郑啸-计算机组成原理课件

1、计算机组成原理计算机组成原理1第八-十三讲2021年12月11日多层次的存储器多层次的存储器 计算机组成原理计算机组成原理21 1、存储器概述、存储器概述外部特性，性能参数，层次结构外部特性，性能参数，层次结构2 2、静态存储器和动态存储器存储单元构成、静态存储器和动态存储器存储单元构成 一位存储单元及存储阵列，多端口一位存储单元及存储阵列，多端口SRAMSRAM，读写时序，读写时序3 3、半导体、半导体ROMROM存储器存储器 MROM PROMMROM PROM，EPROMEPROM，EEPROMEEPROM，FLASHFLASH4 4、存储器芯片构成以及存储器主要技术指标、存储器芯片构成

2、以及存储器主要技术指标5 5、存储器扩展技术、存储器扩展技术位、字、字位扩展位、字、字位扩展计算机组成原理计算机组成原理3L L、半导体存储器的分类、组成及组成部件的作用及工作原、半导体存储器的分类、组成及组成部件的作用及工作原理、读理、读/ /写操作的基本过程。写操作的基本过程。2 2、SRAMSRAM、DRAMDRAM芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引脚信号、了解脚信号、了解DRAMDRAM刷新的基本概念。刷新的基本概念。3 3、半导体存储器的主要技术指标、芯片的扩充、半导体存储器的主要技术指标、芯片的扩充、CPUCPU与半导与半导体存储器间的连接

3、。体存储器间的连接。计算机组成原理计算机组成原理4在现代计算机中在现代计算机中, ,存储器处于全机中心地位存储器处于全机中心地位, ,其原因是其原因是: :(1) (1) 当前计算机正在执行的程序和数据当前计算机正在执行的程序和数据( (除了暂存于除了暂存于CPUCPU寄存寄存器的器的) )均存放在存储器中。均存放在存储器中。CPUCPU直接从存储器取指令或存取数直接从存储器取指令或存取数据。据。(2) (2) 计算机系统中输入输出设备数量增多，数据传送速度加计算机系统中输入输出设备数量增多，数据传送速度加快，因此采用了直接存储器存取快，因此采用了直接存储器存取(DMA)(DMA)技术和技术和

4、I/OI/O通道技术，通道技术，在存储器与输入输出系统之间直接传送数据。在存储器与输入输出系统之间直接传送数据。(3) (3) 共共享存储器的多处理机的出现，利用存储器存放共享数据，享存储器的多处理机的出现，利用存储器存放共享数据，并实现处理机之间的通信，更加强了存储器作为全机中心的地并实现处理机之间的通信，更加强了存储器作为全机中心的地位。位。 由于中央处理器都是由高速器件组成，不少指令的执行速度由于中央处理器都是由高速器件组成，不少指令的执行速度基本上取决于主存储器的速度。所以，计算机解题能力的提高、基本上取决于主存储器的速度。所以，计算机解题能力的提高、应用范围的日益广泛和系统软件的日益

5、丰富，无一不与主存储应用范围的日益广泛和系统软件的日益丰富，无一不与主存储器的技术发展密切相关。器的技术发展密切相关。简介简介计算机组成原理计算机组成原理5存储器分类存储器分类存储器概述存储器概述存储器的层次结构存储器的层次结构存储器的技术指标存储器的技术指标计算机组成原理计算机组成原理6存储器概述1 1、存储器：、存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。2 2、存储元：、存储元：存储器的最小组成单位，用以存储存储器的最小组成单位，用以存储1 1位二进制代码。位二进制代码。3 3、存储单元：、存储单元：是是CPUCPU访问存储器基本单

6、位，由若干个具有相同访问存储器基本单位，由若干个具有相同操作属性的存储元组成。操作属性的存储元组成。4 4、单元地址：、单元地址：在存储器中用以表识存储单元的唯一编号，在存储器中用以表识存储单元的唯一编号，CPUCPU通过该编号访问相应的存储单元。通过该编号访问相应的存储单元。5 5、字存储单元、字存储单元：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。地址。6 6、字节存储单元：、字节存储单元：存放一个字节的存储单元，相应的单元地址存放一个字节的存储单元，相应的单元地址叫字节地址叫字节地址7 7、按字寻址计算机：、按字寻址计算机：可编址的最小单位是字

7、存储单元的计算机。可编址的最小单位是字存储单元的计算机。8 8、按字节寻址计算机、按字节寻址计算机：可编址的最小单位是字节的计算机。：可编址的最小单位是字节的计算机。9 9、存储体：、存储体：存储单元的集合，是存放二进制信息的存储单元的集合，是存放二进制信息的地方地方几个基本概念几个基本概念计算机组成原理计算机组成原理7存储器各个概念之间的关系存储器各个概念之间的关系单元地址单元地址00000001.XXXX存储单元存储单元存储元存储元存储容量存储容量存储体存储体计算机组成原理计算机组成原理8存储器分类存储器分类1. 1. 按存储介质分按存储介质分 半导体存储器半导体存储器：用半导体器件组成的

8、存储器。：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。用磁性材料做成的存储器。2. 2. 按存储方式分按存储方式分 随机存储器随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取 时间和存储单元的物理位置无关。时间和存储单元的物理位置无关。 顺序存储器：顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元 的物理位置有关。的物理位置有关。计算机组成原理计算机组成原理93. 3. 按存储器的读写功能分按存储器的读写功能分 只读存储器只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能

