计算机组成原理第四章 主存储器

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1、计算机学院计算机学院计算机学院计算机学院计算机组成与结构计算机组成与结构 本科生课程教学本科生课程教学计算机学院计算机组成与结构计算机组成与结构?本课程主要讲授计算机系统的硬件和软件构成方法，包括 硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设 备和总线系统的构成原理等；并与当代先进的计算机技术 相结合。是计算机科学与技术本科专业核心课程。?本课程着重计算机系统组成与结构方面的教学和研究。本课程着重计算机系统组成与结构方面的教学和研究。?计算机结构定义为系统程序员所能见到的计算机硬件特性； ?计算机组成是指计算机硬件的具体实现。计算机学院第四章第四章 主存储器主存储器?主存储器的概述?主存

2、储器的基本操作?随机存储器RAM?只读存储器ROM?主存储器的组成与控制?多体交叉存储器计算机学院4.1 4.1 主主存储器的概述存储器的概述一、存储器的基本概念一、存储器的基本概念?存储器的基本功能：存、取和记忆数据。?存储器是计算机中用于完成记忆功能的设备和器件。存储 器具有按给定地址进行写入/读出信息，并能长期保存信息 的功能。计算机学院4.1 4.1 主主存储器的概述存储器的概述二、存储器的主要性能二、存储器的主要性能?1、容量：、容量：存储器中能够存放的最大信息量。基本度量单位 为字节(Byte)。例如，10248(1KB)，20488(2KB)， 40968(4KB)；Byte，K

3、B，MB，GB，TB，PB(它们之间 的进率为) ?2、存储周期：存储周期：存储器从接收到读/写命令开始，直到完成读 数/写数操作的时间称为存储周期；一般微机的存储周 期是100200ns或几十ns。 ?3、可靠性：可靠性：用故障平均间隔时间来衡量。 ?4、功耗及设备量：功耗及设备量：越小(少)越好。310MT计算机学院4.1 4.1 主主存储器的概述存储器的概述?若主存按字编址，即每个存储单元存放一个字，字长超过8位，则存储容量用单元数位数来描述。例1 某计算机的字长16位，它的存储容量是64KW，若按字节编址，那么它的存储容量可表示成128KB。例2 机器字长32位，其存储容量为4MB，若

4、按字编址，那么它的存储容量可表示成1MW。计算机学院4.1 4.1 主主存储器的概述存储器的概述三、主存储器的地位三、主存储器的地位?主存储器处于计算机系统的中心地位?当前执行的程序和数据均存放在主存储器中，CPU直接从 主存储器区指令和数据?多处理机利用主存储器存储共享数据?I/O设备利用主存储器实现DMA数据传输计算机学院4.1 4.1 主主存储器的概述存储器的概述四、主存储器的分类四、主存储器的分类ROM (不 可 改 写ROM) ROM(只 读 存 储 器 ) PROM (一 次 可 改 写ROM) EPROM (多 次 可 改 写ROM) 主 存 储 器 E2PROM(多 次 电 可

5、 改 写ROM) flash memory(快 擦 型 存 储 器 ) SRAM (静 态 存 储 器 ) RAM(随 机 存 储 器 ) DRAM(动 态 存 储 器 ) 计算机学院4.2 4.2 主主存储器的基本操作存储器的基本操作?主存储器与CPU的联系结构框图（参见教材P107图4.1）。?主存储器的基本操作如下：?（1 1）读操作）读操作地址AR ，CPU发读命令，则：M（AR）DR，存储器发ready命令。?（2 2）写操作）写操作地址AR ，数据DR， CPU发写命令，则DRM（AR），存储器发ready命令。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM一、静态存储

6、器(SRAM)一、静态存储器(SRAM)?静态半导体存储器(SRAM)：静态半导体存储器(SRAM)：?可随机读写；其存储的数据表示为晶体三极管构成的双稳 态电路的电平；存储数据稳定；不需刷新。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM1.1.1.1.存储单元的读写原理存储单元的读写原理存储单元的读写原理存储单元的读写原理?存储单元是存储器中的最小存储单位。它的基本作用是存 储一位二进制信息。作为存储元的材料或电路，须具备以 下基本功能： ?(1)具有两种稳定状态；(分别表示0和1） ?(2)两种稳定状态经外部信号控制可以相互转换（即：能写 入） ?(3)经控制，能读出其中的信

7、息；（即：能读出） ?(4)无外部原因，其中的信息能长期保存。（即：能保持）计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM2.2.2.2.存储单元存储单元存储单元存储单元的线路结构的线路结构的线路结构的线路结构X 地址译码线 Vcc T3 T4 A B T1 T2 7 T8 位线 1 Y 地址译码线 位线 2 T5 T6图中图中T T1 1、T T2 2为工作管；为工作管；T T3 3、T T4 4为负载管；为负载管；T T5 5、T T6 6、T T7 7、T T8 8为控制管。为控制管。静态MOS存储元T1、T2、T3、T4组成的双稳态触发器保存信息，它能长期保持信息的状态不变

