计算机组成原理第四章存储器

1、第四章第四章 存存 储储 器器4.1 概述概述4.2 主存储器主存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器4.4 辅助存储器辅助存储器2一、考试范围一、考试范围 （一）存储器的分类（一）存储器的分类 （二）存储器的层次化结构（二）存储器的层次化结构 （三）半导体随机存取存储器（三）半导体随机存取存储器（SRAMSRAM，DRAMDRAM） （四）只读存储器（四）只读存储器 （五）主存储器与（五）主存储器与CPUCPU的连接的连接 （六）双口（六）双口RAMRAM和多模块存储器和多模块存储器 （七）高速缓冲存储器（七）高速缓冲存储器CacheCache 程序访问的局部性原理；基本工作原理；映射方

2、式；程序访问的局部性原理；基本工作原理；映射方式；替换算法；写策略。替换算法；写策略。 （八）虚拟存储器（八）虚拟存储器 基本概念；页式、段式、段页式存储器；基本概念；页式、段式、段页式存储器；TLBTLB（快表）。（快表）。3二、复习要点二、复习要点1. 存储器如同人的大脑一样，具有记忆功能，是计算机存储器如同人的大脑一样，具有记忆功能，是计算机的重要组成部分，它直接影响计算机存储信息的容量和的重要组成部分，它直接影响计算机存储信息的容量和运行速度。运行速度。通常本章会有相关的大题或若干小题通常本章会有相关的大题或若干小题。2. 理解各类存储器理解各类存储器(主存、主存、Cache、磁表面存

3、储器、磁表面存储器)的工作的工作原理及技术指标以及半导体存储芯片的外特性以及与原理及技术指标以及半导体存储芯片的外特性以及与CPU的连接。的连接。3. 掌握存储容量扩展技术，并能对给定存储器芯片进行掌握存储容量扩展技术，并能对给定存储器芯片进行主存设计。主存设计。4. 理解理解Cache 主存和主存主存和主存 辅存层次的作用，以及程序辅存层次的作用，以及程序访问的局部性原理。掌握存储系统层次结构，不同的访问的局部性原理。掌握存储系统层次结构，不同的Cache 主存地址映像，直接影响主存地址字段的分配主存地址映像，直接影响主存地址字段的分配及替换策略和命中率。及替换策略和命中率。5. 了解提高访

4、问存储器速度的各项技术。了解提高访问存储器速度的各项技术。4.1 4.1 概概 述述一、存储器分类一、存储器分类1. 按存储介质分类按存储介质分类(1) 半导体存储器半导体存储器(2) 磁表面存储器磁表面存储器(3) 磁芯存储器磁芯存储器(4) 光盘存储器光盘存储器易失易失TTL 、MOS磁头、载磁体磁头、载磁体硬磁材料、环状元件硬磁材料、环状元件激光、磁光材料激光、磁光材料非非易易失失(1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）存取时间与物理地址无关（随机访问） 顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带2. 按存取方式分类按存取方式分类(2) 存取时间与物理地址有关（串行访问）存取时间与物理地址

5、有关（串行访问） 随机存储器随机存储器 只读存储器只读存储器 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写SRAM DRAM在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只只读读MROM PROM EPROM EEPROMFLASH4.1 4.1 概概 述述磁盘磁盘 磁带磁带 光盘光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）Flash Memory存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类4.1 4.1 概

6、概 述述7名称名称简称简称实现实现用途用途特点特点高速缓冲高速缓冲存储器存储器CacheSRAM高速存取指令和数高速存取指令和数据据速度快速度快容量小容量小主存储器主存储器 主存主存内存内存DRAM存放计算机运行期存放计算机运行期间的大量程序和数间的大量程序和数据据速度较快速度较快容量不大容量不大外部外部/辅助辅助存储器存储器外存外存辅存辅存磁表面存储介质、磁表面存储介质、光存储介质光存储介质存放系统程序和大存放系统程序和大型数据文件及数据型数据文件及数据库库容量大容量大位成本低位成本低三个指标 容量、速度和价格 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构4.1 4.1 概概 述述1.存储器的特

