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文档简介

1、第4章 存储器 计划学时:6学时(第46讲)-Page1第4讲 授课对象:计科131、计科132 授课地点:中金梯一 授课时间:第3周星期三910节(2015.9.16)人才是培养出来的-Page2第第4章章-存储器存储器人才是培养出来的-Page3本章内容本章内容学习目标学习目标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(Cache)4.4辅助存储器辅助存储器重点重点1. 存储系统的层次结构存储系统的层次结构Cache主存和主存辅存层次的作用主存和主存辅存层次的作用 程序访问的局部性原理与存储系统层次结程序访问的局部性原理与存储系统层次结构的关系构的关系2. 主存

2、、主存、Cache、磁表面存储器的工作原理、磁表面存储器的工作原理及技术指标及技术指标3. 半导体存储芯片的外特性以及与半导体存储芯片的外特性以及与 CPU 的的连接连接 4. .如何提高访存速度如何提高访存速度第章第章 存储器存储器人才是培养出来的-Page4难点难点1. .对于一定容量的存储器,按字节对于一定容量的存储器,按字节或字访问或字访问 的寻址范围是不同的的寻址范围是不同的第章第章 存储器存储器人才是培养出来的-Page5人才是培养出来的-Page6第第4章章 存储器存储器 硬盘硬盘软盘软盘光盘光盘磁带磁带磁鼓磁鼓内存条内存条U盘盘MP3MP4移动硬盘移动硬盘 用来存放程序和数据;

3、用来存放程序和数据; 是计算机系统中的记忆设备。是计算机系统中的记忆设备。基本常识基本常识hats the存储器存储器?W人才是培养出来的-Page71. 按存储介质分类按存储介质分类第第4章章 存储器存储器 一、存储器分类一、存储器分类(1)半导体存储器半导体存储器 双极型(双极型(TTL)半导体存储器)半导体存储器 MOS型半导体存储器型半导体存储器(2)磁存储器)磁存储器 磁表面存储器磁表面存储器 磁芯存储器磁芯存储器已被淘汰已被淘汰 磁鼓磁鼓 磁盘磁盘 磁带磁带(3)光盘存储器)光盘存储器磁光材料磁光材料易失易失非易失非易失p 必须有两个明确的物理状态;必须有两个明确的物理状态;p 分

4、别用来表示二进制分别用来表示二进制0和和1。基本要求基本要求人才是培养出来的-Page8第第4章章 存储器存储器 只读存储器只读存储器 (ROM)静态静态RAM(SRAM)动态动态RAM(DRAM) 非易失非易失RAM(NVRAM)掩膜式掩膜式ROM一次性可编程一次性可编程ROM(PROM) 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM(EPROM)电擦除可编程电擦除可编程ROM(EEPROM)闪烁存储器闪烁存储器FLASH ROM(EEPROM)顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘随机存取存储随机存取存储器器(RAM) 存取时间与存取时间与物理地址无关物理

5、地址无关(随机访问)(随机访问)(1) 存取时间与存取时间与物理地址有关物理地址有关(串行访问)(串行访问)(2)2.按存取方式分类按存取方式分类图图1 存储器分类存储器分类 P70人才是培养出来的-Page9可与可与CPU直接交换直接交换信息信息第第4章章 存储器存储器 3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类缓冲存储器缓冲存储器(缓存)(缓存)存储器存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器(辅存)(辅存)后援存储器后援存储器,不能与,不能与CPU直接交换直接交换用在两个速度不同的部件之中用在两个速度不同的部件之中人才是培养出来的-Page10高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存速度

6、速度容量容量 价格价格 位位 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构CPUCPU主机主机第第4章章 存储器存储器 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1.存储器的金字塔结构存储器的金字塔结构存储器主要性能指标存储器主要性能指标人才是培养出来的-Page11 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构第第4章章 存储器存储器 2. 缓存主存层次和主存辅存层次缓存主存层次和主存辅存层次缓存缓存CPU主存主存辅存辅存10 ns20 ns200 nsms 缓存技术缓存技术(考虑速度)(考虑速度)虚拟内存技术虚拟内存技术(考虑容量)(考虑容量)人才是培养出来的-Page1

