第6章 存储系统.

1、本章需解决的主要问题：本章需解决的主要问题：（1）存储器如何存储信息？）存储器如何存储信息？（2）在实际应用中如何用存储芯片组成具）在实际应用中如何用存储芯片组成具有一定容量的存储器？有一定容量的存储器？存储器的分类情况存储器的分类情况1.1.按存储器在系统中的作用分类按存储器在系统中的作用分类（1 1）主存）主存 （内存）（内存）主要存放主要存放CPUCPU当前使用的程序和数据。当前使用的程序和数据。速度快速度快容量有限容量有限 因为主存容量有限，而计算机要处理的信息很多，这时就需要扩因为主存容量有限，而计算机要处理的信息很多，这时就需要扩充存储系统的容量。通过什么办法来扩充？就是通过辅存来

2、扩充。充存储系统的容量。通过什么办法来扩充？就是通过辅存来扩充。（2 2）辅存）辅存 （外存）（外存）存放大量的后备程序和数据。存放大量的后备程序和数据。速度较慢速度较慢容量大容量大 存放大量在这段时间内存放大量在这段时间内CPUCPU还不使用的程序和数据。当还不使用的程序和数据。当CPUCPU要使用要使用的时候，再把这些程序和数据从外存调到主存，然后从主存去取。的时候，再把这些程序和数据从外存调到主存，然后从主存去取。（3 3）高速缓存）高速缓存存放存放CPUCPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。速度很快速度很快容量小容量小 主存的速度应尽可能

3、的快，但是主存的速度应尽可能的快，但是主存速度的提高远远比不上主存速度的提高远远比不上CPUCPU速度的提高速度的提高，所以，所以对存储器的访问就构成了整个系统速度提高的瓶对存储器的访问就构成了整个系统速度提高的瓶颈颈。那怎样来解决这个问题呢？使得。那怎样来解决这个问题呢？使得CPUCPU的访问速度和存储器的存的访问速度和存储器的存取速度能够匹配，使取速度能够匹配，使CPUCPU能够尽可能高速工作，所以在主存和能够尽可能高速工作，所以在主存和CPUCPU之之间设置另外一级存储器间设置另外一级存储器-高速缓冲存储器。高速缓冲存储器。存放的数据是反复多次使用的，数据块要事先从存放的数据是反复多次使

4、用的，数据块要事先从主存调到高速缓存，然后主存调到高速缓存，然后CPUCPU再去访问高速缓存。再去访问高速缓存。当然第一次从主存调到高速缓存的时候要花一定的时间。以后如当然第一次从主存调到高速缓存的时候要花一定的时间。以后如果这块数据反复被使用，果这块数据反复被使用，CPUCPU每次就去访问高速缓存，这样能使每次就去访问高速缓存，这样能使CPUCPU的效率提高；如果这块数据不是反复使用，就会增加的效率提高；如果这块数据不是反复使用，就会增加CPUCPU访问访问主存的频率。主存的频率。 CPU CPU Cache Cache 主存主存 外存外存 三级存储器，三级存储器，CPUCPU和主存之间有高

5、速缓存，在主存之外设置了和主存之间有高速缓存，在主存之外设置了外存。外存。 首先首先CPUCPU访问存储器先要访问访问存储器先要访问CacheCache，访问命中（要访问的数据，访问命中（要访问的数据在在CacheCache里面）的话，里面）的话，CPUCPU就可以和就可以和CacheCache以很快的速度进行数据交以很快的速度进行数据交换；如果不命中（要访问的数据还没有调入换；如果不命中（要访问的数据还没有调入CacheCache），那），那CPUCPU就访问就访问主存，速度要慢，并且要把这一块数据调入主存，速度要慢，并且要把这一块数据调入CacheCache，为下次访问做，为下次访问做准备

