就导致DRAM的频率很容易达到上限，即便有先进工艺的支持也收效甚微。

SRAM也由晶体管组成。接通代表1，断开表示0，并且状态会保持到接收了一个改变信号为止。这些晶体管不需要刷新，但停机或断电时，它们同DRAM一样，会丢掉信息。SRAM的速度非常快，通常能以2Ons或更快的速度工作。一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容，而每个SRAM单元需要四到六个晶体管和其他零件。所以，除了价格较贵外，SRAM芯片在外形上也较大，与DRAM相比要占用更多的空间。由于外形和电气上的差别，SRAM和DRAM是不能互换的。由于SRAM的速度很快和静态特性，它一般用作置于cpu与主存间的高速缓存

 五、内存位存储

 DRAM内部实现中，一个基本存储单元(Cell)主要由一个晶体管(MOS管）和一个电容(Capacitor)组成;

当MOS管中不导通没有电流经过时，电容没有电荷表示存储0;而当MOS管道通时，电容有电荷表示存储1;
内存存储单元是以行、列形式组织存放的，这样当要访问某一个存储单元，需要给出这个存储单元的行(row)、列(column)地址;

六、地址线与编址

 如上图所示:
假设内存只有2个字节的存储空间，如果要使用二进制来进行编址的话，那么我们只需要1个位就够了(地址为O或1)，这时候也只需要一根地址线就可以实现内存寻址。如上图所示，假设CPU在地址线AO上给高电平表示1，给低电平表示0，内存里的地址译码器如果解析出地址是0/1，就把地址为0/1的数据通过数据总线发送给CPU了(这个过程稍后再讲);

·假设内存有4个字节的存储空间的话，使用二进制来进行编码则需要2个位(地址分别为00、01、10、11)，这时候CPU跟内存之间通信也就需要2根数据线(A1，A0)了;

.以此类推:
·如果存储单元有8个字节，
则地址需要3位，也就需要3根地址线;
·如果存储单元有16个字节，
则地址需要4位，也就需要4根地址线;
·如果存储单元有4GB (2N32)，则地址需要32位，也就是需要32根地址线了。

换句话来讲，地址线的位数(根数)决定了CPU的地址编码能力，这也就决定了系统所能够访问的最大存储空间大小。所以32位的系统，最大能支持的内存为4GB，这样即使你在电脑上安装了16GB的内存，对于系统而言也只能使用其中的4GB。

七、CPU访问内存

上图是16*8bit DRAM芯片一个存储单元的结构图，一个单元又包含多个Cl。上图就是一个有16个C.l，,每个单元8位的存储模块。每一个Cel我们都可以以矩阵的形式访问（比如Cell[2.2])），这样每个Cell都能有唯一的地址，这也是内存地址的基础
·每个Cel的信息通过地址线（传输地址）和数据线（传输数据）寻址和传输数据。如上图有2根地址线和8根数据线连接到存储控制器，其中8根数据线意味着一次传输可以传输8bit(即8个cell的)数据，可是地址线只有2位，编码个数为22=4个地址，怎么访问16个Cell呢?
·看上图我们发现在DRAM芯片里有一个行缓冲区，实际上要获取一个cell的数据，是传送了2次两次地址:第一次发送RAS(Row Access Strobe，行地址锁存)，这样将一行的数据放入行缓冲区;第二次发送CAS(Column Acess Strobe，列地址锁存)，从行缓冲区中取得相应列对应的数据并通过数据线传出;

 八、字长和总线

 什么是字长?
计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。一般来说计算机的数据线的位数和字长是相同的，这样从内存获取数据后，只需要一次就能把数据全部传送给CPU。
什么是总线?
总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。在上面的例子中，我们了解到数据总线是用来传输数据，地址总线用来传输地址，那么控制总线呢?其实控制总线就是用来传送的是各种控制信号，这些控制信号包括时序信号、状态信号和命令信号(如读写信号、忙信号、中断信号)等。
什么是地址总线?
上面我们已经介绍过地址总线的功能，地址总线的数量决定了它最大的寻址范围。就目前来说一般地址总线和字长相同，比如32位CPU拥有32位数据线和32位地址线，最大寻址范围是4G(Ox000000~OxFFFFFFEF)。当然也有例外，Intel的8086有16根数据线和20根地址线,既能处理16位数据,也能处理8位数据,可寻址的内存空间为1MB。