计算机组成原理第四章汇编

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1、计算机组成原理 任课教师：石磊 郑州大学信息工程学院计算机系 Email: shilei Tel: 13676986863 2019/11/181 第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 系统总线 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统结构 目录 2 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 第4章 存储器及存储系统 计算机组成原理 清华大学出版社 教学目标 教学重点 教学过程 Date3 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 教学目标 l掌握存储器分类及分级结构 l掌

2、握半导体存储器芯片基本工作原理 l掌握提高存储器性能的主要方法 Date4 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 教学重点 l半导体存储器芯片基本工作原理 l存储器与中央处理器的连接方法 l提高存储器性能的主要方法 Date5 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 教学过程 l4.1 存储器概述 l4.2 主存储器 l4.3 半导体存储器芯片 l4.4 主存储器组织 l4.5 存储保护 Date6 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.1 存储器概述（1/3） l存储器的两大功能： 1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read） l三项基本要求： 1、大容量 2、高速度 3

3、、低成本 Date7 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.1 存储器概述 （2/3） l概念 1、基本存储单元：存储一位（bit）二进制代码的 存储元件称为基本存储单元（或存储元） 2、存储单元：主存中最小可编址的单位，是CPU 对主存可访问操作的最小单位。 3、存储体：多个存储单元按一定规则组成一个整体 。 4、存储器分辩率：指存储器能被区分、识别与操作 的精细程度。 Date8 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.1 存储器概述 （3/3） l存储器的特性： 1、存储器是计算机中信息存储的核心。 程序存储功能由存储器来承担。 2、内存是CPU与外界进行数据交换的窗口， CP

4、U所执行的程序和所涉及的数据都由内存 直接提供。CPU可以对内存进行直接都操作 和写操作。 3、外存可以保存大量的程序和数据。 Date9 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.1.1 存储器的分类 1. 按构成存储器的器件和存储介质分类 2. 按存取方式分类 3. 按在计算机中的作用分类 4. 按信息的可保护性分类 5. 按信息读出后存储单元是否稳定分类 6. 按接口形式分类 Date10 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.1.2 存储器的分级结构 l如图4-2所示的存储系统，它有如下特点： 在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直接完成。 存储体系结构能发挥

5、整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。 工作原理：CPU首先访问Cache，如果Cache中没有，则存储系统通过辅助 硬件，到主存储器中去找；如果主存没有CPU要访问的内容，则存储系统通过辅 助硬件或软件，到辅存中去找。然后把找到的数据逐级上调。 CPU CPU 主存 主存 辅存 辅存 辅 助 软 硬 件 Cache 辅助硬件 辅助硬，软件 （a） 两级存储器层次结构 （b） 三级存储器层次结构 图4-2 存储器层次结构 Date11 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2 主存储器 存储器的性能指标是对存储器的主要要求， 也是对存储器进行设计、使用和提高时的主要 依据，存储器性

6、能指标也称为存储器参数。 Date12 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （1/6） 1存储容量： （1）存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳 的二进制信息总量，即可存储多少位二进制信息代 码。 （2）存储容量存储字数字长 （3）要求：大容量。 Date13 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （2/6） 2存储器速度 （1）存储器取数时间（Memory Access Time） 从存储器读出写入一个存储单元信息或从存 储器读出写入一次信息（信息可能是一个字节或 一个字）所需要的平均时间，称为存储器的取数时 间存数时间,记为

7、tA，也称为取数时间，tA对随机 存储器一般是指：从中央处理器的地址寄存 器门输出端发出读数请求时起，到所要求的读出信 息出现在存储器输出端为止，这期间所需要化费的 时间值。 Date14 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （3/6） 2存储器速度 （2）存储器存取周期（Memory Cycle Time） 存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部 时间，称为存取周期。或具体地说，存取周期是启 动两个独立的存储器操作（如两个连续的读操作） 之间所需要的最小时间间隔，用tM表示。 tM = tA+复原时间： 破坏性读出方式：tM2tA。 非破坏性读出：tM =

8、tA+稳定时间 Date15 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （4/6） 3数据传输率 单位时间可写入存储器或从存储器取出的信息 的最大数量，称为数据传输率或称为存储器传输带宽 bM 。 bM =WtM 其中，存储周期的倒数1tM 是单位时间（ 每秒）内能读写存储器的最大次数。W表示存储器一 次读取数据的宽度，即位数，也就是存储器传送数据 的宽度。 Date16 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （5/6） 4可靠性 存储器的可靠行是指在规定时间内存储器无故 障的情况，一般用平均无故障时间MTBF来衡量。 为提高存储器的可靠

