存储器阵列

概述

触发器组成的寄存器是存储少量数据的存储器，而存储器阵列，可以存储电路使用、生成的大量数据。

概念

• 地址：存储器可以写入内容到阵列的一行。每一行由地址指定。
• 字：读出或写入的值被称为数据，每行数据有 M 位，称为一个字。
• 深度、宽度：
  • 深度是行数，为地址数，N 位地址有 $2^N$ 行；
  • 宽度为列数，是字的位数，M 位数据有 M 列。
• 阵列大小（容量）：$depth\times width$，这样的阵列包括了 depth 个 width 位字（字单元），称为 $depth\times width$ 阵列。特别的，可以进行二维存储，每行多个字，由行列地址指定具体单元，例如：$2^{\frac{N}{2}}\times (2^{\frac{N}{2}}\times M)$， $2^{\frac{N}{2}}+2^{\frac{N}{2}}$ 字线，M 位线。
• 性能指标：
  • 访问时间 $T_A$：随机访问存储器，指读或写操作所用时间；其他类型，指将读写机构定位到目标位置所需的时间。
  • 存储周期 $T_C$： 仅对RAM而言，指两次访问存储单元间的最小时间间隔。 $T_C>T_A$
  • 带宽/数据传输率：
    • 一般的随机访问存储器：$\frac{1}{CycleTime}$
    • 其他类型：$T_N=T_A+\frac{N}{R}$，带宽：$\frac{N}{T_N}$
      • $T_N$ ：读写N bits所需的平均时间
      • $T_A$ ：访问时间
      • $N$：N bits
      • $R$：存储部件的数据传输率（bits/s）
• 性能/层次特征：
  • 
  • 

位单元

• 概念：存储器阵列由位单元的阵列组成，每个位单元存储一位数据。
• 组成：一个位单元与一个字线和一个位线连接。
  • 字线：对于每一个地址位组合，存储器把字线设为高电位，激活此行。
  • 位线：字线为高电平时，位线传输要读或存的位，否则与位单元断开，为浮空值。

存储器的结构

存储器端口

多端口存储器可以同时访问多个地址，详细可查看设计文档。

种类

存储器可以根据其如何在位单元上存储位来分类。

1. 随机访问存储器（RAM）
   • 特点：易失（断电丢失数据）
   • 分类：
     • 动态 RAM（DRAM）：电容充放电存储数据
     • 静态 RAM（SRAM）：交叉耦合反相器存储数据
2. 只读存储器（ROM）
   • 特点：非易失（无电源也可无期限保存数据）
   • 分类：根据擦写方式不同有很多类型

易失与否是它们本质的区别，因为大多数现代 ROM 可以读也可以写。

DRAM

• 存储方式：以电容充放电存储位。
• 特点：
  • 读破坏电容中的位值，每次读后要重写数据。即使没有被读也要刷新（读、重写）
  • 按行刷新、所有芯片同时进行，刷新操作与CPU访问内存分开进行
  • 刷新地址计数器和复用器选择输入读写地址或者刷新地址
  • DRAM的读过程就是对原来保存信息的读取、放大、再写入的过程
• 用途：主存储器

• 刷新方式：
  • 集中式：将刷新周期分成两部分，在一个时间段内，刷新存储器所有行，此时CPU停止访问内存；另一个时间段内， CPU可以访问内存，刷新电路不工作。
    • 存在死区时间，即集中刷新的时间，此时不能读写
    • 刷新间隔 = 刷新周期
  • 分散式：CPU与刷新电路交替访问内存，一个存储周期刷新1行，下一个存储周期刷新另一行，直至最后1行后，又开始刷新第1行。
    • 使系统速度降低，但不存在停止读写操作的死区时间
    • 刷新间隔 = 刷新行数 * 存储周期 $\le$ 刷新周期
  • 分布式：保证在一个刷新周期内，将存储芯片内的所有行刷新一遍，两次刷新操作之间，可能等时间间距，也可能不等。
    • 是前两种的结合，可减少死区时间，同时保证性能
    • 刷新间隔 = 刷新周期

SRAM

• 存储方式：交叉耦合反相器
• 特点：不需要刷新存储位。有两个输出：$bitline$ 和 $\overline{bitline}$。
• 用途：Cache

寄存器文件

数字系统常用一组寄存器存储临时变量，称为寄存器文件。通常由小型多端口 SRAM 阵列组成，比触发器阵列更紧凑。

面积与延迟

同为易失的存储器，触发器、SRAM 和 DRAM 在成本（晶体管数目）和延迟上各有优劣。

ROM

• 存储方式：晶体管的存在与否决定为 0 或 1。
• 特点：
  • 位单元是组合电路，可以用一组 AND 门（构成一个译码器）后跟一组 OR 门的 2 级逻辑组成。
  • 现代 ROM 可写入，写入时间更长但非易失。

可以用点表示法表示，行为字线、列为位线，交叉有点为 1，否则为 0。

可以用逻辑电路表示：

• 类别：
  • 可编程 ROM（PROM）：每个位单元都放置一个晶体管，提供方法决定是否接地。
    • 熔丝烧断可编程 ROM：使用者通过高电压选择性熔断熔丝来对 ROM 编程。熔丝存在则接地为 0，否则为 1。（一次可编程）
    • 可擦除 PROM（EPROM）、电子可擦除 PROM（EEPROM）、flash

存储器阵列逻辑

存储器也可以实现组合逻辑功能。一个 $2^N\times M$ 的存储器可以实现任意的 N 输入、M 输出的组合逻辑功能。

这被称为查找表（LUT）

存储器芯片扩展

位扩展

• 本质：增大 M（width）
• 原因：芯片中存储字单元的数量足够，但字单元的位数不足。
• 方法：多个存储器芯片的数据位空间拼在一起。
  

字扩展

• 本质：增大 N（depth）
• 原因：存储器芯片存储字数量不足，地址有剩余；存储字单元的数据位数足够。
• 方法：多个存储器芯片的地址空间拼在一起。关键在于，把高位地址作为片选的编码。

混合扩展

• 本质：同时增大 N（depth）和 M（width）
• 原因：存储器芯片存储字数量和每个子单元的位数均不足。
• 方法：综合应用位扩展和字扩展。