第5章存储体系和结构(2013)

1、计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章 存储系存储系统统和结构和结构 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章 存储系统是由几个容量、速度和存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统。价格各不相同的存储器构成的系统。设计一个容量大、速度快、成本低的设计一个容量大、速度快、成本低的存储系统是计算机发展的一个重要课存储系统是计算机发展的一个重要课题。本章重点讨论主存储器的工作原题。本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以及运用半导体存储芯理、组成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和

2、方法，片组成主存储器的一般原则和方法，此外还介绍了高速缓冲存储器和虚拟此外还介绍了高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本原理。存储器的基本原理。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5.1 存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高存储系统性能的技术提高存储系统性能的技术计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储系统的组成存储系统的组成 存储系统和存储器是两个不同的概存

3、储系统和存储器是两个不同的概念，下面首先介绍各种不同用途的存储念，下面首先介绍各种不同用途的存储器，然后讨论它们是如何构成一个存储器，然后讨论它们是如何构成一个存储系统的。系统的。5.1.1 存储器分类存储器分类1.按存储器在计算机系统中的作用分类按存储器在计算机系统中的作用分类(1)高速缓冲存储器高速缓冲存储器 高速缓冲存储器高速缓冲存储器位于主存和位于主存和CPU之之间，间，用来存放正在执行的程序段和数据，用来存放正在执行的程序段和数据，以便以便CPU高速地使用它们。高速地使用它们。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组

4、成(2)主存储器主存储器 用来存放计算机运行期间所需要的程用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，序和数据，CPU可直接随机地进行读写访可直接随机地进行读写访问。问。(3)辅助存储器辅助存储器 用来存放当前暂不参与运行的程序和用来存放当前暂不参与运行的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息。数据，以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接访问它。不能直接访问它。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成2.按存取方式分类按存取方式分类(1)随机存取存储器随机存取存储器RAM CPU可以对可以对RAM单元的内容随机地读单元的

5、内容随机地读写访问。写访问。CPU对任何一个存储单元的读写对任何一个存储单元的读写时间是一样的，即时间是一样的，即存取时间是相同的存取时间是相同的。(2)只读存储器只读存储器ROM ROM可以看作可以看作RAM的一种特殊方式，的一种特殊方式，存储器的内容只能随机读出而不能写入。存储器的内容只能随机读出而不能写入。(3)顺序存取存储器顺序存取存储器SAM SAM的内容只能按某种顺序存取，的内容只能按某种顺序存取，存存取时间与信息在存储体上的物理位置有关取时间与信息在存储体上的物理位置有关。 注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组

6、成组成(4)直接存取存储器直接存取存储器DAM 当要存取所需的信息时，第一步直接当要存取所需的信息时，第一步直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），第二步在小区域内顺序检索上的磁道），第二步在小区域内顺序检索或等待，直至找到目的地后再进行读写操或等待，直至找到目的地后再进行读写操作。作。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成3.按存储介质分类按存储介质分类(1)磁芯存储器磁芯存储器 利用两种不同的剩磁状态表示利用两种不同的剩磁状态表示“1”或或“0”。磁芯存储器的特点是信息可以

7、长期。磁芯存储器的特点是信息可以长期存储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器存储，不会因断电而丢失；但磁芯存储器的读出是破坏性读出。的读出是破坏性读出。(2)半导体存储器半导体存储器 采用半导体器件制造的存储器，主要采用半导体器件制造的存储器，主要有双极型（有双极型（TTL电路或电路或ECL电路）存储器电路）存储器和和MOS型存储器两大类。型存储器两大类。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成(3)磁表面存储器磁表面存储器 在金属或塑料基体上，涂复一层磁性在金属或塑料基体上，涂复一层磁性材料，用磁层存储信息，常见的有磁盘、材料

8、，用磁层存储信息，常见的有磁盘、磁带等。磁带等。 (4)光存储器光存储器 采用激光技术控制访问的存储器，如采用激光技术控制访问的存储器，如CD-ROM（只读光盘）（只读光盘） 、WORM（CD-R，写一次多次读光盘）写一次多次读光盘） 、CD-RW（可读可写（可读可写光盘）。光盘）。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成4.按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类 断电后，存储信息即消失的存储器，断电后，存储信息即消失的存储器，称易失性存储器。断电后信息仍然保存的称易失性存储器。断电后信息仍然保存的存储器，称非易失性存储器