7、2层次存层次存储储当前当前计算机系统中,采用三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质,来分别计算机系统中,采用三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质,来分别构建构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器三级结构的存储器系统如下图所示:三级结构的存储器系统如下图所示:(1)概念与追求的目标)概念与追求的目标 这种这种多级结构的存储器使多级结构的存储器使CPU大部分时间访问高速缓存大部分时间访问高速缓存(速度最速度最快快),;仅在从缓存中读不到数据,;仅在从缓存中读不到数据时时,才去读主存才去读主存(速度略慢但容量较速度略慢但容量较大大);当从主存中还读不到数据

8、时;当从主存中还读不到数据时,才去批量读虚存才去批量读虚存(速度很慢容量极速度很慢容量极大大),这样就解决了对速度、容量、这样就解决了对速度、容量、成本的需求。多级结构的存储器成本的需求。多级结构的存储器具有良好的性能具有良好的性能/价格比是建立在价格比是建立在程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理之上的。之上的。 第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page13(2)三级不同的存储器存放的信息必须满足以下两个原则)三级不同的存储器存放的信息必须满足以下两个原则选用选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种

9、存储介质,组成一个统一管理的存储器系统。使每种介质都处于不同的地位,起介质,组成一个统一管理的存储器系统。使每种介质都处于不同的地位,起到不同的作用,充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势,从而达到最到不同的作用,充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势,从而达到最优性能价格比,以满足使用要求。优性能价格比,以满足使用要求。 高速缓存:使用静态存储器芯片高速缓存:使用静态存储器芯片主存储器:使用动态存储器芯片主存储器:使用动态存储器芯片虚拟存储器:使用磁盘存储器上的虚拟存储器:使用磁盘存储器上的 一片区域一片区域人才是培养出来的-Page14第第4章章 存储器存储器 存储体存储体读读写写电电

10、路路MDR.数据总线数据总线控制电路控制电路读读写写驱动器驱动器译码器译码器.MAR地址总线地址总线主存的主存的基本组成基本组成MAR:存储器地址寄存器,用以存放:存储器地址寄存器,用以存放 CPU欲访问内存单元的地址。欲访问内存单元的地址。MDR:存储器数据寄存器,用以存放:存储器数据寄存器,用以存放 CPU和内存之间交换的数据。和内存之间交换的数据。人才是培养出来的-Page15 R/W CSM-1 1 0 2n110 n位位地址地址 m位数据位数据存存 储矩储矩 阵阵 M地址译码器地址译码器数据缓冲器数据缓冲器控制逻辑控制逻辑认真体会认真体会第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-P

11、age16数据总线数据总线地址总线地址总线读读写写MDRMARCPU主主 存存M0. 内存与内存与CPU的连接模型的连接模型三总线的连接:三总线的连接: 地址总线(地址总线(Address Bus) 控制总线(控制总线(Control Bus) 数据总线(数据总线(Data Bus)三总线三总线精髓精髓第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page171. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配字节地址字节地址11109876543210字地址字地址840 (1)高位字节高位字节 地址地址为字地址为字地址高位高位字节字节低位低位字节字节452301 (2)低位字节低位字节 地址

12、地址为字地址为字地址字地址字地址420字节地址字节地址高位高位字节字节低位低位字节字节两种地址编址方式两种地址编址方式按字节编址按字节编址按字编址按字编址1个字节个字节 = 1B = 8个二进制位个二进制位1个字个字 = nB(n与机器有关)与机器有关)理解理解(a) IBM370(b) PDP-11第第4章章 存储器存储器 存存储储单单元元的的首首地地址址作作为为字字地地址址共性共性人才是培养出来的-Page18(1) 存储容量:存储二进制信息的数量存储容量:存储二进制信息的数量 2种表示形式:种表示形式:存储容量存储位数存储容量存储位数/8存储字节数存储字节数存储容量存储单元数目存储容量存