9、读出而：存储的内容是固定不变的，只能读出而 不能写入的半导体存储器。不能写入的半导体存储器。随机读写存储器随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。：既能读出又能写入的半导体存储器。 4. 4. 按信息的可保存性分按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。：断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。断电后仍能保存信息的存储器。5. 5. 按在计算机系统中的作用分按在计算机系统中的作用分 根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为: 主存储器主存储器

10、、辅助存储器辅助存储器、高速缓冲存储器高速缓冲存储器、 控制存储器控制存储器等。等。计算机组成原理计算机组成原理10 半半导导体体存存储储器器 只读只读 存储器存储器 ROMROM 随机读写随机读写存储器存储器RAMRAM 掩膜掩膜 ROMROM 可编程可编程 ROM ROM （PROMPROM ） 可擦除可擦除 ROM ROM （EPPROMEPPROM ） 电擦除电擦除 ROM ROM （E E2 2PROMPROM ） 静态静态 RAM RAM （SRAMSRAM ） 动态动态 RAM RAM （DRAMDRAM ） 半导体存储器半导体存储器计算机组成原理计算机组成原理11存储器层次结构

11、存储器层次结构 容量大，速度快，成本低。容量大，速度快，成本低。 为解决三者之间的矛盾，目前通常采用为解决三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构多级存储器体系结构， 即使用即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。 对存储器的要求是：对存储器的要求是：寄存器寄存器Cache主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器计算机组成原理计算机组成原理12 名称名称 高速缓冲高速缓冲 存储器存储器 主存储器主存储器 外存储器外存储器 简称简称 Cache 主存主存 外存外存用途用途高速存取指令和数据高速存取指令和数据 存放计算机运行期间的存放计算机运行期间的大量程序和

12、数据大量程序和数据 存放系统程序和大型数据存放系统程序和大型数据文件及数据库文件及数据库特点特点 存取速度快，但存存取速度快，但存储容量小储容量小存取速度较快，存取速度较快， 存存储容量不大储容量不大存储容量大，存储容量大， 位成位成本低本低存储器的用途和特点存储器的用途和特点计算机组成原理计算机组成原理13主存储器的技术指标主存储器的技术指标 存储容量；存取时间存储容量；存取时间(存储器访问时间）、存储周期存储器访问时间）、存储周期和存储器带宽；可靠性；功耗及集成度。和存储器带宽；可靠性；功耗及集成度。 指指 标标存储容量存储容量存取时间存取时间存储周期存储周期存储器带宽存储器带宽含义含义在

13、一个存储器中可以容纳在一个存储器中可以容纳的存储单元总数的存储单元总数启动到完成一次存储器操作启动到完成一次存储器操作所经历的时间所经历的时间连续启动两次操作所需间连续启动两次操作所需间隔的最小时间隔的最小时间单位时间里存储器所存取单位时间里存储器所存取的信息量的信息量 表表 现现存储空间的大存储空间的大小小 主存的速度主存的速度 主存的速度主存的速度数据传输速率数据传输速率技术指标技术指标 单单 位位字数，字数， 字节数字节数位位/秒，秒， 字节字节/秒秒计算机组成原理计算机组成原理14 可靠性可靠性 主存储器的可靠性通常用平均无故障时间主存储器的可靠性通常用平均无故障时间 MTBFMTBF

14、 (Mean Time Between Failures) (Mean Time Between Failures)来表征。来表征。MTBFMTBF指连指连 续两次故障之间的平均时间间隔。显然，续两次故障之间的平均时间间隔。显然，MTBFMTBF越长越长 ，意味着主存的可靠性越高，意味着主存的可靠性越高， 功耗功耗 作为目前的主存储器的主体的半导体存储器的功耗包作为目前的主存储器的主体的半导体存储器的功耗包 括括“维持功耗维持功耗”和和“操作功耗操作功耗”，应在保证速度的前，应在保证速度的前提下提下 尽可能地减小功耗，特别是要减小尽可能地减小功耗，特别是要减小“维持功耗维持功耗”。 集成度集成

15、度 所谓集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成所谓集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成 多少个存储单元，每个存储单元存储一个二进制位，多少个存储单元，每个存储单元存储一个二进制位， 所以集成度常表示为所以集成度常表示为位位/ /片片。 计算机组成原理计算机组成原理15SRAMSRAM存储器存储器DRAMDRAM存储器存储器主存储器组成实例主存储器组成实例存储器容量扩充存储器容量扩充计算机组成原理计算机组成原理16SRAMSRAM存储器存储器1. 1. 基本的静态存储元阵列基本的静态存储元阵列 SRAM中中,用一个锁存器用一个锁存器(触发器触发器)作为存储元。只要直流供电作为存储元。只要直

16、流供电电源一直加在这个记忆电路上，它就无限期地保持记忆的电源一直加在这个记忆电路上，它就无限期地保持记忆的1状态状态或或0状态。如果电源断电，那么存储的数据状态。如果电源断电，那么存储的数据(1或或0)就会丢失。就会丢失。计算机组成原理计算机组成原理17n三组信号线：地址线 、数据线 、控制线 n地址译码器n行线 计算机组成原理计算机组成原理181K bit SRAM1K bit SRAM计算机组成原理计算机组成原理192.2.基本的基本的SRAMSRAM逻辑结构逻辑结构 一个一个SRAM存储器由存储器由存储体存储体、读写电路读写电路、地址译码地址译码电路和电路和控制电路控制电路等组成。等组成