9、存储器，称非易失性存储器。 如果某个存储单元所存储的信息被读如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出时，原存信息将被破坏，则称破坏性读出。具有破坏性读出的存储器，每当一次出。具有破坏性读出的存储器，每当一次读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）读出操作之后，必须紧接一个重写（再生）的操作，以便恢复被破坏的信息。的操作，以便恢复被破坏的信息。 如果读出时，被读单元原存信息不被如果读出时，被读单元原存信息不被破坏，则称非破坏性读出。破坏，则称非破坏性读出。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成5.1

10、.2 存储系统层次结构存储系统层次结构 为了解决存储容量、存取速度和价格为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。统。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成 从从CPU的角度来看，的角度来看，n种不同的存储器种不同的存储器（M1Mn）在逻辑上是一个整体。其中：）在逻辑上是一个整体。其中：M1速度最快、容量最小、位价格最

11、高；速度最快、容量最小、位价格最高；Mn速度最慢、容量最大、位价格最低。整个速度最慢、容量最大、位价格最低。整个存储系统具有接近于存储系统具有接近于M1的速度，相等或接的速度，相等或接近近Mn的容量，接近于的容量，接近于Mn的位价格。在多级的位价格。在多级存储层次中，最常用的数据在存储层次中，最常用的数据在M1中，次常中，次常用的在用的在M2中，最少使用的在中，最少使用的在Mn中。中。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成CPUM1M2Mn存储层次 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5

12、.1 存储存储系统系统的的组成组成 由高速缓冲存储器、主存储器、辅助由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次。其层次。其中高速缓存和主存间称为中高速缓存和主存间称为Cache- -主存存储层次（主存存储层次（Cache存储系统）；主存存储系统）；主存- -辅存存储层次（虚拟存储系统）。辅存存储层次（虚拟存储系统）。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成 Cache存储系统是为解决主存速度不足存储系统是为解决主存速度不足而提出来的而提出来的。在。在Cache

13、和主存之间，增加辅和主存之间，增加辅助硬件，让它们构成一个整体。从助硬件，让它们构成一个整体。从CPU看，看，速度接近速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，的速度，容量是主存的容量，每位价格接近于主存的价格。由于每位价格接近于主存的价格。由于Cache存存储系统全部用硬件来调度，因此它对系统储系统全部用硬件来调度，因此它对系统程序员和应用程序员都是透明的。程序员和应用程序员都是透明的。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成 CPUCache主存辅助硬件计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算

14、机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成 虚拟存储系统是为解决主存容量不足虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的而提出来的。在主存和辅存之间，增加辅。在主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一个整体。从助的软硬件，让它们构成一个整体。从CPU看，速度接近主存的速度，容量是虚看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的拟的地址空间，每位价格是接近于辅存的价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，因此对系统程序员是不透明的，统来调度，因此对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的。但对应用程序员是透明的。 计算机组成原

15、理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.1 存储存储系统系统的的组成组成CPU主存辅存辅助软硬件计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5.1 存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高存储系统性能的技术提高存储系统性能的技术计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 主存储器是整个存储系统的核心，它主存储器是整个存储系

16、统的核心，它用来存放计算机运行期间所需要的程序和用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，数据，CPU可直接随机地对它进行访问。可直接随机地对它进行访问。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.1 主存储器的基本结构主存储器的基本结构 主存储器通常由存储体、地址译码驱主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、动电路、I/O和读写电路组成。和读写电路组成。存储体存储体地址线地址线读读/写控制线写控制线I/O地址译码驱动地址译码驱动和读写电路和读写电路数据线数据线计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学

17、计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 存储体是主存储器的核心，程序和数存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储体中。据都存放在存储体中。 地址译码驱动电路实际上包含译码器地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的和驱动器两部分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对应的译码输出线上的有地址码转换成与之对应的译码输出线上的有效电平，以表示选中了某一单元，并由驱动效电平，以表示选中了某一单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，器提供驱动电流去驱动相应的读、写电路，完成对被选中单元的读、写操作。完成对被选中单元的读、写操作。 I/O和读写电路

