Digital-electronics 简明教程

Memory Devices

内存是计算机或任何其他数字系统的重要部分之一。它用于保存处理和执行任务所需的数据和程序。

内存还会影响数字系统的性能、效率和速度。如今，半导体内存很流行，因为它们提供了非常高速的操作、大的存储容量和紧凑的尺寸。

在这里，我们将解释与半导体存储器件相关的从基本到高级的概念。

What is Memory?

在数字电子领域，存储器是一种用于存储计算机和其他基于微处理器的系统中数据和指令的设备。在现代数字系统中，存储器由半导体材料制成，并被称为 semiconductor memory 。

存储器是计算机或任何其他数字系统中提供存储空间的设备，其中要处理的数据和处理所需指令被存储。

存储器被划分为大量的小部分。每个部分称为存储器单元。每个存储器单元或位置都有一个唯一分配的地址，该地址从 0 到总存储器大小减一。

例如，如果一台计算机具有 64 kB 的存储器大小，则该存储器单元具有 64 × 1024 = 65536 个存储器位置或单元。因此，这些位置的地址范围从 0 到 65535。

Classification of Memory

存储器主要分为两种类型，它们是：内部存储器和外部存储器。

Internal Memory

内部存储器也称为 primary memory ，因为它直接连接到数字系统的硬件架构。它通常以 IC 的形式安装在系统的主板上。

内部存储器的示例包括高速缓存存储器、RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）等。

External Memory

外部存储器也称为 secondary memory 。此存储器不直接连接到系统的硬件架构，而是通过电缆作为外围设备进行连接。

外部存储主要用于提供其他存储空间以永久存储数据和指示。外部存储的示例有 CD、DVD、硬盘驱动器、固态硬盘、USB 驱动器等。

Memory Hierarchy

内存层级结构定义为基于其特征（主要是速度和容量）在数字系统中使用的不同类型内存设备的布置。内存层级结构有助于我们在特定级别为系统选择合适的内存进行使用。

不同内存设备的典型内存层级结构如下图所示：

memory hierarchy

当我们从上至下查看时，此内存层级结构的一些关键特征包括：

  1. 存储容量增加。

  2. 每位存储成本降低。

  3. CPU 访问内存的频率降低。

  4. CPU 的访问时间增加。

Functional Block Diagram of Memory

内存基本上是多存储单元的集合，具有执行数据读/写操作的支持电路。下图描述了典型内存设备的功能框图：

functional block diagram memory

它包含以下主要部件：

Address Lines

这些线用于加载特定内存位置或单元的地址。

Data Lines

这些线用于从/向内存单元读写数据。

Read and Write Signal (R/W’)

该信号用于从/向内存单元读写数据。当 R 信号变高时，选定单元的数据被加载到数据线上。当 W' 线变低时，数据线上数据被加载到选定的内存单元中。

Chip Select Signal (CS’)

