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2023年4月浙江自考微型計算機原理及應用復習資料:內存技術的發展

時間:2023-02-03 14:24:41 作者:儲老師

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內存是關系到計算機運行速度的關鍵部件之一。計算機指令的存取時間主要取決于內存,在大多數計算機系統中,內存的存取時間都是一個制約系統性能提高的主要因素。為了加快系統的速度,提高系統的整體性能,近幾年來,內存技術不斷發展,一些新類型的內存芯片不斷涌現。
一、內存芯片的發展
(一)動態隨機存儲器DRAM
動態隨機存儲器DRAM的容量一般比較大,它就需要比較多的地址信號線。為了減少芯片的引腳數量,動態存儲器芯片將地址線分為行地址和列地址兩部分,分兩次送人芯片,這樣就可以使得芯片的地址線減少一半。在外部電路提供了行地址之后,存儲器控制電路向存儲器發出信號,將行地址輸入到芯片內。這時外部電路再向動態存儲器芯片提供列地址,在外部電路提供了列地址之后,由存儲控制電路向存儲器發出 信號,將列地址輸入到芯片內。這時就起動了芯片內部的訪問操作,DRAM芯片上的 信號線的電平狀態決定了是進行讀操作還是寫操作。在存儲器的訪問中,在 有效之后經過RAS訪問時間并且在 有效后再經過CAS訪問時間之后,數據將從存儲器芯片中讀出并在數據線上輸出。RAS訪問時間是從 信號到達芯片開始,到數據從存儲器芯片輸出所經歷的時間;CAS訪問時間是從 信號到達芯片開始,到數據從存儲器芯片輸出廝經歷的時間,這兩個時間參數是動態存儲器芯片的重要指標。通常在動態存儲器型號中都標出CAS訪問時間,如動態存儲器芯片的型號上標有“—6”的字樣就表明它的CSA訪問時間是60ns(納秒,10-9)。
(二)快速頁式動態存儲器FPM DRAM
隨著微處理器芯片速度的不斷提高,上述DRAM的速度越來越跟不上微處理器芯片的速度,近幾年來,一些為提高動態存儲器訪問速度的新技術不斷得到應用,推出了不少新的DRAM。快速頁式DRAM(FPM,Fast Page Mode DRAM)就是其中一種。
快速頁式動態存儲器中的頁面訪問方式是一種提高存儲器訪問速度的重要措施。在具有頁面訪問方式的存儲器芯片中,如果前后順序訪問的存儲單元處于存儲單元陣列的同一行(稱為頁面)中時,就不需要重復地向存儲器輸入行地址,而只需要輸入新的列地址即可。也就是說,存儲器的下一次訪問可以利用上一次訪問的行地址。這樣就可以減少兩次輸入地址帶來的訪問延遲。在頁面訪問方式下,只要在輸入了行地址之后保持RAS信號不變,采用CAS輸入不同的列地址就可以對一行中的不同數據進行快速連續的訪問。在這沖情況下,存儲器的訪問速度可以比一般訪問方式提高2~3倍左右。
(三)擴充數據輸出動態存儲器EDO DRAM
在FPM DRAM中, 信號必須一直保持不變,直到從存儲器中讀取的數據到達芯片的輸出端。如果提前結束了 信號,DRAM的輸出數據就將撤銷,這樣就不能把數據送到CPU。所以提高工作速度的關鍵就是使得從芯片中讀出的數據不立即撤消,為此他們在芯片的數據輸出部分增加了一個數據緩存電路,從而形成了EDO DRAM(Extended Data Output DRAM,擴充數據輸出動態存儲器),如圖5-21所示。在EDO DRAM中,在數據輸出電路中采用一個附加的緩存電路,將輸出的數據一直緩存到 的下一個起始邊沿,這使得 線可以提前結束,從而可啟動下一個頁內的訪存操作;這樣在只增加少量電路的基礎上就可以提高工作速度大約30%。在Pentium型PC機中大多采用EDO DRAM作為內存芯片。
(四)同步動態存儲器SDRAM
傳統的DRAM一直是異步控制的,CPU向存儲器發出地址和控制信號,經過一段時間把數據寫入存儲器或者把數據從存儲器中讀出。在訪問延遲時間內,DRAM完成多個內部操作過程,如輸入地址、讀出數據等。如果CPU的速度與其匹配,那么這個延遲時間不會影響CPU的工作速度。如果CPU的速度更高,那末在這段時間內CPU只能等待,直到存儲器響應,這就會使得CPU的執行速度慢下來。為了減少CPU的等待,近年來推出了SDRAM(synchronous DRAM,同步動態存儲器)芯片。