18、包括读出放大器、写入和读写电路包括读出放大器、写入电路和读电路和读/写控制电路，用以完成被选中存写控制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作。储单元中各位的读出和写入操作。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 存储器的读存储器的读/写操作是在控制器的控写操作是在控制器的控制下进行的。半导体存储器芯片中的控制制下进行的。半导体存储器芯片中的控制电路，必须接收到来自控制器的读电路，必须接收到来自控制器的读/写命令写命令或写入允许信号后，才能实现正确的读或写入允许信号后，才能实现正确的读/写写操作。操作。计算机组成原

19、理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.2 主存储器的存储单元主存储器的存储单元 位位是二进制数的最基本单位，也是存是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位。储器存储信息的最小单位。 一个二进制数由若干位组成，当这个一个二进制数由若干位组成，当这个二进制数作为一个整体存入或取出时，这个二进制数作为一个整体存入或取出时，这个数称为数称为存储字存储字。 存放存储字或存储字节的主存空间称存放存储字或存储字节的主存空间称为为存储单元或主存单元存储单元或主存单元，大量存储单元的集，大量存储单元的集合构成一个合构成一个存储体存储体

20、MB，程序和数据都存放，程序和数据都存放在存储体中，它是存储器的核心。在存储体中，它是存储器的核心。注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 一个存储单元可能存放一个字，也可一个存储单元可能存放一个字，也可能存放一个字节，这是由计算机的结构确定能存放一个字节，这是由计算机的结构确定的。对于字节编址的计算机，最小寻址单位的。对于字节编址的计算机，最小寻址单位是一个字节，相邻的存储单元地址指向相邻是一个字节，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字节；对于字编址的计算机，最小寻的存储字节；对于字编址的计算机，最小寻址单位是一个字，相

21、邻的存储单元地址指向址单位是一个字，相邻的存储单元地址指向相邻的存储字。相邻的存储字。 存储单元是存储单元是CPU对主存可访问操作的对主存可访问操作的最小存储单位。最小存储单位。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 例如，例如，IBM 370机是字长为机是字长为32位的计算位的计算机，主存按字节编址，每一个存储字包含机，主存按字节编址，每一个存储字包含4个单独编址的存储字节，字地址即是该字高个单独编址的存储字节，字地址即是该字高位字节的地址，其位字节的地址，其字地址总是等于字地址总是等于4的整数的整数倍倍，正好用地址码的最

22、末两位来区分同一个，正好用地址码的最末两位来区分同一个字的四个字节。字的四个字节。PDP-11机是字长为机是字长为16位的位的计算机，主存也按字节编址，每一个存储字计算机，主存也按字节编址，每一个存储字包含包含2个单独编址的存储字节，它的个单独编址的存储字节，它的字地址字地址总是总是2的整数倍的整数倍，但却是用低位字节地址作，但却是用低位字节地址作为字地址，并用地址码的最末为字地址，并用地址码的最末1位来区分同位来区分同一个字的两个字节。一个字的两个字节。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织000014444889101

23地址字地址字节地址字节地址计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 假设一个字由四个字节组成，我们使用假设一个字由四个字节组成，我们使用B3、B2、B1、B0来分别表示这四个字节，其来分别表示这四个字节，其中中B3是字的最高有效字节，是字的最高有效字节，B0是最低有效字是最低有效字节。字节编址计算机的主存地址安排有两种节。字节编址计算机的主存地址安排有两种方案，但字地址总是等于方案，但字地址总是等于4的整数倍。的整数倍。字节地址字地址B3B2B1B0NN+3N+2N+1N+0字节地址字地址B3B2B1B

24、0NN+0N+1N+2N+3(a)(b)计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 图图 (a)称为小端方案。假设字地址为称为小端方案。假设字地址为N，则字节则字节B3、B2、B1、B0依次存放在地址为依次存放在地址为N+3、N+2、N+1、N+0的存储单元，即字地的存储单元，即字地址等于最低有效字节地址。采用小端方案的址等于最低有效字节地址。采用小端方案的计算机有计算机有Intel 80X86、DEC VAX等。等。 图图 (b)称为大端方案。假设字地址为称为大端方案。假设字地址为N，则字节则字节B3、B2、B1、B0依次存放