17、。计算机组成原理计算机组成原理20 一个基本存储电路只能存储一个二进制位。一个基本存储电路只能存储一个二进制位。 将基本的存储电路有规则地组织起来，就是存储体。将基本的存储电路有规则地组织起来，就是存储体。 存储体又有不同的组织形式：存储体又有不同的组织形式： 将各个字的将各个字的同一位同一位组织在一个芯片中；组织在一个芯片中； 将各个字的将各个字的4 4位位组织在一个芯片中，组织在一个芯片中， 如：如：2114 1K2114 1K4 4； 将各个字的将各个字的8 8位位组织在一个芯片中，组织在一个芯片中， 如：如：6116 2K6116 2K8 8； 如图所示：如图所示： 存储体将存储体将4

18、0964096个字的同一位组织在一个集成片中；个字的同一位组织在一个集成片中； 需需1616个片子组成个片子组成409640961616的存储器；的存储器； 40964096通常排列成矩阵形式，如通常排列成矩阵形式，如 64646464，由行选、列选线选，由行选、列选线选中所需的单元。中所需的单元。(1) 存储体存储体计算机组成原理计算机组成原理21(2) 地址译码器地址译码器 单译码方式单译码方式适用于小容量存储器中，只有一个译码器。适用于小容量存储器中，只有一个译码器。计算机组成原理计算机组成原理22 双译码方式双译码方式地址译码器分成两个，可地址译码器分成两个，可有效减少有效减少选择线的

19、数目。选择线的数目。x1x64计算机组成原理计算机组成原理23(3) 驱动器驱动器 双译码结构中，在译码器输出后加驱动器，驱动挂在各条双译码结构中，在译码器输出后加驱动器，驱动挂在各条X方向选择线上的所有存储元电路。方向选择线上的所有存储元电路。(4) I/O电路电路 处于数据总线和被选用的单元之间，处于数据总线和被选用的单元之间， 控制被选中的单元读控制被选中的单元读出或写入，放大信息。出或写入，放大信息。(5) 片选片选 在地址选择时，首先要选片在地址选择时，首先要选片,只有当片选信号有效时，此片只有当片选信号有效时，此片所连的地址线才有效。所连的地址线才有效。(6) 输出驱动电路输出驱动

20、电路 为了扩展存储器的容量，常需要将几个芯片的数据线并联为了扩展存储器的容量，常需要将几个芯片的数据线并联使用；另外存储器的读出数据或写入数据都放在双向的数据使用；另外存储器的读出数据或写入数据都放在双向的数据总线上。这就用到三态输出缓冲器。总线上。这就用到三态输出缓冲器。计算机组成原理计算机组成原理243.SRAM3.SRAM存储器芯片实例存储器芯片实例Intel 211410244 的存储器：的存储器： 4096 个基本存储单元，排成个基本存储单元，排成 6464 (64164) 的矩阵；的矩阵； 需需 10 根地址线寻址；根地址线寻址； X 译码器输出译码器输出 64 根选择线，分别选择

21、根选择线，分别选择 1-64 行；行； Y 译码器输出译码器输出 16 根选择线，分别选择根选择线，分别选择 1-16 列控制各列的位列控制各列的位 线控制门。线控制门。计算机组成原理计算机组成原理25Intel 21141K4 SRAMSRAM(64 16 4)计算机组成原理计算机组成原理264.4.存储器的读、写周期存储器的读、写周期 在与在与CPU连接时连接时, CPU的控制信号与存储器的读、写周期之的控制信号与存储器的读、写周期之间的配合问题是非常重要的。间的配合问题是非常重要的。读周期读周期: 读周期时间与读出时间是两个不同的概念。读周期时间与读出时间是两个不同的概念。 读出时间读出

22、时间从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所 读出的数据信息所经历的时间。读出的数据信息所经历的时间。 读周期时间读周期时间则是存储器进行则是存储器进行两次连续读两次连续读操作时所必须间隔操作时所必须间隔 的时间，它总是大于或等于读出时间。的时间，它总是大于或等于读出时间。计算机组成原理计算机组成原理27SRAMSRAM存储器时序存储器时序地址有效地址有效CSCS有效有效 OE有效有效数据输出数据输出CSCS复位复位 OE复复位位地址撤销地址撤销静态存储器的静态存储器的读周期读周期计算机组成原理计算机组成原理28静态存储器的读静态存储器的读写周期写周

23、期写周期：写周期：地址有效地址有效CSCS有效有效WE有效有效数据有效数据有效 WE复位复位 CSCS复复位（数据输入）位（数据输入）地址撤销地址撤销计算机组成原理计算机组成原理29 DRAM DRAM存储器存储器1.1.单管动态存储元单管动态存储元 数据线数据线 行行( (字字) )选择选择CCDT110T1计算机组成原理计算机组成原理30DRAM存储位元的记忆原理存储位元的记忆原理计算机组成原理计算机组成原理31读操作读操作 行选择线为高电平，使存储电路中的行选择线为高电平，使存储电路中的T T1 1管导通，于是，使连在管导通，于是，使连在每一列上的刷新放大器读取每一列上的刷新放大器读取电

