第三章存储器.

第三章内部存储器3.1存储器概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，在计算机中具有十分重要的地位。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。•存储器分类（1）按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储器、光盘存储器和其它新型材料存储器。（2）按信息的易失性分：易失性存储器和非易失性存储器。（3）按存取方式分：随机读/写存储器、只读存储器、顺序存取存储器、直接存取存储器、相联存储器，快擦型存储器。（4）按在计算机中的作用分：控制存储器、高速缓冲存储器(Cache)、主存储器、辅助存储器。存储器的层次结构（分级）存储层次：指把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按照一定的体系结构有机地组织起来，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中，以实现计算机系统对存储器大容量、高速度和低成本的要求。Cache—主存层次：采用全硬件实现信息交换。信息通路：CPU—Cache—主存CPU—主存主存—辅存层次：采用软、硬结合的方法实现信息交换。信息通路：CPU—主存—辅存CPUCache主存辅存•存储层次的性能参数（主存—辅存层次）主存(M1)：容量S1，位价格C1，存取时间TA1。辅存(M2)：容量S2，位价格C2，存取时间TA2。（1）存储层次的平均位价格C=（C1S1+C2S2）/（S1+S2）（2）命中率：指所需信息可在M1中找到的概率。H=N1/（N1+N2），失效率F=1-HN1为访问M1的次数，N2为访问M2的次数。（3）存储层次的平均存取时间TA=H*TA1+（1–H）*TA2，TA2=TB+TA1（4）存储层次的访问效率e=TA1/TA例1：CPU执行一段程序时，访问M1（主存）命中2000次，访问M2（辅存）命中50次，已知M1存取周期为50ns，主存M2存取周期为200ns，求主存-辅存层次的命中率、平均访问时间和访问效率。解：（1）主存M1命中率：h=Nm/（Nm+Ns）=2000/（2000+50）=0.97（2）系统的平均访问时间ta=htm+（1-h）tS=0.97×50+(1-0.97)×200=54.5ns（3）访问效率e=tm/ta=50/54.5=91.7%3.2主存储器（SRAM存储器）一般由RAM和ROM组成，其中RAM占主导地位。主存储器通过地址总线、数据总线、控制总线与CPU或其它部件相连。RAM的基本结构数据总线读/写控制线片选线地址总线CPUMDRMAR译码驱动电路存储矩阵读写电路主存主存储器的基本操作（1）读操作将指定单元的地址送地址总线→地址译码→发读命令→将指定单元的内容读出至数据总线。（2）写操作将指定单元的地址送地址总线→地址译码→将所要写的数据送数据总线→发写命令→将数据写入指定单元。高位字节地址为字地址低位字节地址为字地址设地址线24根按字节寻址按字寻址若字长为16位按字寻址若字长为32位字地址字节地址11109876543210840字节地址字地址452301420主存中存储单元地址的分配224=16M8M4M主存的技术指标（1）存储容量：指主存能存放的二进制信息量。S=M*W*BM—模块数，W—每个模块的字(或单元)数，B—字长。（2）存储速度存取时间TA：指启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。存取周期TM：指连续两次启动存储器所需的最小时间间隔。通常TATM。存储器带宽BM：指单位时间内从存储器进出信息的最大数量，单位：位/秒或字节/秒。例2：TM=500ns，B=16位，则：BM=32M位/秒。•RAM的基本存储元基本存储元电路是用来存储1位二进制信息的电路，是组成存储器的基础和核心。对于存储元电路的基本要求是：（1）有两种稳定的状态（0或1），且是可逆的。（2）在外部信号的激励下，两种状态能进行无限次的相互转换，且长期存储可靠。（3）在外部信号的激励下，能读出两种稳定状态。根据信息存储的机理不同可以分为两类：静态读写存储器(SRAM)：存取速度快。动态读写存储器(DRAM)：存储容量大。•RAM的地址译码方式半导体存储芯片的译码方式有两种：（1）线选法（一维地址译码）将容量为S的存储器分成W个字，每个字b位，则RAM阵列结构为：W行*b列。字线的数目W与地址码位数n的关系为：W=2n。优点：结构简单、速度快。缺点：外围电路多、结构不合理、成本高。（2）重合法（二维地址译码）将容量为W字*b位的RAM，分成b个存储片，每片是W字*1位。再将每一片中的W个字排成Wx行和Wy列，同时将n位地址码按X方向和Y方向分为2组nX和nY。由xi，yi电流重合同时选中b个片中对应存储元（一个b位单元）。•SRAM的读/写周期波形图读周期（WE=高电平）3.3主存储器（DRAM存储器）SRAM存储器的存储位元是一个触发器，它具有两个稳定的状态。而DRAM存储器的存储位元是由一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路。•单管（MOS）动态存储元电路规定：电容CS上有电荷表示存“1”。电容CS上无电荷表示存“0”。特点：读操作结束时，Cs的电荷已泄放完毕，故是破坏性读出，必须再生。数据线BTCS字线W读出：W=1，T导通；若CS上有电荷（存1），则数据线B上有电流；若CS上无电荷（存0），则数据线B上无电流。写入：W=1，T导通；写1时，B=1经T管对CS充电；写0时，B=0CS经T放电。•DRAM的刷新为了保持DRAM中存储的信息不丢失，必须每隔一定时间（如2ms）就对存储器中的全部存储电容进行充电，以补充所消失的电荷，维持原存信息不变，这个过程称为刷新。刷新以行为单位，以16K×1动态RAM为例，共128行×128列。每行的字线相通，选中某字线时，所有位均被读出并刷新。通常2ms内所有行都必须刷新一次。刷新周期：指从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止所用的时间（一般为2ms）。