7、点存储器的特点高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量 价格价格 位位2. 存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构CPUCPU主机主机4.1 4.1 概概 述述缓存缓存CPU主存主存辅存辅存3. 缓存缓存 主存层次和主存主存层次和主存 辅存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器（提升主存速度）（提升主存速度） （提升主存容量）（提升主存

8、容量）4.1 4.1 概概 述述一、概述一、概述1. 主存的基本组成主存的基本组成存储体存储体驱动器驱动器译码器译码器MAR控制电路控制电路读读写写电电路路MDR.地址总线地址总线数据总线数据总线读读写写2. 主存和主存和 CPU 的联系的联系MDRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址总线地址总线写写 高位字节高位字节 地址为字地址地址为字地址 低位字节低位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 24 根根按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 16 位位按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 32 位位字地址字地址字节地址字节地址111098765432

9、10840字节地址字节地址字地址字地址4523014203. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配224 = 16 M8 M4 M(2) 存储速度存储速度4. 主存的技术指标主存的技术指标(1) 存储容量存储容量(3) 存储器的带宽存储器的带宽主存主存 存放二进制代码的总数量存放二进制代码的总数量 读出时间读出时间 写入时间写入时间 存储器的存储器的 访问时间访问时间 存取时间存取时间 存取周期存取周期 读周期读周期 写周期写周期 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的（读或写）所需的 最小间隔时间最小间隔时间 位位/秒秒 BM（数据传输率）（数据传输率）

10、=W（数据的宽度）（数据的宽度）/T（存储周期）（存储周期）设计存储系统所追求的目标是大容量、低成本和高速度设计存储系统所追求的目标是大容量、低成本和高速度芯片容量芯片容量二、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1K 4位位16K 1位位8K 8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）104141138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

11、储器的存储器 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0,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A02. 半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式(1) 线选法线选法00000,00,7007D07D 读读 / 写写选通选通A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3

12、232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写(2) 重合法重合法00000000000,031,00,31I/OD0,0读读18 互锁的触发器互锁的触发器 保持保持 字线低。字线低。 T5，T6止止 T1,T2中状态保持中状态保持写操作写操作 字线高；字线高；T5，T6开开 写写0 位线位线1高，位线高，位线2低低 A高高B低；低；T2通通T1止止 写写1 位线位线1低，位线低，位线2高高 A低低B高；高；T1通通T2止止 读操作读操作 字线高，字线高，T5，T6开开 读读 0位线位线2有负脉冲有负脉冲 读读1位线位线1有负脉冲有负脉冲栅极漏极源极GNDAB0状态

13、T2通T1止，A高B低 ；1状态T1通T2止，A低B高 。SRAM的状态就是B点的状态 三、随机存取存储三、随机存取存储 ( RAM ) 1. 静态静态 RAM (SRAM) 基本单元电路基本单元电路 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1T4T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 T4T5T6T7T8A 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DOUT读放读放位线位线A位线位

14、线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择T1 T4A T1 T4T5T6T7T8A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DOUTVAT6T8DOUTT1 T4T5T6T7T8A ADIN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写放写放写放写放读放读放DOUT写选择写选择读选择读选择 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 写写 操作操作 行选行选T5、

15、T6 开开 两个写放两个写放 DIN列选列选T7、T8 开开（左）（左） 反相反相T5A （右）（右） T8T6ADINDINT7 (2) 静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Intel 2114 外特性外特性存储容量存储容量1 1K K4 4位位.I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel 2114 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地

16、地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读

17、写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326

18、348150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读0163248CSWE第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路

19、读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECSCSWE15031164732634801632480000000000第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE1503116473263480163

20、248第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE1503116473263480163248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第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读1503116473

