《内部存储器》课件

第 三 章 内 部 存 储 器 2021年 5月 1日 星 期 六 2 目 录3.1 存 储 器 概 述 （ 理 解 ）3.2 SRAM存 储 器 （ 理 解 ）3.3 DRAM存 储 器 （ 掌 握 ）3.4 只 读 存 储 器 和 闪 速 存 储 器 （ 了 解 ）3.5 并 行 存 储 器 （ 理 解 ）3.6 Cache存 储 器 （ 掌 握 ） 2021年 5月 1日 星 期 六 3 3.1 存 储 器 概 述l3.1.1 存 储 器 分 类 l3.1.2 存 储 器 的 分 级 结 构l3.1.3 存 储 器 的 技 术 指 标 2021年 5月 1日 星 期 六 4 3.1.1 存 储 器 分 类 （ 1/3）l按 存 储 介 质 分半 导 体 存 储 器 ： 用 半 导 体 器 件 (MOS管 )组 成 的 存 储 器 ；磁 表 面 存 储 器 ： 用 磁 性 材 料 (磁 化 作 用 )做 成 的 存 储 器 ；光 盘 存 储 器 ： 用 光 介 质 (光 学 性 质 )构 成 的 存 储 器 ；l按 存 取 方 式 分随 机 存 储 器 ： 存 取 时 间 和 存 储 单 元 的 物 理 位 置 无 关 ；顺 序 存 储 器 ： 存 取 时 间 和 存 储 单 元 的 物 理 位 置 有 关 ；半 顺 序 存 储 器 ： 存 取 时 间 部 分 地 依 赖 于 存 储 单 元 的 物 理 位 置 ；系 统 主 存 、Cache软 盘硬 盘磁 带光 盘 半 导 体存 储 器磁 带 磁 盘 存 储 器 2021年 5月 1日 星 期 六 5 3.1.1 存 储 器 分 类 （ 2/3）l按 存 储 内 容 可 变 性 分只 读 存 储 器 (ROM)u只 能 读 出 而 不 能 写 入 的 半 导 体 存 储 器 ；随 机 读 写 存 储 器 (RAM)：u既 能 读 出 又 能 写 入 的 半 导 体 存 储 器 ；l按 信 息 易 失 性 分易 失 性 存 储 器u断 电 后 信 息 即 消 失 的 存 储 器 ；非 易 失 性 存 储 器 u断 电 后 仍 能 保 存 信 息 的 存 储 器 ； 半 导 体存 储 器半 导 体 存 储 器磁 盘 光 盘 2021年 5月 1日 星 期 六 6 3.1.1 存 储 器 分 类 （ 3/3）l按 在 计 算 机 系 统 中 的 作 用 分主 存 储 器u能 够 被 CPU直 接 访 问 ， 速 度 较 快 ， 用 于 保 存 系 统 当 前 运 行所 需 的 所 有 程 序 和 数 据 ；辅 助 存 储 器u不 能 被 CPU直 接 访 问 ， 速 度 较 慢 ， 用 于 保 存 系 统 中 所 有 的程 序 和 数 据 ；高 速 缓 冲 存 储 器 （ Cache）u能 够 被 CPU直 接 访 问 ， 速 度 快 ， 用 于 保 存 系 统 当 前 运 行 中频 繁 使 用 的 程 序 和 数 据 ；控 制 存 储 器 uCPU内 部 的 存 储 器 。半 导 体 存 储 器磁 盘 、 光 盘 存 储 器半 导 体 存 储 器半 导 体 存 储 器 2021年 5月 1日 星 期 六 7 3.1.2 存 储 器 的 分 级 结 构 动 画 演 示 ：存 储 器 的 分 级结 构 .swfl系 统 对 存 储 器 的 要 求 ： 大 容 量 、 高 速 度 、 低 成 本 2021年 5月 1日 星 期 六 8 CPU 缓 存 主 存 辅 存缓 存 主 存 层 次 主 存 辅 存 层 次3.1.2 存 储 器 的 分 级 结 构 （ 1/2）l三 级 存 储 系 统 结 构 （ 主 板 上 的 存 储 系 统 结 构 ）在 CPU看 来 ， 容 量 相 当 于 辅 存 容 量 ， 速 度 相 当 于 Cache速 度 。缓 存 主 存 层 次 提 高 了存 储 系 统 的 速 度 该 层 次 降 低 了 存 储 系 统 的 成 本 ，扩 大 了 存 储 系 统 的 容 量 2021年 5月 1日 星 期 六 9 3.1.3 主 存 储 器 的 技 术 指 标 存 储 容 量l存 储 容 量 ： 指 存 储 器 能 存 放 二 进 制 代 码 的 总 数 。