24、容电容C C上的电压值。刷新放大器的灵上的电压值。刷新放大器的灵敏度很高，放大倍数很大，并且能将从电容上读得的电压值折合敏度很高，放大倍数很大，并且能将从电容上读得的电压值折合为逻辑为逻辑“0”0”或者逻辑或者逻辑“1”1”。 列地址（较高位地址）产生列选择信号，有了列选择信号，所列地址（较高位地址）产生列选择信号，有了列选择信号，所选中行上的基本存储电路才受到驱动，从而可以输出信息。选中行上的基本存储电路才受到驱动，从而可以输出信息。 在读出过程中，选中行上的所有基本存储电路中的电容都受到在读出过程中，选中行上的所有基本存储电路中的电容都受到打扰，因此为打扰，因此为破坏性读出破坏性读出。为了

25、在读出之后，仍能保存所容纳的。为了在读出之后，仍能保存所容纳的信息，刷新放大器对这些电容上的电压值读取之后又立即进行重信息，刷新放大器对这些电容上的电压值读取之后又立即进行重写。写。计算机组成原理计算机组成原理32写操作写操作 行选择线为行选择线为“1”1”；T T1 1管处于可导通的状态，如果列选择信管处于可导通的状态，如果列选择信号也为号也为“1”1”则此基本存储电路被选中，于是由数据输入输则此基本存储电路被选中，于是由数据输入输出线送来的信息通过刷新放大器和出线送来的信息通过刷新放大器和T T1 1管送到电容管送到电容C C。 刷新刷新 虽然进行一次读写操作实际上也进行了刷新，但是，由虽

26、然进行一次读写操作实际上也进行了刷新，但是，由于读写操作本身是随机的，所以，并不能保证所有的于读写操作本身是随机的，所以，并不能保证所有的RAMRAM单单元都在元都在2ms2ms中可以通过正常的读写操作来刷新，由此，专门中可以通过正常的读写操作来刷新，由此，专门安排了存储器刷新周期完成对安排了存储器刷新周期完成对动态动态RAMRAM的刷新的刷新。计算机组成原理计算机组成原理33 集成度高，功耗低集成度高，功耗低 具有易失性，必须刷新。具有易失性，必须刷新。 破坏性读出，必须读后重写破坏性读出，必须读后重写 读后重写，刷新均经由刷新放大器（刷新缓冲）进行。读后重写，刷新均经由刷新放大器（刷新缓冲

27、）进行。 刷新时只提供行地址，由各列所拥有的刷新放大器，刷新时只提供行地址，由各列所拥有的刷新放大器， 对选中行全部存储元实施同时集体读后重写对选中行全部存储元实施同时集体读后重写( (再生再生) )。DRAMDRAM的电气特征：的电气特征：计算机组成原理计算机组成原理34内部结构内部结构(1M4位位)2.DRAM2.DRAM存储芯片实例存储芯片实例计算机组成原理计算机组成原理35 特点：特点： 分时传送地址码，增加地址锁存器按行刷新，增加刷新计数器计算机组成原理计算机组成原理36DRAMDRAM时序时序读周期读周期：行地址有效行地址有效行地址选通行地址选通列地址有效列地址有效列地址选通列地址

28、选通数据输出数据输出行选通、列选通及地址撤销行选通、列选通及地址撤销ADD(a) 读周期tCASDout行地址行地址列地址列地址数 据数 据WECASRAS计算机组成原理计算机组成原理37DRAMDRAM时序时序写周期：写周期：行地址有效行地址有效行地址选通行地址选通列地址、数据有效列地址、数据有效列地址选列地址选通通数据输入数据输入行选通、列选通及地址撤销行选通、列选通及地址撤销address( (b b) )写写周周期期tRAStCYC行行地地址址列列地地址址数 据DinWECASRAS计算机组成原理计算机组成原理383.DRAM3.DRAM的刷新的刷新(1) DRAM(1) DRAM的刷

29、新的刷新 不管是哪一种动态不管是哪一种动态RAMRAM，都是利用电容存储电荷的原理来保存，都是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，由于电容会逐渐放电，所以，对动态信息的，由于电容会逐渐放电，所以，对动态RAMRAM必须不断进行必须不断进行读出和再写入，以使泄放的电荷受到补充，也就是进行刷新。读出和再写入，以使泄放的电荷受到补充，也就是进行刷新。 动态动态MOS存储器采用存储器采用“读出读出”方式进行刷新方式进行刷新, 先将原存信息先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入。读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入。(2) (2) 刷新周期刷新周期 从上一次对整个存储器刷新结束到下一次

30、对整个存储器全从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷新周期。部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷新周期。一般为一般为2ms, 4ms, 8ms。(3) (3) 刷新方式刷新方式常用的刷新方式有三种常用的刷新方式有三种: 集中式、分散式、异步式。集中式、分散式、异步式。计算机组成原理计算机组成原理39 在整个刷新间隔内，前一段时间重复进行读在整个刷新间隔内，前一段时间重复进行读/写周期或维持写周期或维持周期，等到需要进行刷新操作时，便暂停读周期，等到需要进行刷新操作时，便暂停读/写或维持周期，而写或维持周期，而逐行刷新整个存储器，它适用于高速存储器。逐

