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计算机组成原理(第二版) 计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社 清华大学出版社
第4章 存储器及存储系统
教学目标 教学重点 教学过程
2012年12月31日
第1页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
教学目标
了解存储器分类及分级结构 掌握半导体存储器芯片基本工作原理 掌握提高存储器性能的主要方法
2012年12月31日 第6页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.1 存储器概述
（3/3）
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， CPU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。
2012年12月31日
第4页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.1 存储器概述（1/3）
存储器的两大功能： 1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read） 三项基本要求： 1、大容量 2、高速度 3、低成本
2012年12月31日 第5页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
（1）结构： (A) 存储容量Ｍ=Ｗ行×b列； (B) 阵列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线Ｗ； (C) 每一列对应字线中的一位，有两根公用的位线BS0 与BS1 。 (D) 存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。 （2）字结构是2度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储电路：字线和位 线 （3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量M （4）缺点：外围电路多、成本昂贵，结构不合理结构。
图4-4 6管MOS存储电路
2012年12月31日
第21页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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 ①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Ｔ2 管，迫使 节点Ａ的电位等于地电位，就能使Ｔ1 管截止而Ｔ0 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Ｂ，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。
2012年12月31日
第22页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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 ②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Ａ是低电位，经一 外加负载而接在位线ＢＳ0 上的外加电源，就会产生一个流入BS0 线 的小电流（流向节点Ａ经T0 导通管入地）。“0”位线上BS0 就从平 时的高电位Ｖ下降一个很小的电压，经差动放大器检测出“０”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。 ③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。
2012年12月31日
第10页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.1主存储器技术指标 （1/5）
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。
2012年12月31日
第11页
CPU CPU 主存 辅存 辅 助 软 硬 件 Cache 主存 辅存 辅助硬，软件 辅助硬件
（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
2012年12月31日 第9页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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，存储器性能指标也称为存储器参数。
第24页
2012年12月31日
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.3.1 静态MOS存储器 （5/13）
X选择线 V X选择线
位/读出线
BS0 读/写“0” T5 T2 T3 T6
V
位/读出线 BS1 读/写“1” T8 位/读出线 BS0 读/写“0” A T4 T5 B 位/读出线 BS1 读/写“1”
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.1主存储器技术指标 （2/5）
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ＣＰＵ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。 （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：tM＝2tA。 非破坏性读出：tM = tA+稳定时间
2012年12月31日
第15页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.2主存储器基本组成
①贮存信息的存储体。 ②信息的寻址机构，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。 ③存储器数据寄存器MDR。 ④写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。 ⑤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。 ⑥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。
2012年12月31日 第23页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.3.1 静态MOS存储器 （4/13）
基本存储元—8管静态MOS存储元 A、目的：地址的双重译码选择，字线分为X选择线与Y 选择线 B、实现：需要在６管MOS存储元的A、B节点与位线上 再加一对地址选择控制管T7 、T8 ，形成了8管MOS存储 元。 基本存储元—6管双向选择MOS存储元 8管MOS存储元改进：在纵向一列上的6管存储元共用一 对Y选择控制管T6 、T7 ，这样存储体管子增加不多，但 仍是双向地址译码选择，因为对Ｙ选择线选中的一列只是 一对控制管接通，只有X选择线也被选中，该位才被重合 选中。
存储器的基本操作： 读操作 写操作
2012年12月31日
第18页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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。
2012年12月31日
第2页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
教学重点
半导体存储器芯片基本工作原理 存储器与中央处理器的连接方法 提高存储器性能的主要方法
2012年12月31日
第3页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
教学过程
4.1 存储器概述 4.2 主存储器 4.3 半导体存储器芯片 4.4 主存储器组织 4.5 存储保护
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.1.2 存储器的分级结构
如图4-2所示的存储系统，它有如下特点： ①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。 ②存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。 ③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。
2012年12月31日 第14页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.1主存储器技术指标 （5/5）
5．价格 又称成本，它是衡量经济性能的重要指标。 设Ｃ是存储容量为Ｓ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＝（C／S）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。
2012年12月31日
第16页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.2主存储器基本组成
地址码
地址寄存器MAR
读命令 写命令
地址译码器
存储体
存 储 器 数 据 寄 存 器 MDR 图4-3 主存储器原理框图
2012年12月31日
第17页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.3 主存储器基本操作
4.1 存储器概述
（2/3）
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。
2012年12月31日 第19页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.3.1 静态MOS存储器
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 RAM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
2012年12月31日
2012年12月31日
第13页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.1主存储器技术指标 （4/5）
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
T2
T7 T0 T1 T6 Y选择线 I/O 图4-5 8管MOS存储电路 Y选择线 T0 T1
T3
T7
I/O
图4-6 6管双向选择MOS存储电路
2012年12月31日
第25页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.3.1 静态MOS存储器 （6/13）
RAM结构与地址译码—字结构或单译码方式
2012年12月31日 第7页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
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
2012年12月31日
第8页
2012年12月31日 第12页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.2.1主存储器技术指标 （3/5）
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 =W／tM 其中，存储周期的倒数1／tM 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。
第20页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
4.3.1 静态MOS存储器 （1/13）
基本存储元—6管静态MOS存储元
A、电路图：图4-4 由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。
字线 V 位/读出线 BS1 A T2 T0 T1 T4 T5 B T3 读/写“1”
位/读出线 BS0 读/写“0”
