计算机组成原理-第4章 存储器系统

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第 四 章
存 储 器 系 统
4.1 存储器概述 4.2 存储器子系统组成和接口 4.3 I/O子系统组成和接口 4.4 辅助存储器 4.5 相对简单计算机
4.6 实例:一台基于8085的计算机
同济大学 软件学院
4.1
◆ 存储器
存储器概述
计算机的存储部件,用于存放程序和数据。
◆ 计算机发展的重要问题之一,就是如何设计容量 大、速度快、价格低的存储器。 ◆ 本章讨论:存储器的基本结构与读写原理
D
保持
字驱动线W处于低电位时,T5、T6截止,切断了两根 位线与触发器之间的联系。 写入操作 写入“1”:位线D上加低电位,位线D上加高电位,即 B点为高电位,A点为低电位,导致T1导通,T2截止,保 存了信息“1”。 写入“0”:位线D上加高电位,位线D上加低电位,即 B点为低电位,A点为高电位,导致T2导通,T1截止,保 存了信息“0”。
4.2.1.1 ROM芯片 1. 按可编程方式和频度的不同,ROM芯片有几种不同 的类型: (1) 掩膜式ROM(或简单地称为ROM) 在芯片制作时就将数据编程进去了。一 旦安装完毕,数据就不再更改。
双极型固定掩模型ROM
(2) PROM(可编程ROM)
可由用户使用标准的PROM编程器编程。
具有保险丝一样的内部连接,只能编程一次。 存储位元的基本结构有两种:

CPU
MAR
写 地址总线
主 存
2.主存储器的基本组成
地 址 总 线
地址 寄存器 MAR
地 地 址 址 译 … 驱 … 动 码 电 器 路
存储体
读 写 电 路
数据 寄存器 MDR
数 据 总 线
存储控制电路
读信号 写信号
3. 主存的基本操作 MAR:地址寄存器
读操作(取操作) AB 地址 (MAR) CB 读命令 (Read) MEM 存储单 元内容 (M) DB
③ 如何把许多芯片连接起来。 通常存储器芯片在单元数和位数方面都与实际存储器
要求有很大差距,所以需要在字方向和位方向两个方面进
行扩展。
一、组合构造多位 连接芯片相应的地址和控制信号,数据引脚连 到数据总线的不同位。 例:2个8×2的芯片组合成一个8×4的存储器 ◆ 共同的三位地址输入,共同的CE、OE信号。 ◆ 第一个芯片数据引脚连到数据总线的第3位 和第2位, ◆ 第二个芯片数据引脚则连在第1位和第0位。
除上述指标外,影响存储器性能的还有功耗、 可靠性等因素。
4.2 存储器子系统组成和接口
4.2.1 半导体存储器的种类
◆ 主存储器主要由半导体存储器实现 ◆ 半导体存储器(按存储方式分) (1)随机存取存储器 (Random Access Memory,RAM) (2)只读存储器 (Read-Only Memory,ROM) 它们各自有许多不同的类型。
二维组成的存储器芯片(16×1位)
0,0 X0 1,0 2 位 地址 A2 A3 X X1 地 址 译 码 X2 器 X3 1,1 1,2 1,3 0,1 0,2 0,3
2,0
2,1
2,2
2,3
3,0
3,1
3,2
3,3
数据 D
读写控 制电路
Y0
Y1
Y2
Y3
Y 地址译码器 读写信 号 R/W 片选信 号 CS A1 A0
线性组成的存储器芯片(64字×8位)
CE
2. 二维组成(two-dimensional organization)
多维译码带来的节省很重要。 如:4096×1的芯片,其线性组成需要一个12~4096 译码器,大小与输出的数量(4096)成正比。如 果排列成64×64的二维数组,则要两个6~64译 码器,大小正比于2×64。两个译码器一起大约 是那个大译码器大小的3%。 图4.5 8×2的ROM芯片的内部二维组成
图4.6 由两个8×2ROM芯片构成的8×4存储器子系统
用4K×2位的RAM存储芯片构成4K×8位的存储器
A0 A1
12 位地址

