计算机组成原理 —— 存储系统（DRAM和SRAM，ROM）

我们今天来看DRAM和SRAM：

DRAM和SRAM

DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）都是半导体存储器，广泛应用于计算机和其他电子设备中，但它们在设计、性能、成本和应用场景上存在显著差异：

SRAM（静态随机存取存储器）：

• 工作原理：SRAM使用双稳态触发器来存储每个比特的信息，不需要刷新电路来维持数据。这意味着一旦数据被写入SRAM，只要电源持续供应，数据就会保持不变。
• 速度：由于其设计，SRAM提供了非常快速的读写访问时间，通常用于需要高速数据访问的场景，如CPU缓存（L1、L2、L3缓存）。
• 集成度与成本：SRAM的每个存储单元需要更多的晶体管（通常是4到6个），这导致其集成度相对较低，成本较高，且占用更多空间。
• 应用场景：因其高速特性，SRAM常用于缓存、寄存器以及对速度要求极高的局部存储。

DRAM（动态随机存取存储器）：

• 工作原理：DRAM通过电容来存储电荷，以此表示比特的1或0状态。由于电容会自然放电，DRAM需要定期刷新（每隔几毫秒）来保持数据的完整性。
• 速度：相比SRAM，DRAM的读写速度较慢，因为它涉及到电容充电/放电的过程以及刷新操作。
• 集成度与成本：DRAM的存储单元结构更为简单，每个比特通常只需一个晶体管和一个小电容，这使得DRAM能够在给定的芯片面积上集成更多的存储单元，从而降低成本，提高存储密度。
• 应用场景：由于其高密度和相对低廉的成本，DRAM是计算机主内存（如DDR SDRAM）的首选，广泛应用于个人电脑、服务器、移动设备等，作为大容量存储解决方案。

总结来说，SRAM提供快速访问但成本较高，适用于需要快速数据交换的小容量存储场景；而DRAM虽然访问速度稍慢，但因成本效益高、容量大，成为大规模存储的主流选择。

其实我们上篇博客讲的就是DRAM：

这就是DRAM的内部组成，如果大家对上一篇博客有兴趣的话，可以点击这里：

https://blog.csdn.net/qq_67693066/article/details/139881200

SRAM换了一种材料，换成了双稳态触发器：
双稳态触发器集成了6根MOS管，体积更大，稳定性更高。经常用作Cache的材料。

DRAM的刷新

DRAM（动态随机存取存储器）的刷新是维护DRAM存储数据完整性的必要操作，因为DRAM单元中的电容会随着时间逐渐放电，导致存储的信息丢失。为了防止这种情况发生，DRAM需要定期刷新。刷新操作涉及读取每一行的数据，然后立即重写回该行，以补充电容的电荷，确保数据得以保持。

DRAM刷新主要采用以下三种方式：

1. 集中刷新（Bulk Refresh或Collective Refresh）：在这种模式下，系统会在一个特定的刷新周期内，暂停正常的读写操作，集中一段时间来逐行刷新所有存储单元。这意味着在刷新期间，DRAM无法响应其他读写请求，这会造成所谓的“刷新死区”（refresh dead time），影响系统的连续数据访问性能。

2. 分散刷新（Distributed Refresh或Hidden Refresh）：分散刷新尝试减少集中刷新带来的性能损失，它将刷新操作分散到每个存储周期中进行。在每次访问DRAM时，系统会检查是否需要对当前行进行刷新，如果需要，则在访问之后立即执行刷新操作，尽量使刷新操作与正常读写操作重叠，从而隐藏刷新带来的延迟。

3. 异步刷新（Self Refresh）：异步刷新是集中刷新和分散刷新的折衷方案，它允许DRAM在没有外部命令的情况下自行管理刷新操作。在低功耗模式或待机状态下特别有用，此时DRAM可以按照内部定时器控制的周期自行进行刷新，减少了对外部控制器的依赖，降低了系统整体的能耗。

我们的SRAM就不用刷新：

刷新间隔和刷新周期是DRAM参数的重要组成部分，刷新间隔定义了两次刷新操作之间的时间，而刷新周期则是对DRAM所有存储单元完成一次刷新的总时间间隔。这些参数由DRAM芯片规格确定，并需由系统内存控制器妥善管理，以确保数据的可靠存储。

DRAM地址复用

DRAM（动态随机存取存储器）采用地址复用技术，主要是为了减少芯片引脚数量，从而降低成本并简化电路设计。具体来说，DRAM的存储阵列由行和列地址共同确定一个唯一的存储单元位置。由于DRAM存储单元数量庞大，若为每个地址位都分配单独的引脚，会显著增加芯片的物理尺寸和复杂性，进而增加制造成本。

在地址复用技术中，DRAM将完整的地址信号分为两部分：行地址和列地址，通过同一组地址线分时传送。具体过程如下：

1. 行地址传输：首先，DRAM接收到来自内存控制器的行地址，通过行地址选通信号（RAS, Row Address Strobe）激活相应的行，这个过程被称为行有效（Row Active）或行选通（Row Access）。

2. 列地址传输：随后，在列地址选通信号（CAS, Column Address Strobe）的作用下，DRAM准备好接收列地址。列地址被送入后，指定的列与之前激活的行交叉点处的存储单元就被选中，从而完成寻址。

3. 数据读写：在列地址传输完成后，可以进行数据的读取或写入操作。

通过这样的分时复用机制，DRAM使用较少的地址线实现了对大量存储单元的寻址，降低了对硬件资源的需求。然而，这也意味着相比于地址线独立的SRAM，DRAM在每次访问时需要更多的时钟周期来完成寻址，因此在速度上有所牺牲。

我们的刷新操作一般会在行列选址的时候发生：

下面一张图对比了SRAM和DRAM

ROM（Read-Only Memory（只读存储器））

ROM，全称为Read-Only Memory（只读存储器），是一种非易失性存储介质，其中存储的数据在正常操作下是固定的，无法轻松或直接修改。ROM的特点包括：

1. 数据持久性：ROM中的信息在断电后仍能保留，因为它是非易失性的。

2. 出厂预编程：传统ROM的信息通常在制造过程中就被永久写入，不适合用户修改。

3. 固定用途：由于数据不可改写，ROM常用于存储计算机启动时所需的固件、BIOS、初始化程序或者特定设备的控制代码等。

随着技术的发展，ROM的概念扩展到了几种不同的类型，包括：

• PROM (可编程只读存储器)：用户可以通过特殊的设备一次性写入数据，之后便无法更改。

• EPROM (可擦除可编程只读存储器)：可以通过紫外线照射擦除原有数据，然后可以重新编程。这类ROM有一个透明窗口，以便暴露芯片于紫外线。

• EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)：可以在电路板上通过电信号擦除和重写数据，无需移除芯片或使用特殊设备，提供了更高的灵活性。

• Flash Memory（闪存）：虽然通常不归类为传统的ROM，但闪存基于EEPROM技术，提供高速度、高密度和更便捷的多次擦写能力，广泛应用于USB驱动器、存储卡和固态硬盘中。

我们的操作系统就是安装在ROM中的：