31、行刷新整个存储器，它适用于高速存储器。tCtCtCtCtCtCtC 集中式刷新集中式刷新计算机组成原理计算机组成原理40例如：对例如：对128 128矩阵存储器刷新。矩阵存储器刷新。刷新时间相当于刷新时间相当于128个读周期；个读周期； 设刷新周期为设刷新周期为2ms，读，读/写周期为写周期为0.5 s，则，则 刷新周期可包含刷新周期可包含4000个周期（读个周期（读/写），其中写），其中 3782个周期（个周期（1936 s）用来读）用来读/写或维持信息；写或维持信息； 128个周期（个周期（64 s）用来刷新操作；）用来刷新操作； 当当3781个周期结束，便开始进行个周期结束，便开始进行1

32、28个周期，个周期，64 s的刷新操作。的刷新操作。集中式刷新适用于高速存储器。集中式刷新适用于高速存储器。存在不能进行读写操作的死区时间存在不能进行读写操作的死区时间.计算机组成原理计算机组成原理41 把一个存储周期把一个存储周期tc分为两半，周期前半段时间分为两半，周期前半段时间tm用来读用来读/写操作写操作或维持信息，周期后半段时间或维持信息，周期后半段时间tr作为刷新操作时间。这样，每经作为刷新操作时间。这样，每经过过128个系统周期时间，整个存储器便全部刷新一遍。个系统周期时间，整个存储器便全部刷新一遍。 分散式刷新分散式刷新分散式刷新系统速度降低，但不存在停止读写操作的死时间。分散

33、式刷新系统速度降低，但不存在停止读写操作的死时间。W/RW/R REFREF W/RW/R REFREFW/RW/R REFREF计算机组成原理计算机组成原理42 异步式刷新异步式刷新是前两种方式的结合。是前两种方式的结合。例如例如：对：对2116来说，在来说，在2ms中内把中内把128行刷新一遍。行刷新一遍。 2000 s 128 15.5 s 即：每即：每15.5 s 刷新一行。刷新一行。 计算机组成原理计算机组成原理43 在这种刷新操作中，基本上只用在这种刷新操作中，基本上只用RASRAS信号来控制刷新，信号来控制刷新，CASCAS信信号不动作。为了确保在一定范围内对所有行都刷新，号不动

34、作。为了确保在一定范围内对所有行都刷新，使用一种使用一种外部计数器。外部计数器。 2)CAS2)CAS在在RASRAS之前的刷新之前的刷新( (教材图教材图3.7)3.7) 这种方式是在这种方式是在RASRAS之前使之前使CASCAS有效，有效，启动内部刷新计数器启动内部刷新计数器，产，产生需要刷新的行地址，而忽略外部地址线上的信号。目前生需要刷新的行地址，而忽略外部地址线上的信号。目前256K256K位以上的位以上的DRAMDRAM片子通常都具有这种功能。片子通常都具有这种功能。(4) 刷新操作种类刷新操作种类1)1)只用只用RASRAS信号的刷新信号的刷新计算机组成原理计算机组成原理44例

35、例: 说明说明1M1位位DRAM片子的刷新方法，刷新周期定为片子的刷新方法，刷新周期定为8ms。 1M位的存储单元排列成位的存储单元排列成 512 2048的矩阵；的矩阵； 如果选择一个行地址进行刷新，如果选择一个行地址进行刷新， 刷新地址为刷新地址为A0A8（29），）， 因此这一行上的因此这一行上的2048个存储元同时进行刷新；个存储元同时进行刷新； 在在8ms内进行内进行512个周期的刷新；个周期的刷新； 刷新方式可采用：刷新方式可采用： 在在8ms中进行中进行512次刷新操作的集中刷新方式；次刷新操作的集中刷新方式； 按按8ms51215.5 s刷新一次的异步刷新方式。刷新一次的异步刷

36、新方式。计算机组成原理计算机组成原理45tCtCtCtCtCtCtC计算机组成原理计算机组成原理464.4.存储器控制电路存储器控制电路DRAMDRAM存储器的刷新需要有硬件电路的支持，包括：存储器的刷新需要有硬件电路的支持，包括： 刷新计数器、刷新计数器、 刷新刷新/ /访存裁决、访存裁决、 刷新控制逻辑刷新控制逻辑等。等。 这些控制线路形成这些控制线路形成DRAMDRAM控制器。控制器。 DRAMDRAM控制器是控制器是CPUCPU和和DRAMDRAM的接口电路，它将的接口电路，它将CPUCPU的的 信号变换成适合信号变换成适合DRAMDRAM片子的信号。片子的信号。计算机组成原理计算机组

37、成原理47DRAMDRAM控制器控制器RASCASWE读读/写写地址总线地址总线地址地址计算机组成原理计算机组成原理48(2)(2)刷新定时器：刷新定时器： 定时电路用来提供刷新请求。定时电路用来提供刷新请求。(3)(3)刷新地址计数器刷新地址计数器：只用：只用RASRAS信号的刷新操作，需要提供刷新地址计数器。信号的刷新操作，需要提供刷新地址计数器。 对于对于1M1M位的片子，需位的片子，需512512个地址，故刷新计数器个地址，故刷新计数器9 9位。位。(4)(4)仲裁电路仲裁电路：对同时产生的来自：对同时产生的来自CPUCPU的访问存储器的请求和来自刷新定时的访问存储器的请求和来自刷新定

