第8讲 主存储器的并行读写技术

（2）多体交叉访问存储器
多体交叉访问存储器是由几个容量相等、字 长为一个主存字长的存储模块（也称为存储 体）组成的。各模块有自己的地址寄存器、 译码器和数据寄存器，所以各模块可以独立 地进行读写操作。 合理地对这多个存储体进行组织，涉及两个 问题
如何对这些存储体执行读写 如何分配这些存储体各自工作的地址范围
⑦控制信号线的连接 除了片内地址线、片选信号线、 除了片内地址线、片选信号线、读/写控 制线和数据线等连接之外， 制线和数据线等连接之外，还要考虑附加控 制存储器等的连线，以便实现CPU对存储器 制存储器等的连线，以便实现CPU对存储器 的正确控制。 的正确控制。
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六、主存储器的并行读写技术
由于CPU和主存储器在速度上不匹配，而且在一个 和主存储器在速度上不匹配， 由于 和主存储器在速度上不匹配 CPU周期中可能需要用几个存储器字，这便限制了高速 周期中可能需要用几个存储器字， 周期中可能需要用几个存储器字 计算,为了使 为了使CPU不至因为等待存储器读写操作的完成 计算 为了使 不至因为等待存储器读写操作的完成 而无事可做，可以采取一些加速CPU和存储器之间有效 而无事可做，可以采取一些加速 和存储器之间有效 传输的特殊措施。 传输的特殊措施。
加快CPU和 加快CPU和 CPU 主存之间有 效传输措施
采用更高速的主存或加长存 储器字长 采用交叉存储器 采用cache 采用
（1）单体多字结构
单体：只有一套地址寄存器和一套地址译码器 多字是指每个主存地址单元中的存储字的长 度加宽了。
优点：
一次读出数据宽度增大
缺点：
每次读出的几个主存字必 须首先保存在一个位数足 够长的寄存器中，等待分 几次通过数据总线被取走 冲突可能性增大（采用多 体交叉存储器）
③字向（容量）芯片数目的确定 字向（容量） 如果所选存储器芯片的容量不够， 如果所选存储器芯片的容量不够，应增 加容量， 加容量，则可按容量要求计算出字向所需 的芯片数。 的芯片数。即 总片数=总容量/ 总片数=总容量/每片的容量 若现要求容量为8K×16位 若现要求容量为8K×16位，对2114芯片 2114芯片 来说， 来说，总片数为 （8K×16位）/（1K×4位/片）=8×4=32片 8K×16位 1K× =8×4=32片
若要求总字长为16位 若要求总字长为16位，Intel 2114芯片 2114芯片 的容量为1024字 的容量为1024字×4位/字，则 16/4=4片 16/4=4片 即需要用4片芯片来组成一个“ 即需要用4片芯片来组成一个“单元 存储体” 存储体”。 这时，可将4片芯片的地址线A9~A0、 这时，可将4片芯片的地址线A 片选端CS、 写控制端WE对应地并联起 片选端CS、读/写控制端WE对应地并联起 并将各芯片的数据线（2114每片 每片4 来，并将各芯片的数据线（2114每片4条） 连向相应的数据总线， 连向相应的数据总线，从第一片至第四片 I/O线依次连向 线依次连向D 的I/O线依次连向D0~D3、D4~D7、D8~D11、 D12~D15。
地址寄存器送到主存储器的 地址的低几位（例如对4个 存储体的情形为低2位）， 用于区分读写哪个存储体， 其余高位部分送到每个存储 体，用于区分读写每个存储 体的哪一个存储字。
线选就是用低位地址进行每片内的存储单元 寻址，用高位地址线作为各片的片选信号线。 寻址，用高位地址线作为各片的片选信号线。 地址不连续， 线选法地址不连续 仅适合于由1 线选法地址不连续，仅适合于由1-2片芯片组 成的小容量存储器。 成的小容量存储器。 部分译码法即用片内寻址外的高位地址的一 部分译码法即用片内寻址外的高位地址的一 部分来译码产生片选信号，会出现地址重叠。 部分来译码产生片选信号，会出现地址重叠。 全译码法将片内寻址外的全部高位地址线作 为地址译码器的输入， 为地址译码器的输入，其地址是连续的并且 是唯一的。 是唯一的。
依次读出来的每一个存储字， 依次读出来的每一个存储字，可以直接通过数据 总线依次传送走， 总线依次传送走，而不必设置专门的数据缓冲寄 存器。 存器。
