计算机原理及系统结构课件

计算机原理及系统结构第三十一讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构第7章多级结构的存储器系统概述

和主存储器第7章多级结构的存储器系统概述

和主存储器本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径3本章主要内容多级结构的存储器系统概述3存储器系统的概念与目标输入设备输出设备入出接口和总线外存设备主存储器高速缓存控制器运算器P1974存储器系统的概念与目标输入设备输出设备入出接口和总线外存设备存储器系统的概念与目标存储器的作用计算机中用来存放程序和数据的部件，是冯.诺依曼结构计算机的重要组成程序和数据的共同特点：二进制位串存储器的要求能够有两个稳定状态来表示二进制中的“0”和“1”容易识别，两个状态能方便地进行转换几种常用的存储介质：磁介质、触发器、电容、光盘5存储器系统的概念与目标存储器的作用5存储器系统的概念与目标存储器追求的目标尽可能快的存取速度：应能基本满足CPU对数据的要求尽可能大的存储空间：可以满足程序对存储空间的要求尽可能低的单位成本：（价格/位）在用户能够承受范围内怎么实现这个目标？用多级结构存储器把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理例如三级结构存储器：cache－主存－虚存6存储器系统的概念与目标存储器追求的目标6多级结构存储器系统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介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，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。例如：用容量更小但速度最快的SRAM芯片组成CACHE，容量较大速度适中的DRAM芯片组成MAINMEMORY，用容量特大但速度较慢的磁盘设备构成VIRTUALMEMORY。P1977多级结构存储器系统选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、多级结构存储器系统8多级结构存储器系统8程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理表现在三方面时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问，例如：程序循环空间方面：在空间上这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区，例如：数组存放指令执行顺序方面：在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1)合理地把程序和数据分配在不同存储介质中P1989程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理表现在三方面P198多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中应保持相同的值。包含性原则处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立，即内层存储器中的全部信息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。P19810多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则P19810微电子技术发展趋势CPU与DRAM性能比较11微电子技术发展趋势CPU与DRAM性能比较11现代计算机中的存储层次利用程序的局部性原理以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间以最快速的技术实现高速存储访问12现代计算机中的存储层次利用程序的局部性原理12本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径13本章主要内容多级结构的存储器系统概述13主存储器概述计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU等其他部件连通。地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量控制总线CB

指出总线周期的类型和本次读写操作完成的时刻READYWRITEREADCPUMainMemoryABk位（给出地址）DBn位（传送数据）例如：k=32位n=64位P20014主存储器概述计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1读过程：给出地址给出片选与读命令保存读出内容写过程：给出地址给出片选与数据给出写命令主存储体15主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0主存储器概述主要技术指标存取时间通常用读写一个存储单元所需的时间度量，即读写速度存储周期连续两次读写存储单元所需的时间间隔大于读写一次存储单元的存取时间存储容量通常用构成存储器的字节（8位）或者字数（2、4、8个字节）表述多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者字读写存储器16主存储器概述主要技术指标16半导体存储器的分类17半导体存储器的分类17计算机原理及系统结构第三十二讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构静态和动态RAM芯片特性

SRAM DRAM 存储信息 触发器 电容 破坏性读出 非 是 需要刷新 不要 需要 送行列地址 同时送 分两次送 运行速度 快 慢 集成度 低 高 发热量 大 小 存储成本 高 低19静态和动态RAM芯片特性 SRAM DRAM19动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）的单个MOS管来存储一个二进制位（bit）信息的。信息被存储在MOS管T的源极的寄生电容CS中，例如，用CS中存储有电荷表示1，无电荷表示0。++--字线位线高，T导通，低，T截止。VDDCS柵极T源极漏极充电放电通过电容CS有无存储电荷来区分信号1、0P20120动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）++--VDDCS字线位线T写1：使位线为低电平，高，T导通，低，T截止。低若CS上无电荷，则VDD向CS充电；把1信号写入了电容CS中。若CS上有电荷，则CS的电荷不变，保持原记忆的1信号不变。21++--VDDCS字线位T写1：使位线为低电平，++--VDDCS字线位线T高，T导通，低，T截止。高写0：使位线为高电平，若CS上有电荷，则CS通过T放电；若CS上无电荷，则CS无充放电动作，保持原记忆的0信号不变。把0信号写入了电容CS中。22++--VDDCS字线位T高，T导通，高写0：使++--VDDCS字线位线T接在位线上的读出放大器会感知这种变化，读出为1。高，T导通，高读操作：首先使位线充电至高电平，当字线来高电平后，T导通，低①