38、时 器的刷新请求的优先权进行裁定。器的刷新请求的优先权进行裁定。(5)(5)定时发生器定时发生器：提供行地址选通信号：提供行地址选通信号RASRAS、列地址选通信号、列地址选通信号CASCAS和写信号和写信号WE. WE. (1) 地址多路开关地址多路开关 读写操作时向读写操作时向DRAM片子分时送出行地址和列地址；片子分时送出行地址和列地址； 刷新时需要提供刷新地址。刷新时需要提供刷新地址。计算机组成原理计算机组成原理49(1) 与与CPU的连接的连接 主要是主要是 地址线、控制线、数据线地址线、控制线、数据线 的连接。的连接。(2) 多个芯片连接多个芯片连接 存储器容量与实际存储器的要求多

39、有不符。存储器容量与实际存储器的要求多有不符。 如前所述存如前所述存储器芯片有不同的组织形式，如储器芯片有不同的组织形式，如1024*1、1024*4、4096*8等；等； 实际使用时，需进行实际使用时，需进行字和位扩展字和位扩展(多个芯片连接），组成多个芯片连接），组成你所需要的实际的存储器，如你所需要的实际的存储器，如 1K*8、4K*8 等的存储器。等的存储器。存储器的基本组织计算机组成原理计算机组成原理50A0A12D0D7位扩展法（字长位数扩展）位扩展法（字长位数扩展） 只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致, 对对片子没有选片要

40、求。片子没有选片要求。地址线地址线需需 13 根根 数据线数据线 8 根根 控制线控制线 WR接存储器的接存储器的WE 计算机组成原理计算机组成原理512:416K 816K 816K 816K 8字扩展法（字存储容量扩展）字扩展法（字存储容量扩展）用用16K 8位的芯片组成位的芯片组成64K K 8位的存储器需位的存储器需4个芯片个芯片 地址线地址线 共需共需16根根 片内：片内：(214 = 16384) 14根，选片：根，选片：2根根 数据线数据线 8根根 控制线控制线 WE 计算机组成原理计算机组成原理52最低地址最高地址C000FFFF00,0000,0000,000011,1111

41、,1111,111111114最低地址最高地址8000BFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111110103最低地址最高地址40007FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111101012最低地址最高地址00003FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111100001说明总地址片内A13 A12 .A1 A0选片A15 A14地址片号地址空间分配表地址空间分配表计算机组成原理计算机组成原理53 字位同时扩展法字位同时扩展法计算机组成原理计算机组成原理54*ramsel0 = A21A20 *MREQra

42、msel1 = A21 *A20*MREQramsel2 = A21* A20 *MREQramsel3 = A21*A20*MREQ例例 有若干片有若干片1M8位的位的SRAM芯片，采用字扩展方法构成芯片，采用字扩展方法构成4MB存储器，问存储器，问(1) 需要多少片需要多少片RAM芯片？芯片？(2) 该存储器需要多少地址位？该存储器需要多少地址位？(3) 画出该存储器与画出该存储器与CPU连接的结构图，设连接的结构图，设CPU的接口信号有地址信号、数的接口信号有地址信号、数据信号、控制信号据信号、控制信号MREQ和和R/W#。(4) 给出地址译码器的逻辑表达式。给出地址译码器的逻辑表达式。

43、解：解：(1) 需要需要4M/1M = 4片片SRAM芯片；芯片；(2) 需要需要22条地址线条地址线(3) 译码器的输出信号逻辑表达式为：译码器的输出信号逻辑表达式为： ramsel32-4 译码ramsel2ramsel1ramsel0A21A20A21A0A19A0OEMREQR/W#CPUD7D0D7D0D7D0D7D0D7D0WE* A CE1M 8DWE* A CE1M 8DWE* A CE1M 8DWE* A CE1M 8D计算机组成原理计算机组成原理55例例 设有若干片设有若干片256K8位的位的SRAM芯片，问：芯片，问：(1) 采用字扩展方法构成采用字扩展方法构成2048K

44、B的存储器需要多少片的存储器需要多少片SRAM芯片？芯片？(2) 该存储器需要多少字节地址位？该存储器需要多少字节地址位？(3) 画出该存储器与画出该存储器与CPU连接的结构图，设连接的结构图，设CPU的接口信号有地址信号、的接口信号有地址信号、数据信号、控制信号数据信号、控制信号MREQ#和和R/W#。解：解：(1) (1) 该存储器需要该存储器需要2048K/256K = 82048K/256K = 8片片SRAMSRAM芯片；芯片； (2) (2) 需要需要2121条地址线，因为条地址线，因为2 22121=2048K=2048K，其中高，其中高3 3位用于芯片选择，低位用于芯片选择，低

45、1818位作为位作为每个存储器芯片的地址输入。每个存储器芯片的地址输入。(3) (3) 该存储器与该存储器与CPUCPU连接的结构图如下。连接的结构图如下。 ramsel73-8译码ramsel2ramsel1ramsel0A20-18A20-0A17-0OE#MREQ#R/W#CPUD7D0D7D0D7D0D7D0D7D0WE A CE256K8DWE A CE256K8DWE A CE256K8DWE A CE256K8D计算机组成原理计算机组成原理56例例 设有若干片设有若干片256K8位的位的SRAM芯片，问：芯片，问：(1) 如何构成如何构成2048K32位的存储器？位的存储器？(2