如何分配这些存储体各自工作的地址范围 交叉编址，即把连续地址的几个主存字依次 分配在不同的存储体中，因为程序运行的局 部性特性已经表明，程序运行过程中，在短 时间内读写地址相邻的主存字的概率更大。
如何对这些存储体执行读写
一是在同一个读写周期同时启动所有体的读 或写操作，与一体多字方案类似； 二是使这些存储体顺序地轮流启动各自的读 写周期，能达到的最高读写速度，是在一个 存储体的读写周期内，能启动每一个存储体 的读写操作，即启动相邻两个存储体的最小 时间间隔，要小于或等于一个读写周期除以 存储体的个数。
主存储器的并行 读写技术
半导体存储器的设计步骤
①选择存储器芯片 选择存储器芯片的原则是： 选择存储器芯片的原则是：一般根据存取 速度、存储容量、电源电压、 速度、存储容量、电源电压、成本等因素 综合考虑， 综合考虑，以便选择指标相当的存储器芯 片。 ②位向（字长）芯片数量的确定 位向（字长） 如果所选芯片的位数不够， 如果所选芯片的位数不够，即不能满足系 统的字长要求， 统的字长要求，则可按字长位数计算出所 需要的芯片数。 需要的芯片数。即 芯片数=总字长/ 芯片数=总字长/每片的字长
⑤ CPU的时序和存储器存取速度的配合 CPU的时序和存储器存取速度的配合 通常情况下，CPU在 取指令” 通常情况下，CPU在“取指令”和“读/写 操作” 其时序是固定的。 操作”时，其时序是固定的。常常以它们为基准 来确定对存储器存取速度的要求。 来确定对存储器存取速度的要求。或在存储器存 取速度已经确定的情况下，必须对CPU的周期安 取速度已经确定的情况下，必须对CPU的周期安 排进行调整，例如增设等待周期以实现CPU与存 排进行调整，例如增设等待周期以实现CPU与存 储器之间的时序配合。 储器之间的时序配合。 ⑥有关存储器的地址分配和选片问题 主存储器通常分为RAM和ROM两大部分 主存储器通常分为RAM和ROM两大部分， 两大部分， RAM又要分成系统区和用户区 因此， RAM又要分成系统区和用户区，因此，主存储 又要分成系统区和用户区， 器的地址分配是个十分重要的问题。 器的地址分配是个十分重要的问题。这将涉及有 关地址越界和存储保护等有关技术。 关地址越界和存储保护等有关技术。
④对CPU总线负载能力的考虑 CPU总线负载能力的考虑 目前使用的半导体存储器多数是MOS电 目前使用的半导体存储器多数是MOS电 路，直流负载小，其主要负载为电容负载， 直流负载小，其主要负载为电容负载， 因此，在小型机系统中， 因此，在小型机系统中，存储器可以与 CPU直接相连 而在较大的系统中， CPU直接相连。而在较大的系统中，就应 直接相连。 当考虑CPU是否有足够的驱动能力 是否有足够的驱动能力， 当考虑CPU是否有足够的驱动能力，当需 要时，必须选用驱动能力相当的的缓冲器。 要时，必须选用驱动能力相当的的缓冲器。
CPU要实现对存储单元的访问，首先要选择存 要实现对存储单元的访问， 要实现对存储单元的访问 储芯片，即进行片选； 储芯片，即进行片选；然后再从选中的芯片中 依地址码选择出相应的存储单元， 依地址码选择出相应的存储单元，以进行数据 的存取，这称为字选。片内的字选是由CPU送 的存取，这称为字选。片内的字选是由 送 出的N条低位地址线完成的，地址线直接接到 出的 条低位地址线完成的， 条低位地址线完成的 所有存储芯片的地址输入端（ 由片内存储容 所有存储芯片的地址输入端（N由片内存储容 决定）， ），而片选信号则是通过高位地址得 量2N 决定），而片选信号则是通过高位地址得 到的。实现片选的方法可分为三种：即线选法、 到的。实现片选的方法可分为三种：即线选法、 全译码法和部分译码法。 全译码法和部分译码法。
这时，可将各“单元存储体”内各片的 这时，可将各“单元存储体” 片内地址对应端相并联， 片内地址对应端相并联，并连向对应的地址 总线低位上，把各“单元存储体” 总线低位上，把各“单元存储体”中各芯片 的读/写控制线WE相并联 并接向CPU的读 的读/写控制线WE相并联，并接向CPU的读/ 相并联， 的读/ 写控制端，将各“单元存储体”内各芯片的 写控制端，将各“单元存储体” 片选端CS并联后 片选端CS并联后，再连到相应的译码器输出 并联后， 端，以便实现片选寻址。 以便实现片选寻址。