21、26348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE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1503116473263480163248I/O1I/O2I/O3I/O4A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2

22、I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读

23、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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS000000

24、0000150311647326348WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I

25、/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4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第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写

26、电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4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第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000

27、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I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4150311647326348150311647326348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0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348I/O1I/O2I/O3I/O4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

28、读写电路WECS0163248ACSDOUT地址有效地址有效地址失效地址失效片选失效片选失效数据有效数据有效数据稳定数据稳定高阻高阻 (3) 静态静态 RAM 读读 时序时序 tAtCOtOHAtOTDtRC片选有效片选有效读周期读周期 t tRCRC 地址有效地址有效 下一次地址有效下一次地址有效读时间读时间 t tA A 地址有效地址有效数据稳定数据稳定 t tCOCO 片选有效片选有效数据稳定数据稳定t tOTDOTD 片选失效片选失效输出高阻输出高阻t tOHAOHA 地址失效后的地址失效后的数据维持时间数据维持时间ACSWEDOUTDIN (4) 静态静态 RAM (2114) 写写

29、 时序时序 tWCtWtAWtDWtDHtWR写周期写周期 t tWCWC 地址有效地址有效下一次地址有下一次地址有效效写时间写时间 t tW W 写命令写命令 WEWE 的有效时间的有效时间t tAWAW 地址有效地址有效片选有效的滞后时间片选有效的滞后时间t tWRWR 片选失效片选失效下一次地址有效下一次地址有效t tDW DW 数据稳定数据稳定 WE WE 失效失效t tDHDH WE WE 失效后的数据维持时间失效后的数据维持时间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读数据线读数据线VCgT4T3T2T11 (1) 动态动态 RAM 基本单元电路基本

30、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CsT字线字线DDV0 10 11 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”T3T2T1T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行行地地址址译译码码器器001131311A9A8A7A6A531A4A3A2A1A0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

31、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00000000000D0 0单元单元电路电路读读 写写 控控 制制 电电 路路A9A8A7A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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11111 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写A9A8A7A6A5读读

32、 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00113131131A4A3A2A1A0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0A9A8A7A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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011111 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写A9A8A7A6A5读读 写写

33、 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00113131131A4A3A2A1A0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00100011111 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写A9A8A7A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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0111111010001

34、1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写A9A8A7A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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0D11111010001 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写A9A8A7A6A5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001131311

35、31A4A3A2A1A0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0D11111010001 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A9A8A7A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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0D11111010001 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A9A8A7

36、A6A5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00113131131A4A3A2A1A0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0D11111010001 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 单管动态单管动态 RAM 4116 (16K 1 1位位) 外特性外特性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 WERASCAS缓存器缓存器行地址行地址缓存器缓存器列地址列地址 A6A0存储单元阵列存储单元

37、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 DINDOUTDINDOUTA6A0读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器06364127128 根行线根行线CS01271128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DOUTDINCS 4116 (16K 1位位) 芯片芯片 读读 原理原理读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器630 0 0I

38、/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动OUTD读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器06364127128 根行线根行线CS01271128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DOUTDINCS 4116 (16K 1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出放大器读出放大器630 (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 OUT 有效有效数据数据 DIN

39、IN 有效有效读时序读时序行地址行地址 RAS 有效有效写允许写允许 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 集中刷新集中刷新 （存取周期为存取周期为0.5s）“死时间率死时间率” 为为 32/4000 100% = 0.8%“死区死区” 为为 0.5 s 32 = 16 s周期序号周期序号地址序号地址序号tc0123967 396801tctctctc3999V W0131读读/写或维持写或维持刷新刷新读读/写或维持写或维持3968个周期个周期 （1984）32个周期个周期 （