8、，是因为电源通过T3、T4不断供给T1或T2电流的缘故。其特点是当供电电源切断时，原存的信息也消失。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM?图中T1、T2为工作管；T3、T4为负载管；T5、T6、T7、T8为控制管 。 ?两个稳态：T1导通，T2截止为“1”态；T2导通，T1截止为“0”态；?工作原理： 保持状态保持状态 (X、Y译码线为低电平，即T5、T6 、T7、T8 均截止) 保持“1”态： T1导通A低 保持“0”态： T2导通B低 B高 T2截止 A高 T1截止 计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM 写入状态 写入状态(X、Y译码线为低电平，

9、即T5、T6、T7、T8均导通 ) ?写“1”： 位线2为高电平B高T1导通； 位线1加低电平A低T2截止；?写“0”： 位线2为低电平B低T1截止。 位线1加高电平A高T2导通；计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM 读出状态 读出状态(X、Y译码线为低电平，即T5、T6、T7、T8均导通 ) ?读“1”(T2截止、T1导通)：Vcc从T4到T6、T8 使位线2有电流。?读“0”(T1截止、T2导通)：Vcc从T3到T5、T7使位线1有电流；?所以，不同的位线上的电流使放大器读出不同的信息“1”和 “0”。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM3.3.

10、3.3.静态静态静态静态MOSMOSMOSMOS存储器存储器存储器存储器?(1)存储体(1)存储体 ?存储体用来存储信息，它由静态MOS存储元组成，采用二维 矩阵的连接方式，假定X方向有m根选择线，Y方向有n根选 择线，则存储矩阵为mn，在每个X、Y选择线的交叉点有 一个存储元。 ?一个44的存储矩阵的结构如下图所示，其中的存储元见 单元电路。 ?图中，存储矩阵44161位，是指16个字的同一位，若 用8个同样的存储矩阵，则可组成16个字、字长为8位的存 储体计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM?(2)地址译码器(

11、2)地址译码器?地址译码器的设计方案有两种：一种是单译码，另一种是 双译码。?单译码结构中，地址译码器只有一个，译码器的输出，选 择对应的一个字。若地址线数n2，译码后输出224个状 态，对应4个地址，每个地址中存一个4位的字。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM?这种结构有一个缺点，就是当n较大时，译码器将变得复杂 而庞大，使存储器的成本迅速上升，性能下降。例如，n 12时，译码器输出为212根选择线，每根选择线还要配一个 驱动器。所以，单译码结构只适用于小容量存储器。?为了减少驱动器数量、降低成本，存储器一般采用双译码 结构。这种结构中有X和Y两个方向的译码器，如图所

12、示。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM?(3)片选和读写控制电路(3)片选和读写控制电路?由于一块集成芯片的容量有限，要组成一个大容量的存储 器，往往需要将多块芯片连接起来使用，这就存在某个地 址要用到某些芯片，而其它芯片暂时不用的问题，这就是 所谓片选。只有片选信号有效时，该芯片才被选中，此片 所连的地址线才有效，才能对它进行读或写操作。片选和 读写控制电路如下图所示。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAMW R 当 CS0 时 若 WE0则W1， 控制写入电路进行写入； 若WE1 则R1，控制读出电路进行读出；当CS1 时 R0、 W0， 读与写

13、均不能进行。片选和读写控制电路 CS WE计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM(4)静态MOS存储器芯片(4)静态MOS存储器芯片?RAM存储器芯片有很多种型号，其地址线的引脚数与存储芯 片的单元数有关，数据线的引脚数与存储芯片的字长有关 。另外，每一芯片必须有一片选信号，对于RAM存储器芯片 还必须有一读写信号，加上电源线、地线组成芯片的所 有引脚。?存储器芯片的地址范围是其地址线从全“0”到全“1”进行编码?将大量的存储单元可以构成一个存储阵列，参见P109图4.4计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM二、动态存储器(DRAM)二、动态存储器(DR

14、AM)?动态半导体存储器(DRAM)：动态半导体存储器(DRAM)：它利用电容器存储电荷的特性 来存储数据，可以提高存储器芯片的存储容量，降低成本 ，减少功耗。但必须不断地刷新每个存储单元中存储的信 息。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM1存储单元的读写原理 1存储单元的读写原理 字线 为了缩小存储器的体积，提高集成度，动态 存储元由四管简化到三管单元，最后简化到单管单元。单管动 T C 态存储元电路如图所示，它由一个管子和一个电容C构 CD 成。 VDD 单管动态存储元 数据线位线 计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM?写入：写入：字选择线为“1

15、”，T管导通，写入信息由位线(数据线) 存入电容C中； ?读出：读出：字选择线为“1”，存储在电容C上的电荷，通过T输出 到数据线上，通过读出放大器即可得到存储信息。 ?为了节省面积，这种单管存储元电路的电容C不可能做得很 大，一般都比数据线上的分布电容CD小。因此，每次读出后 ，存储内容就被破坏。为此，必须采取恢复措施，以便再 生原存的信息。 ?单管电路的元件数量少，集成度高，但因读“1”和“0时， 数据线上的电平差别很小，需要有高鉴别能力的读出放大 器配合工作，外围电路比较复杂。计算机学院4.3 4.3 随机存储器随机存储器RAMRAM2.动态存储器的刷新2.动态存储器的刷新（1）刷新（1）刷新 ?动态存储元是依靠栅极电容上有无电荷来表示信息的，但 电容的绝缘电阻不是无穷大，因而电荷会泄漏掉。通常