若CS上无电荷，则位线上无电位变化，读出为0；②

若CS上有电荷，则会放电，并使位线电位由高变低，23++--VDDCS字线位T接在位线上的读出放大器会感知这种24242525动态存储器读写原理破坏性读出：读操作后，被读单元的内容一定被清为零，必须把刚读出的内容立即写回去，通常称其为预充电延迟，它影响存储器的工作频率，在结束预充电前不能开始下一次读。要定期刷新：在不进行读写操作时，DRAM存储器的各单元处于断路状态，由于漏电的存在，保存在电容CS上的电荷会慢慢地漏掉，为此必须定时予以补充，通常称其为刷新操作。刷新不是按字处理，而是每次刷新一行，即为连接在同一行上所有存储单元的电容补充一次能量。刷新周期一般为2ms，刷新有两种常用方式：集中刷新，停止内存读写操作，逐行将所有各行刷新一遍；分散刷新，每隔一定时间段，刷新一行，各行轮流进行。信号序关系：结论性内容参考P203。26动态存储器读写原理破坏性读出：读操作后，被读单元的内容一定被静态存储器存储原理静态存储器（SRAM）是用触发器线路记忆和读写数据的，通常用6个MOS管组成存储一位二进制信息的存储单元。其中4个MOS管组成两个反相器，输入输出交叉耦合构成一位触发器，记忆一位二进制信息。P20427静态存储器存储原理静态存储器（SRAM）是用触发器线路记忆和2828存储器的组织用1024×1位的芯片组成1KBRAM29存储器的组织用1024×1位的芯片组成1KBRAM29存储器的组织用256×4位的芯片组成1KBRAM30存储器的组织用256×4位的芯片组成1KBRAM30计算机原理及系统结构第三十三讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构存储器设计地址译码（芯片选择）字扩展位扩展32存储器设计地址译码（芯片选择）32本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径33本章主要内容多级结构的存储器系统概述33教学计算机的内存储器实例设计基本要求需要ROM来存放监控程序需要RAM供用户和监控程序使用能够让用户进行扩展地址总线：16位，高3位译码产出片选信号数据总线：16位，分为内部DB和外部DB控制总线：时钟信号：与CPU时钟同步，简化设计读写信号：由/MIO，REQ和/WE译码生成内存和IO读写信号34教学计算机的内存储器实例设计基本要求34静态存储器字位扩展教学计算机系统的存储器的容量为10K字，每个字的字长为16位。存储器芯片选用两种：有8192个存储单元、每个存储单元由8位组成的静态存储器芯片58C65ROM有2048个存储单元、每个存储单元由8位组成的静态存储器芯片6116RAM为组成16位的存储器，必须使用两片芯片完成字长扩展（位扩展）；为达到10K的内容容量，还必须用两片芯片完成存储单元的数量扩展（字扩展）；为访问8192个存储单元，需要使用13位地址，应把地址总线的低13位地址送到每个58C65存储器芯片的地址引脚；为访问2048个存储单元，需要使用11位地址，应把地址总线的低11位地址送到每个6116存储器芯片的地址引脚；对地址总线的高位部分进行译码，产生的译码信号送到相应的存储器芯片的片选信号引脚/CS，用于选择让哪一个地址范围内的存储器芯片工作，保证不同存储器芯片在时间上以互斥方式（分时）运行。还要向存储器芯片提供读写控制信号/WE，以区分是读、还是写操作，/WE信号为高电平是读，为低是写。35静态存储器字位扩展教学计算机系统的存储器的容量为10K字，静态存储器字位扩展地址总线低13位高位地址译码给出片选信号/CS0/CS1高八位数据低八位数据/WE