40、16）刷新时间间隔刷新时间间隔 （2ms）刷新序号刷新序号sstcXtcY 以以 32 32 矩阵为例矩阵为例t tC C = = t tM M + + t tR R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1s）(存取周期为存取周期为 0.5 s + 0.5 s)W/RREF0W/RtRtMtCREF126REF127REFW/RW/RW/RW/R刷新间隔刷新间隔 128 个读写周期个读写周期以以 128 128 矩阵为例矩阵为例 分散刷新与集中刷新相结合分散刷新与集中刷新相结合对于对于 128 128 的存储芯片的存储芯片（存取周期为存取周期为 0.5s）

41、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阶段，不会出现 “死区死区”“死区死区” 为为 0.5 s若每隔若每隔 15.6 s 刷新一行刷新一行而且每行每隔而且每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次若每隔若每隔 2 ms 集中刷新一次集中刷新一次“死区死区” 为为 64 s 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. 掩膜掩膜 ROM ( MROM

42、 ) 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”SGDN+N+P基片基片

43、GDS浮动栅浮动栅SiO2+ + + + +_ _ _ 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/ProgrCSA10A7A6A0.DO0DO7112A7A1A0VSSDO2DO0DO127162413VCCA8A9VPPCSA10PD/ProgrDO3DO7(2) 2716 EPROM 的逻辑图和引脚的逻辑图和引脚PD/ProgrPD/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 (多次性编程多次性编程 ) 电可擦写电可擦写局部擦写局部擦写全部擦写全部擦写5. Fl

44、ash Memory (快擦型存储器快擦型存储器) 在在EPROM与与E2PROM基础上发展起来的，它与基础上发展起来的，它与EPROM一样，用单管来存储一位信息，它与一样，用单管来存储一位信息，它与E2PROM相同之处是用相同之处是用电来擦除。电来擦除。快擦除读写存储器兼有快擦除读写存储器兼有ROM和和RAM两者的性能，又有两者的性能，又有ROM，DRAM一样的高密度。目前价格已略低于一样的高密度。目前价格已略低于DRAM，芯片容，芯片容量已接近于量已接近于DRAM，是唯一具有大存储量、非易失性、低价，是唯一具有大存储量、非易失性、低价格、可在线改写和高速度格、可在线改写和高速度(读读)等特

45、性的存储器。等特性的存储器。66五五. .主存储器与主存储器与CPU连接连接 CPU对存储器进行读对存储器进行读 / 写操作写操作 与总线与总线（AB，DB，CB）的连接的连接 存储器芯片容量有限存储器芯片容量有限, ,为满足实际容量要求，为满足实际容量要求，需存储器容量扩需存储器容量扩展展存储芯片数目确定原则：一个存储器系统的总容量为MN位，用采用LK 位的芯片设计，需 ( M / L)( N / K) 个存储器芯 片位扩展法 扩充字位长度，增加位数，字并联字扩展法 扩充存储地址长度，字串联字位同时扩展法 - 五、存储器与五、存储器与 CPU 的连接的连接 1. 存储器容量的扩展存储器容量的

46、扩展 (1) 位扩展位扩展（增加存储字长）（增加存储字长） 用用 2片片 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 1K 8位位 的存储器的存储器10根地址线根地址线8根数据线根数据线DDD0479AA021142114CSWE (2) 字扩展（增加存储字的数量）字扩展（增加存储字的数量） 用用 2片片 1K 8位位 存储芯片组成存储芯片组成 2K 8位位 的存储器的存储器11根地址线根地址线8根数据线根数据线 1K 8位位 1K 8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS1 (3) 字、位扩展字、位扩展用用 8片片 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 4K 8位位 的存储器的存储器

47、8根数据线根数据线12根地址线根地址线WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0CS1CS2CS3片选片选译码译码.1K41K41K41K41K41K41K41K4 2. 存储器与存储器与 CPU 的连接的连接 (1) 地址线的连接地址线的连接(2) 数据线的连接数据线的连接(3) 读读/写线的连接写线的连接(4) 片选线的连接片选线的连接(5) 合理选用芯片合理选用芯片(6) 其他其他 时序、负载时序、负载例4.1 设CPU有16根地址线、8根数据线，并用MREQ作为访存控制信号（低电平有效），用WR作为读/写控制信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：1K4位RAM、4K8位R

