第4章 主存储器

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字线=“1”,记忆单元被选中,T5、T6通,可进行读、写操作。
※读操作※
因为T5、T6通=>则A、B
点与位线1、位线2相连。 若记忆单元为“1”=>A =0,B=1。 =>T1通,T2止,则位 线1产生负脉冲。 若记忆单元为“0”=>A =1,B=0 => T1止,T2通,则 位线2产生负脉冲。 这样根据两条位线上哪 一条产生负脉冲判断读出1 还是0。
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16X1位静态存储器结构图(排列成4*4矩阵)
T1~T6:存储单元 (1bit,由一个 记忆单元构成) Y译码信号选择 T7、T8与X译码选 择的T5、T6一同 连通位线1、2
A0~A1:行地址, 经X译码器产生4 个译码信号来选 择4行。
A2~A3:列地址, 经Y译码器产生4 个译码信号来选 择4列
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存储器的读写
当一个存储单元被选中,它的字线使该存储单元 的T5、T6管导通。列线把该存储单元的T7、T8管导 通。 若 WE 0 ,执行写操作,写入数据DIN,经T5、 T6、T7、T8,写入F/F。 若 WE 1 ,执行读操作,F/F的状态经T5、T6、 T7、T8和位线1、位线2,送入读出放大器,得到读 出数据信号Dout.
3.按存储介质分类
(1)磁表面存储器(磁带、硬盘) (2)半导体存储器(主存、Cache、ROM) (3)光存储器(光盘)
4.按信息的可保存性分类
(1)易失性存储器(RAM) (2)非易失性存储器(ROM)
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2.主存储器的主要技术指标
主存储器的主要性能指标:主存容量、存储器存取时间和存储 周期。 (1)存储容量 按字节或按字寻址,容量为多少字节,单位: KB(210), MB(220),GB(230);地址线数决定最大直接寻址空间大小(n 位地址:2n)。 (2)存取时间(存储器访问时间或工作周期)(memory access time )指启动一次存储器操作(读/写)到完成该操作所经历的 时间。 * 读出时间: 指从CPU向MEM发出有效地址和读命令开始,直到 将被选单元的内容读出为止所用的时间。 * 写入时间: 指从CPU向MEM发出有效地址和写命令开始,直到 信息写入被选中单元为止所用的时间。 (3) 存储周期(又称访问周期) CPU连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。 (目前一般存储器可达几纳秒) 9
存储体是存储器的核心,是存储单元 的集合体,而存储单元又是由若干个记忆 单元组成的。 数据 线 地址译码驱动电路包含译码器 和驱动器两部分组成。译码器将地 址总线输入的地址码转换成与之对 应的译码输出线上的有效电平,以 表示选中了某一存储单元,然后由 驱动器提供驱动电流去驱动相应的 读/写电路,完成对被选中存储单 元的读/写操作。
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※写操作※
若要写入“1”,则使位线1输入“0”,位线2输入“1”,它们分别
通过T5、T6管迫使T1通、T2止=>A=0,B=1,使记忆单元内容 变成“1”,完成写“1”操作; 若要写入“0”,则使位线1输入“1”,位线2输入“0”,它们分别 通过T5、T6管迫使T1止、T2通=>A=1,B=0,使记忆单元内容 变成“0”,完成写“0”操作; 在该记忆单元未被选中或读出时,电路处于双稳态, F/F工 作状态由电源VDD不断给T1、T2供电,以保持信息,但是只要电源被 切断,原存信息便会丢失,这就是半导体存储器的易失性。
第4章 主存储器
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存储器概述
存储器:存放计算机程序和数据的部件(主 存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器)
存储器(内存、外存、缓存)的作用
计算机真正工作的场所是主存(内存),所有驱 动程序、操作系统、工作数据、成品/半成品应用程序 必须加载到主存中才能由CPU读取。 高速缓存(Cache)的速度比主存储器快,作为 CPU与内存的缓冲区,主要起到平衡CPU与主存这间的 速度的作用,有效解决了CPU速度与主存速度的不匹配 问题。 辅助存储器(如硬盘、软盘)也称为外存,用来 存放暂时不参加运行的程序和数据,以及永久存储信 息。辅助存储器的容量很大,但存取速度慢,并且不 能为CPU直接访问,必须先将其中信息调入主存后,才 能为CPU所访问。
CPU正在运行的程序和数据存放在主存 暂时不用的程序和数据存放在辅存