2K*8bit

8K*8bit

8K*8bit

2K*8bit

译码器13113110－1FFF2000－27FF36静态存储器字位扩展地址总线低13位高位地址译码给出片选信号/本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径37本章主要内容多级结构的存储器系统概述37提高储存器系统性能的途径动态存储器系统的快速读写技术快速页式工作技术：连续读写属于同一行的多个列中的数据，其行地址只需在第一次读写时送入（锁存），之后保持不变，则每次读写属于该行的多个列中的数据时，仅锁存列地址即可，从而省掉了锁存行地址时间，也就加快了主存储器的读写速度。EDO（ExtendedDataOut）技术：在数据输出部分增加数据锁存线路，延长输出数据的有效保持时间，即使地址信号改变了，仍能取到正确的读出数据，这可以进一步缩短地址送入时间，也就加快了主存储器的读写速度。38提高储存器系统性能的途径动态存储器系统的快速读写技术38提高储存器系统性能的途径主存储器的并行读写技术并行读写能够使主存储器在一个工作周期或略多一点的时间内读出多个主存字。在静态和动态的存储器都可使用并行读写技术。主要有两种方案：一体多字：加宽每个主存单元的宽度，同时存储多个主存字优点：降低平均读出时间，为原来的几分之一缺点：需要位数足够多的寄存器缓存数据，多次送数据总线多体交叉编址：把主存储器分为几个独立读写、字长为为一个主存字的存储体，通过合理的组织，使几个存储体协同工作。两种读写方式：同时启动读写方式、顺序轮流启动读写方式交叉编址方式：因为程序运行的局部性原理，把连续的主存字分布到不同的存储体中。39提高储存器系统性能的途径主存储器的并行读写技术39一体多字结构地址寄存器

主存储器存储体

WWWW数据总线一体4字结构40一体多字结构地址寄存器W单字多体结构地址寄存器

数据总线

0字1字2字3字单字4体结构41单字多体结构地址寄存器数据总线提高储存器系统性能的途径成组数据传送（Burstmode）目的：提高数据总线的输入输出能力传送一次地址，连续在总线上传送多个数据需要CPU支持（PC机486以上）、主存储器支持（多体结构、EDO技术等）其他可行方案提高存储器芯片本身的读写速度EDRAM：EnhancedDRAMCDRAM：CacheDRAM改进芯片之间的组合与结构关系SDRAM：SynchronousDRAMRDRAM：RambusDRAM使用多端口的存储器芯片42提高储存器系统性能的途径成组数据传送（Burstmode）计算机原理及系统结构第三十一讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构第7章多级结构的存储器系统概述