6、。准备。 如果如果CPUCPU要访问外存的数据要访问外存的数据时，由外存先把数据送入主存，时，由外存先把数据送入主存，然后然后CPUCPU再和主存进行数据交再和主存进行数据交换。换。如图所示的三级存储器，主存如图所示的三级存储器，主存和和CacheCache这一层，是为了提高这一层，是为了提高存储系统的速度，主存和外存存储系统的速度，主存和外存这一层，是为了扩大整个存储这一层，是为了扩大整个存储系统的容量。系统的容量。2.2.按存储介质分类按存储介质分类（1 1）半导体存储器）半导体存储器主要有主要有MOSMOS型存储器和双极型存储器两大类。型存储器和双极型存储器两大类。信息易失信息易失速度快

7、，速度快，非破坏性读出非破坏性读出 （单管动态存储器除外），（单管动态存储器除外），（只读存储器除外）。（只读存储器除外）。作主存、高速缓存。作主存、高速缓存。（2 2）磁表面存储器）磁表面存储器容量大，容量大，长期保存信息，长期保存信息，3.3.按存取方式分类按存取方式分类（3 3）光盘存储器）光盘存储器利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。速度慢。速度慢。随机存取：随机存取：非破坏性读出，非破坏性读出，可按地址访问存储器中的任一单元，可按地址访问存储器中的任一单元，作外存。作外存。（2 2）磁表面存储器）磁表面存储器速度慢。速度慢。利用光斑的有无表示信

8、息。利用光斑的有无表示信息。容量很大，容量很大，非破坏性读出，非破坏性读出， 长期保存信息，长期保存信息，作外存。作外存。（1 1）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAMRAM）访问时间与单元地址无关。访问时间与单元地址无关。RAMRAM：固存：固存： 可读可写可读可写ROMROM： 只读不写只读不写PROMPROM：用户不能编程用户不能编程用户可一次编程用户可一次编程EPROMEPROM： 用户可多次编程用户可多次编程（紫外线擦除）（紫外线擦除）EEPROMEEPROM：用户可多次编程用户可多次编程（电擦除）（电擦除）优点：读优点：读/ /写方便，使用灵活写方便，使用灵活Flash Mem

9、oryFlash Memory作主存、高速缓存。作主存、高速缓存。缺点：不能长期保存信息。缺点：不能长期保存信息。（2 2）只读存储器（）只读存储器（ROMROM）等待操作等待操作（4 4）直接存取存储器（）直接存取存储器（DAMDAM）读读/ /写操作写操作两步操作两步操作访问时读访问时读/ /写部件先直接指向一个小区域，再在写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。磁盘机属于此类存储器磁盘机属于此类存储器三步操作三步操作定位（寻道）操作定位（寻道）操作等待（旋转）操作等待（旋转）操作读读/ /写操作写操作（3 3）顺

10、序存取存储器（）顺序存取存储器（SAMSAM）访问时读访问时读/ /写部件按顺序查找目标地址，访问写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据位置有关。磁带机属于此类存储器时间与数据位置有关。磁带机属于此类存储器主存储器主存储器( ( 动态随机存储器动态随机存储器DRAM ) )辅助存储器辅助存储器( ( 磁盘存储器、光盘存储器等磁盘存储器、光盘存储器等 ) )通用寄存器组通用寄存器组高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache( ( 静态随机存储器静态随机存储器SRAM ) )CPU内部内部辅助硬件辅助硬件辅助辅助软、硬件软、硬件在第二代计算机中，在第二代计算机中，CPUCPU与主存直接打与主存直接打

11、交道，速度差不多，交道，速度差不多，随着随着CPUCPU速度越来速度越来越快，主存储器速越快，主存储器速度提高没有度提高没有CPUCPU快。快。为了缓和、协调为了缓和、协调CPUCPU与主存之间的与主存之间的速度差异，增加了速度差异，增加了一级高速缓存，后一级高速缓存，后来又有二级高速缓来又有二级高速缓存，现在甚至出现存，现在甚至出现三级高速缓存。三级高速缓存。 由高速缓冲存储器、主存和辅存构成的三级存储系统可以分为由高速缓冲存储器、主存和辅存构成的三级存储系统可以分为两个层次：高速缓存和主存之间称为两个层次：高速缓存和主存之间称为Cache-Cache-主存层次，主存和辅存主存层次，主存和辅