46、) 需要多少片需要多少片RAM芯片？芯片？(3) 该存储器需要多少字节地址位？该存储器需要多少字节地址位？(4) 画出该存储器与画出该存储器与CPU连接的结构图，设连接的结构图，设CPU的接口信号有地址的接口信号有地址信号、数据信号、控制信号信号、数据信号、控制信号MREQ#和和R/W#。解：解：采用字位扩展的方法。需要采用字位扩展的方法。需要32片片SRAM芯片。芯片。 ramsel73-8 译码ramsel2ramsel1ramsel0A22-20A22-2A19-2OE#MREQ#R/W#CPUD31D0D31D0D31D0D31D0D31D0WE A CE256Kx84 片DWE A

47、CE256Kx84 片DWE A CE256Kx84 片DWE A CE256Kx84 片D计算机组成原理计算机组成原理57只读存储器只读存储器闪速存储器闪速存储器高速存储器高速存储器计算机组成原理计算机组成原理58只读存储器只读存储器1.ROM1.ROM的分类的分类 缺点缺点不能重写不能重写只能一次只能一次性改写性改写只读存储器只读存储器 掩模式掩模式 (ROM)一次编程一次编程(PROM) 多次编程多次编程(EPROM)(EEPRPM)定义定义数据在芯片制造过程数据在芯片制造过程中就确定中就确定 用户可自行改变产品用户可自行改变产品中某些存储元中某些存储元 可以用紫外光照可以用紫外光照 射

48、射或电擦除原来的数据，或电擦除原来的数据，然后再重新写入新的数然后再重新写入新的数据据优点优点 可靠性和集成度可靠性和集成度高，价格便宜高，价格便宜 可以根据用户需要可以根据用户需要编程编程 可以多次改写可以多次改写ROM中的内容中的内容闪速存储器闪速存储器Flash memoryEPROM发展而来，发展而来，电擦除电擦除计算机组成原理计算机组成原理59(1) (1) 掩模式掩模式ROMROMMOSMOS管的栅极有连接的位管的栅极有连接的位表示存表示存1 1，无连接的位，无连接的位表示存表示存0 0。 采用掩模工艺制成，其内容由厂方生产时写入，用户只采用掩模工艺制成，其内容由厂方生产时写入，用

49、户只能读出使用而不能改写。能读出使用而不能改写。计算机组成原理计算机组成原理60(2) (2) 可写入（可编程）只读存储器可写入（可编程）只读存储器PROMPROM例：熔丝烧断型例：熔丝烧断型写写“0”时：时： 烧断熔丝烧断熔丝写写“1”时：时： 保留熔丝保留熔丝行线行线X X列列线线Y YVccVccT TXYXY熔丝熔丝计算机组成原理计算机组成原理61(3)光擦可编程只读存储器光擦可编程只读存储器EPROMnIntel 1702 是全球最早的 EPROM 以 EPROM 来存储程序的 8749 微控制器 计算机组成原理计算机组成原理62光擦可编程只读存储器光擦可编程只读存储器EPROM E

50、PROM 结构图结构图计算机组成原理计算机组成原理63n放在一美分硬币上的一枚SOT-23封装与正反面两枚超微型DFN封装的串列式EEPROM ，型号11LC160，容量16 kbitn一枚 4 Mbit (= 512 KB) 容量，型号 29C040 的 Flash EEPROM(4) (4) 电擦可编程只读存储器电擦可编程只读存储器EEPROMEEPROM计算机组成原理计算机组成原理64电擦可编程只读存储器电擦可编程只读存储器EEPROM EEPROM 结构图结构图它的主要它的主要特点是能在特点是能在应用系统中应用系统中在线改写，在线改写，断电后信息断电后信息保存，因此保存，因此目前得到广

51、目前得到广泛应用。泛应用。计算机组成原理计算机组成原理652.2.存储器举例存储器举例(1) CPU的地址总线的地址总线16根根(A15A0，A0为低位为低位)；双向数据总线；双向数据总线8根根(D7D0)，控制总线中与主存有关的信号有：，控制总线中与主存有关的信号有： MREQ，R/W。(2) 主存地址空间分配如下：主存地址空间分配如下： 08191为系统程序区，由只读存储芯片组成；为系统程序区，由只读存储芯片组成； 819232767为用户程序区；最后为用户程序区；最后(最大地址最大地址)2K地址空间为地址空间为系统程序工作区。系统程序工作区。 (3) 现有如下存储器芯片：现有如下存储器芯

52、片： EPROM：8K8位位(控制端仅有控制端仅有CS); SRAM：16K1位，位，2K8位，位，4K8位，位，8K8位位.计算机组成原理计算机组成原理66解解： (1) 主存地址空间分布如图所示主存地址空间分布如图所示。16根地址线寻址根地址线寻址 64K 0000 FFFFH(65535) EPROM：8K8位位SRAM：16K1位，位，2K8位，位，4K8位，位，8K8位位.00001FFF20007FFFF800FFFF63488请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算机主存储器，画出请从上述芯片中选择适当芯片设计该计算机主存储器，画出主存储器逻辑框图，注意画出选片逻辑主存储器逻辑框图，