常用的刷新方式有三种，一种是集中式，另一种是分散式，第三种是异步式。（1）集中式刷新指在一个刷新周期内，集中利用一段固定时间，依次对存储器逐行进行刷新，在此期间必须停止对存储器的读/写操作。例3：某存储器阵列为128*128，读/写周期为0.5us，刷新周期为2ms，则在2ms内共有4000个读/写周期。其中：用于刷新的读/写周期为128个，所需时间128*0.5=64us用于读/写操作或维持周期为3872个，所需时间1936us。0.5us0123871387239993872个周期（1936us）128个周期（64us）刷新周期（2ms）读/写或维持刷新01周期序号死区优点：主存利用率高，控制简单。缺点：在集中刷新状态中不能使用存储器，因而形成一段死区。（2）分散式刷新指对每一行存储元的刷新分散到每个读/写周期内完成，即把存取周期分成两段，前半段用来读/写或维持，后半段用来刷新。例4：某存储器阵列为128*128，存取周期为1us，则刷新周期=128*1us=128usR/WREFR/WREF01REFR/W127周期序号0.5us0.5us1us刷新周期（128us）优点：控制简单，主存工作没有长的死区。缺点：主存利用率低，工作速度约降低一倍。（3）异步（集中与分散结合）式刷新指按芯片行数决定所需的刷新周期数，并分散安排在2ms的最大刷新周期之中。例5：某存储器阵列为128*128，读/写周期为0.5us，刷新周期为2ms，则每隔2ms/128=15.6us刷新一行（死区缩短为0.5us）。R/WR/WREFR/WR/WREF0.5us0.5us0.5us0.5us15.6us15.6us存储器容量的扩充单个RAM芯片的容量往往较小，要组成一定容量和一定字长的主存储器，必须用多个芯片进行有机地组合。设主存的容量为：W字*b位，芯片的容量为：Ws字*bs位。（1）位扩展W=Ws，b＞bs。例6：用16k*4位的芯片组成16k*8位的存储器。16k*416k*4A13A0D0D7W=Ws=16kb=2bs（共需2片）（2）字扩展W＞Ws，b=bs。例7：用16k*8位的芯片组成64k*8位的存储器。16k*816k*816k*816k*8CS译码CSCSCSA15A14A13A0D0D7W=4Wsb=bs=8（共需4片）（3）字位扩展W＞Ws，b＞bs，共需(W/Ws)*(b/bs)片。例8：用1k*4位的芯片组成4k*8位的存储器。1k*41k*41k*41k*4A11A10A9A0D0D3D4D7CSCSCSCSCSCSCSCS共需芯片(W/Ws)*(b/bs)=8片，分为4个组，每组2片。地址A11A10译码后选中一个组，再由A9～A0选中组内某个单元，进行读/写操作。•存储器模块条存储器通常以插槽用模块条形式供应市场。这种模块条常称为内存条，它们是在一个条状形的小印制电路板上，用一定数量的存储器芯片，组成一个存储容量固定的存储模块。•存储芯片与CPU连接存储芯片与CPU连接时特别要注意以下几点：（1）地址线的连接（2）数据线的连接（3）读/写命令线的连接（4）片选线的连接（5）合理选择存储芯片例9：设CPU有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作访存控制信号（低电平有效）用WR作读/写控制信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片、各种门电路及74LS138译码器。RAM：1K4，4K8，8K8。ROM：2K8，4K8，8K8要求：（1）主存地址空间分配：6000H~67FFH为系统程序区6800H~6BFFH为用户程序区（2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？（3）详细画出存储芯片的片选逻辑图。(1)写出对应的二进制地址码(2)确定芯片的数量及类型0110000000000000A15A14A13A11A10…A7…A4A3…A0…01100111111111110110100000000000…01101011111111112K×8位1K×8位RAM2片1K×4位ROM1片2K×8位解：(3)分配地址线A10~A0接2K×8位ROM的地址线A9~A0接1K×4位RAM的地址线(4)确定片选信号CBA0110000000000000A15A13A11A10…A7…A4A3…A0…01100111111111110110100000000000…01101011111111112K×8位1片ROM1K×4位2片RAM2K×8位ROM1K×4位RAM1K×4位RAM………&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2A……MREQA14A15A13A12A11A10A9A0…D7D4D3D0WR…………CPU与存储器的连接图………3.4只读存储器和闪速存储器•只读存储器（ROM）指信息写入存储器后就固定了，断电后信息仍然存在，访问时只能读出而不能写入新的内容一类存储器。只读存储器由于工作可靠，保密性强，在计算机系统中得到广泛的应用。用途：存放不需要修改的程序和信息。如微程序、固定子程序、字符编码等等。（1）MROM（掩膜只读存储器）优点：可靠性高、集成度高、价格便宜、适宜大批量生产。缺点：只能读出，不能重写，这种器件只能专用。（2）PROM（可编程只读存储器）特点：用户只能在现场进行一次性编程（现场片），一旦编程完毕其内容便是永久性的，再无法进行更改。（3）EPROM（光擦编程只读存储器）特点：一种以读为主的可读可写存储器。通常处于读状态，写入时，先用紫外光照射擦除原来写入的数据，然后再加电重新写入新的数据。（4）EEPROM（电擦编程只读存储器）特点：可在联机的条件下，对存储器内容进行擦除（既可局部擦除，又可全部擦除）后再写入新的信息。•FlashMemory（闪速存储器）是一种高密度非失易失性的读/写存储器。高密度意味着它具有巨大比特数目的存储容量。非易失性意味着存放的数据在没有电源的情况下可以长期保存。总之，它既有RAM的优点，又有ROM的优点，称得上是