该信号用于启用或禁用内存芯片。它是一个低电平有效信号，这意味着当该信号变低时，内存芯片被启用并允许读写操作执行。否则，内存芯片将被禁用。

Important Terms Related to Memory Operation

以下是一些与内存读写操作相关的重要术语和定义：

  1. Write Cycle Time - 写入周期时间定义为数据写入操作在单元中可用的一个特定单元地址的最小时间量。通常为 200 纳秒量级。

  2. Write Pulse Time - 写入脉冲的最小持续时间称为写入脉冲时间，大约为 120 纳秒。

  3. Write Release Time - 内存地址在写入脉冲之前有效的最小时间称为写入释放时间。

  4. Data Setup Time - 数据在写入脉冲结束之前保持有效的最少时间称为数据建立时间。通常约为 120 纳秒。

  5. Data Hold Time - 写入脉冲结束之后数据保持有效的最少时间称为数据保持时间。

  6. Read Cycle Time - 有效内存地址保持可用以从内存单元中读取数据的最小时间量称为读取周期时间。通常为 200 纳秒量级。

  7. Access Time - 从内存单元中访问数据所需的时间称为内存访问时间。也为 200 纳秒量级。

  8. Read to Output Active Time - 在读取脉冲开始后能够启用输出缓冲区的最小时间称为读取到输出活动时间。通常，此时间为 20 纳秒量级。

  9. Read to Output Valid Time − 从读信号脉冲的开始到数据输出线路提供有效数据的最大延迟时间称为“读取到输出有效时间”。

这是了解存储器件的读写操作所需的几个关键术语。

Characteristics of Memory Devices

在本节中，我们将重点研究存储器件的一些关键特征及其定义和重要性−

Storage Capacity

此参数表示设备的总存储器。通常以它可以存储的字节数来表示。例如，1k × 8 位的存储器可以存储 1024 × 8 = 8192 字节的数字数据。

Unit of Data Transfer

在一次读或写周期中可读写位数称为数据传输单位。通常，数据传输单位等于处理器的字长或数据总线大小。

Modes of Access

它指的是可以读取或写入存储器中的数据的方式。数字存储器件中使用了以下三种模式−

在此模式中，数据以预定义的顺序方式读出或写入存储器。换句话说，要访问第二个文件，我们首先访问第一个文件，要访问第三个文件，首先访问第一个和第二个文件，依此类推。

在此模式中，我们可以直接访问任何顺序的任何存储器位置。

此模式是顺序访问模式和随机访问模式的组合。它也被称为半随机访问模式。

Data Transfer Rate

它被定义为一秒钟读入或写出的数据量。通常以每秒比特数来衡量。数据传输率称为存储器的带宽。

Types of Memory Devices

这里列出了和解释了计算机和数字系统中使用的一些重要的存储器设备分类。

基于数据存储性质的存储器分类−

  1. Volatile Memory

  2. Non-Volatile Memory

基于访问模式的存储器分类−

  1. Sequential Access Memory

  2. Random Access Memory

现在，让我们详细讨论所有这些类型的存储器及其子类型和特征。

Volatile Memory

一种需要持续供电来维护所存储数据的存储器类型称为 volatile memory 。如果断开存储器的电源，存储在其中的数据将会丢失。因此，它也被称为 temporary memory 。

断电时，易失性存储器会丢失其存储的数据。易失性存储器的操作速度快，因此它可以在短时间内读写数据。

易失性存储器用于存储需要访问的数据并执行操作。RAM（随机访问存储器）是易失性存储器的示例。

Non-Volatile Memory

即使没有供电也可以保留存储数据的存储器类型称为 non-volatile memory 。它也称为永久存储器，用于长期存储数字数据。

非易失性存储器永久存储数据。即使断电，它也可以保留存储的数据。

非易失性内存比易失性内存慢。因此，该内存有更长的读取和写入周期。

非易失性内存的示例包括 ROM（只读存储器）、磁带、光盘、磁碟、USB 驱动器等。

Sequential Access Memory

一种按预定义的顺序方式访问存储的数据和信息内存类型被称为 sequential access memory 。

有时，它也称为 serial access memory ，因为按序列化方式检索存储的数据。

在顺序访问内存中，系统必须从内存地址的开头开始搜索存储设备，直到找到所需的数据片段。换句话说，为检索所需数据，系统必须访问所有内存地址，直到访问到所需数据。

在顺序访问内存中，数据检索流程以顺序方式执行。其中，系统从内存开头开始，并顺序地遍历所有内存地址，直到获得所需数据。

顺序访问内存的访问速度较慢，且读/写时间较长。磁带是顺序访问内存的示例。

Random Access Memory

随机访问存储器，也称为直接访问存储器，是一种可以不经由前置数据而直接访问所需数据的内存类型。因此，该内存允许按任意顺序访问任何数据。

换句话说，直接访问存储器或随机访问存储器能够在同一时间对内存中的任意存储位置数据进行读取或写入。因此，所有存储单元的访问时间都是相同的，且不取决于存储器阵列内单元的物理位置。

随机访问存储器允许按任意随机顺序访问数据。它提供高速数据访问，即快速读写操作。

随机访问存储器的所有存储位置都可直接访问数字系统的处理元件。

随机访问存储器的示例包括 RAM、ROM、硬盘、光盘和其它半导体存储器等。

Conclusion

总之，存储设备是数字系统（如计算机）中存储数据和信息的重要组件。

用于不同目的的不同类型的存储设备。例如，易失性内存（如 RAM）用于保存程序完成前所需的临时数据。

另一方面，非易失性内存用于更长时间地永久保存数据。例如，硬盘用于在计算机系统中存储用户数据。