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处理器寄存器

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处理器寄存器是用于数字数据存储的数字电子半导体器件,例如计算机存储器。它通常是指MOS存储器,其中数据存储在硅集成电路存储器芯片上的金属氧化物半导体(MOS)存储器单元中。有许多不同的类型使用不同的半导体技术。随机存取存储器(RAM)的两种主要类型是静态RAM(SRAM),它使用多个MOS晶体管每个存储单元和动态RAM(DRAM),每个单元使用一个MOS晶体管和一个MOS电容器非易失性存储器(如EPROM、EEPROM和闪存)使用浮栅存储单元,每个单元由一个浮栅MOS晶体管组成。

大多数类型的半导体存储器都具有随机访问的特性,这意味着访问任何存储位置都需要相同的时间,因此可以以任何随机顺序有效地访问数据。这与数据存储介质(如硬盘和CD)形成对比,它们连续读取和写入数据,因此数据只能按照写入的相同顺序进行访问。半导体存储器的访问时间也比其他类型的数据存储快得多;一个字节的数据可以在几纳秒内写入或读取半导体存储器,而硬盘等旋转存储的访问时间在毫秒范围内。由于这些原因,它用于主存储、保存计算机当前正在处理的程序和数据以及其他用途。

截至2017年,半导体存储芯片年销售额为1240亿美元,占半导体行业的30%。移位寄存器、处理器寄存器、数据缓冲器和其他没有内存地址解码机制的小型数字寄存器通常不称为内存,尽管它们也存储数字数据。

描述

在半导体存储芯片中,二进制数据的每一位都存储在一个称为存储单元的微型电路中,该电路由一到几个晶体管组成。存储单元以矩形阵列布置在芯片表面。1位存储单元分组为称为字的小单元,这些单元作为单个存储地址一起访问。存储器按字长制造,字长通常为2的幂,通常为N=1、2、4或8位。

数据通过称为内存地址的二进制数访问芯片地址引脚,该地址指定要访问芯片中的哪个字。如果内存地址由M位组成,则芯片上的地址数为2M,每个地址包含一个N位字。因此,每个芯片中存储的数据量为N2M位。M条地址线的内存存储容量由2M给出,通常为2的幂:2、4、8、16、32、xxx、128、256和512,以千比特、兆比特为单位,千兆位或太位等。截至2014年,xxx的半导体存储芯片可容纳几千兆位的数据,但正在不断开发更高容量的存储器。通过组合多个集成电路,可以将存储器安排到比每个芯片提供的字长和/或地址空间更大的字长和/或地址空间中,通常但不一定是2的幂。

内存芯片执行的两个基本操作是“读取”,其中读取内存字的数据内容(非破坏性),以及“写入”,其中数据存储在内存字中,替换之前的任何数据存储在那里。为了提高数据速率,在一些最新类型的存储芯片(例如DDRSDRAM)中,每次读取或写入操作都会访问多个字。

除了独立的内存芯片,半导体内存块是许多计算机和数据处理集成电路的组成部分。例如,运行计算机的微处理器芯片包含缓存,用于存储等待执行的指令。

处理器寄存器的类型

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易失性内存

用于计算机的RAM芯片通常位于像这样的可移动内存模块上。通过插入额外的模块,可以向计算机添加额外的内存。

当存储芯片的电源关闭时,易失性存储器会丢失其存储的数据。然而,它可以比非易失性存储器更快且更便宜。这种类型用于大多数计算机的主存储器,因为在计算机关闭时数据存储在硬盘上。主要类型有:

RAM(随机存取存储器)——这已成为任何可以写入和读取的半导体存储器的通用术语,与只能读取的ROM(如下)形成对比。所有的半导体存储器,而不仅仅是RAM,都具有随机存取的特性。