12、存之间称为主存之间称为主存- -辅存层次。辅存层次。 1.Cache- 1.Cache-主存层次主存层次 CacheCache和主存借助于辅助硬件构成一个整体，整体的速度接近于和主存借助于辅助硬件构成一个整体，整体的速度接近于CacheCache的速度，容量接近于主存，单位容量的价格接近于主存的价的速度，容量接近于主存，单位容量的价格接近于主存的价格。由于全硬件实现，所以对用户是透明的。格。由于全硬件实现，所以对用户是透明的。解决了高速度和低成解决了高速度和低成本之间的矛盾。本之间的矛盾。 2. 2.主存主存- -辅存层次辅存层次 通过软硬结合的方法把主存和辅存构成一个整体，形成主存通过软硬结

13、合的方法把主存和辅存构成一个整体，形成主存- -辅辅存层次。从整体看，速度接近于主存的速度，容量接近于辅存的容存层次。从整体看，速度接近于主存的速度，容量接近于辅存的容量，单位容量的价格接近于辅存的价格。量，单位容量的价格接近于辅存的价格。解决了大容量和低成本之解决了大容量和低成本之间的矛盾。间的矛盾。目前存储器一般采用动态目前存储器一般采用动态RAMRAM。虚线部分，一个场效应管和一虚线部分，一个场效应管和一个电容，用来保存二进制代码。个电容，用来保存二进制代码。场效应管由三个极组成：场效应管由三个极组成：通过改变栅极和源极的反向电通过改变栅极和源极的反向电压压gs，控制源极和漏极之间，控制

14、源极和漏极之间形成的电流形成的电流id。漏极和源极是。漏极和源极是否导通看否导通看g的电压。的电压。（1 1）保持：行、列选择线都为低）保持：行、列选择线都为低电平，两个场效应管都截止，虚线电平，两个场效应管都截止，虚线圈起来的部分是断开、孤立的，电圈起来的部分是断开、孤立的，电荷能够维持。电阻很大，但不是无荷能够维持。电阻很大，但不是无穷大，会与地构成回路，对地泄漏穷大，会与地构成回路，对地泄漏放电。所以对存放电。所以对存“1 1”的电路定时刷的电路定时刷新，对存新，对存“0 0”的就不必刷新。的就不必刷新。（2 2）写操作：行、列选择线）写操作：行、列选择线都为都为1 1，即行，即行=1

15、=1 列列=1=1，T T1 1导通。导通。若写若写1 1，数据线为高电平，给，数据线为高电平，给C1 1充电；若写充电；若写0 0，数据线为低电，数据线为低电平，无论平，无论C1有没有电荷都要放有没有电荷都要放掉，所以提供一个放电回路，掉，所以提供一个放电回路，数据线加低电平。数据线加低电平。根据电容器有没有电荷来判定根据电容器有没有电荷来判定0 0或或1 1，有电荷：，有电荷：1 1，没有电荷：，没有电荷：0 0。读。读出是破坏性读出，时间长电荷也出是破坏性读出，时间长电荷也会泄漏，所以要定期刷新。会泄漏，所以要定期刷新。（3 3）读操作）读操作先对数据线上的先对数据线上的C2电容进行预充

16、电，电容进行预充电，每条数据线上只有一个每条数据线上只有一个C2。充到多。充到多少为止？充到少为止？充到V VH H+V+VL L/2/2，V VH H是高电平是高电平的电压，的电压，V VL L是低电平的电压。然后是低电平的电压。然后行、列选择线都为高电平，根据电行、列选择线都为高电平，根据电流方向不同和流方向不同和C2中电荷的变化就可中电荷的变化就可以判断以判断C1中存中存0 0或是或是1 1。如果如果C2放电，放电，C2向向C1充电，电流充电，电流从从C2流向流向C1，C1中存中存0 0；如果；如果C2充充电，电，C1向向C2充电，电流从充电，电流从C1流向流向C2，C1中存中存1 1。