存 储 容 量 =存 储 单 元 个 数 存 储 字 长u用 a b表 示存 储 容 量 =存 储 单 元 个 数 存 储 字 长 /8 u单 位 为 B（ 字 节 ） l要 求 ：已 知 存 储 容 量 ， 能 计 算 出 该 存 储 器 的 地 址 线 和 数 据 线 的 根 数 。l例 如某 机 存 储 容 量 为 2K 16， 则 该 系 统 所 需 的 地 址 线 为 根 ，数 据 线 位 数 为 根 。 1116 2021年 5月 1日 星 期 六 10 3.1.3 主 存 储 器 的 技 术 指 标 存 储 速 度l存 取 时 间 (访 问 时 间 ) 从 启 动 一 次 访 问 操 作 到 完 成 该 操 作 为 止 所 经 历 的 时 间 ；以 ns为 单 位 ， 存 取 时 间 又 分 读 出 时 间 、 写 入 时 间 两 种 。l存 取 周 期存 储 器 连 续 启 动 两 次 独 立 的 访 问 操 作 所 需 的 最 小 间 隔 时间 。以 ns为 单 位 ， 存 取 周 期 =存 取 时 间 +复 原 时 间 。l存 储 器 带 宽每 秒 从 存 储 器 进 出 信 息 的 最 大 数 量 ；单 位 为 位 /秒 或 者 字 节 /秒 。 2021年 5月 1日 星 期 六 11 求 存 储 器 带 宽 的 例 子l设 某 存 储 系 统 的 存 取 周 期 为 500ns， 每 个 存 取 周 期 可访 问 16位 ， 则 该 存 储 器 的 带 宽 是 多 少 ？存 储 带 宽 = 每 周 期 的 信 息 量 / 周 期 时 长 = 16位 /(500 10-9)秒 = 3.2 107 位 /秒 = 32 10 6 位 /秒 = 32M位 /秒 2021年 5月 1日 星 期 六 12 3.2 SRAM存 储 器l3.2.0 主 存 储 器 的 构 成l3.2.1 基 本 的 静 态 存 储 元 阵 列l3.2.2 基 本 的 SRAM逻 辑 结 构l3.2.3 读 /写 周 期 波 形 图 2021年 5月 1日 星 期 六 13 3.2.0 主 存 储 器 的 基 本 结 构存 储 体 读写电路 MDR 数 据 总 线驱 动 器译 码 器MAR 地 址 总 线 控 制 电 路读 写 2021年 5月 1日 星 期 六 14 主 存 和 CPU的 联 系MDRMARCPU 主 存地 址 总 线数 据 总 线读写 2021年 5月 1日 星 期 六 15 3.2.0 主 存 储 器 的 构 成l静 态 RAM（ SRAM）由 MOS电 路 构 成 的 双 稳 触 发 器 保 存 二 进 制 信 息 ；优 点 ： 访 问 速 度 快 ， 只 要 不 掉 电 可 以 永 久 保 存 信 息 ；缺 点 ： 集 成 度 低 ， 功 耗 大 ， 价 格 高 ；l动 态 RAM（ DRAM）由 MOS电 路 中 的 栅 极 电 容 保 存 二 进 制 信 息 ；优 点 ： 集 成 度 高 ， 功 耗 约 为 SRAM的 1/6， 价 格 低 ；缺 点 ： 访 问 速 度 慢 ， 电 容 的 放 电 作 用 会 使 信 息 丢 失 ， 要 长期 保 存 数 据 必 须 定 期 刷 新 存 储 单 元 ；主 要 用 于 构 成 Cache主 要 用 于 构 成 系 统 主 存 2021年 5月 1日 星 期 六 16 l基 本 存 储 元6个 MOS管 形 成 一 位 存 储 元 ；l64 4位 的 SRAM结 构 图存 储 体 排 列 成 存 储 元 阵 列 ；l芯 片 封 装 后 ， 3种 外 部 信 号 线地 址 线 ： 2n个 单 元 ， 对 应 有 n根 地 址 线 ；u地 址 信 号 经 过 译 码 电 路 ， 产 生 每 个 单 元 的 字 线 选 通 信 号 ；数 据 线 ： 每 个 单 元 m位 ， 对 应 有 m根 数 据 线 ；控 制 线 ： 读 写 控 制 信 号 u =1， 为 读 操 作 ； =0， 为 写 操 作 ； 3.2.1 基 本 的 静 态 存 储 元 阵 列R/WR/W R/W 2021年 5月 1日 星 期 六 17 六管SRAM 存储元电路 位 线 /D位 线 D动 画 演 示 ：SRAM存 储 元 .swf 100 10 0 2021年 5月 1日 星 期 六 18 2021年 5月 1日 星 期 六 19 3.2.2 基 本 SRAM存 储 器 逻 辑 结 构存 储 体 读写电路 MDR 数 据 总 线驱 动 器译 码 器MAR 地 址 总 线 控 制 电 路读 写 2021年 5月 1日 星 期 六 20 RAM的 译 码 驱 动 方 式l方 法 1： 单 译 码被 选 单 元 由 字 线 直 接选 定 ；适 用 容 量 较 小 的 存 储芯 片 。