辅存只与主存进行数据交换
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4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作
1.按存储器在计算机系统中的作用分类
(1)高速缓冲存储器(Cache) (2)主存储器(内存) (3)辅助存储器(外存)
2.按存取方式分类
(1)只读存储器 MROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM(U盘、固态盘、BIOS) (2)读写存储器 随机存取存储器RAM(Random Access Memory) 主存、cache 顺序存取存储器SAM(sequential Access Memory ) 磁带机 直接存取存储器DAM(Direct Access Memory ) 磁盘机
图4.6单管存储单元线路图
Cs不能做得太大,一般比位线上寄生电容Cd还要小,读出时,T 导通,电荷在Cs与Cd间分配,会使读出电流信息减少。 用单管作为存储器,读出放大器的灵敏度应具有较高的灵敏度, 因为信息保持保存在很小的Cs上,也只能保持2ms,必须定时刷新。
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※写数据※
字线来“1”,T导通,电路被选中。 • 写“1”:若CS上无电荷数据线为低 电平,准备写“1”则VDD要对Cs充电 Cs上存储一定电荷“1”已写入 • 写“0”:若CS存有电荷数据线为高 电平,准备写“0”则Cs通过T放电 使Cs上无电荷“0”写入 • 如果写入的数据与Cs中原存储信息相同,则Cs中原存储有无电 荷的情形不会发生变化。
图4.5静态存储器写时序
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2、DRAM工作原理
1)存储单元和存储器原理
※读数据※
数据线预充电至“1”,字线 来“1”,T导通。 • 原有“1”CS上充有电荷T 管在位线上产生读电流完成 读“1”操作。 • 原存“0”CS无电荷T管在 位线上不产生读电流完成读 “0”操作。 读完成后,CS上的电荷被 泄放完,因此是破坏性读出,必 须采用重写再生措施。
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2)读/写时序
※读时序※
• CPU通过AB把要 读取的存储单元地 址传送到相应的芯 片读取地址引脚 (Adr,如2114的 A0-A9)
C S
• 激活片选信号CS’(CS’=0),并发出读取命令(WE’=1), 经过一段时间,从芯片数据端(I/O)输出有效数据。 • 读出数据经DB送至目的地后,片选CS’和读命令WE’撤消。读 周期结束。
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图4.4静态存储器芯片读数时序
根据地址和片选信号建立时间的先后不同,有 两种读数时间。若片选信号先建立,其输入输出波形 如图4.4(a)所示;若地址先建立,其输入输出波形 如图4.4(b)所示。
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※写时序※
• CPU通过AB确定要写入信 息的位置,并把要写入的数 据传输到DB。 • 激活片选信号CS’ (CS’=0),并发出写取命 令(WE’=0),将已传输过 来的数据写入相应的地址单 元。片选和写命令撤消。写 周期结束。
Cache工作原理——程序访问的局部性
在较短时间内由程序产生的地址往往集中在存储器 逻辑地址空间的很小范围内。(指令分布的连续性 和循环程序及子程序的多次执行)
数据分布不如指令明显,但对数组的访问及工作单 元的选择可使存储地址相对集中。
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2、主存与辅存之间的关系
主存:(半导体) 优点:速度快 缺点:容量受限,单位成本高,断电丢失信息 辅存:(光盘,磁盘) 优点:容量大,信息长久保存,单位成本低. 缺点:存取速度慢
写(存)操作 :将要写入的信息存入CPU所指定 的存储单元中。
(1)地址->AR->AB (2)数据->DR->DB (3)Write (4)Wait for MFC CPU将地址信号送至地址总线 CPU将要写入的数据送到数据总线 CPU发写信号 等待存储器工作完成信号(ready)
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主存储器的基本结构
3.主存储器的基本操作
主存储器用来暂时存储CPU正在使用的指令和数据, 它和CPU的关系最为密切。 主存储器和CPU的连接是由总线支持的,连接形式 原理如图4.1所示。
CPU与主存之间采取异 步工作方式,以 ready 信 号表示一次访存操作的 结束。
问题: 如何完成存储器的读操作 和写操作?