17、每次读出后原来存的内容就被破坏了，每次读出后原来存的内容就被破坏了，C2向向C1充电，使充电，使0 0变成变成1 1；C1向向C2充电，使充电，使1 1变成变成0 0。所以读出属于破坏性读出，每次读完以后。所以读出属于破坏性读出，每次读完以后都要对单元电路进行重写或叫刷新。都要对单元电路进行重写或叫刷新。WE读出放大器读出放大器存储阵列存储阵列( ( 64128 ) )存储阵列存储阵列( ( 64128 ) )列地址译码器列地址译码器列地址译码器列地址译码器列地址锁存器列地址锁存器行行地地址址译译码码器器行行地地址址锁锁存存器器I/ /O控制控制输出输出缓冲缓冲列时钟列时钟发生器发生器行时钟行

18、时钟发生器发生器写时钟写时钟发生器发生器行时钟行时钟列时钟列时钟写时钟写时钟RASCASA6A0列时钟列时钟行时钟行时钟列时钟列时钟Dout输入输入锁存锁存Din写时钟写时钟读出再生读出再生放大电路放大电路读出再生读出再生放大电路放大电路读出再生读出再生放大电路放大电路第第1行行第第2行行第第64行行第第65行行第第66行行第第128行行第第1列列第第2列列第第128列列I/ /O缓冲缓冲DinDoutA6A0行地址行地址行地址行地址列地址列地址列地址列地址RASCASWEDout读出数据读出数据Din写入数据写入数据读周期读周期写周期写周期（1）读周期：）读周期：A0A6端先收到端先收到7位

19、行地址，然后发行选信号（位行地址，然后发行选信号（RAS=0），地址送到行），地址送到行地址锁存器，可靠输入后撤销地址锁存器，可靠输入后撤销A0A6端行地址，这时可以发读命令（端行地址，这时可以发读命令（WE=1），在发），在发列选信号之前，可提高速度。然后切换地址，列选信号之前，可提高速度。然后切换地址，A0A6端收到端收到7位列地址，再发列选信号，位列地址，再发列选信号，将地址送到列地址锁存器。可靠输入后撤销列地址。将地址送到列地址锁存器。可靠输入后撤销列地址。 经过一段时间，从数据端有效读出数据。数据送到目的地后，撤销行选信号、列经过一段时间，从数据端有效读出数据。数据送到目的地后，撤销

20、行选信号、列选信号和读命令，读周期结束。选信号和读命令，读周期结束。（2）写周期：）写周期：A0A6端收到端收到7位行地址，发行选信号（位行地址，发行选信号（RAS=0）和写命令（）和写命令（WE=0）。）。行地址可靠送入行地址锁存器后撤销行地址。准备好要写入的数据，准备好列地址，发行地址可靠送入行地址锁存器后撤销行地址。准备好要写入的数据，准备好列地址，发列选信号（列选信号（CAS=0），列地址可靠送入列地址锁存器后撤销列地址。），列地址可靠送入列地址锁存器后撤销列地址。 经过一段时间，当数据可靠写入芯片后，可撤销输入数据、行选信号、列选信号经过一段时间，当数据可靠写入芯片后，可撤销输入数据

21、、行选信号、列选信号和写命令，写周期结束。和写命令，写周期结束。16M1位位16M1位位16M1位位16M1位位A23A0CSWED0D1D30D31CS7CS6CS1CS02M8位位2M8位位2M8位位2M8位位WE3- -8译码器译码器A20A0A23A22A21D7D016M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片16M1位位32片片D0

22、D1D30D31WEA23A04- -16译码器译码器A27A26A25A24CS0CS1CS14CS15存储器寻址逻辑存储器寻址逻辑l 地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑芯片内的寻址系统芯片内的寻址系统( (二级译码二级译码) )芯片外的芯片外的地址分配地址分配与与片选逻辑片选逻辑为芯片分配哪几位地址，为芯片分配哪几位地址，以便寻找片内的存储单以便寻找片内的存储单元元由哪几位地址形由哪几位地址形成芯片选择逻辑，成芯片选择逻辑，以便寻找芯片以便寻找芯片例：例： 用用21142114（1K1K4 4）SRAMSRAM芯片组成容量为芯片组成容量为4K4K8 8的存储器。地址总线的存储器。地址总线