和主存储器第7章多级结构的存储器系统概述

和主存储器本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径45本章主要内容多级结构的存储器系统概述3存储器系统的概念与目标输入设备输出设备入出接口和总线外存设备主存储器高速缓存控制器运算器P19746存储器系统的概念与目标输入设备输出设备入出接口和总线外存设备存储器系统的概念与目标存储器的作用计算机中用来存放程序和数据的部件，是冯.诺依曼结构计算机的重要组成程序和数据的共同特点：二进制位串存储器的要求能够有两个稳定状态来表示二进制中的“0”和“1”容易识别，两个状态能方便地进行转换几种常用的存储介质：磁介质、触发器、电容、光盘47存储器系统的概念与目标存储器的作用5存储器系统的概念与目标存储器追求的目标尽可能快的存取速度：应能基本满足CPU对数据的要求尽可能大的存储空间：可以满足程序对存储空间的要求尽可能低的单位成本：（价格/位）在用户能够承受范围内怎么实现这个目标？用多级结构存储器把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件系统统一调度管理例如三级结构存储器：cache－主存－虚存48存储器系统的概念与目标存储器追求的目标6多级结构存储器系统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介质，组成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，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。例如：用容量更小但速度最快的SRAM芯片组成CACHE，容量较大速度适中的DRAM芯片组成MAINMEMORY，用容量特大但速度较慢的磁盘设备构成VIRTUALMEMORY。P19749多级结构存储器系统选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、多级结构存储器系统50多级结构存储器系统8程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理表现在三方面时间方面：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问，例如：程序循环空间方面：在空间上这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区，例如：数组存放指令执行顺序方面：在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1)合理地把程序和数据分配在不同存储介质中P19851程序运行的局部性原理程序运行的局部性原理表现在三方面P198多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则同一个信息可以处在不同层次存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中应保持相同的值。包含性原则处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立，即内层存储器中的全部信息是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。P19852多级结构存储器之间应满足的原则一致性原则P19810微电子技术发展趋势CPU与DRAM性能比较53微电子技术发展趋势CPU与DRAM性能比较11现代计算机中的存储层次利用程序的局部性原理以最低廉的价格提供尽可能大的存储空间以最快速的技术实现高速存储访问54现代计算机中的存储层次利用程序的局部性原理12本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径55本章主要内容多级结构的存储器系统概述13主存储器概述计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU等其他部件连通。地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量控制总线CB

指出总线周期的类型和本次读写操作完成的时刻READYWRITEREADCPUMainMemoryABk位（给出地址）DBn位（传送数据）例如：k=32位n=64位P20056主存储器概述计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0/CS1读过程：给出地址给出片选与读命令保存读出内容写过程：给出地址给出片选与数据给出写命令主存储体57主存储器的读写过程主存储体数据寄存器地址寄存器/WE/CS0主存储器概述主要技术指标存取时间通常用读写一个存储单元所需的时间度量，即读写速度存储周期连续两次读写存储单元所需的时间间隔大于读写一次存储单元的存取时间存储容量通常用构成存储器的字节（8位）或者字数（2、4、8个字节）表述多数计算机能在逻辑上同时支持按字节或者字读写存储器58主存储器概述主要技术指标16半导体存储器的分类59半导体存储器的分类17计算机原理及系统结构第三十二讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构静态和动态RAM芯片特性

SRAM DRAM 存储信息 触发器 电容 破坏性读出 非 是 需要刷新 不要 需要 送行列地址 同时送 分两次送 运行速度 快 慢 集成度 低 高 发热量 大 小 存储成本 高 低61静态和动态RAM芯片特性 SRAM DRAM19动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）的单个MOS管来存储一个二进制位（bit）信息的。信息被存储在MOS管T的源极的寄生电容CS中，例如，用CS中存储有电荷表示1，无电荷表示0。++--字线位线高，T导通，低，T截止。VDDCS柵极T源极漏极充电放电通过电容CS有无存储电荷来区分信号1、0P20162动态存储器读写原理动态存储器，是用金属氧化物半导体（MOS）++--VDDCS字线位线T写1：使位线为低电平，高，T导通，低，T截止。低若CS上无电荷，则VDD向CS充电；把1信号写入了电容CS中。若CS上有电荷，则CS的电荷不变，保持原记忆的1信号不变。63++--VDDCS字线位T写1：使位线为低电平，++--VDDCS字线位线T高，T导通，低，T截止。高写0：使位线为高电平，若CS上有电荷，则CS通过T放电；若CS上无电荷，则CS无充放电动作，保持原记忆的0信号不变。把0信号写入了电容CS中。64++--VDDCS字线位T高，T导通，高写0：使++--VDDCS字线位线T接在位线上的读出放大器会感知这种变化，读出为1。高，T导通，高读操作：首先使位线充电至高电平，当字线来高电平后，T导通，低①