2K字×n位
(3)多处理机系统采用共享存储器来存 取和交换数据。
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1、主存和高速缓存之间的关系
Cache引入
为解决cpu和主存之间的速度差距,提高整机的运算 速度,在cpu和主存之间插入的由高速电子器件组成 的容量不大,但速度很高的存储器作为缓冲区。
Cache特点
存取速度快,容量小,存储控制和管理由硬件实现
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SRAM2114
控制端:
64*64的存储矩阵(存储体),1K*4 CS : 片选 WE :允许写 (1k个存储单元各由四个记忆单元组成) CS =0, WE =0: 允许写 • 1k=210位地址, 需要10根地址线。 A3~A8:行地址译码器,共26=64位 CS =0, WE =1: 允许读 A0~A2及A9:列地址译码器,24=16位 CS =1, WE =x: 未选 • I/O:4bit(数据输入输出)
地址 线
地 址 译 码 驱 动
存储体
I/O 和 读 写 电 路
读/写控制 线
I/O和读/写电路包括读出放大器、写入电路和读/写控制电路,用以完成 被选中存储单元中各位的读出和写入操作。 存储器的读/写操作是在控制器的控制下进行的。半导体存储芯片中的控 制电路,必须在接收到来自控制器的读/写命令或写允许信号后,才能实现正 确的读/写操作。
(3)T5、T6管的作用是什么?
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T1~T6:构成一个记忆单元的主 体,能存储一位二进制信息。
其中:T1~T4-构成基本RS触发 器用来存储一位二进制信息。
T5、T6:构成读写控制门,用 来传送读写信号。
电路中有一条字线,用来选择 这个记忆单元;有两条位线, 用来传送读写信号。
A=1,B=0:T1止,T2通,记忆单元存储“0” A=0,B=1:T1通,T2止,记忆单元存储“1” 字线=“0”,记忆单元未被选中,T5、T6止,F/F与位线断开,原存信息不 会丢失,称保持状态。 字线=“1”,记忆单元被选中,T5、T6通,可进行读、写操作。
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4.2 读/写存储器
双极型
工艺 电路结构 MOS型 工作方式 TTL型 ECL型
速度很快、功耗大、容量小
PMOS NMOS
CMOS 功耗小、容量大 (静态MOS除外)
静态MOS 动态MOS
ECL:发射集耦合逻辑电路的简称
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RAM的分类
静态存储器SRAM(双极型、静态MOS型) 存储 信息 原理 依靠双wenku.baidu.com态电路内部交叉反馈的机制存储 信息。功耗较大,速度快,作Cache。 动态存储器DRAM(动态MOS型) 依靠电容存储电荷的原理存储信息。功耗 较小,容量大,速度较快,作主存。 SRAM: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,因为其不需要进行动态刷新,故称为“静态”(Static) 存储器。
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读(取)操作 :从CPU送来的地址所指定的存 储单元中取出信息,再送给CPU。
(1)地址->AR->AB (2) Read (3)Wait for MFC (4)(AR)->DB->DR CPU将地址信号送至地址总线 CPU发读命令 等待存储器工作完成信号(ready) 读出信息经数据总线送至CPU
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存储系统的层次结构
根据各种存储器的存储
容量、存取速度和价格 比的不同,将它们按照 一定的体系结构组织起 来,使所放的程序和数 据按照一定的层次分布 在各种存储器中。
CPU
CACHE
主存(内存)
辅存(外存)
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主存储器处于全机中心地位
(1)正在运行的程序和数据存放于存储 器中。CPU直接从存储器取指令或存取 数据。 (2)采用DMA技术或输入输出通道技术, 在存储器和输入输出系统之间直接传 输数据。
DRAM:利用MOS电容存储电荷来保存信息,使用时需要给电容充电 才能使信息保持,即要定期刷新(Dynamic)。
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1、SRAM(Static RAM)
1)存储单元和存储器
六管静态基本存储电路(P71图4.2)
(1)为什么说六管静态基本存储电路是利用 双稳态触发器来保存信息? (2)如何写“0”?如何写“1”?
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