计算机组成原理(白中英)第3章存储系统

1、计算机组成原理任课教师：赵孟德上海电机学院*1第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统第九章 并行组织目录2n教材n白中英，计算机组成原理网络版， 科学出版社，2002n参考书n石磊，计算机组成原理第2版, 清 华大学出版社，2006n钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清 华大学出版社，2006n王爱英,计算机组成与结构第3版, 清华大学出版社，2001n白中英 邝坚，计算机组织与结构 网络版，科学出版社，200333.1 存储器概述3.2 随机读写存储器3.3 只读存储器和闪速存储器 3.4 高速存储器3.5 cache存储器 3.6 虚拟存储器3.7 存储保护 第3章 存储系统3.1 存储器概述v存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存 放程序和数据。v一个二进制代码位是存储器中最小的存储单 位，称为一个存储位或存储元。v由若干个存储元组成一个存储单元，由许多 存储单位组成一个存储器。3.1.1 存储器分类半导体存储器：用半导体器件组成的存储器 磁表面存储器：用磁性材料做

2、成的存储器 按存储介质分 按存储方式分 随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取， 且存取时间和存储单元的物理位置无关 顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存 储单元的物理位置有关 按存储器的读写功能分：ROM，RAM 按信息的可保存性分：非永久记忆，永久记忆 按在计算机系统中的作用分： 主存、辅存、高速缓存、控制存储器计算机组成原理73.1.2 存储器的分级结构l寄存器 微处理器内部的存储单元l高速缓存（Cache） 完全用硬件实现主存储器的速度提高l主存储器 存放当前运行程序和数据，采用半导体存储器构成l辅助存储器 磁记录或光记录方式 磁盘或光盘形式存放可读可写或只读内容 以外设方式连接和访问示意图虚拟存储器计算机组成原理8存储访问的局部性原理l分级结构解决存储器件的容量、速度和价格矛盾l出色效率来源于存储器访问的局部性原理： 处理器访问存储器时，所访问的存储单元在一段时间 内都趋向于一个较小的连续区域中l空间局部：紧邻被访问单元的地方也将被访问l时间局部：刚被访问的单元很快将再次被访问l程序运行过程中，绝大多数情况都能够直接从快速的 存储器中获取指令和读写数据；当需要

3、从慢速的下层 存储器获取指令或数据时，每次都将一个程序段或一 个较大数据块读入上层存储器，后续操作就可以直接 访问快速的上层存储器计算机组成原理93.1.3 主存储器的技术指标l存储容量主存存储容量：以字节B（Byte）为基本单位半导体存储器芯片：以位b （Bit）为基本单位存储容量以2101024规律表达KB，MB，GB和TB厂商常以1031000规律表达KB，MB，GB和TBl存取时间（访问时间）发出读/写命令到数据传输操作完成所经历的时间l存取周期两次存储器访问所允许的最小时间间隔（单位ns）存取周期略大于存取时间l存储器带宽（数据传输速率）单位时间里存储器所存取的信息量（单位 位/秒）计算机组成原理103.2 随机读写存储器lSRAM（静态RAM：Static RAM）以触发器为基本存储单元不需要额外的刷新电路速度快，但集成度低，功耗和价格较高lDRAM（动态RAM：Dynamic RAM）以单个MOS管为基本存储单元要不断进行刷新（Refresh）操作集成度高、价格低、功耗小，但速度较SRAM慢lNVRAM（非易失RAM：Non-Volatile RAM）带有后备电池的SRA

4、M芯片断电后由电池维持供电计算机组成原理113.2.1 SRAM存储器l6个开关管组成一个存储元，存储一位信息lN(=1/4/8/16/32)个存储元组成一个存储单元l存储器芯片的大量存储单元构成存储体l存储器芯片结构： 存储单元数每个存储单元的数据位数2MN芯片的存储容量lM芯片地址线的个数lN数据线的个数举例 存储结构2K8 16K位存储容量 11个地址引脚 8个数据引脚计算机组成原理12SRAM的控制信号l片选（CS*或CE*） 片选有效，才可以对芯片进行读/写操作 无效时，数据引脚呈现高阻状态，并可降低功耗 l读控制（OE*） 芯片被选中有效，数据输出到数据引脚 对应存储器读MEMR*l写控制（WE*） 芯片被选中的前提下，若有效，将数据写入 对应存储器写MEMW*SRAM 2114计算机组成原理13静态MOS存储器l基本存储元6管静态MOS存储元 由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器 。T3、T4管是负载管，T1、T2管是工作管。T5、T6、T7、T8为控制管或开门关。计算机组成原理14六管SRAM存储元电路图计算机组成原理15静态MOS存储器基本存储元6管静态MOS

5、存储元 B、存储元的工作原理写操作。如果要写入“1”，则在I/O线上输入高电位，而在I/O线上输入低电位，并通过开启T5、T6、T7、T8四个晶 体管，把高、低电位分别加在A、B点，从而使T1管截止，使T2 管导通。写“0”的情况完全类似。要同时打开T5、T6、T7、T8这四个管子，必须把X地址译码 线和Y地址移码线同时输入高电位。计算机组成原理16静态MOS存储器 基本存储元6管静态MOS存储元 B、存储元的工作原理读操作。 读操作时，若某个存储元被选中，则该存储元的T5、T6、T7、T8管均导通，于是A、B两点 与位线D、D相连，存储元的信息被送到I/O与I/O线上。 I/O与 I/O线接着一个差动读出放大器，从其电流方向，可以判知所 存信息是“1”还是“0”。计算机组成原理17静态MOS存储器lRAM结构与地址译码字结构或单译码方式（1）结构：(A) 存储容量=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；(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