l方 法 2： 双 译 码被 选 单 元 由 X、 Y两 个方 向 的 地 址 决 定 。动 画 演 示 ： 双 地 址 译 码 器 .swf 2021年 5月 1日 星 期 六 21 2021年 5月 1日 星 期 六 22 32K 8位 的 SRAM逻 辑 结 构 图 动 画 演 示 ：3-3.swfX方 向 ：8根 地 址 线输 出 选 中256行 Y方 向 ：7根 地 址 线输 出 选 中128列输 入 输 出 时分 别 打 开 不同 的 缓 冲 器输 入 输 出 时分 别 打 开 不同 的 缓 冲 器读 写 、选 通 控 制 三 维 存 储阵 列 结 构 2021年 5月 1日 星 期 六 23 SRAM存 储 器 的 组 成l存 储 体存 储 单 元 的 集 合 ， 按 位 将 各 存 储 元 组 织 成 一 个 存 储 矩 阵 ；大 容 量 存 储 器 中 ， 通 常 用 双 译 码 方 式 来 选 择 存 储 单 元 。l地 址 译 码 器将 CPU发 出 的 地 址 信 息 转 换 成 存 储 元 选 通 信 号 的 电 路 。l译 码 驱 动 器用 于 增 强 译 码 输 出 选 择 线 的 驱 动 能 力 。lI/O控 制 电 路一 般 包 括 读 写 电 路 和 放 大 电 路 。 2021年 5月 1日 星 期 六 24 lIntel 2114静 态 RAM芯 片 是 1K 4的 存 储 器l外 部 结 构地 址 总 线 10根 （ A0 A9）数 据 总 线 4根 （ D0 D3）片 选 信 号 /CS， 写 允 许 信 号 /WEu0写 ， 1读l内 部 存 储 矩 阵 结 构64 64方 阵 ， 共 有 4096个 六 管 存 储 元 电 路 ；l采 用 双 译 码 方 式A 3 A8（ 6根 ） 用 于 行 译 码 64行 选 择 线 ;A0 A2,A9用 于 列 译 码 16条 列 选 择 线 ;每 条 列 选 择 线 同 时 接 4个 存 储 元 （ 共 16 4=64列 ） 静 态 RAM芯 片 举 例 Intel 2114 Intel2114ABA0 A9DBD 0 D3CSWE 2021年 5月 1日 星 期 六 25 2114 逻辑结构图 2021年 5月 1日 星 期 六 26 3.2.3 读 、 写 周 期 波 形 图l存 储 器 读 /写 的 原 则读 /写 信 号 要 在 地 址 和 片 选 均 起 作 用 ， 并 经 过 一 段 时 间后 有 效 ；读 写 信 号 有 效 期 间 不 允 许 地 址 、 数 据 发 生 变 化 ；地 址 、 数 据 要 维 持 整 个 周 期 内 有 效 ；l读 周 期 时 间 （ tRC） 、 写 周 期 时 间 （ tWC）存 储 器 进 行 两 次 连 续 的 读 /写 操 作 所 必 须 的 间 隔 时 间 ；大 于 实 际 的 读 出 /写 入 时 间 ； 2021年 5月 1日 星 期 六 27 SRAM存 储 器 的 读 周 期l读 周 期 操 作 过 程CPU发 出 有 效 的 地 址 信 号 译 码 电 路 延 迟 产 生 有 效 的 片 选 信 号 在 读 信 号 控 制 下 ， 从 存 储 单 元 中 读 出 数 据 各 控 制 信 号 撤 销 （ 地 址 信 号 稍 晚 ） ， 数 据 维 持 一 段 时 间l读 出 时 间 （ tAQ）从 地 址 有 效 到 外 部 数 据 总 线 上 的 数 据 信 息 稳 定 所 经 历 的 时 间l片 选 有 效 时 间 （ t EQ） 、 读 控 制 有 效 时 间 （ tGQ）片 选 信 号 、 读 控 制 信 号 所 需 要 维 持 的 最 短 时 间 ， 二 者 相 等 ；从 地 址 译 码 后 ， 到 数 据 稳 定 的 时 间 间 隔 ； 存 储 器 的 读 周 期 时 序 2021年 5月 1日 星 期 六 28 2021年 5月 1日 星 期 六 29 SRAM存 储 器 的 写 周 期l写 周 期 操 作 过 程CPU发 出 有 效 的 地 址 信 号 ， 并 提 供 所 要 写 入 的 