13、储单元数目存储字长存储位数存储字长存储位数(2)存取速度存取速度 (采用两种参数描述)(采用两种参数描述))(TimeAccessTAa.存取时间存取时间 指从指从CPU给出有效给出有效地址地址启动一次存取(读启动一次存取(读/写)操作到该操作完成所需的时间。写)操作到该操作完成所需的时间。 tp 存储器读出时间存储器读出时间 TARp 存储器写入时间存储器写入时间 TAWt1t2CPU发出读操作命令发出读操作命令t1,到取出数据到取出数据t2的时间之差。的时间之差。TA含义含义2. 主存的主存的技术指标技术指标取时间取时间 TA 分为分为存存第第4章章 存储器存储器 sMb808ns1001

14、其带宽为,位数据8100nsTMC人才是培养出来的-Page19(2)存取速度(采用两种参数描述)存取速度(采用两种参数描述) b. 存取周期存取周期)(CycleMemoryTmc指连续两次存储器操作之间的最小时间间隔。指连续两次存储器操作之间的最小时间间隔。 存取周期存取周期Tmc存取时间存取时间TA存取时间存取时间TA间隔时间间隔时间 (3 )存储器带宽存储器带宽单位时间里存储器所存取的信息量。单位单位时间里存储器所存取的信息量。单位 位位/秒秒 或或 字节字节/秒秒“带宽带宽”是衡量数据传输速率的重要技术指标。是衡量数据传输速率的重要技术指标。例:例:存取周期存取周期Tmc略大于略大于

15、 存取时间存取时间TA图示图示含义含义提示提示第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page20反映主存速度的指标反映主存速度的指标 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小节:小节:小结小结第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page211. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构(1) 存储单元数存储单元数 = 编址单元数编址单元数 = 1024个字个字(2)每个存储单元的位数(以字来编址)每个存储单元的位数(以字来编址) = 字长字长 = 位容量位容量(3)欲访问该芯片需要欲访问该芯片需要 根根地址线地址线数据线数据线例:存储芯片规格。例某存储芯

16、片是例:存储芯片规格。例某存储芯片是1k 4,其含义是?,其含义是?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理理解解芯片芯片基本结构基本结构104第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page222.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) 线选法线选法只用一个地址译码器,译码器输出的每一根线可选中存储单元的各位。只用一个地址译码器,译码器输出的每一根线可选中存储单元的各位。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

17、线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A000000,00,7007D07D 读读 / 写选通写选通图示图示一个字节(一个字节(8位)位)含义:含义:适用于小容量存储芯片适用于小容量存储芯片第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page23A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写00000000000,031,00,31I/OD0,0读读(2)重合法)重合法使用两个译码器,进行使用两个译码器,进行X和和Y两个方向的译码以选择某个存储单元。两个方向的译

18、码以选择某个存储单元。 为为了节省地址译码电路,提高半导体器件的集成度。了节省地址译码电路,提高半导体器件的集成度。 存存储容量越大,矩阵形式的优点就越明显。储容量越大,矩阵形式的优点就越明显。 一个位(一个位(1位)位)适用大容量存储芯片适用大容量存储芯片含义:含义:第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page24T1 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位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择T1 T41. 静态静态 RAM (SRAM)(1)SRAM基本基本单元单元电路电路 (用于存储(用于

19、存储“0”和和“1”的电路)的电路)基本触发器电路基本触发器电路构成触发器构成触发器A 触发器非端触发器非端1T4T5TT6、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控制管控制管第第4章章 存储器存储器 (基本)存储元(基本)存储元人才是培养出来的-Page25T3、T4是负载管,是负载管,T1、T2为工作管,为工作管, T5、T6、 T7、T8是控制管是控制管。该电路有两种稳定状态:该电路有两种稳定状态:T T1 1截止,截止,T T2 2导通为导通为状态状态“1 1”;T T2 2截止,截止,T T1 1导通为状态导通为状态“0 0”。若若T1截

20、止,截止,A点为高电位,使点为高电位,使T2导通,此导通,此时时B点处于低电位,而点处于低电位,而B点的低电位又使点的低电位又使T1更加截止,这是一个稳定状态。更加截止,这是一个稳定状态。反之如果反之如果T1导通,则导通,则A点处于点处于低电位,使低电位,使T2截止,这时截止,这时B点点处于高电位,而处于高电位,而B点处于高电点处于高电位又使位又使T1更加导通,这也是更加导通,这也是一个稳定状态。一个稳定状态。显然,这种电路有两个稳定显然,这种电路有两个稳定的状态,并且的状态,并且A、B两点的电两点的电位总是互为相反的。则这个位总是互为相反的。则这个触发器电路能表示一位二进触发器电路能表示一位