25、在地址为依次存放在地址为N+0、N+1、N+2、N+3的存储单元，即字地的存储单元，即字地址等于最高有效字节地址。采用大端方案的址等于最高有效字节地址。采用大端方案的计算机有计算机有IBM360/370、Motorola 68000等。等。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 大端方案将高字节（大端方案将高字节（MSB）存放在低）存放在低地址，小端方案将高字节存放在高地址。采地址，小端方案将高字节存放在高地址。采用大端方案进行数据存放符合人类的正常思用大端方案进行数据存放符合人类的正常思维，而采用小端方案进行数据存放利于计

26、算维，而采用小端方案进行数据存放利于计算机处理。到目前为止，采用大端或者小端进机处理。到目前为止，采用大端或者小端进行数据存放，其孰优孰劣也没有定论。大端行数据存放，其孰优孰劣也没有定论。大端与小端方案的差别体现在一个处理器的寄存与小端方案的差别体现在一个处理器的寄存器、指令集、数据总线等各个层次中。器、指令集、数据总线等各个层次中。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.3 主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标1.存储容量存储容量 存储容量是指存储容量是指主存所能容纳的二进制主存所能容纳的二进制信息总量信息总

27、量。对于字节编址的计算机，以字。对于字节编址的计算机，以字节数来表示容量；对于字编址的计算机，节数来表示容量；对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示容量。以字数与其字长的乘积来表示容量。 如某计算机的容量为如某计算机的容量为64K16，表示它，表示它有有64K个字，每个字的字长为个字，每个字的字长为16位，若用字位，若用字节数表示，则可记为节数表示，则可记为128K字节（字节（128KB）。）。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织2.存取速度存取速度 存取时间存取时间Ta 存取时间又称为访问时间或读存取时间又称为访

28、问时间或读/写时间，写时间，它是指它是指从启动一次存储器操作到完成该操作从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间所经历的时间。 存取周期存取周期Tm 存取周期又可称作读写周期、访存周存取周期又可称作读写周期、访存周期，它是指期，它是指存储器进行一次完整的读写操作存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次访问存储器操所需的全部时间，即连续两次访问存储器操作之间所需要的最短时间作之间所需要的最短时间。 注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 显然，一般情况下，显然，一般情况下，Tm Ta 。这是因。这是因为对

29、任何一种存储器，在读写操作之后，为对任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一段恢复内部状态的复原时间。对总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于破坏性读出的存储器，存取周期往往比于破坏性读出的存储器，存取周期往往比存取时间要大得多，甚至可以达到存取时间要大得多，甚至可以达到Tm2Ta，这是因为存储器中的信息读出后需要，这是因为存储器中的信息读出后需要马上进行重写（再生）。马上进行重写（再生）。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 主存带宽主存带宽Bm 与存取周期密切相关的指标是主存的与存取周期密切相关的指标是主存的带宽，它又

30、称为数据传输率，表示每秒从带宽，它又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字主存进出信息的最大数量，单位为字/秒或秒或字节字节/秒或位秒或位/秒。秒。 Bm=主存等效工作频率主存位宽主存等效工作频率主存位宽8=内存时钟频率内存时钟频率倍增系数倍增系数主主存位数存位数 8。以。以DDR400内存为例，它的运行频率内存为例，它的运行频率为为200MHz，数据总线位数为，数据总线位数为64bit，由于，由于上升沿和下降沿都传输数据，因此倍增系上升沿和下降沿都传输数据，因此倍增系数为数为2，此时带宽为：，此时带宽为：200264/83.2GB/s。计算机组成原理计算机组成原理北京理工

31、大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 目前，主存提供信息的速度还跟不上目前，主存提供信息的速度还跟不上CPU处理指令和数据的速度，所以，主存处理指令和数据的速度，所以，主存的带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键的带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。为了提高主存的带宽，可以采取的因素。为了提高主存的带宽，可以采取的措施有：措施有： 缩短存取周期；缩短存取周期； 增加存储字长；增加存储字长； 增加存储体。增加存储体。 计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.2.4 数据在主存中的存放数据在

32、主存中的存放 在采用字节编址的情况下，数据在主在采用字节编址的情况下，数据在主存储器中的三种不同存放方法。存储器中的三种不同存放方法。假设假设，存，存储字为储字为64位（位（8个字节），读个字节），读/写的数据有四写的数据有四种不同长度，它们分别是字节（种不同长度，它们分别是字节（8位）、半位）、半字（字（16位）、单字（位）、单字（32位）和双字（位）和双字（64位）。位）。字节字节半半字字单单字字双双字字计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织 请注意：此例中数据字长（请注意：此例中数据字长（32位）不等位）不等于存储字长