9、性，必须对存储器 中存在的特殊问题，采取适当的方法。 （1）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器 （2）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用中 断的技术转储 （3）动态存储：定期刷新 Date17 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.1主存储器技术指标 （6/6） 5价格 又称成本，它是衡量经济性能的重要指 标。设是存储容量为位的整个存储器以元计算 的价格，可定义存储器成本c为： c（CS）元位. 衡量存储器性能还有一些其它性能指标，如体 积、功耗、重量、使用环境等。 Date18 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.2主存储器基本组成 贮存信息的存储体。 信息的寻

10、址机构，即读出和写入信息的地址选择机构。这 包括：地址寄存器（MAR）和地址译码器。 存储器数据寄存器MDR。 写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。 读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和 读出放大器。 存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明 确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、时 钟脉冲线路、读逻辑控制线路，写或重写逻辑控制线路以及 动态存储器的定时刷新线路等，这些线路总称为存储器控制 部件。 Date19 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.2主存储器基本组成 地址码 地址寄存器MAR 地址译码器 存储体 存 储 器 数 据 寄 存

11、 器 MDR 图4-3 主存储器原理框图 读命令 写命令 Date20 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.2.3 主存储器基本操作 存储器的基本操作： l读操作 l写操作 Date21 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3 半导体存储器芯片 一、分类：按使用器件，半导体存储器分双极型半导体存储 器（TTL）和MOS半导体存储器两种 （1）TTL：存储速度高，集成度低，价格高，主要用于小容 量的高速存储器 （2）MOS：主要用于大容量存储器。根据存储信息机构的 原理不同，又分为静态MOS存储器（SRAM)和动态MOS存 储器（DRAM)，前者利用双稳态触发器来保存信息，只要不

12、 断电，信息是不会丢失的，后者利用MOS电容存储电荷来保 存信息，使用时，需不断给电容充电才能使信息保持。 二、半导体存储器的主要优点是存储速度快，存储体积小， 可靠性高；主要缺点是断电时，读写存储器不能保存信息。 Date22 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3.1 静态MOS存储器 l基本存储元 6管静态MOS存储元 8管静态MOS存储元 6管双向选择MOS存储元 lRAM结构与地址译码 字结构或单译码方式 位结构或双译码方式 字段结构 Date23 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3.1 静态MOS存储器 （1/13） l基本存储元6管静态MOS存储元 A、电路图

13、：图4-4 由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。 BA T2 T5T4 T0T1 T3 BS0 V BS1 读/写“0” 读/写“1” 位/读出线 位/读出线 字线 图4-4 6管MOS存储电路 Date24 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3.1 静态MOS存储器 （2/13） 基本存储元6管静态MOS存储元 B、存储元的工作原理 写操作。在字线上加一个正电压的字脉冲，使T2 、T3 管导通。若要写 “0”，无论该位存储元电路原存何种状态，只需使写“0”的位线BS0 电压 降为地电位（加负电压的位脉冲），经导通的2 管，迫使节点的电位 等于地电位，就能使1 管截止而0

14、管导通。写入1，只需使写1的位线 BS1 降为地电位，经导通的T3 管传给节点，迫使T0 管截止而T1 管导 通。 写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程 。 Date25 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3.1 静态MOS存储器 （3/13） 基本存储元6管静态MOS存储元 B、存储元的工作原理 读操作。 只需字线上加高电位的字脉冲，使T2 、T3 管导通，把 节点A、B分别连到位线。若该位存储电路原存“0”，节点是低电位， 经一外加负载而接在位线0 上的外加电源，就会产生一个流入BS0 线的小电流（流向节点经T0 导通管入地）。“0”位线上BS0 就从平时 的高电位下降一个很小的电压，经差动放大器检测出“”信号。 若该位原存“1”，就会在“1”位线BS1 中流入电流，在 BS1 位线上产生电压降，经差动放大器检测出读“1”信号。 读出过程中，位线变成了读出线。读取信息不影响触发 器原来状态，故读出是非破坏性的读出。 若字线不加正脉冲，说明此存储元没有选中，T2 ，T3 管截止，A、B 结点与位读出线隔离，存储元存储并保存原存信息。 Date26 计算机组成原理 第四章存储器及存储系统 4.3