编程高手必学的内存知识
海纳
华为编译器高级专家,原 Huawei JDK 团队负责人
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编程高手必学的内存知识
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13 | 存储电路:计算机存储芯片的电路结构是怎样的?

你好,我是海纳。
之前的课程,我们从软件的角度学习了内存管理的基本知识。从这一节课开始,我们把注意力转向内存的硬件实现。掌握硬件篇的知识,是你学习计算机组成原理和体系结构的基础。而且,计算机体系结构中最常用的手段就是合理地使用各种器件,通过体系手段来使得它们扬长避短,形成有机的整体。
可以说,深刻地掌握计算机的体系结构,就是你写出高性能代码的关键。那么,这么重要且基础的部分,为什么我会放到现在才讲呢?这是因为,程序员日常打交道的是软件接口,硬件的感知度不高。所以在有了前面软件篇的知识后,我们才能更好地理解硬件上的各种晦涩的概念。
整个硬件篇的内容主要就是聚焦于,各种不同的存储器和它们的器件是如何组成高效、大容量、低成本的存储体系结构的。而各类存储器的基本原理是存储体系结构的基础。
我们把用于存储数据的电路叫做存储器,按照到 CPU 距离的远近,存储器主要分为寄存器、缓存和主存。今天这节课,我们就来重点分析这三种存储器的特点、原理,以及应用场景。
存储器是由基本的存储单元组成的,要想搞清楚存储器原理,我们还要先搞明白基本的存储单元是什么,它又是怎么工作的,我们先按寄存器、缓存和主存的顺序,逐个分析。
首先,我们来看寄存器的存储单元是什么样的。
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本文深入介绍了计算机存储芯片的电路结构,从最简单的存储单元RS锁存器开始,逐步介绍了D锁存器和D触发器的工作原理。通过对SRAM和DRAM的电路结构进行详细分析,阐述了它们的特点和工作原理。文章还提到了RAM的工作原理和存储器如何对字节和比特进行地址编码的问题。此外,还介绍了只读存储器的基本原理和发展历史。总的来说,本文通过深入浅出的方式,为读者理解计算机存储芯片的电路结构提供了清晰的指导。文章内容涵盖了CPU寄存器、SRAM、DRAM和ROM的存储单元的基本原理,以及它们的优缺点和发展历史。这些内容对于读者快速了解存储器的工作原理和技术特点具有重要意义。文章内容丰富,涵盖了存储器电路设计中需要平衡的因素,例如速度、功耗、成本和稳定性等。在设计存储器件时,需要综合考虑这些因素,以达到最佳的平衡。举例来说,虽然D触发器速度快,但在制作主存时,还需考虑其成本和稳定性等因素,因此不能仅凭速度因素决定使用D触发器。这篇文章对于读者快速了解存储器电路设计的平衡因素和技术特点具有重要意义。

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    老师,想问一下在课程中没有发现D触发器(制作寄存器)从电路原理上为什么比SRAM读取速度快呢?

    作者回复: D触发器的特点是在一个时钟周期内必然可以完成读写。但是SRAM的读写原理不和时钟相关。它的速度与读取时的BL电压探测的速度有关,而这个速度现在最快情况下要1~2个时钟周期。这一点我文中没有刻意强调,这是因为随着技术的进步,未来SRAM的速度能赶上寄存器的速度也不一定。所以这里不能简单地说,SRAM 6 管单元就一定慢。现在已经有一些芯片寄存器(主要是那种寄存器特别多的芯片)是用SRAM来实现的了。所以未来是怎么样的,我们还要再观察。

    2021-11-25
    1
  • 坚定的抢手
    虽然不懂硬件,花了点功夫也看明白。 看懂以后才发现设计硬件的大佬们,真是天才。膜拜。

    作者回复: 硬件的创造性的工作确实很多,但也不是凭空来的,硬件的发展历程比软件要长很多,有一些神仙设计也是合理的。

    2021-12-17
  • 小时候可鲜啦
    原文:"DRAM 相比起 SRAM,它的电路结构更简单,它是由一个 CMOS 开关和一个电容组成的" 从示意图来看 这是一个NMOS管,而CMOS是由一个NMOS+一个PMOS组成,这里改成NMOS更严谨一些

    作者回复: OK,good,谢谢。我看看调整一下。

    2021-12-16
  • Roy Liang
    老师会讲持久内存吗?未来可能派上用场

    作者回复: 不会。在这个文章里简单提了一下Flash和非易失性内存。非易失性内存确实有机会改变很多软件的运行形态。可能是未来的一个热点,值得关注和学习。

    2021-12-02
  • 送过快递的码农
    不懂硬件的表示,看了这门课等于看了这门课

    作者回复: 哈哈。没关系的。等有需要的时候再回来看吧。其实也不必被这个文章里的图吓到,它无非就是与门,或门,非门的组合而已。规则非常简单。

    2021-12-01
  • AIMD
    老师,最开始的驱动程序是怎么安装存储电路中?

    作者回复: 这个问题太大了,三言两语说不清。建议你阅读一下《计算机组成原理》之类的书,有了一个比较系统的认识以后再来思考。

    2021-11-26
  • shenglin
    D触发器电路复杂,难以高度集成,是不是说制作相同容量的主存,用D触发器制作的内存条体积会更大?

    作者回复: 会大太多,而且功耗,散热等等也会指数级增加。不会有人拿触发器做内存条的,技术上就做不到。

    2021-11-24
  • 费城的二鹏
    思考题 要平衡性能与价格。如果价格可以接受,完全可以使用 D触发器做主存,我猜测有壕这么做🙄

    作者回复: 哈哈哈,说得很有趣。但壕也不能这么做,因为电路面积不光关系到成本,还有功耗和散热。最关键的是,学习完下节课以后你就明白了,没必要这么干。

    2021-11-24
  • 费城的二鹏
    老师的课程进入硬件篇章啦,感觉这门课程太划算了,老师讲的内容深入浅出,非常透彻。虽然底层软件知识与硬件知识在工作中不能直接用到,但是它加深了我对计算机的理解,对于我的编程理解有了很大的提升。 谢谢老师与小编,带来如此优秀的内容!
    2021-11-24
    5
  • Hunter_Dark
    我就面试个java,你要我画内存电路图?
    2022-02-28
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