33、（于存储字长（64位）。位）。 现有一批数据，它们依次为：字节、现有一批数据，它们依次为：字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字。字。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5.2 主存储器主存储器的的组织组织不浪费存储器资源的存放方法不浪费存储器资源的存放方法 四种不同长度的数据一个紧接着一个存四种不同长度的数据一个紧接着一个存放。优点是不浪费宝贵的主存资源，但存在放。优点是不浪费宝贵的主存资源，但存在的问题是：当访问的一个双字、单字或半字的问题是：当访问的一个双字、单字或

34、半字跨越两个存储字时，存储器的工作速度降低跨越两个存储字时，存储器的工作速度降低了一倍，而且读写控制比较复杂。了一倍，而且读写控制比较复杂。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织从存储字的起始位置开始存放方法从存储字的起始位置开始存放方法 无论要存放的是字节、半字、单字或无论要存放的是字节、半字、单字或双字，都必须从存储字的起始位置开始存双字，都必须从存储字的起始位置开始存放，而空余部分浪费不用。优点是：无论放，而空余部分浪费不用。优点是：无论访问一个字节、半字、单字或双字都可以访问一个字节、半字、单字或双字都可以在一个存取

35、周期内完成，读写数据的控制在一个存取周期内完成，读写数据的控制比较简单。缺点是：浪费了宝贵的存储器比较简单。缺点是：浪费了宝贵的存储器资源。资源。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5.2 主存储器主存储器的的组织组织计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.2 主存储器主存储器的的组织组织边界对齐的数据存放方法边界对齐的数据存放方法 双字地址的最末三个二进制位必须为双字地址的最末三个二进制位必须为000，单字地址的最末两位必须为，单字地址的最末两位必须为00，半字，半字地址的最末一

36、位必须为地址的最末一位必须为0。它能够保证无论。它能够保证无论访问双字、单字、半字或字节，都在一个访问双字、单字、半字或字节，都在一个存取周期内完成，尽管存储器资源仍然有存取周期内完成，尽管存储器资源仍然有浪费，但是浪费比第种存放方法要少得浪费，但是浪费比第种存放方法要少得多。多。注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）01816243291725332101831119412205132161422715232634272836352937303139385.2 主存储器主存储器的的组织组织计算机组成原理计算机组成

37、原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5.1 存储系统的组成存储系统的组成5.2 主存储器主存储器的的组织组织5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.4 主存储器的连接与控制主存储器的连接与控制5.5 提高存储系统性能的技术提高存储系统性能的技术计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 主存储器通常分为主存储器通常分为RAM和和ROM两大两大部分部分。RAM可读可写，可读可写，ROM只能读不能写。只能读不能写。下面重点讨论下面重点讨论RAM的工作原理与

38、结构，以的工作原理与结构，以及及ROM的基本类型。的基本类型。注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.1 RAM记忆单元电路记忆单元电路 存放一个二进制位的物理器件称为记存放一个二进制位的物理器件称为记忆单元，它是存储器的最基本构件，忆单元，它是存储器的最基本构件，地址地址码相同的多个记忆单元构成一个存储单元码相同的多个记忆单元构成一个存储单元。记忆单元记忆单元可以由各种材料制成，但最常见可以由各种材料制成，但最常见的的由由MOS电路组成。电路组成。MOS型存储器根据记型存储器根据记忆单

39、元的结构又可分为静态忆单元的结构又可分为静态RAM和动态和动态RAM两种。静态两种。静态RAM，即，即SRAM（Static RAM），其存储电路以双稳态触发器为基），其存储电路以双稳态触发器为基础；础；动态动态RAM，即，即DRAM（Dynamic RAM），其存储电路以电容为基础），其存储电路以电容为基础。注意计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器六管静态六管静态MOS记忆单元电路记忆单元电路四管动态四管动态MOS记忆单元电路记忆单元电路单管动态记忆单元电路单管动态记忆单元电路计算机组成原理计