A11


4K×2 位 RAM 芯片
…wenku.baidu.com
4K×2 位 RAM 芯片

4K×2 位 RAM 芯片

4K×2 位 RAM 芯片
8 位数据
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS R/W
2 位地址
4.2.3 存储器子系统的组成
构造单个芯片的存储器只需从系统总线上连接地址、
数据和控制信号。大多数存储器系统需要组合多个芯片。 要组成一个主存储器,需要考虑的问题: ① 如何选择芯片 根据存取速度、存储容量、电源电压、功耗及成本等 方面的要求进行芯片的选择。 ② 所需的芯片数量
例:用1K×4位芯片组成32K×8位的存储器,所需芯片为:
2. 不管哪一种ROM,它们的外部配置几乎一样。 把存储体及其外围电路(包括地址译码与驱动 电路、读写放大电路及时序控制电路等))集成在一块 硅片上,称为存储器芯片。
地 址 线
译 码 驱 动
存 储 体
读 写 电 路
数 据 线
片选线 (使能端)
……
读/写控制线
存储器芯片的基本结构
……
ROM芯片:2n ×m位 则它有:n个地址输入An-1~A0 m个数据输出Dm-1~D0 芯片使能输入端(CE) 输出允许端(OE) 除掩膜式ROM,其它所有的ROM都有一个编程 控制输入端(VPP),用来控制向芯片输入数据。
全“1”熔断丝型、全“0”肖特基二极管型
双极熔丝型PROM存储矩阵
(3) EPROM是可擦除PROM 能编程,内容可以擦除,即可以重复编程。 编程类似电容器充电,紫外线照射可重臵其内 容。
叠栅注入MOS管(Stacked-gate Injection MOS,SIMOS)
(4) EEPROM,或E2PROM,电可擦除PROM 和EPROM相似,但用电擦除和重编程,不用 紫外线。可修改个别单元,重编程只要几秒钟。 (5) flash E2PROM Intel公司 80年代后期 一种高密度、非易失性的可读/写存储器 可用电擦除数据块,而不是单个的存储单 元。兼备了EEPROM和RAM的优点。
单管MOS动态存储位元电路 定义:C上有电荷 — “1” C无电荷 — “0” 保持:字线w低,T截止,
W
T
切断了C的通路,C
上电荷状态保持不 变。当然由于漏电 存在,需刷新。
C
D
C0
写入操作
写入“1”,位线D上加高电位,对电容C充电。
写入“0”,位线D上加低电位,电容C通过T放电。 读操作 当T导通以后,若原存信息为“1”,电容C上的电荷 通过T输出到位线上,在位线上检测到电流,表示所存 信息为“1”。 若原存信息为“0,电容C上几乎无电荷,在位线上 检测不到电流,表示所存信息为“0”。
(2) 静态RAM(SRAM) 利用触发器来存储信息 。一旦写入数据, 内容一直保持有效,不需要刷新。
一种六管静态存贮 元件电路,它由两个反 相器彼此交叉反馈构成 一个双稳态触发器。
字驱动线 W Vcc T5 A T1 位线 D T2 位线 D T6 B
T3
T4
定义:T1通导,T2截止, 为“1”状态; T2 通导, T1 截止,为 “ 0 ” 状态。
读操作 若原存信息为“1”,即T1导通,T2截止。这时B点 为高电位,A点为低电位,分别传给两根位线,使得位 线D为低电位,位线D为高电位,表示读出的信息为 “1”。 若原存信息为“0”,即T2导通,T1截止。这时A点 为高电位,B点为低电位,分别传给两根位线,使得位 线D为高电位,位线D为低电位,表示读出的信息为 “0”。
(2) 只读存储器ROM 正常工作时只读,能随机读出,不能随机写入。 ◆ MROM:只读 ◆ PROM:一次写 ◆ 可多次改写ROM:EPROM、E2PROM (3) 顺序存取存储器
◆ 信息以文件形式组织,一个文件包含若干个块,
一个块包含若干字节; ◆ 存储时以数据块为单位存储,数据的存储时间 与数据物理位臵关系极大; ◆ 速度慢,容量大,成本低; ◆ 磁带、电荷耦合器件CCD、VCD
(3) 光存储器:可靠性高,保存时间长。
2. 按存储方式分类 存储方式:访问存储单元的方法。
两个名词术语:
◆ 存储位元:记录(存储)一位二进制信息的存储
介质区域或存储元器件。 ◆ 存储单元:存储一个机器字或一个字节,且具有 唯一地址的存储场所。 (1) 随机访问存储器RAM