在SDRAM芯片構成的存儲系統中,存儲器芯片和CPU采用同一個時鐘控制信號進行工作,在CPU指定的時鐘下進行數據的讀出和寫入。存儲器把CPU給出的地址和數據鎖存在一組鎖存器中。如在讀存儲器數據時,鎖存器存儲地址、控制信號,經過一定的時鐘周期后將讀取的數據提供給CPU。CPU在向存儲器提供了地址和操作控制信號后,它知道需要多少個時鐘周期之后可以得到所需的數據,于是CPU不再等待,而是繼續做其他的工作。在過了預定的時間之后,CPU才去讀取存儲器數據,而這時存儲器也正好把數據讀出。使用SDRAM可實現CPU的無等待狀態。例如,一個在輸入地址后有60ns讀出延遲的DRAM,在周期為10ns的時鐘控制下工作,如果DRAM是異步工作的,那么CPU要等待60ns;但是如果DRAM是同步的,則處理器可把地址放人鎖存器中,在存儲器作讀操作期間去完成其它操作。然后,當處理器計時到6個時鐘周期以后,它所要的數據已經從存儲器中讀出。
在SDRAM芯片內部,實際上有兩個存儲體。這兩個存儲體輪流工作,從而縮短了存儲器周期時間,盡管每個存儲體本身的速度保持不變,但整個存儲器芯片的工作速率卻可以提高。SDRAM還可以應用流水線的方法進一步縮短平均訪存時間。當SDRAM在操作前一個地址時,輸入鎖存器存儲了處理器想要的下一個地址。一般高速處理器具有指令和數據預取的功能。因此,在第一個要訪問的地址已經發出,SDRAM已經開始執行以后,CPU就可以向存儲器發出下一個地址。這樣,當第一個地址進入處理的第二階段時,第二個地址已經送到。CPU在開始下一個存儲器操作之前無需等待一個訪問周期。這種采用多個存儲體輪流工作來提高工作速度的技術稱為多體交叉技術。
多體交叉存儲器(Interleaved memory)技術采用多個容量相同的存儲模塊(存儲體)構成。每個存儲體都有各自的讀寫線路、地址寄存器和數據寄存器,各自以等同的方式與CPU傳遞信息。當存儲體為四個時,只要連續訪問的存儲單元位于不同的存儲體中,那么每隔四分之一周期就可起動一個存儲體的訪問,各存儲體的訪問過程重疊進行。這樣對每個存儲體來說,訪問周期沒有變,而對CPU來說則可以在一個訪問周期內連續訪問四個存儲體。所以多體交叉存儲器技術可以明顯提高存儲器的工作速度。
二、內存條
內存條是一個以小型板卡形式出現的存儲器產品。它的特點是安裝容易,便于用戶進行更換,也便于增加或擴充內存容量。內存條的容量有多種不同的選擇,如16、32、64MB等。用戶可以根據容量要求進行選擇。在選擇內存條的時候,還要注意存儲器芯片的類型、芯片的工作速度以及引腳的類型。
以前PC機中使用的內存條是單邊連線的存儲模塊,簡稱SIMM(Single-inline memory module),如圖5-22所示。例如在386中使用的內存條。這種內存條尺寸比較小,是一塊小型印刷板,上面有存儲器芯片。小印刷板的一邊有30條引腳,便于插入主板的插座上。這種內存條的一個缺點是只有8位數據線,在32位的PC機中需要用4條內存條或者8條內存條才能構成32位的內存。為了提高內存條使用的靈活性,在486的PC機中出現了一種新的內存條標準,它的長度更長,采用72條引腳。這樣,內存條中就可以安排32位數據的引腳。這72條引腳安排在內存條的一面,盡管在內存條另一面看上去也有引腳,但兩面的引腳是一樣的。采用這種內存條后,在32位的PC機中就只需一條內存條就可以使PC機工作了。用戶還可以根據需要增加內存條的數量,486PC機的主板中一般設置4個內存條的插座。這種內存條的標準在許多奔騰級PC機中也廣泛采用。但是奔騰處理機的數據總線是64位的,所以需要采用兩條這種SIMM內存才能使機器工作,而且這兩條內存條必須是相同容量的。
為了適應奔騰系列PC機的需要,人們設計了一種64位的內存條。這種內存條采用168條引腳,由于引腳數量眾多,為了不使內存條太長,所以采用雙面連線的方法。這樣就形成了雙邊連線存儲模塊,簡稱DIMM(dualinline memory module),如圖5-22所示。在帶有奇偶校驗時DIMM內存條的數據線為72位。在64位總線的PC機中,只用一條這種內存條就可以使PC機工作。而且不同容量的內存條可以混合使用。所以,它比SIMM更具有靈活性。DIMM內存條與SIMM內存條的另一個區別是它支持3.3V電源,因為奔騰系列的CPU廣泛采用3.3V的工作電壓,而SIMM內存條的工作電壓為5V。
此外,內存條有2片式和3片式的,也有8片式和9片式的(圖5-23)。一般而言,9片式的和3片式的內存條是帶有奇偶校驗的,而8片式的和2片式的內存條是否帶奇偶校驗要看使用的存儲器芯片本身是否帶校驗位。不過要注意的是,在某些看來是帶校驗的偽劣內存條中,增加的一個芯片有可能是假芯片或者壞芯片,這要通過專門的設備檢測才能確定。

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