40、算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.2 动态动态RAM的刷新的刷新1.刷新间隔刷新间隔 前面已经说过，为了维持前面已经说过，为了维持MOS型动型动态记忆单元的存储信息，每隔一定时间必态记忆单元的存储信息，每隔一定时间必须对存储体中的所有记忆单元的栅极电容须对存储体中的所有记忆单元的栅极电容补充电荷，这个过程就是刷新。补充电荷，这个过程就是刷新。 一般选定一般选定MOS型动态存储器允许的型动态存储器允许的最大刷新间隔为最大刷新间隔为2ms，也就是说，应在，也就是说，应在2ms内，将全部存储体刷新一遍。内，

41、将全部存储体刷新一遍。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 值得一提的是，刷新和重写（再生）值得一提的是，刷新和重写（再生）是两个完全不同的概念，切不可加以混淆。是两个完全不同的概念，切不可加以混淆。重写是随机的，某个存储单元只有在破坏性重写是随机的，某个存储单元只有在破坏性读出之后才需要重写。而刷新是定时的，即读出之后才需要重写。而刷新是定时的，即使许多记忆单元长期未被访问，若不及时补使许多记忆单元长期未被访问，若不及时补充电荷的话，信息也会丢失。重写一般是按充电荷的话，信息也会丢失。重写一般

42、是按存储单元进行的，而刷新通常以存储体矩阵存储单元进行的，而刷新通常以存储体矩阵中的一行为单位进行的。中的一行为单位进行的。2.刷新方式刷新方式 常见的刷新方式有集中式、分散式和异常见的刷新方式有集中式、分散式和异步式三种。步式三种。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 例如，对具有例如，对具有1024个记忆单元（排列个记忆单元（排列成成3232矩阵）的存储芯片进行刷新，刷新矩阵）的存储芯片进行刷新，刷新是按行进行的，且每刷新一行占用一个存取是按行进行的，且每刷新一行占用一个存取周期，存取周期为

43、周期，存取周期为500ns（0.5 s）。）。32行行32列列计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器(1)集中刷新方式集中刷新方式 在允许的最大刷新间隔内，按照存储在允许的最大刷新间隔内，按照存储芯片容量的大小集中安排若干个刷新周期，芯片容量的大小集中安排若干个刷新周期，刷新时停止读写操作。刷新时停止读写操作。 刷新时间刷新时间=存储体矩阵行数存储体矩阵行数刷新周期刷新周期 这里刷新周期是指刷新一行所需要的这里刷新周期是指刷新一行所需要的时间，由于刷新过程就是时间，由于刷新过程就是“假读假读”的过

44、程，的过程，所以刷新周期就等于存取周期。所以刷新周期就等于存取周期。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 在最大刷新间隔在最大刷新间隔2ms内共可以安排内共可以安排4000个存取周期，从个存取周期，从03967个周期内进行个周期内进行读读/写操作或保持，而从写操作或保持，而从39683999这最后这最后32个周期集中安排刷新操作。个周期集中安排刷新操作。刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读读/写操作写操作刷新刷新013967396839993968个周期（个周期（1984 s）32个周期（个周期（1

45、6 s）计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 集中刷新方式的优点是读集中刷新方式的优点是读/写操作时不写操作时不受刷新工作的影响，因此系统的存取速度受刷新工作的影响，因此系统的存取速度比较高。缺点是在集中刷新期间必须停止比较高。缺点是在集中刷新期间必须停止读读/写，这一段时间称为写，这一段时间称为“死区死区”，而且存，而且存储容量越大，死区就越长。储容量越大，死区就越长。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和

46、只读存储器(2)分散刷新方式分散刷新方式 分散刷新是指把刷新操作分散到每个分散刷新是指把刷新操作分散到每个存取周期内进行，此时系统的存取周期被存取周期内进行，此时系统的存取周期被分为两部分，前一部分时间进行读分为两部分，前一部分时间进行读/写操作写操作或保持，后一部分时间进行刷新操作。一或保持，后一部分时间进行刷新操作。一个系统存取周期内刷新存储矩阵中的一行。个系统存取周期内刷新存储矩阵中的一行。刷新间隔（刷新间隔（32 s）周期周期0周期周期1周期周期31读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导