数 据 译 码 电 路 延 迟 产 生 有 效 的 片 选 信 号 在 写 信 号 控 制 下 ， 将 数 据 写 入 存 储 单 元 中 各 控 制 信 号 撤 销 （ 地 址 信 号 稍 晚 ） ， 数 据 维 持 一 段 时 间l写 入 时 间 （ tWD）地 址 控 制 信 号 稳 定 后 ， 到 数 据 写 入 存 储 器 所 经 历 的 时 间 ；l维 持 时 间 （ t hD）写 控 制 信 号 失 效 后 的 数 据 维 持 时 间 ； 存 储 器 的 写 周 期 时 序 2021年 5月 1日 星 期 六 30 2021年 5月 1日 星 期 六 31 课 本 P70【 例 1】下 图 是 SRAM的 写 入 时 序 图 。 R/W是 读 /写 命 令 控 制 线 ， 当 R/W线为 低 电 平 时 ， 存 储 器 按 给 定 地 址 把 数 据 线 上 的 数 据 写 入 存 储 器 。请 指 出 下 图 写 入 时 序 中 的 错 误 ， 并 画 出 正 确 的 写 入 时 序 图 。R/W#信 号 必 须 在 地 址和 数 据 稳 定 时 有 效 一 个 写 周 期中 地 址 不 允许 改 变一 个 写 操 作中 数 据 不 允许 改 变 2021年 5月 1日 星 期 六 32 3.3 DRAM存 储 器 lDRAM的 存 储 元由 MOS晶 体 管 和 电 容 组 成 的 记 忆 电 路 ；u电 容 上 的 电 量 来 表 现 存 储 的 信 息 ；u充 电 1， 放 电 0。结 构 形 式u四 管 存 储 元u单 管 存 储 元l动 态 RAM（ DRAM）因 为 该 存 储 器 必 须 定 时 刷 新 ， 才 能 维 持 其 中 的 信 息 不 变 ； 2021年 5月 1日 星 期 六 33 3.3.1 DRAM存 储 元 的 记 忆 原 理1. 读 出 时 位 线 有 电 流 为 “ 1”位 线 （ 数 据 线 ）CsT行 线 （ 字 线 ） 01 2. 写 入 时 CS 充 电 为 “ 1” 放 电 为 “ 0”无 电 流有 电 流 动 画 演 示 ： DRAM存 储 元 操 作 .swf 2021年 5月 1日 星 期 六 34 3.3.2 DRAM芯 片 的 逻 辑 结 构l外 部 地 址 引 脚 比 SRAM减 少 一 半 ;存 储 芯 片 集 成 度 高 ， 体 积 小 ；送 地 址 信 息 时 ， 分 行 地 址 和 列 地 址 分 别 传 送 ；l内 部 结 构 ： 比 SRAM复 杂刷 新 电 路u用 于 存 储 元 上 的 信 息 刷 新 ， 以 行 为 单 位 ；u刷 新 计 数 器 的 位 数 与 行 译 码 器 的 输 出 位 数 相 同 ；行 、 列 地 址 锁 存 器 u用 于 保 存 完 整 的 地 址 信 息 ；u使 用 行 选 通 信 号 和 列 选 通 信 号 锁 存 地 址 ；RAS CAS动 画 演 示 ：DRAM逻 辑 结 构 .swf 2021年 5月 1日 星 期 六 35 DRAM控 制 电 路 的 构 成l地 址 多 路 开 关刷 新 时 需 要 提 供 刷 新 地 址 ， 非 刷 新 时 需 提 供 读 写 地 址 ；l刷 新 定 时 器 间 隔 固 定 的 时 间 提 供 一 次 刷 新 请 求 ；l刷 新 地 址 计 数 器刷 新 按 行 进 行 ， 用 于 提 供 对 所 要 刷 新 的 行 进 行 计 数 ；l仲 裁 电 路对 同 时 产 生 的 来 自 CPU的 访 问 存 储 器 的 请 求 和 来 自 刷 新 定时 器 的 刷 新 请 求 的 优 先 权 进 行 裁 定 ；l定 时 发 生 器提 供 行 地 址 选 通 /RAS、 列 地 址 选 通 /CAS和 写 信 号 /WE。 