48、AM、8K8位RAM、2K8位ROM、4K8位ROM、8K8位ROM及74138译码器和各种门电路，画出CPU与存储器的连接图，要求如下：（1）主存地址空间分配：6000H67FFH为系统程序区。6800H6BFFH为用户程序区。（2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片。（3）详细画出存储芯片的片选逻辑图。例例4.1 解解: : (1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码(2) 确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1

49、1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2片片1K4位位ROM1片片 2K8位位(3) 分配地址线分配地址线A10 A0 接接 2K 8位位 ROM 的地址线的地址线A9 A0 接接 1K 4位位 RAM 的地址线的地址线(4) 确定片选信号确定片选信号C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0

50、 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K 8位位1片片 ROM1K 4位位2片片RAM 2K 8位位 ROM 1K 4位位 RAM1K 4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2AMREQA14A15A13A12A11A10A9A0D7D4D3D0WR例例 4.1 CPU 与存储器的连接图与存储器的连接图(1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码例例4.2 假设同前，要求最小假设同前，要求最小 4K为系统为系统 程序区，相邻程序区，相邻 8K为用户程序区。为用户程序区。(2) 确定芯片的数量及类型确定芯片

51、的数量及类型(3) 分配地址线分配地址线(4) 确定片选信号确定片选信号1片片 4K 8位位 ROM 2片片 4K 8位位 RAMA11 A0 接接 ROM 和和 RAM 的地址线的地址线例例 4.3 设设 CPU 有有 20 根地址线，根地址线，8 根数据线。根数据线。 并用并用 IO/M 作访存控制信号。作访存控制信号。RD 为读命令，为读命令， WR 为写命令。现有为写命令。现有 2764 EPROM ( 8K 8位位 ), 外特性如下：外特性如下：D7D0CEOECE片选信号片选信号OE允许输出允许输出PGM可编程端可编程端PGMA0A12用用 138 译码器及其他门电路（门电路自定）

52、画出译码器及其他门电路（门电路自定）画出 CPU和和 2764 的连接图。要求地址为的连接图。要求地址为 F0000HFFFFFH , 并并写出每片写出每片 2764 的地址范围。的地址范围。六、提高访存速度的措施六、提高访存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 调整主存结构调整主存结构1. 单体多字系统单体多字系统 W位位W位位W位位W位位W位位地址寄存器地址寄存器主存控制部件主存控制部件. . . . . . . . . . .单字长寄存器单字长寄存器 数据寄存器数据寄存器 存储体存储体 采用层次结构采用层次结构 Cache 主存主存 增加存储器的带宽增加存储器的带宽 2. 多体并行系统多

53、体并行系统(1) 高位交叉高位交叉 各个体并行工作各个体并行工作M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址译码地址译码体内地址体内地址体号体号(2) 低位交叉低位交叉M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址译码地址译码 体号体号体内地址体内地址各个体轮流编址各个体轮流编址低位地址用于选取模块低位地址用于选取模块在在M个模块上交叉编址，称模个模块上交叉编址，称模M交叉编址交叉编址第第i个模块个模块Mi 地址编号为：地址编号为：Mi=Mj+i 其中，其中，M为模块个数为模块个数j=0,1,2，L-1（L为每个模块单元个数）为每

54、个模块单元个数）i=0,1,2，M-1低位交叉的特点低位交叉的特点在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽时间时间 单体单体访存周期访存周期T 单体单体访存周期访存周期T启动存储体启动存储体 0启动存储体启动存储体 1启动存储体启动存储体 2启动存储体启动存储体 3采用流水线工作方式，则读取采用流水线工作方式，则读取n个字所需时间为个字所需时间为t=T +(n-1), 其中，其中， 为总线传输周期为总线传输周期例例4.6 设有设有4个模块组成的四体存储器结构，每个体的存储个模块组成的四体存储器结构，每个体的存储字长为字长为32位，存取周期为位，存取周