53、注意画出选片逻辑(可选用门电路及可选用门电路及3 8译码器译码器74LS138)与与CPU 的连接，说明选哪些存储器芯片，选的连接，说明选哪些存储器芯片，选多少片。多少片。计算机组成原理计算机组成原理67(2) 连接电路连接电路片内寻址：片内寻址：8K芯片芯片片内片内13根根 A12A02K芯片芯片片内片内11根根 A10A0片间寻址：片间寻址：前前32K A15A14A13 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1最后最后2K 1 1 1 加加 A12A11 1 100001FFF2000 3FFF6000 7FFFF800FFFF4000 5FFF63488计算机组成原理计算机组成原

54、理68A B CY0 Y1 Y2 Y3 Y7。MREQA0 A12A0 A12A0 A12A0 A12A0 A10CSCSCSCSCSR/WR/WR/WR/W计算机组成原理计算机组成原理69闪速存储器闪速存储器1.1.什么是闪速存储器什么是闪速存储器Flash Memory 闪速存储器是一种高密度、非易失性的读闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器，写半导体存储器，它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性。特点：特点：(1) 固有的非易失性固有的非易失性(2) 廉价的高密度廉价的高密度(3) 可直接执行可直接执行(4) 固

55、态性能固态性能计算机组成原理计算机组成原理70 擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是全片或分块擦除。全片或分块擦除。2.2.基本单元电路基本单元电路计算机组成原理计算机组成原理713.3.闪速存储器的逻辑结构闪速存储器的逻辑结构28F256A,28F256A,存储容量

56、存储容量256K256K位位 (32K(32K* *8)8)(整体擦除整体擦除Flash Memory)计算机组成原理计算机组成原理724.4.闪速存储器的工作原理闪速存储器的工作原理电擦除和重新编程能力电擦除和重新编程能力 闪速存储器是在闪速存储器是在EPROMEPROM功能基础上增加了电路的电擦功能基础上增加了电路的电擦除和重新编程能力。除和重新编程能力。28F256A28F256A引入一个指令寄存器来实引入一个指令寄存器来实现这种功能。其作用是：现这种功能。其作用是：(1)(1)保证保证TTLTTL电平的控制信号输入；电平的控制信号输入；(2)(2)在擦除和编程过程中稳定供电；在擦除和编

57、程过程中稳定供电；(3)(3)最大限度的与最大限度的与EPROMEPROM兼容。兼容。计算机组成原理计算机组成原理73n三种可擦除可编程存储器的共同点n抹1写0n单晶体管存储元n高密度n非易失性计算机组成原理计算机组成原理74 采用并行操作方式采用并行操作方式-双端口存储器双端口存储器(1) 芯片技术芯片技术 研究开发高性能芯片技术，如：研究开发高性能芯片技术，如： DRAMFPMDEDO EDRAMCDRAMSDRAMRambusDRAM。高速并行存储器高速并行存储器 采用并行主存储器采用并行主存储器, ,提高提高读出并行性读出并行性 -多模块交叉存储器多模块交叉存储器(2) 结构技术结构技

58、术 由于由于CPU和主存储器在速度上不匹配，限制了高速计算。和主存储器在速度上不匹配，限制了高速计算。 为了使为了使CPU不至因为等待存储器读写操作的完成而无事可不至因为等待存储器读写操作的完成而无事可做，可以采取一些加速做，可以采取一些加速CPU和存储器之间有效传输的特殊措施。和存储器之间有效传输的特殊措施。计算机组成原理计算机组成原理75双端口存储器双端口存储器多模块交叉存储器多模块交叉存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器计算机组成原理计算机组成原理76双端口存储器双端口存储器1.1.双端口存储器的逻辑结构双端口存储器的逻辑结构双端口存储器双端口存储器 指指同一个存储器具有两组相互独立的读写

59、控制线路，同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路， 是一种高速工作的存储器。是一种高速工作的存储器。双读单写端口存储器单元结构双读单写端口存储器单元结构计算机组成原理计算机组成原理77多模块交叉存储器多模块交叉存储器 并行主存系统并行主存系统 大存储器在一个存储周期中读出的不是一个存储单元的大存储器在一个存储周期中读出的不是一个存储单元的w位信息，而是位信息，而是n个字，这样在单位时间里存储器提供的信息量个字，这样在单位时间里存储器提供的信息量可提高可提高n倍，这样组织的主存系统称为并行主存系统。倍，这样组织的主存系统称为并行主存系统。1.1.并行主存系统并行主存系统w位位 w位位 w位位

60、 M0 M1 Mn-1 计算机组成原理计算机组成原理782.2.多模块交叉存储器多模块交叉存储器1）. 存储器的模块化组织存储器的模块化组织 一个由若干个模块组成的主存储器是线性编址的。一个由若干个模块组成的主存储器是线性编址的。这些地址在各模块中有两种安排方式：这些地址在各模块中有两种安排方式： 顺序方式顺序方式 交叉方式交叉方式计算机组成原理计算机组成原理79顺序方式顺序方式各模块一个各模块一个接一个接一个串行串行工作工作。计算机组成原理计算机组成原理80交叉方式交叉方式 连续地址分连续地址分布在相邻的不布在相邻的不同模块内，同同模块内，同一个模块内的一个模块内的地址都是不连地址都是不连续