2021年 5月 1日 星 期 六 36 3.3.3 读 /写 周 期lDRAM的 读 写 周 期 与 SRAM相 似 ， 差 别 在 于 ：行 、 列 地 址 分 开 传 送 ；u在 同 一 个 读 写 周 期 内 地 址 会 发 生 变 化 ；列 选 通 信 号 要 滞 后 于 行 选 通 信 号 一 段 时 间 ；lDRAM读 周 期 和 写 周 期 步 骤行 选 通 信 号 有 效 ， 锁 存 行 地 址写 入 数 据 有 效列 选 通 信 号 有 效 ， 锁 存 列 地 址读 写 控 制 信 号 有 效读 出 数 据 有 效 RASCAS 读 /写 周 期 二 选 一动 画 演 示 ： DRAM读 写 周 期 .swf 2021年 5月 1日 星 期 六 37 读 出 放 大 器读 出 放 大 器读 出 放 大 器 0 63 64 127 128 根 行 线CS 01271 128列选择读 /写 线 数 据 输 入 I/O缓 冲 输 出 驱 动 DOUTDINCS 4116 (16K 1位 ) 芯 片 读 过 程 缓 冲 输 出 驱 动 读 出 放 大 器读 出 放 大 器读 出 放 大 器 2021年 5月 1日 星 期 六 38 读 出 放 大 器读 出 放 大 器读 出 放 大 器 0 63 64 127 128 根 行 线CS 01271 128列选择读 /写 线 数 据 输 入 I/O缓 冲 输 出 驱 动 DOUTDINCS 4116 (16K 1位 ) 芯 片 写 过 程 数 据 输 入 I/ 缓 冲缓 冲 读 出 放 大 器读 出 放 大 器 2021年 5月 1日 星 期 六 39 3.3.3 刷 新 周 期l刷 新 的 原 因DRAM的 基 本 存 储 元 电 容 ， 会 随 着 时 间 和 温 度 而 减 少 ；必 须 定 期 地 对 所 有 存 储 元 刷 新 ， 以 保 持 原 来 的 信 息 。l刷 新 （ 再 生 ）在 固 定 时 间 内 对 所 有 存 储 单 元 ， 通 过 “ 读 出 (不 输 出 )写 入 ”的 方 式 恢 复 信 息 的 操 作 过 程 ；l刷 新 方 式以 存 储 矩 阵 的 行 为 单 位 刷 新 ；l刷 新 周 期从 上 一 次 对 整 个 M刷 新 结 束 到 下 一 次 对 整 个 M全 部 刷 新 一 遍为 止 的 时 间 。 刷 新 过 程 中 存 储器 不 能 进 行 正 常的 读 写 访 问 2021年 5月 1日 星 期 六 40 DRAM的 刷 新 方 式l集 中 式 刷 新在 一 个 刷 新 周 期 内 ， 利 用 一 段 固 定 时 间 ， 依 次 对 存 储 矩 阵 的所 有 行 逐 一 刷 新 ， 在 此 期 间 停 止 对 存 储 器 的 读 /写 操 作 ；存 在 死 区 时 间 ， 会 影 响 CPU的 访 存 操 作 ；l分 散 式 刷 新将 每 个 系 统 工 作 周 期 分 为 两 部 分 ， 前 半 部 分 用 于 DRAM读 /写 /保 持 ， 后 半 部 分 用 于 刷 新 存 储 器 的 一 行 ；系 统 存 取 时 间 延 长 一 倍 ， 导 致 系 统 变 慢 ；l异 步 式 刷 新在 一 个 刷 新 周 期 内 ， 分 散 地 刷 新 存 储 器 的 所 有 行 ；既 不 会 产 生 明 显 的 读 写 停 顿 ， 也 不 会 延 长 系 统 的 存 取 周 期 ； 2021年 5月 1日 星 期 六 41 【 例 】 设 某 存 储 器 的 存 储 矩 阵 为 128 128， 存 取 周 期为 0.5s， RAM刷 新 周 期 为 2ms， 若 采 用 集 中式 刷 新 方 式 ， 试 分 析 其 刷 新 过 程 。“ 死 时 间 率 ” 为 128/4000 100% = 3.2%“ 死 区 ” 时 间 为 0.5 s 128 =64 s周 期 序 号 t c0 1 2 3871 3872 0t c t c tc t c 39990 1 127读 /写 或 维 持 刷 新3872个 周 期 （ 1936s）刷 新 时 间 间 隔 （ 2m s ） t c t c 128个 周 期 (64s) 2021年 5月 1日 星 期 六 42 【 例 】 设 某 存 储 器 的 存 储 矩 阵 为 128 128， 存 取 周 期为 0.5s， RAM刷 新 周 期 为 2ms， 若 采 用 分 散式 刷 新 方 式 ， 试 分 析 其 刷 新 过 程 。l存 取 周 期 延 长 一 倍 ， 为 1s；前 0.5s用 于 读 写 ， 后 0.5s用 于 刷 新 一 行W/R REF0 W/RtRtM t C REF126 REF127 REFW/R W/R W/R W/R刷 新 间 隔 128 个 读 写 周 期存 取 周 期 tC = tM + tR读 写 刷 新 无 “ 死 区 ” 时 间刷 新 周 期 为 1s 128行 128s1行 的 刷新 时 间 存 储 体的 行 数 远 小 于 2ms，没 有 必 要 2021年 5月 1日 星 期 六 43 【 例 】 设 某 存 储 器 的 存 储 矩 阵 为 128 128， 存 取 周 期为 0.5s， RAM刷 新 周 期 为 2ms， 若 采 用 异 步式 刷 新 方 式 ， 试 分 析 其 刷 新 过 程 。