挑戰408——組成原理（10）——SRAM與DRAM

半導體隨機存儲器芯片內集成有記憶功能的存儲矩陣，譯碼驅動電路和讀/寫電路等等。

下面介紹幾個重要的概念：
讀寫電路：包括讀出放大器和寫入電路，用來完成讀/寫操作。
地址線：單向輸入，其位數與芯片的容量有關
片選線：確定哪個芯片被選中（用來選擇芯片）
數據線：雙向輸入，其位數與芯片可讀出或者寫入的位數有關，也與芯片容量有關。

存儲容量

通常我們將存儲容量表示爲：
字數 X 位數，比如 64K X8位，其含義爲，以8位構成一個字，一共有64個字。這個概念要相當熟悉，後面理解題目很有用。
下面我們來看一道例題：

一個64K x 8位的存儲器，可以由（）個16k x1位的存儲芯片構成？

分析：64K x 8位，說明該存儲器是以8位構成一個字，因此，每讀出一個字，需要選中8片16k x1位的存儲芯片，而一片能表示16k，因此一共需要64/16 = 4片，根據組合的原理，一共需要4x8 = 32片。

從圖中我們可以看出，相當於把32個芯片分成了4組，每組8片（表示8位）。
於是我們得出這樣的結論：

半導體隨機存取器，習慣上多稱爲RAM，按其存儲信息原理不同，可以分爲靜態RAM（SRAM）和動態RAM（DRAM）。

SRAM

SRAM存儲原件所使用的mos管多，佔用硅片面積大，集成度低，但是採用觸發器工作原理存儲信息，因此即使信息讀出之後，它仍然保持原狀，不需要再生，但是電源掉電時，原存有的信息就會消失，因此它屬於易失性存儲器。因爲這個比較的簡單，因此就簡單介紹一下就好：
工作原理：觸發器
優點：

1. 能長久保存信息
2. 速度快，工作穩定
3. 無需刷新
4. 無需讀後再生

缺點：功耗大，集成度低，價格高。
典型應用：cache

DRAM（這個是重點）

與SDRAM相比，DRAM所用的mos管少，佔硅面積小，因而功耗小，集成度高但是因爲採用了電容存儲電荷的原理來寄存信息，會發生漏電現象，所以要保持狀態不變，需要定時刷新，因爲讀操作會使得狀態發生改變，故需要讀後再生。且速度比SRAM慢。但是由於其功耗小，集成度高，被廣泛應用於計算機中。
典型應用：主存

存儲記憶原理（瞭解）

定義：存“0”：C中沒有電荷，存“1”：C中有電荷
讀入的時候，T中的高電平使得T通導，如果此時C有電荷，那麼數據線就會產生電流，視爲讀出1.否則視爲讀出0
寫入的時候，若爲高電平，則經過T對C充電，充電後有電荷，於是存1，若爲低電平，C經過T時放電，C中沒有電荷，於是存0.

DRAM的刷新

問：爲什麼要對DRAM進行刷新？如何進行刷新？
由於動態存儲器的原理是容存儲電荷的原理，且訪問存儲單元是隨機的，有可能某些存儲單元長期得不到訪問，其存儲單元內原信息就會慢慢消失（原因）。刷新的過程實質上是將原信息讀出，再由刷新放大器形成原信息並重新寫入的再生過程，稱爲讀後再生。
下面介紹一下刷新過程中要用到的名詞。

• 刷新週期：在規定的時間內，對DRAM全部基本單元進行一次刷新（即兩次刷新之間的相隔時間），一般爲ms級別，2ms。
• 死時間：刷新時，某段時間需要暫停讀寫操作，這段時間由於外界不能對存儲器進行操作，因此稱爲死時間。
• 存取週期：DRAM完成一次讀寫操作所需要的最短時間
• 死時間率：
  

DRAM常見的刷新方式有三種：集中刷新，分散刷新，異步刷新
刷新的過程爲：以行爲單位，讀出一行中全部單元的數據嗎，經過信號放大後，同時寫回。讀出時候一定斷開存儲器的輸出。

集中刷新

做法：在刷新週期內，對全部存儲單元集中一段時間進行刷新（逐行進行），此時必須停止讀寫操作。
看看下面的例題：

設對128 x 128矩陣的存儲芯片進行刷新，若存取週期爲0.5us，刷新週期爲2ms，採用集中刷新的方式，那麼對128行集中刷新，一共需要（）us？死時間率爲（）%？

分析：刷新一遍的時間 = 存取週期 x行數，於是可以求得刷新時間。在刷新時間內，不能進行讀寫操作，因此死時間就是刷新的那段時間，佔用的存取週期數值上等於行數。利用計算公式算出死時間率爲32.%。所以很容易得到：

但是這種做法有個極其不好的缺點：對於經常要進行讀入讀出的程序，要陷入大量的等待時間，CPU的工作效率不高。

分散刷新

做法：對每行存儲單元的刷新分佈到每個存取週期內完成，其中吧機器的存取週期（記爲tc），分成兩個部分，前半段的tm用來記錄讀寫，後半段（tr）用來刷新，即tc = tm +tr。如圖：

若讀寫週期 tc = 0.5us ，那麼存取週期tc = （0.5+0.5）us = 1us
現在沿用上面的題目：

設對128 x 128矩陣的存儲芯片進行刷新，若存取週期爲1us，刷新週期爲2ms，採用分散刷新的方式，那麼對128行分散刷新，一共需要（）us？死時間率爲（）%？

分析：因爲在讀寫操作之後，立刻刷新，那麼每讀取操作一次，就會刷新一次，刷新128行就需要 1us x 128 = 128 us。由於刷新是在讀寫操作過後直接完成的，所以不存在死時間。也就是死時間率爲0.
缺點：這樣無異於加長了存取週期，會使系統運行速度降低，刷新操作也過於頻繁。

異步刷新

做法：在刷新週期內對所有行各刷新一次，即每隔（刷新週期/總行數）us，刷新一次。這種方式是前面兩種方式的結合，既能縮短死時間，又能充分利用刷新週期，提高刷新頻率。
題目同上：

設對128 x 128矩陣的存儲芯片進行刷新，若存取週期爲0.5us，刷新週期爲2ms，採用異步刷新的方式，那麼對128行異步刷新，一共需要（）us？死時間率爲（）%？

每隔（2ms/128） = 15.6us刷新一次，每一次刷新，死時間都是存取週期內的時間爲0.5us，對於該行來說，下一次輪到它刷新還是間隔了2ms，所以死時間率爲 1/4000.(2ms 裏面有4000個存取週期)。所以;
1/4000 << 3.2%
若將DRAM的異步刷新安排在CPU對指令的譯碼階段（此階段CPU訪問存儲器），那麼也就不存在死區。