47、体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 分散刷新方式没有死区，但是，它也分散刷新方式没有死区，但是，它也有很明显的缺点，第一是加长了系统的存有很明显的缺点，第一是加长了系统的存取周期，如存储芯片的存取周期为取周期，如存储芯片的存取周期为0.5 s，则系统的存取周期应为则系统的存取周期应为1 s，降低了整机的降低了整机的速度；第二是刷新过于频繁（本例中每速度；第二是刷新过于频繁（本例中每32 s就重复刷新一遍），尤其是当存储容量就重复刷新一遍），尤其是当存储容量比较小的情况下，没有充分利用所允许的比较小的情况下，没有充分利用所允许的最大刷新间隔（最大刷新间隔（2ms）。）。计算机组

48、成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 (3)异步刷新方式异步刷新方式 异步刷新方式可以看成前述两种方式异步刷新方式可以看成前述两种方式的结合，它充分利用了最大刷新间隔时间，的结合，它充分利用了最大刷新间隔时间，把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内进行，故有：时间内进行，故有： 相邻两行的刷新间隔相邻两行的刷新间隔=最大刷新间隔时最大刷新间隔时间间/行数行数计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存

49、储器和只读存储器和只读存储器 对于对于3232矩阵，在矩阵，在2ms内需要将内需要将32行刷新一遍，所以相邻两行的刷新时间间行刷新一遍，所以相邻两行的刷新时间间隔隔=2ms/32=62.5 s，即每隔，即每隔62.5 s安排一安排一个刷新周期，在刷新时封锁读个刷新周期，在刷新时封锁读/写。写。刷新间隔（刷新间隔（2 ms）读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 异步刷新方式虽然也有死区，但比集异步刷新方式虽然也

50、有死区，但比集中刷新方式的死区小得多，仅为中刷新方式的死区小得多，仅为0.5 s。这。这样可以避免使样可以避免使CPU连续等待过长的时间，连续等待过长的时间，而且减少了刷新次数，是比较实用的一种而且减少了刷新次数，是比较实用的一种刷新方式。刷新方式。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器3.刷新控制刷新控制 MOS型动态型动态RAM的刷新要注意几个问题：的刷新要注意几个问题： 刷新对刷新对CPU是透明的。是透明的。 刷新通常是一行一行地进行的，每一行刷新通常是一行一行地进行的，每一行中各记忆单元同

51、时被刷新，故刷新操作时中各记忆单元同时被刷新，故刷新操作时仅需要行地址，不需要列地址。仅需要行地址，不需要列地址。 刷新操作类似于读出操作。刷新操作类似于读出操作。 因为所有芯片同时被刷新，所以在考虑因为所有芯片同时被刷新，所以在考虑刷新问题时，应当从单个芯片的存储容量刷新问题时，应当从单个芯片的存储容量着手，而不是从整个存储器的容量着手。着手，而不是从整个存储器的容量着手。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器5.3.3 RAM芯片分析芯片分析1.RAM芯片芯片 存储芯片通过地址线、数据线和控制

52、存储芯片通过地址线、数据线和控制线与外部连接。地址线是单向输入的，其线与外部连接。地址线是单向输入的，其数目与芯片容量有关。如容量为数目与芯片容量有关。如容量为10244时，时，地址线有地址线有10根；容量为根；容量为64K1时，地址线时，地址线有有16根。数据线是双向的，既可输入，也根。数据线是双向的，既可输入，也可输出，其数目与数据位数有关。如可输出，其数目与数据位数有关。如10244的芯片，数据线有的芯片，数据线有4根；根；64K1的的芯片，数据线只有芯片，数据线只有1根。控制线主要有读根。控制线主要有读/写控制线（或写允许线）和片选线两种，写控制线（或写允许线）和片选线两种，读读/写控

53、制线是用来决定芯片是进行读操作写控制线是用来决定芯片是进行读操作还是写操作的，片选线是用来决定该芯片还是写操作的，片选线是用来决定该芯片是否被选中的。是否被选中的。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 由于由于DRAM芯片集成度高，容量大，芯片集成度高，容量大，为了减少芯片引脚数量，为了减少芯片引脚数量，DRAM芯片把地芯片把地址线分成相等的两部分，分两次从相同的址线分成相等的两部分，分两次从相同的引脚送入。两次输入的地址分别称为行地引脚送入。两次输入的地址分别称为行地址和列地址，行地址由行地址