l若 每 隔 2ms/128=15.6 s 刷 新 一 行l每 隔 15.6s产 生 一 个 刷 新 请 求 信 号 ；每 31.2（ 31） 个 工 作 周 期 中 做 刷 新 一 行 存 储 器 的 操 作 。周 期 序 号 0 1 2 30t M tR 读 /写 30周 期 ， 刷 新 1周 期31个 周 期 （ 15.5s） tM tM 29 0 1 2 30tM tR31个 周 期 （ 15.5s） tM tM 29 读 /写 30周 期 ， 刷 新 1周 期 2021年 5月 1日 星 期 六 44 DRAM SRAM存 储 原 理集 成 度芯 片 引 脚功 耗价 格速 度刷 新 电 容 触 发 器高 低少 多小 大低 高慢 快有 无动 态 RAM 和 静 态 RAM 的 比 较 2021年 5月 1日 星 期 六 45 3.3.4 存 储 器 容 量 的 扩 充l单 个 存 储 芯 片 的 容 量 有 限 ， 实 际 存 储 器 由 多 个 芯 片 扩 展 而 成 ；l存 储 器 （ 存 储 芯 片 ） 与 CPU的 连 接数 据 、 地 址 、 控 制 三 总 线 连 接 ；多 个 存 储 芯 片 CPUu不 是 一 一 对 应 连 接l关 注 存 储 芯 片 与 CPU的 外 部 引 脚l存 储 器 容 量 扩 充 方 式位 扩 展 、 字 扩 展 、 字 位 扩 展 MDRMARCPU 主 存 地 址 总 线数 据 总 线读写SRAM、 DRAM、 ROM均 可 进 行 容 量 扩 展 2021年 5月 1日 星 期 六 46 存 储 芯 片 与 CPU的 引 脚l存 储 芯 片 的 外 部 引 脚数 据 总 线 ： 位 数 与 存 储 单 元 字 长 相 同 ， 用 于 传 送 数 据 信 息 ；地 址 总 线 ： 位 数 与 存 储 单 元 个 数 为 2n关 系 ， 用 于 选 择 存 储 单 元 ；读 写 信 号 /WE： 决 定 当 前 对 芯 片 的 访 问 类 型 ；片 选 信 号 /CS： 决 定 当 前 芯 片 是 否 正 在 被 访 问 ；lCPU与 存 储 器 连 接 的 外 部 引 脚数 据 总 线 ： 位 数 与 机 器 字 长 相 同 ， 用 于 传 送 数 据 信 息 ；地 址 总 线 ： 位 数 与 系 统 中 可 访 问 单 元 个 数 为 2 n的 关 系 ；读 写 信 号 /WE： 决 定 当 前 CPU的 访 问 类 型 ；访 存 允 许 信 号 /MREQ： 决 定 是 否 允 许 CPU访 问 存 储 器 ； 2021年 5月 1日 星 期 六 47 存 储 器 容 量 的 位 扩 展l存 储 单 元 数 不 变 ， 每 个 单 元 的 位 数 （ 字 长 ） 增 加 ；l例 如 ： 由 1K 4的 存 储 芯 片 构 成 1K 8的 存 储 器l存 储 芯 片 与 CPU的 引 脚 连 接 方 法 ：地 址 线 ： 各 芯 片 的 地 址 线 直 接 与 CPU地 址 线 连 接 ；数 据 线 ： 各 芯 片 的 数 据 线 分 别 与 CPU数 据 线 的 不 同 位 连 接 ；片 选 及 读 写 线 ： 各 芯 片 的 片 选 及 读 写 信 号 直 接 与 CPU的 访 存及 读 写 信 号 连 接 ；lCPU对 该 存 储 器 的 访 问 是 对 各 位 扩 展 芯 片 相 同 地 址 单 元 的 同 时访 问 。 1K 4存 储 芯 片A0A9 D0D3 1K 8存 储 器A0A9 D0D7 2021年 5月 1日 星 期 六 48D7D0 CSWEA9A0 1K 4 1K 410由 1K 4的 存 储 芯 片 构 成 1K 8的 存 储 器 2021年 5月 1日 星 期 六 49 由 8K 1位 的 芯 片 构 成 8K 8位 的 存 储 器 2021年 5月 1日 星 期 六 50 存 储 器 容 量 的 字 扩 展l字 扩 展 ： 每 个 单 元 位 数 不 变 ， 总 的 单 元 个 数 增 加 。