第4章存储器2014

计算机组成原理2014年2月16日第4章存储器4.1存储系统概述存储器操作：①输入设备输入程序和数据,存储器写操作;②CPU读取指令,存储器读操作;③CPU执行指令时需读取操作数,存储器读操作;④CPU将处理的结果存入存储器,存储器写操作;⑤输出设备输出结果,存储器读操作;归纳存储器功能：·具有稳定的记忆能力；·能快速完成读/写操作。1、存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。2、存储元：存储器的最小组成单位，用以存储1位二进制代码。3、存储单元：是CPU访问存储器基本单位，由若干个具有相同操作属性的存储元组成。4、单元地址：在存储器中用以标识存储单元的唯一编号，CPU通过该编号访问相应的存储单元。5、字存储单元：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。6、字节存储单元：存放一个字节的存储单元，相应的单元地址叫字节地址7、按字寻址计算机：可编址的最小单位是字存储单元的计算机。8、按字节寻址计算机：可编址的最小单位是字节的计算机。9、存储体：存储单元的集合，是存放二进制信息的地方几个基本概念存储器概述存储器各个概念之间的关系单元地址00…0000…01........XX…XX存储单元存储元存储容量存储体按存储介质分类按存取方式分类按存储器的读写功能分类按信息的可保存性分类按在计算机系统中的作用分类4.1.1存储器的分类1.按存储介质分类◆半导体存储器•存储元件由半导体器件组成，存储器用超大规模集成电路工业制成芯片•优点：体积小，功耗低，存取时间短•缺点：电源消失，所存信息也随即丢失，属于一种易失性存储器•两类：双极型（TTL）半导体存储器、MOS半导体存储器。前者速度高；后者集成度高且制造简单、成本低廉、功耗小。故MOS半导体存储器被广泛应用。1、按存储介质分类◆磁芯存储器•磁芯是使用硬磁材料做成的环状元件，在磁心中穿有驱动线（通电流）和读出线，这样便可以进行读写操作。•磁芯属于磁性材料，故它也是非易失性的永久记忆存储器。•体积庞大、工艺复杂且功耗大，已弃用◆光盘存储器•光盘存储器是应用激光在记录介质（如磁光材料等）上进行读写的存储器，具有非易失性的特点。•光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等优良特点。◆磁表面存储器在金属或塑料基体的表面涂上一层磁性材料作为记录介质。按载磁体形状的不同，分为磁盘、磁带和磁鼓。1)随机存储器RAM（RandomAccessMemory）2)只读存储器ROM（ReadAccessMemory）3)串行访问存储器2.按存取方式分类随机存储器RAM（RandomAccessMemory）•存储器中任何存储单元的内容都能随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。•如主存储器•由于存取原理的不同，又分为静态RAM和动态RAM。静态RAM以触发器原理寄存信息，动态RAM以电容充放电原理寄存信息。只读存储器ROM（ReadAccessMemory）•只能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。•掩模型只读存储器MROM（MaskedROM）：采用掩模工艺，把原始信息记录在芯片中，一旦制成就无法更改。•此外，还有可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）、可擦除可编程只读存储器EPROM（ErasableProgrammableROM）、电可擦除可编程的只读存储器EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableROM）等类别。•快擦型存储器FlashMemory：具有EEPROM的特点，但速度比EEPROM要快得多。按存取方式分类串行访问存储器•对存储单元进行读写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址，则这种存储器叫做串行访问存储器。如磁带。也叫顺序存取存储器。•还有一类部分串行访问的存储器，如磁盘，称作直接存取存储器。按存取方式分类主存储器：和CPU直接交换信息。辅助存储器：主存的后援存储器。•主存速度快、容量小、每位的价格高；辅存速度慢、容量大、每位价格低。缓冲存储器：用于两个速度不同的部件之间，起到缓冲作用。3.按在计算机中的作用分类4、按信息的可保存性分类易失性存储器VolatileMemories断电后信息消失SRAMDRAM非易失性存储器Non-VolatileMemories断电后仍能保存信息磁存储器、激光存储器、NVRAM5、按在计算机系统中的作用分类主存储器辅助存储器高速缓冲存储器Cache控制存储器随机存储器（RAM）掩模式ROM可编程式PROM可擦写式EPROM电擦写式EEPROM主存储器静态RAM(SRAM)动态RAM(DRAM)只读存储器（ROM）快擦型存储器FlashMemory缓冲存储器辅存储器磁盘磁带光盘存储器存储器分类高低小大快慢辅存寄存器缓存主存磁盘光盘磁带光盘磁带速度容量价格位／1.存储器三个主要特性的关系4.1.2存储器的层次结构演示CPUCPU主机缓存CPU主存辅存2.缓存主存层次和主存辅存层次缓存主存辅存主存虚拟存储器0.25ns1ns5ns1ms虚地址逻辑地址实地址物理地址主存储器（速度）（容量）三级存储系统：•缓存•主存•辅存两个层次•主存－缓存层次•主存－辅存层次CPU高速缓存Cache主存辅存辅助硬件辅助硬件和软件三级存储体系结构4.2.1概述1.主存的基本组成存储元矩阵驱动器译码器MAR控制电路读写电路MDR....................地址总线数据总线读写4.2主存储器2.主存和CPU的联系MDRMARCPU主存读数据总线地址总线写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4523014203.主存中存储单元地址的分配224=16M8M4M4.主存储器的技术指标存储容量；存取时间(存储器访问时间）、存储周期和存储器带宽；可靠性；功耗及集成度。