若CS上无电荷，则位线上无电位变化，读出为0；②

若CS上有电荷，则会放电，并使位线电位由高变低，65++--VDDCS字线位T接在位线上的读出放大器会感知这种66246725动态存储器读写原理破坏性读出：读操作后，被读单元的内容一定被清为零，必须把刚读出的内容立即写回去，通常称其为预充电延迟，它影响存储器的工作频率，在结束预充电前不能开始下一次读。要定期刷新：在不进行读写操作时，DRAM存储器的各单元处于断路状态，由于漏电的存在，保存在电容CS上的电荷会慢慢地漏掉，为此必须定时予以补充，通常称其为刷新操作。刷新不是按字处理，而是每次刷新一行，即为连接在同一行上所有存储单元的电容补充一次能量。刷新周期一般为2ms，刷新有两种常用方式：集中刷新，停止内存读写操作，逐行将所有各行刷新一遍；分散刷新，每隔一定时间段，刷新一行，各行轮流进行。信号序关系：结论性内容参考P203。68动态存储器读写原理破坏性读出：读操作后，被读单元的内容一定被静态存储器存储原理静态存储器（SRAM）是用触发器线路记忆和读写数据的，通常用6个MOS管组成存储一位二进制信息的存储单元。其中4个MOS管组成两个反相器，输入输出交叉耦合构成一位触发器，记忆一位二进制信息。P20469静态存储器存储原理静态存储器（SRAM）是用触发器线路记忆和7028存储器的组织用1024×1位的芯片组成1KBRAM71存储器的组织用1024×1位的芯片组成1KBRAM29存储器的组织用256×4位的芯片组成1KBRAM72存储器的组织用256×4位的芯片组成1KBRAM30计算机原理及系统结构第三十三讲主讲教师：赵宏伟学时：64计算机原理及系统结构存储器设计地址译码（芯片选择）字扩展位扩展74存储器设计地址译码（芯片选择）32本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存储器概述动态存储器原理静态存储器原理存储器的组织教学计算机的内存储器实例提高储存器系统性能的途径75本章主要内容多级结构的存储器系统概述33教学计算机的内存储器实例设计基本要求需要ROM来存放监控程序需要RAM供用户和监控程序使用能够让用户进行扩展地址总线：16位，高3位译码产出片选信号数据总线：16位，分为内部DB和外部DB控制总线：时钟信号：与CPU时钟同步，简化设计读写信号：由/MIO，REQ和/WE译码生成内存和IO读写信号76教学计算机的内存储器实例设计基本要求34静态存储器字位扩展教学计算机系统的存储器的容量为10K字，每个字的字长为16位。存储器芯片选用两种：有8192个存储单元、每个存储单元由8位组成的静态存储器芯片58C65ROM有2048个存储单元、每个存储单元由8位组成的静态存储器芯片6116RAM为组成16位的存储器，必须使用两片芯片完成字长扩展（位扩展）；为达到10K的内容容量，还必须用两片芯片完成存储单元的数量扩展（字扩展）；为访问8192个存储单元，需要使用13位地址，应把地址总线的低13位地址送到每个58C65存储器芯片的地址引脚；为访问2048个存储单元，需要使用11位地址，应把地址总线的低11位地址送到每个6116存储器芯片的地址引脚；对地址总线的高位部分进行译码，产生的译码信号送到相应的存储器芯片的片选信号引脚/CS，用于选择让哪一个地址范围内的存储器芯片工作，保证不同存储器芯片在时间上以互斥方式（分时）运行。还要向存储器芯片提供读写控制信号/WE，以区分是读、还是写操作，/WE信号为高电平是读，为低是写。77静态存储器字位扩展教学计算机系统的存储器的容量为10K字，静态存储器字位扩展地址总线低13位高位地址译码给出片选信号/CS0/CS1高八位数据低八位数据/WE

2K*8bit

8K*8bit

8K*8bit

2K*8bit

译码器13113110－1FFF2000－27FF78静态存储器字位扩展地址总线低13位高位地址译码给出片选信号/本章主要内容多级结构的存储器系统概述主存储器部件的组成和设计主存