  • DRAM(动态随机存取存储器)——它使用由一个MOSFET(MOS场效应晶体管)和一个MOS电容器组成的金属氧化物半导体(MOS)存储单元来存储每一位。这种RAM最便宜,密度最高,因此用于计算机中的主存储器。但是,存储单元中存储数据的电荷会慢慢泄漏,因此必须定期刷新(重写)存储单元,这需要额外的电路。刷新过程由计算机内部处理,对其用户是透明的。
    • FPMDRAM(快速页面模式DRAM)——一种较旧的异步DRAM,它改进了以前的类型,允许以更快的速度重复访问单个“页面”内存。1990年代中期使用。
    • EDODRAM(扩展数据输出DRAM)——一种较旧类型的异步DRAM,其访问时间比早期类型更快,因为它能够在上次访问的数据仍在传输的同时启动新的内存访问。在1990年代后期使用。
    • VRAM(视频随机存取存储器)-一个旧型的双端口一旦用于存储帧缓冲区的视频适配器(视频卡)。
    • SDRAM(同步动态随机存取存储器)——这是向DRAM芯片添加的电路,可将所有操作与添加到计算机内存总线的时钟信号同步。这允许芯片使用流水线同时处理多个内存请求,以提高速度。芯片上的数据也被分成多个组,每个组可以同时进行一个内存操作。到2000年左右,这成为计算机内存的主要类型。
      • DDRSDRAM(双倍数据速率SDRAM)——这可以通过双泵(在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据)在每个时钟周期传输两倍的数据(两个连续字)。这个想法的扩展是当前(2012年)用于提高内存访问率和吞吐量的技术。由于事实证明难以进一步提高内存芯片的内部时钟速度,因此这些芯片通过在每个时钟周期传输更多数据字来提高传输速率
        • DDR2SDRAM–每个内部时钟周期传输4个连续字
        • DDR3SDRAM–每个内部时钟周期传输8个连续字。
        • DDR4SDRAM–每个内部时钟周期传输16个连续字。
      • RDRAM(RambusDRAM)——一种替代的双倍数据速率内存标准,曾用于一些英特系统,但最终输给了DDRSDRAM。
        • XDRDRAM(极限数据速率DRAM)
      • SGRAM(同步图形RAM)——一种专为图形适配器(视频卡)制作的SDRAM。它可以执行位屏蔽和块写入等图形相关操作,并且可以一次打开两页内存。
        • GDDRSDRAM(图形DDRSDRAM)
          • GDDR2
          • GDDR3SDRAM
          • GDDR4内存
          • GDDR5内存
          • GDDR6内存
      • HBM(高带宽内存)——一种用于图形卡的SDRAM开发,可以以更快的速度传输数据。它由多个堆叠在一起的内存芯片组成,具有更宽的数据总线。
    • PSRAM(伪静态RAM)——这是一种DRAM,它具有在芯片上执行内存刷新的电路,因此它的作用类似于SRAM,允许关闭外部内存控制器以节省能源。它用于少数游戏机,例如Wii。
  • SRAM(静态随机存取存储器)——它将每一位数据存储在称为触发器的电路中,该电路由4到6个晶体管组成。与DRAM相比,SRAM的密度更低且每比特更昂贵,但速度更快且不需要内存刷新。它用于计算机中较小的缓存。
  • CAM(内容可寻址内存)——这是一种特殊类型,其中不使用地址访问数据,而是应用数据字,如果字存储在内存中,则内存返回位置。它主要集成在其他芯片中,例如用于高速缓存的微处理器。

非易失性存储器

非易失性存储器(NVM)会在芯片电源关闭期间保存其中存储的数据。因此,它被用于没有磁盘的便携式设备中的内存,以及用于可移动存储卡等用途。主要类型有:非易失性半导体存储器(NVSM)将数据存储在浮栅存储单元中,每个单元由一个浮栅MOSFET组成。

处理器寄存器

  • ROM(只读存储器)——旨在保存xxx数据,在正常操作中只能读取,不能写入。虽然可以写入的类型很多,但写入过程很慢,通常必须一次重写芯片中的所有数据。它通常用于存储计算机必须立即访问的系统软件,例如启动计算机的BIOS程序,以及用于便携式设备和嵌入式计算机(如微控制器)的软件(微码)。
    • MROM(掩膜编程ROM或掩膜ROM)——在这种类型中,数据在芯片制造时被编程到芯片中,因此它仅用于大批量生产。它不能用新数据重写。
    • PROM(可编程只读存储器)——在这种类型中,数据在安装到电路中之前被写入现有的PROM芯片,但它只能写入一次。通过将芯片插入称为PROM编程器的设备来写入数据。
    • EPROM(可擦除可编程只读存储器)——在这种类型中,可以通过从电路板上取下芯片,将其暴露在紫外线下以擦除现有数据,并将其插入PROM编程器来重写其中的数据。IC封装的顶部有一个小的透明“窗口”,允许紫外线进入。它通常用于原型和小型生产运行设备,其中的程序可能必须在工厂进行更改。4MEPROM,显示用于擦除芯片的透明窗口
    • EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)——这种类型的数据可以电重写,而芯片在电路板上,但写入过程很慢。此类型用于保存固件,即运行硬件设备(例如大多数计算机中的BIOS程序)的低级微代码,以便可以对其进行更新。
  • NVRAM(非易失性随机存取存储器)
    • FRAM(铁电RAM)——一种非易失性RAM。
  • 闪存——在这种类型中,写入过程的速度介于EEPROMS和RAM存储器之间;它可以写入,但速度不够快,无法用作主内存。它通常用作硬盘的半导体版本,用于存储文件。它用于便携式设备,例如PDA、USB闪存驱动器以及用于数码相机手机的可移动存储卡。

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  1. 处理器寄存器
  2. 描述
  3. 处理器寄存器的类型
  4. 易失性内存
  5. 非易失性存储器

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