l例 如 ： 用 1K 8的 存 储 芯 片 构 成 2K 8的 存 储 器l存 储 芯 片 与 CPU的 引 脚 连 接 方 法 ：地 址 线 ： 各 芯 片 的 地 址 线 与 CPU的 低 位 地 址 线 直 接 连 接 ；数 据 线 ： 各 芯 片 的 数 据 线 直 接 与 CPU数 据 线 连 接 ；读 写 线 ： 各 芯 片 的 读 写 信 号 直 接 与 CPU的 读 写 信 号 连 接 ；片 选 信 号 ： 各 芯 片 的 片 选 信 号 由 CPU的 高 位 地 址 和 访 存 信 号产 生 ；lCPU对 该 存 储 器 的 访 问 是 对 某 一 字 扩 展 芯 片 的 一 个 单 元 访 问 。1K 8存 储 芯 片A0A9 D0D7 2K 8存 储 器A0A10 D0D7 2021年 5月 1日 星 期 六 51 1K 8 1K 8 1D7D0A0A9 108A10l低 位 的 地 址 线 与 各 芯 片 的 地 址 线 并 联 ；l多 余 的 高 位 地 址 线 用 来 产 生 相 应 的 片 选 信 号 。WE由 1K 8的 存 储 芯 片 构 成 2K 8的 存 储 器CS CS 2021年 5月 1日 星 期 六 52 l16K 8的 存 储 芯 片 ： 地 址 线 14根 ， 数 据 线 8根 ， /CS， /WElCPU的 引 脚 ： 地 址 线 16根 ， 数 据 线 8根 ， /MERQ， /WElCPU的 最 高 2位 地 址 和 /MREQ信 号 产 生 4个 芯 片 的 片 选 信 号 ；l4个 存 储 芯 片 构 成 存 储 器 的 地 址 分 配 ：第 1片 00 00 0000 0000 0000 00 11 1111 1111 1111 即 0000H 3FFFH第 2片 01 00 0000 0000 0000 01 11 1111 1111 1111 即 4000H 7FFFH第 3片 10 00 0000 0000 0000 10 11 1111 1111 1111 即 8000H BFFFH第 4片 11 00 0000 0000 0000 11 11 1111 1111 1111 即 C000H FFFFH 用 16K 8的 芯 片 构 成 64K 8的 存 储 器 16K 816K 816K 816K 80000H3FFFH4000H7FFFH8000H0BFFFH 0FFFFH0C000H 2021年 5月 1日 星 期 六 53 译码器/MREQA14A15 /CS16K 8 /WE /CS16K 8 /WE /CS16K 8 /WE /CS16K 8 /WE A0A 13/WED0D7 D0D7 D0D7 D0D7 D0D7 存 储 芯 片 的 字 扩 展 连 接 图作 为 译 码 器的 使 能 信 号作 为 译 码 器 的地 址 输 入 信 号 2021年 5月 1日 星 期 六 54 l字 位 扩 展 ： 每 个 单 元 位 数 和 总 的 单 元 个 数 都 增 加 。l例 如 ： 用 1K 4的 存 储 芯 片 构 成 2K 8的 存 储 器l扩 展 方 法先 进 行 位 扩 展 ， 形 成 满 足 位 要 求 的 存 储 芯 片 组 ；再 使 用 存 储 芯 片 组 进 行 字 扩 展 。l要 求 ： 能 够 计 算 出 字 位 扩 展 所 需 的 存 储 芯 片 的 数 目 。例 如 ： 用 L K的 芯 片 构 成 M N的 存 储 系 统 ； u所 需 芯 片 总 数 为 M/L N/K 片 。存 储 芯 片 的 字 位 扩 展1K 4存 储 芯 片A0A9 D0D3 2K 8存 储 器A0A10 D0D7 2021年 5月 1日 星 期 六 55 1.共 需 要 几 块 芯 片 ， 进 行 如 何 扩 展 ？8片 2M 8的 SRAM芯 片 进 行 字 扩 展 ；2.数 据 线 怎 么 连 ？各 芯 片 的 数 据 线 均 直 接 与 CPU的 8位 数 据 总 线 连 接 ；3.地 址 线 怎 么 连 ？各 芯 片 的 地 址 线 均 直 接 与 CPU的 最 低 21位 地 址 线 连 接 ；4.控 制 线 怎 么 连 ？