55、期为20ns。假设数据总线宽度为。假设数据总线宽度为32位，总线传输周期为位，总线传输周期为50ns,试求顺序存储和交叉存储的存试求顺序存储和交叉存储的存储器带宽储器带宽解：解： 若连续读出若连续读出4个字，则顺序存储器带宽是：个字，则顺序存储器带宽是：324/200410-9=16107bps交叉存储器连续读出交叉存储器连续读出4个字的时间是：个字的时间是：200+（4-1）50=350ns交叉存储器的带宽是交叉存储器的带宽是128/350128/35010-9=37107bps一、概述一、概述1. 问题的提出问题的提出避免避免 CPU “空等空等” 现象现象CPU 和主存（和主存（DRAM

56、）的速度差异的速度差异缓存缓存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理时间局限性时间局限性现在用到的信息马上还要用到现在用到的信息马上还要用到空间局限性空间局限性后面用到的信息所在地和前面信息地址连续后面用到的信息所在地和前面信息地址连续2. Cache 的工作原理的工作原理(1) 主存和缓存的编址主存和缓存的编址主存和缓存按块存储主存和缓存按块存储 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长主存块号主存块号主存储器主存储器012m1字块字块 0字块字块 1字块字块 M1主存块号主存块号块内地址块内地址m位位b位位n位位M块块B个字个

57、字缓存块号缓存块号块内地址块内地址c位位b位位C块块B个字个字字块字块 0字块字块 1字块字块 C1012c1标记标记Cache缓存块号缓存块号（2）主存的块和）主存的块和Cache的块有某个对应关系，此关系称地址的块有某个对应关系，此关系称地址映射函数映射函数（3）Cache中存放主存中经常用的信息中存放主存中经常用的信息（4）读、写操作）读、写操作1读操作读操作 命中：主存的相应内容已在命中：主存的相应内容已在Cache中，中，直接取数直接取数 失败：主存的相应内容不在失败：主存的相应内容不在Cache中，中， 将主存中的信息所在块全部调入将主存中的信息所在块全部调入Cache中，后取数中

58、，后取数2写操作写操作 命中：写的地址在命中：写的地址在Cache中中 、既写、既写CacheCache，又写主存，又写主存写直达法，一致性好，速度慢写直达法，一致性好，速度慢 、只写、只写CacheCache，不写主存，不写主存写回法，一致性差写回法，一致性差 当该信息从当该信息从CacheCache中移出时，先写主存，后移出中移出时，先写主存，后移出 失败：不在失败：不在CacheCache中中 只写主存只写主存数据总线数据总线Cache替换机构替换机构可装进？可装进？ 命中？命中？主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 主主 存存访问主访问主存替换存替换Cache Cac

59、he 存储体存储体块号块号块内地址块内地址直接通路直接通路访问主存装入访问主存装入CacheNNYY块号块号块内地址块内地址CPU主存地址主存地址地址总线地址总线Cache地址地址3. Cache 的基本结构的基本结构Cache替换机构替换机构由由 CPU 完成完成 Cache 存储体存储体主存主存Cache 地址映象地址映象 变换机构变换机构 4. Cache 的的 读写读写 操作操作 访问访问Cache取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存取出信息送取出信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束命中？命中？Cache

60、满？满？CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始YNYN写写Cache 和主存的一致性和主存的一致性 读读5.相关概念相关概念（1）命中率）命中率CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 一般每块可取一般每块可取 4 至至 8 个字个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉体交叉 块长取块长取 16 个存储字个存储字 IBM 370/168 4体交叉体交叉 块长取块长取 4 个存储字个存储字（64位位4 = 256位）位）h=NC/（N