21、二进制的制的1和和0。若某个存储元被选中,若某个存储元被选中,X X、Y Y地址选择线均地址选择线均为高电平,为高电平, T5、T6、 T7、T8均导通均导通 六管六管SRAM存储元电路,是由两个存储元电路,是由两个MOS反相器交叉耦合而成的触发器,反相器交叉耦合而成的触发器,一个存储元存储一位二进制代码一个存储元存储一位二进制代码 X地址选择地址选择 Y地址选择地址选择 T8A T7B T6 T5 T2 T1 T4 T3VCC同一列同一列存储元存储元共用此共用此电路电路图图 静态静态RAMRAM的基本存储电路的基本存储电路I/O I/O两种稳定的状态两种稳定的状态课后慢慢课后慢慢体体会会人才

22、是培养出来的-Page26附:附:SRAM(Static RAM,静态随机存取存储器)举例,静态随机存取存储器)举例 静态,指的是内存里面的数据可以长驻其中而不需要静态,指的是内存里面的数据可以长驻其中而不需要再生再生。但电源掉但电源掉电时,原信息丢失,故它属于电时,原信息丢失,故它属于易失性半导体存储器易失性半导体存储器。第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page271. MOS管按其沟道和工作类型可分为四种:管按其沟道和工作类型可分为四种:增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道P沟道沟道(MOS=Metal Oxide Smiconductor 即:金属即:金属氧

23、化物氧化物半导体场效应管)半导体场效应管)关于关于MOS场效应管场效应管的补充知识的补充知识附:附:MOS管简介管简介(自学)(自学)人才是培养出来的-Page28行选行选 T5、T6 开开T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT6T8DOUT读操作读操作A 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读读电压值电压值第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page29行选行选T5、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

24、相T5A (右)(右) T8T6ADINDINT7T1 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写操作写操作第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page30 芯片规格:芯片规格: 1K4位位u 该存储芯片有该存储芯片有_个存储单元?个存储单元?u 每个存储单元由每个存储单元由_个存储元电路构成?个存储元电路构成?u 欲访问该存储芯片,需要欲访问该存储芯片,需要_根地址线、根地址线、_根数据线?根数据线?(2)典型芯片)典型芯片-Intel 2114 1K = 1024 4104

25、.I/OI/OI/OI/OA0A8A9WECSCCVGNDIntel 21141234A9 A0:地址输入引脚:地址输入引脚I/O1I/O4:数据输入:数据输入/输出引脚输出引脚CS:片选控制端,低电平有效:片选控制端,低电平有效VCC:电源:电源GND:地:地WE:写控制端:写控制端WE= 0 写写WE= 1 读读概述概述 芯片外观芯片外观引脚介绍引脚介绍第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page31SRAM的读写过程的读写过程读写过程;读写过程;用心体会!用心体会!第第4章章 存储器存储器 人才是培养出来的-Page32A3A4A5A6A7A8A0A1A2A91503116473

26、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/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) 读读人才是培养出来的-Page33150311647326348150311647326348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

27、四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page34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/O4WECS0000000000150311647326348 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page35第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组15031164732634

28、8150311647326348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 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page36150311647326348150311647326348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

29、第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0163248CSWE Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page37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/O4WECSCSWE15031164732634801632480000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page38第一组第

30、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/O4WECS0000000000CSWE1503116473263480163248 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page39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016

31、3015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 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page40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/O4WECS000000000

32、0CSWE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/O4 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读人才是培养出来的-Page41A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348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 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 6

33、4) 写写人才是培养出来的-Page42150311647326348150311647326348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) 写写人才是培养出来的-Page43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01630

34、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/O4WECS0000000000150311647326348 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写人才是培养出来的-Page44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/O4WECS0000000000150311647326348WECS Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64

35、64) 写写人才是培养出来的-Page45第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组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 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写人才是培养出来的-Page46第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组I/O1I/O2I/O3I/O4WECS1503116

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