存储器的任意单元都可随机访问。 ◆ 访问时间与存储单元的位臵无关
4. 按在计算机系统中的作用分类
(1) 高速缓冲存储器:位于主存和CPU之间
(2) 主存储器 (3) 辅助存储器:不能由CPU的指令直接访问, 必须通过专门的程序或专门的通道把所需 的信息与主存进行成批交换,调入主存后 才能使用。
4.1.2 主存储器的基本操作
1.主存与CPU之间的连接
数据总线
MDR
MDR:数据寄存器
写操作(存操作) AB 地址 (MAR)
MEM CPU
MEM
CPU
MEM
MDR MEM
CB 写命令 MEM (Write) DB 存储单元 MDR M
◆ 从系统的角度看计算机怎样执行这些操作
图4.2 存储器读写数据的操作时序
4.1.3 存储器的主要技术指标
(1) 存储容量:存储器所能存储的二进制信息总量。 (2) 速度: 主存的一项重要技术指标。
4.2.2 内部芯片组成
ROM、RAM芯片内部组成相似。 1. 线性组成(linear organization)
随着单元数量的增加,线性组成中地址译码 器的规模变得相当的大。此时可使用多维译码。 图4.4 8×2的ROM芯片的内部线性组成 ◆ 三位地址被译码,以选择8个单元中的1个, 但CE要有效。如果CE=0,译码器无效,则不选 择任何单元。译码选中单元的三态缓冲器有效, 允许数据传送到输出缓冲器中。如果CE=1且 OE=1,则输出缓冲器有效,数据从芯片中输出; 否则,输出是三态。
◆ 存取时间:又称访问时间,是指从启动一次存储
器操作到完成该操作所经历的时间。 ◆ 存储周期: 指连续启动两次独立的存储体操作所 需的最小时间间隔。它包括存储器的存取时间和 自身恢复时间。
(3) 带宽(存储器数据传输率、频宽):存储器单位时间 所存取的二进制信息的位数。 带宽=存储器总线宽度/存取周期 (4) 价格(每位价格)
4.2.1.2 RAM芯片 1. 按保持数据方式的不同,RAM芯片分为: (1) 动态RAM(DRAM) 利用MOS晶体管极电容(或MOS电容)上充 积的电荷来存储信息的。 通常定义:电容充电至高电平,为1; 电容放电至低电平,为0。 由于有漏电阻存在,电容上的电荷不可 能长久保存,需要周期地对电容进行充电, 以补允泄漏的电荷,这就叫刷新。
(4) 直接存取存储器 信息的组织同顺序存取存储器。对信息 的存储分两步:先随机查找数据区域,找到 后再顺序存储。 例:磁盘
盘片 扇区 扇间空隙
磁道
3. 按存储器信息的可保存性分 (1) 断电后是否丢失数据 ◆ 易失性存储器 特点:断电后,信息就丢失。如SRAM ◆ 非易失性存储器(永久性存储器) 特点:断电后,信息不丢失。如磁盘 (2) 读出后是否保持数据 ◆ 破坏性存储器 特点:读出时,原存信息被破坏,需重写。 如:DRAM ◆ 非破坏性存储器 特点:读出时,原存信息不被破坏。 如:SRAM
2. 动态RAM与静态RAM的比较 集成度、功耗、容量、速度、价格 3. 两种RAM外部配置相同 2n×m的芯片都有: n个地址输入 m个双向数据引脚 (正常操作条件下数据引脚也可输入数据) 芯片使能端(CE或者CE’) 读使能端(RD或RD’) 写使能端(WR或WR’) 或一个组合的信号,如R/W’
4.1.1 存储器的种类
1. 按存储介质分类 存储介质特点:①两种稳定状态;②方便检测; ③容易相互转换。 (1) 半导体存储器:速度快,用作内存。 ◆ 记忆原理:触发器、电容(静态、动态) ◆ 双极型晶体管(ECL、TTL、I2L) ◆ 场效应管型MOS (PMOS、NMOS、CMOS)
(2) 磁表面存储器:容量大,用作外存。
二、组合构造多字 两个8×2芯片组 成一个16×2的存储 子系统。 图4.7(a)使用 高位交叉,各芯片高 位地址相同, 同一芯片所有存 储单元在系统内存中 相邻。
图4.7(b)用的是 低位交叉,各芯片低位 地址相同。 低位交叉能为流水 线存储器访问提供速度 上的优势,对能同时从 多于一个存储器单元中 读取数据的CPU来说, 低位交叉也存在速度上 的优势。
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