计算机组成原理 - 第七讲

1、计算机组成原理计算机组成原理 舒燕君舒燕君 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 二、半导体存储芯片简介二、半导体存储芯片简介 1. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构 译译 码码 驱驱 动动 存存 储储 矩矩 阵阵 读读 写写 电电 路路 片选线片选线 读读/写控制线写控制线 地地 址址 线线 数数 据据 线线 片选线片选线 读读/写控制线写控制线（低电平写（低电平写 高电平读）高电平读） （允许读）（允许读） CSCE WE （允许写）（允许写）WEOE 存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用 用用 16K 1位位 的存储芯片组成的存储芯片组成 64K 8位位 的存储器

2、的存储器 32片片 当地址为当地址为 65 535 时，此时，此 8 片的片选有效片的片选有效 8片片 16K 1位位 8片片 16K 1位位 8片片 16K 1位位 8片片 16K 1位位 三、随机存取存储器三、随机存取存储器 ( RAM ) 1. 静态静态 RAM (SRAM) (1) 静态静态 RAM 基本电路基本电路 A 触发器非端触发器非端 1 T 4 T触发器触发器 5TT6、 行开关行开关 7TT8、 列开关列开关 7TT8、 一列共用一列共用 A 触发器原端触发器原端 T1 T4 T5T6 T7T8 A A 写放大器写放大器写放大器写放大器 DIN 写选择写选择读选择读选择 D

3、OUT 读放读放 位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择 行地址选择行地址选择 T1 T4 A T1 T4 T5T6 T7T8 A 写放大器写放大器写放大器写放大器 DIN 写选择写选择读选择读选择 读放读放 位线位线A 位线位线A 列地址选择列地址选择 行地址选择行地址选择 DOUT 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 读读 操作操作 行选行选 T5、T6 开开 T7、T8 开开列选列选 读放读放DOUT VAT6T8 DOUT 读选择有效读选择有效 (2) 静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Intel 2114 外特性外特性 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 A 0 A8

4、A 9 WECS VCCGND Intel 2114 存储容量存储容量 1K4 位位 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) A3 A4 A5 A6 A7 A8 A0 A1 A2 A9 15 031 1647 3263 48 150311647326348 读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路 0 1 63 0 15 行行 地地 址址 译译 码码 列列 地地 址址 译译 码码 I/O1I/O2I/O3I/O4 WE CS 第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 DD 预充电信号预充电信号 读选择线读选择线 写数据线写数据线 写选择线写选择线

5、 读数据线读数据线 V Cg T4 T3 T2 T1 1 (1) 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路 2. 动态动态 RAM ( DRAM ) 读出与原存信息相反读出与原存信息相反读出时数据线有电流读出时数据线有电流 为为 “1” 数据线数据线 Cs T 字线字线 DD V 0 10 1 1 0 写入与输入信息相同写入与输入信息相同写入时写入时 CS 充电充电 为为 “1” 放电放电 为为 “0” T3 T2 T1 T 无电流无电流有电流有电流 单元单元 电路电路 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 行行 地地

6、 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 1 A9 A8 A7 A6 A5 31 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 (2) 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 读读 0 0 0 0 0 00000 0 D 0 0 单元单元 电路电路 读读 写写 控控 制制 电电 路路 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器

7、器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 1 1 1 1 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读

8、数数 据据 线线 0 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 1 1 1 1 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路

9、 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 01000 1 1 1 1 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0

10、1 1 1 1 1 1 01000 1 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 D 1 1 1 1 1 01000 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制

11、制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 D 1 1 1 1 1 01000 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 读读 写写 控控 制制 电电 路路 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址

12、址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 D 1 1 1 1 1 01000 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 读读 写写 控控 制制 电电 路路 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线

13、读读 数数 据据 线线 0 D 1 1 1 1 1 01000 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写 读读 写写 控控 制制 电电 路路 时序与控制时序与控制 行时钟行时钟 列时钟列时钟 写时钟写时钟 WE RAS CAS A 6 A 0 存储单元阵列存储单元阵列 基准单元基准单元 行行 译译 码码 列译码器列译码器 再生放大器再生放大器 列译码器列译码器 读读 出出 放放 大大 基准单元基准单元 存储单元阵列存储单元阵列 行行 译译 码码 I/O 缓存器缓存器 数据输出数据输出 驱动驱动 数据输入数据输入 寄存器寄存器 DIN DOUT 行地址行地址 缓存器

14、缓存器 列地址列地址 缓存器缓存器 单管动态单管动态 RAM 4116 (16K 1 1位位) 外特性外特性 DIN DOUT A 6 A 0 读放大器读放大器 读放大器读放大器 读放大器读放大器 06364127 128 根行线根行线 Cs 0 127 1 128 列列 选选 择择 读读/写线写线 数据输入数据输入I/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动 DOUT DIN Cs 4116 (16K 1位位) 芯片芯片 读读 原理原理 读放大器读放大器 读放大器读放大器 读放大器读放大器 63 0 0 0 I/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动 OUT D 读放大器读放大器 读放大器读放大器 读放大器读放大器

15、06364127 128 根行线根行线 Cs 0 127 1 128 列列 选选 择择 读读/写线写线 数据输入数据输入I/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动 DOUT DIN Cs 4116 (16K1位位) 芯片芯片 写写 原理原理 数据输入数据输入 I/O缓冲缓冲I/O缓冲缓冲 DIN 读出放大器读出放大器 读放大器读放大器 63 0 (3) 动态动态 RAM 时序时序 行、列地址分开传送行、列地址分开传送 写时序写时序 行地址行地址 RAS 有效有效 写允许写允许 WE 有效有效(高高) 数据数据 DOUT 有效 有效 数据数据 DIN 有效 有效 读时序读时序 行地址行地址 RAS 有效有效