指标存储容量存取时间存储周期存储器带宽含义在一个存储器中可以容纳的存储单元总数启动到完成一次存储器操作所经历的时间连续启动两次操作所需间隔的最小时间单位时间里存储器所存取的信息量表现存储空间的大小主存的速度主存的速度数据传输速率技术指标单位字数，字节数ｎｓｎｓ位/秒，字节/秒芯片容量4.2.2半导体存储芯片简介1.半导体存储芯片的基本结构译码驱动存储矩阵读写电路1K×4位16K×1位8K×8位片选线读/写控制线地址线……数据线……地址线（单向）数据线（双向）104141138存储芯片片选线的作用用16K×1位的存储芯片组成64K×8位的存储器32片当地址为65535时，此8片的片选有效8片16K×1位8片16K×1位8片16K×1位8片16K×1位0,015,015,70,7读/写控制电路地址译码器字线015…………16×8矩阵…………07D07D位线读/写选通A3A2A1A0……2.半导体存储芯片的译码驱动方式(1)线选法00000,00,7…0……07……D07D读/写选通A3A2A1A0A40,310,031,031,31Y地址译码器X地址译码器32×32矩阵……A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读/写……(2)重合法演示00000000000,031,00,31……I/OD0,0读计算机组成原理Slide27主存储器特征由半导体MOS存储器组成存储单元：字存储单元，字节存储单元按地址进行访问字地址，字节地址属于随机访问存储器主存空间包含读/写存储空间和只读存储空间4.2.3随机读写存储器随机存取存储器（RandomAccessMemory）静态MOS存储器SRAM动态MOS存储器DRAM半导体存储器如何存储数据SRAM（CPU缓存）DRAM内存条二者为什么存在性能、容量、价格差异?1.静态RAM(SRAM)(1)静态RAM基本电路演示A´触发器非端1T4T～触发器5TT6、行开关7TT8、列开关7TT8、一列共用A触发器原端T1~T4T5T6T7T8A´A写放大器写放大器DIN写选择读选择DOUT读放位线A位线A´列地址选择行地址选择T1～T4六管SRAM存储器(SRAMCell)Vss(0V)T4T3T1T2T7T8T5T6VDD(5V)I/OO/IY地址译码线X地址译码线工作管T1T2存储数据负载管T3T4补充电荷门控管T5T6T7T8开关作用MOS管的特性放大状态截止状态导通状态ibRbicBECUccibRbicBECUccVDD(5V)MOS管等效开关电路ibRbBECUcc截止状态导通状态计算机组成原理Slide34六管SRAM存储器两种状态T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)Y地址译码线I/O截止状态导通装态低电位高电位ABX地址译码线I/OT4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)Y地址译码线I/OABX地址译码线I/OSRAM利用耦合电路MOS管导通截止状态存储数据MOS管截止状态仍然存在泄露电流为避免数据丢失，此处由负载管补充电荷六管SRAM存储器读操作T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)YX地址译码线I/OABDDI/OX地址选通T5、T6管导通A点与位线相连Y地址选通T7、T8管导通A点电位输出到I/O端AT6六管SRAM存储器写操作T4T3Vss(0V)T1T2T5T7T8T6VDD(5V)I/OABDX地址译码线Y地址译码线DI/OSRAM存储原理六个MOS管MOS管导通截止缺陷MOS管过多存储密度低功耗太大单位容量成本高位存储体封装位存储体X地址译码线DDY地址译码线XX为行选择线D为数据输出口位存储体的行选择线选中方能读出或者写入数据X0Y0D位存储体DXX1X2X3Y1存储矩阵D位存储体DXD位存储体DXD位存储体DXD位存储体DXD位存储体DXD位存储体DXD位存储体DX64x64存储矩阵I/O电路存储矩阵64×64＝4096…………X0X1X630,01,063,0…Y00,11,163,1…Y10,631,6363,63…Y634k*4位存储体X0X63X164*64Y0Y63…64*64Y0Y63…64*64Y0Y63…D0D1D2D364*64Y0Y63…4k*4位存储体64*6464*6464*6464*64Y0Y63…X0X63X1地址译码器Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y73:8译码器OEA2A1A000000000001001000000100100000010001100001000A2A1A0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0100000100001010010000101100100000011110000000A2A1A0Y7Y6Y6Y4Y3Y2Y1Y0InputOutputA2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000111111100110111111010110111110111110111110011110111101111110111101111110111111111110译码器逻辑关系OEAAAY0120OEAAAY0121OEAAAY0122OEAAAY0123OEAAAY0124OEAAAY0125OEAAAY0126OEAAAY0127各种译码器1-2译码器2-4译码器3-8译码器4-16译码器3-8译码Y7Y2Y1Y0…OE#OUT[X]补YnYn+1[-X]补00&&&&+11译码器100100OE多路选择器单译码方式Byte2………Byte2n-1Byte1Byte0N路译码电路N位地址输入N位地址，寻址2n个存储单元，2n根译码线双译码方式N位地址，寻址2n个存储单元2*2n/2根译码线1n1112132122232nn1n2n3nnY地址译码X地址译码…X0X1存储单元阵列存储单元阵列存储单元阵列X向驱动器I/O电路n位X向地址DBUS…静态存储器芯片结构控