23、A15A15A0A0（低）。（低）。1.1.计算芯片数计算芯片数(1)(1)先扩展位数，再扩展单元数。先扩展位数，再扩展单元数。 2 2片片1K1K4 4 1K1K8 8 4 4组组1K1K8 8 4K4K8 8 8 8片片 2.2.地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑要考虑整个存储器需要多少位地址？要考虑整个存储器需要多少位地址？把这些地址中哪几位分配给芯片本身？哪几位把这些地址中哪几位分配给芯片本身？哪几位用来形成片选逻辑？用来形成片选逻辑？(2)(2)先扩展单元数，再扩展位数。先扩展单元数，再扩展位数。 4 4片片1K1K4 4 4K4K4 4 2 2组组4K4K4 4 4K4K8 8

24、8 8片片 1K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 4需需1212位地址位地址寻址：寻址：4KB4KBA A1515A A1212A11AA11A1010A A9 9A A0 0A11A11A0A00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 11 0 1 0 1 1 1 10 1 0 1 0 0 0 01 0 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1片选片选 芯片地址芯片地址 低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。低位地址分配给芯片，高

25、位地址形成片选逻辑。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑1K1K1K1K1K1K1K1KA9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2CS3CS3A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A1010任意任意 64KB64KB 6.2.3 6.2.3 动态存储器的刷新动态存储器的刷新1.1.刷新定义和原因刷新定义和原因定定义：义：刷新。刷新。动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源供电，时间一长电容电荷会泄放，需

26、定期向电容供电，时间一长电容电荷会泄放，需定期向电容补充电荷，以保持信息不变。补充电荷，以保持信息不变。定期向电容补充电荷定期向电容补充电荷原因：原因：注意注意刷新刷新与与重写重写的区别。的区别。破坏性读出破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。后重写，以恢复原来的信息。2.2.最大刷新间隔最大刷新间隔在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。非破坏性读出非破坏性读出的动态的动态M M，需补充电荷以保持原来的信息。，需补充电荷以保持原来的信息。2ms2ms。3.3.刷新方法刷新方法定期向存定期向存“1 1”的单元电路中的的单元电路中的C1C1补充电荷，存储器芯片补

27、充电荷，存储器芯片按行刷新。按行刷新。刷新一行所用的时间刷新一行所用的时间刷新周期刷新周期刷新一块芯片所需的刷新一块芯片所需的刷新周期数刷新周期数由芯片矩阵的由芯片矩阵的行数行数决定。决定。500ns500ns读写读写周期周期读写读写周期周期读写读写周期周期读写读写周期周期读写读写周期周期500ns500ns500ns刷新刷新周期周期刷新刷新周期周期刷新刷新周期周期500ns500ns500ns3872个个128个个2ms2ms读写读写周期周期刷新刷新周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期500n

28、s500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns500ns读写读写周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期读写读写周期周期读写读写周期周期500ns500ns500ns刷新刷新周期周期读写读写周期周期刷新刷新周期周期500ns500ns15.6s2ms读写读写周期周期500ns15.6s15.6s2ms2ms例例. .将集中式刷新与分散式刷新结合起来，要达到的目的是将集中式刷新与分散式刷新结合起来，要达到的目的是既能消除死区又不改变系统的存取周期。既能消除死区又不改变系统的存取周期。各刷新周期分各刷新周期分散安排在散安排在2ms2ms内。内。每隔一段时间刷新一行。每隔一段时间刷新一行。128128行行15.6 15.6 微秒微秒 每一个每一个15.615.6微秒的最后一个微秒的最后一个500ns500ns用于刷新操作，每次刷新一行；用于刷新操作，每次刷新