16、 写允许写允许 WE 有效有效(低低) 列地址列地址 CAS 有效有效 列地址列地址 CAS 有效有效 (4) 动态动态 RAM 刷新刷新 刷新与行地址有关刷新与行地址有关 A9 A8 A7 A6 A5 读读 写写 控控 制制 电电 路路 列列 地地 址址 译译 码码 器器 读选择线读选择线 写选择线写选择线 D 单元单元 电路电路 行行 地地 址址 译译 码码 器器 0 0 1 1 31 31 131 A4A3A2A1A0 刷新放大器刷新放大器 写写 数数 据据 线线 读读 数数 据据 线线 0 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) (4) 动态动态 RAM 刷新刷新

17、 刷新与行地址有关刷新与行地址有关 集中刷新集中刷新 （存取周期为存取周期为0.5 s s ） “死时间率死时间率” 为为 128/4 000 100% = 3.2% “死区死区” 为为 0.5 s s 128 = 64 s s 周期序号周期序号 地址序号地址序号 tc 0123871 387201 tctctctc 3999 V W01127 读读/写或维持写或维持刷新刷新读读/写或维持写或维持 3872 个周期个周期 （1936 s s） 128个周期个周期 （64 s s） 刷新时间间隔刷新时间间隔 （2 ms） 刷新序号刷新序号 tc X tc Y 以以128 128 矩阵为例矩阵为例

18、 tC = = tM + + tR 读写读写 刷新刷新 无无 “死区死区” 分散刷新分散刷新（存取周期为存取周期为1 s ） (存取周期为存取周期为 0.5 s + 0.5 s ) 以以 128 128 矩阵为例矩阵为例 W/R REF 0 W/R tRt M tC REF 126 REF 127 REF W/RW/RW/RW/R 刷新间隔刷新间隔 128 个存取周期个存取周期 分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新） 对于对于 128 128 的存储芯片的存储芯片（存取周期为存取周期为 0.5 s s ） 将刷新安排在指令译码阶段，不会出现将刷新安排在指令译码

19、阶段，不会出现 “死区死区” “死区死区” 为为 0.5 s s 若每隔若每隔 15.6 s s 刷新一行刷新一行 每行每隔每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次 3. 动态动态 RAM 和静态和静态 RAM 的比较的比较 DRAMSRAM 存储原理存储原理 集成度集成度 芯片引脚芯片引脚 功耗功耗 价格价格 速度速度 刷新刷新 电容电容触发器触发器 高高低低 少少多多 小小大大 低低高高 慢慢快快 有有无无 主存主存 缓存缓存 四、只读存储器（四、只读存储器（ROM） 1. 掩模掩模 ROM ( MROM ) 行列选择线交叉处有行列选择线交叉处有 MOS 管为管为“1” 行列选择线交叉处无行列

20、选择线交叉处无 MOS 管为管为“0” 2. PROM (一次性编程一次性编程) VCC 行线行线 列线列线 熔丝熔丝 熔丝断熔丝断为为 “0” 为为 “1”熔丝未断熔丝未断 3. EPROM (多次性编程多次性编程 ) (1) N型沟道浮动栅型沟道浮动栅 MOS 电路电路 G 栅极栅极 S 源源 D 漏漏 紫外线全部擦洗紫外线全部擦洗 D 端加正电压端加正电压形成浮动栅形成浮动栅S 与与 D 不导通为不导通为 “0” D 端不加正电压端不加正电压不形成浮动栅不形成浮动栅S 与与 D 导通为导通为 “1” SGD N + N + P基片基片 G D S 浮动栅浮动栅 SiO2 + + + +

21、+ _ _ _ 3. EPROM (多次性编程多次性编程 ) (2) 2716 EPROM和紫外线擦除器和紫外线擦除器 控制逻辑控制逻辑 Y 译码译码 X 译译 码码 数据缓冲区数据缓冲区 Y 控制控制 128 128 存储矩阵存储矩阵 PD/Progr CS A10 A7 A6 A0 DO0 DO7 1 12 A7 A1 A0 VSS DO2 DO0 DO1 2716 24 13 VCC A8 A9 VPP CS A10 PD/Progr DO3 DO7 (2) 2716 EPROM 的逻辑图和引脚的逻辑图和引脚 PD/Progr PD/Progr 功率下降功率下降 / 编程输入端编程输入端

22、 读出时读出时 为为 低电平低电平 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) A3 A4 A5 A6 A7 A8 A0 A1 A2 A9 15 031 1647 3263 48 150311647326348 读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路 0 1 63 0 15 行行 地地 址址 译译 码码 列列 地地 址址 译译 码码 I/O1I/O2I/O3I/O4 WE CS 第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 控制逻辑控制逻辑 Y 译码译码 X 译译 码码 数据缓冲区数据缓冲区 Y 控制控制 128 128 存储矩阵存储矩阵 PD/Progr CS A10 A7 A6 A0 DO0 DO7 1 12 A7 A1 A0 VSS DO2 DO0 DO1 2716 24 13 VCC A8 A9 VPP CS A10 PD/Progr DO3 DO7 (2) 2716 EPROM 的逻辑图和引脚的逻辑图和引脚 PD/Progr PD/Progr 功率下降功率下降 / 编程输入端编程输入端 读出时读出时 为为 低电平低电平 4. EEPROM (