54、选通信号址和列地址，行地址由行地址选通信号 送入存储芯片，列地址由列地址选通信号送入存储芯片，列地址由列地址选通信号 送入存储芯片。由于采用了地址复用技术，送入存储芯片。由于采用了地址复用技术，因此，因此，DRAM芯片每增加一条地址线，实芯片每增加一条地址线，实际上是增加了两位地址，也即增加了际上是增加了两位地址，也即增加了4倍的倍的容量。容量。RASCAS计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器2.地址译码方式地址译码方式 地址译码电路能把地址线送来的地址地址译码电路能把地址线送来的地址信号翻译成

55、对应存储单元的选择信号。信号翻译成对应存储单元的选择信号。(1)单译码方式单译码方式 单译码方式又称字选法，它所对应的单译码方式又称字选法，它所对应的存储器结构是字结构的，容量为存储器结构是字结构的，容量为M个字的个字的存储器（存储器（M个字，每字个字，每字b位），排列成位），排列成M行行b列的矩阵，矩阵的每一行对应一个字，列的矩阵，矩阵的每一行对应一个字，有一条公用的选择线有一条公用的选择线wi（字线）。字线选（字线）。字线选中某一行时，同一行中的各位就都被选中，中某一行时，同一行中的各位就都被选中，由读写电路对被选中的各位实施读出或写由读写电路对被选中的各位实施读出或写入操作。入操作。计算

56、机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 字结构的优点是结构简单，缺点是使用字结构的优点是结构简单，缺点是使用的外围电路多，成本昂贵。更严重的是，当的外围电路多，成本昂贵。更严重的是，当字数大大超过位数时，存储器会形成纵向很字数大大超过位数时，存储器会形成纵向很长而横向很窄的不合理结构，所以这种方式长而横向很窄的不合理结构，所以这种方式只适用于容量不大的存储器。只适用于容量不大的存储器。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读

57、存储器和只读存储器(2)双译码方式双译码方式 双译码方式又称为重合法。通常是把双译码方式又称为重合法。通常是把K位地址码分成接近相等的两段，一段用于水位地址码分成接近相等的两段，一段用于水平方向作平方向作X地址线，供地址线，供X地址译码器译码；地址译码器译码；一段用于垂直方向作一段用于垂直方向作Y地址线，供地址线，供Y地址译地址译码器译码。码器译码。X和和Y两个方向的选择线在存储两个方向的选择线在存储体内部的一个记忆单元上交叉，以选择相应体内部的一个记忆单元上交叉，以选择相应的记忆单元。的记忆单元。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器

58、半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 双译码方式对应的存储芯片结构可以双译码方式对应的存储芯片结构可以是位结构的，则在是位结构的，则在Z方向上重叠方向上重叠b个芯片。个芯片。 也可以是字段结构的。也可以是字段结构的。 X选择线选择线Y选择线选择线计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器 对于字段结构的存储芯片，行选择线对于字段结构的存储芯片，行选择线为为M/s根，列选择线为根，列选择线为s，K位地址线也要划位地址线也要划分为两部分：分为两部分：Kxlog2M/s，Kylog2s。 双译码方式与单

59、译码方式相比，减少双译码方式与单译码方式相比，减少了选择线数目和驱动器数目。存储容量越大，了选择线数目和驱动器数目。存储容量越大，这两种方式的差异越明显。这两种方式的差异越明显。256 256256 2568 8双译码双译码655366553616单译码单译码驱动器数驱动器数选择线数选择线数占用地址位占用地址位译码方式译码方式计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导体随机存储器和只读存储器和只读存储器以以Intel 2114为例为例 存储容量为存储容量为1K4，由，由4096个六管记个六管记忆单元电路组成，它们排成忆单元电路组成，它们

60、排成6464的矩阵，的矩阵，采用字段结构。采用字段结构。CPU送来的地址总线送来的地址总线10位位（A0A9），其中），其中6位作为行选择电路的输位作为行选择电路的输入，经行地址译码器产生入，经行地址译码器产生64条行选择线；条行选择线；另另4位作为列选择电路的输入，经列地址译位作为列选择电路的输入，经列地址译码器产生码器产生16条列选择线，每条列选择线再条列选择线，每条列选择线再经列经列I/O电路把电路把4条数据线（条数据线（I/O1I/O4）连）连接到各字段的相应位上。接到各字段的相应位上。计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5.3 半导体随机存储器半导