6、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。计算机组成原理18静态MOS存储器地址写选通b7读出写入读选通A3A2A1A0字线W15W1W0BS1BS0字结构或单译码方式的RAM16 选1 地 址 译 码 器FFFFFFFFFFFFFFFFFF读写电路读写电路读写电路： ：b1读出写入b0读出写入计算机组成原理19静态MOS存储器lRAM结构与地址译码位结构或双译码方式（1） 结构：(A) 容量：N（字）b（位）的RAM，把每个字的同一位组织在一个 存储片上，每片是N1；再把b 片并列连接，组成一个Nb的存储体，就 构成一个位结构的存储器。 (B) 在每一个N1存储片中，字数被当作基本存储电路的个数。 若把Nn 个基本存储电路排列成Nx行与Ny列的存储阵列，把CPU送来的n 位选择地址按行和列两个方向划分成nx 和ny 两组，经行和列方 向译码器 ，分别选择驱动行线与列线。 (C) 采用双译码结构，可以减少选择线的数目。（2）三度存储器：三个功能端（3）优：驱动电路节省，结构合理，适用于大容量存储器。计算

7、机组成原理20静态MOS存储器Y1Y64X64X1A5A4A3A2A1A0位结构双译码方式的RAMX 地 址 译 码64, 164, 641, 64 1, 1I/OY地址译码A6A7A8 A9 A10 A11计算机组成原理21静态MOS存储器lRAM结构与地址译码字段结构（1）结构：(A) 存储容量W（字）B（位），Wb：分段Wp （=W S）Sb(B) 字线分为两维结构：（C）位线有Sb对（D）双地址译码器（2）三度结构（3）优：对字结构存储器的改进与提高，结构合理，适用于大 容量存储器。计算机组成原理22静态MOS存储器Sb对位/读出线An-1An1An1-1A1A0字段结构RAM段译码器，从2 n 2 = S段中取1（共 n 2 位行 译 码 器 共 n1 位列 I / O 电路存储阵列WpSbb位 b位 段1 段2 段Sb 根数据线 读 / 写控制线计算机组成原理23静态MOS存储器l用静态MOS存储片组成RAM 位扩展法：例如：用8的RAM存储芯片，组成8K8位的存储器，按8位 m1的关系来确定位扩展所需要的芯片数。共需8片，每一芯片的数据线 分别接到数据总线的相应位。 字扩

8、展法：字扩展：字向扩展而位数不变，将芯片的地址线、数据线、读写控制 线并联，而由片选信号来区分各片地址。例如：用16k8位的芯片采用字扩展法组成64k8位的存储器：4个芯 片。地址分配：地址总线低位地址A0A13与各芯片的14位地址端相连，而 高两位的地址A14、A15经2：4译码器和4个芯片的片选端CE相连。计算机组成原理24静态MOS存储器l用静态MOS存储片组成RAMl字位同时扩展法： 一个存储器的容量假定为MN位，若使用lk位的芯片（lM,kN）需 要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要（Ml）（Nk）个存 储器芯片。其中，Ml表示把MN的空间分成（Ml）个部分（称为页或区）， 每页（Nk）个芯片。地址分配：（A）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字（B） 用log2（Ml）位表示高位地址：用来经片选译码器产生片 选信号。CPU对存储器进行读/写操作，首先由地址总 线给出地址信号，然后要对存储器发出读操作或 写操作的控制信号，最后在数据总线上进行信息 交流。所以，存储器与CPU之间，要完成: 地址线的连接； 数据线的连接； 控制线的连接。 存储器芯片的容量是有

9、限的,为了满足实际存 储器的容量要求，需要对存储器进行扩展。存储器与CPU连接 8K1位扩展组成的8K8 RAM87654328k1 中央 处理器CPUA0A12D0:D7位扩展法：只加长每个存储单元的字长， 而不增加存储单元的数量演示A15A14CPUA0A13WED0D7 2:4 译码器CE 16K8WECE 16K8WECE 16K8WECE 16K8WE16K8字扩展法组成64K8 RAM11 10 01 00字扩展法：仅增加存储单元的数量，而各 单元的位数不变演示字位同时扩展：2114存储芯片1K4扩展成2K8存储器D4-D7D3-D0A0A1A9WECPUA10 2114CS R/W 2114CS R/W 2114CS R/W 2114CS R/W 字位同时扩展法：既增加存储单元的数量，也 加长各单元的位数存储器系统的存储容量： MN位 使用芯片的存储容量：LK位(LM，KN) 需要存储器芯片个数：(MN)/(LK)例： 利用2K4位的存储芯片，组成16K8位的存储 器，共需要多少块芯片？ 解：（16K8）/（2K4）8216 即：共需16块芯片。(既需要位扩展，又需要字扩展）又例：利用1K4位的存储芯片，组成2K8位的存储 器，共需要芯片数：（2K8）/（1K4）= 22=4字、位同时扩展法:计算机是一个有严格时序控制要求的机器。与CPU连 接时,CPU的控制信号与存储器的读、写周期之间的配 合问题是非常重要的。注意: 读出时间与读周期是两个不同的概念。读出时间：是指从CPU给出有效地址开始，到外部数 据总线上稳定地出现所读出的数据信息所经历的时间 。读周期时间：则是指对存储片进行两次连续读操作 时所必须间隔的时间。显然总有：读周期 读出 时间存储器的读、写周期ACSDOUT地址有效地址失效片选失效

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