清华大学出版社 清华大学出版社
第4章 存储器及存储系统
教学目标 教学重点 教学过程
2012年12月31日
第1页
计算机组成原理(第二版)
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教学目标
了解存储器分类及分级结构 掌握半导体存储器芯片基本工作原理 掌握提高存储器性能的主要方法
2012年12月31日 第6页
计算机组成原理(第二版)
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4.1 存储器概述
（3/3）
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， CPU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。
2012年12月31日
第4页
计算机组成原理(第二版)
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4.1 存储器概述（1/3）
存储器的两大功能： 1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read） 三项基本要求： 1、大容量 2、高速度 3、低成本
2012年12月31日 第5页
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（1）结构： (A) 存储容量Ｍ=Ｗ行×b列； (B) 阵列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线Ｗ； (C) 每一列对应字线中的一位，有两根公用的位线BS0 与BS1 。 (D) 存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。 （2）字结构是2度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储电路：字线和位 线 （3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量M （4）缺点：外围电路多、成本昂贵，结构不合理结构。
图4-4 6管MOS存储电路
2012年12月31日
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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 ①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Ｔ2 管，迫使 节点Ａ的电位等于地电位，就能使Ｔ1 管截止而Ｔ0 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Ｂ，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。
2012年12月31日
第22页
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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 ②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Ａ是低电位，经一 外加负载而接在位线ＢＳ0 上的外加电源，就会产生一个流入BS0 线 的小电流（流向节点Ａ经T0 导通管入地）。“0”位线上BS0 就从平 时的高电位Ｖ下降一个很小的电压，经差动放大器检测出“０”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。 ③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。
2012年12月31日
第10页
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4.2.1主存储器技术指标 （1/5）
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。
2012年12月31日
第11页
CPU CPU 主存 辅存 辅 助 软 硬 件 Cache 主存 辅存 辅助硬，软件 辅助硬件
（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
2012年12月31日 第9页
计算机组成原理(第二版)
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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，存储器性能指标也称为存储器参数。
第24页
2012年12月31日
计算机组成原理(第二版)
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4.3.1 静态MOS存储器 （5/13）
X选择线 V X选择线
位/读出线
BS0 读/写“0” T5 T2 T3 T6
V
位/读出线 BS1 读/写“1” T8 位/读出线 BS0 读/写“0” A T4 T5 B 位/读出线 BS1 读/写“1”
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4.2.1主存储器技术指标 （2/5）
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ＣＰＵ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。 （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：tM＝2tA。 非破坏性读出：tM = tA+稳定时间
2012年12月31日
第15页
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4.2.2主存储器基本组成
①贮存信息的存储体。 ②信息的寻址机构，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。 ③存储器数据寄存器MDR。 ④写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。 ⑤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。 ⑥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。
2012年12月31日 第23页
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4.3.1 静态MOS存储器 （4/13）
基本存储元—8管静态MOS存储元 A、目的：地址的双重译码选择，字线分为X选择线与Y 选择线 B、实现：需要在６管MOS存储元的A、B节点与位线上 再加一对地址选择控制管T7 、T8 ，形成了8管MOS存储 元。 基本存储元—6管双向选择MOS存储元 8管MOS存储元改进：在纵向一列上的6管存储元共用一 对Y选择控制管T6 、T7 ，这样存储体管子增加不多，但 仍是双向地址译码选择，因为对Ｙ选择线选中的一列只是 一对控制管接通，只有X选择线也被选中，该位才被重合 选中。
存储器的基本操作： 读操作 写操作
2012年12月31日
第18页
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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。
2012年12月31日
第2页
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教学重点
半导体存储器芯片基本工作原理 存储器与中央处理器的连接方法 提高存储器性能的主要方法
2012年12月31日
第3页
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教学过程
4.1 存储器概述 4.2 主存储器 4.3 半导体存储器芯片 4.4 主存储器组织 4.5 存储保护
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4.1.2 存储器的分级结构
如图4-2所示的存储系统，它有如下特点： ①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。 ②存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。 ③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。
2012年12月31日 第14页
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4.2.1主存储器技术指标 （5/5）
5．价格 又称成本，它是衡量经济性能的重要指标。 设Ｃ是存储容量为Ｓ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＝（C／S）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。
2012年12月31日
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4.2.2主存储器基本组成
地址码
地址寄存器MAR
读命令 写命令
地址译码器
存储体
存 储 器 数 据 寄 存 器 MDR 图4-3 主存储器原理框图
2012年12月31日
第17页
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4.2.3 主存储器基本操作
4.1 存储器概述
（2/3）
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。
2012年12月31日 第19页
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4.3.1 静态MOS存储器
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 RAM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
2012年12月31日
2012年12月31日
第13页
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4.2.1主存储器技术指标 （4/5）
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
T2
T7 T0 T1 T6 Y选择线 I/O 图4-5 8管MOS存储电路 Y选择线 T0 T1
T3
T7
I/O
图4-6 6管双向选择MOS存储电路
2012年12月31日
第25页
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4.3.1 静态MOS存储器 （6/13）
RAM结构与地址译码—字结构或单译码方式
2012年12月31日 第7页
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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
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第8页
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4.2.1主存储器技术指标 （3/5）
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 =W／tM 其中，存储周期的倒数1／tM 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。
第20页
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4.3.1 静态MOS存储器 （1/13）
基本存储元—6管静态MOS存储元
A、电路图：图4-4 由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。
字线 V 位/读出线 BS1 A T2 T0 T1 T4 T5 B T3 读/写“1”
位/读出线 BS0 读/写“0”