读 写 信 号 直 接 连 接 ；剩 余 的 高 3位 地 址 线 和 /MREQ和 译 码 产 生 各 芯 片 的 片 选信 号 /CS；【 练 习 】 用 2M 8的 SRAM芯 片 构 成 一 个16M 8的 存 储 器 ， 请 回 答 以 下 问 题 ： 2021年 5月 1日 星 期 六 56 存 储 器 与 CPU的 连 接 补 充 例 子做 题 思 路 ：l审 题 确 定 所 需 扩 展 的 类 型 ， 选 择 合 适 的 存 储 芯 片 ；原 则 ： 尽 量 作 简 单 的 扩 展 （ 位 扩 展 字 扩 展 字 位 扩 展 ）l分 析 存 储 芯 片 和 CPU的 引 脚 特 性 （ 地 址 范 围 、 地 址 线 数 目 、 容量 要 求 等 ） ， 确 定 引 脚 的 连 接 ；尤 其 是 在 进 行 字 扩 展 时 ， 特 别 注 意 片 选 信 号 的 产 生 。u3-8译 码 器 74LS138、 双 2-4译 码 器 74LS139l画 出 逻 辑 连 接 图 ， 作 必 要 的 分 析 说 明 。 2021年 5月 1日 星 期 六 57 74LS138译 码 器l用 于 地 址 译 码 的 3-8译 码 器 ；输 入 3位 地 址 信 号 ， 译 码 产 生 8个 不 同 的 选 通 输 出 ；l外 部 的 结 构 图l引 脚 作 用 ：输 入 信 号 A、 B、 C引 入 所 要 译 码 的 三 位 地 址 信 号输 出 信 号 /Y 0 /Y7 对 应 每 一 个 存 储 单 元 ， 低 电 平 有 效使 能 信 号 G1、 /G2A、 /G2B ：当 且 仅 当 G1 1、 /G2A 0 、 /G2B 0时 ， 译 码 器 正 常 工 作Y5Y6G2BG2AG1ABC Y0Y1Y2Y3Y4Y7使 能控 制 端地 址输 入 端 选通输出端 2021年 5月 1日 星 期 六 58 74LS138译 码 器 逻 辑 功 能 表 2021年 5月 1日 星 期 六 59 74LS138译 码 器 内 部 结 构 图 2021年 5月 1日 星 期 六 60 74LS139译 码 器l用 于 地 址 译 码 的 2-4译 码 器 ；输 入 2位 地 址 信 号 ， 译 码 产 生 4个 不 同 的 选 通 输 出 ；l外 部 的 结 构 图l引 脚 作 用 ：输 入 信 号 A、 B引 入 所 要 译 码 的 两 位 地 址 信 号 ；输 出 信 号 /Y 0 /Y3 对 应 每 一 个 存 储 单 元 ， 低 电 平 有 效 ；使 能 信 号 /G ：当 且 仅 当 /G 0时 ， 译 码 器 正 常 工 作 ；使 能控 制 端 地 址输 入 端 选通输出端2Y12Y2G1G21A1B 1Y01Y11Y21Y32Y02Y32A2B 2021年 5月 1日 星 期 六 61 74LS139译 码 器 的 逻 辑 功 能 表 2021年 5月 1日 星 期 六 62 l存 储 器 地 址 段 分 析 ： A15 A11 A10 A9 A0 0110 0 0 0 0 0000 0000 0110 0 1 1 1 1111 1111 0110 1 0 0 0 0000 0000 0110 1 0 1 1 1111 1111l存 储 芯 片 选 择系 统 程 序 区 ： 1片 2K 8ROM用 户 程 序 区 ： 2片 1K 4RAM， 做 位 扩 展 例 1.设 CPU有 16根 地 址 线 ， 8根 数 据 线 ， 用 /MREQ作 访 存 控 制现 有 下 列 芯 片 ： 1K 4RAM； 4K 8RAM； 8K 8RAM；2K 8ROM； 4K 8ROM； 8K 8ROM及 74LS138等 电 路要 求 ： 构 成 地 址 为 600067FFH的 系 统 程 序 区 、 地 址 为68006BFFH的 用 户 程 序 区 ， 选 择 芯 片 并 画 出 逻 辑 连 接 图 。系 统 程 序 区2K 8位用 户 程 序 区1K 8位再 做 字 扩 展6000H67FFH6800H6BFFH 2021年 5月 1日 星 期 六 63 芯 片 及 引 脚 分 析l2K 8ROM地 址 线 ： A0A10数 据 线 ： D0D7控 制 线 ： /CSl1K 4RAM地 址 线 ： A0A9数 据 线 ： D0D3控 制 线 ： /CS、 /WElCPU地 址 线 ： A 0A15数 据 线 ： D0D7控 制 线 ： /WE、 /MREQ 2K 8ROMA0A10 D0D7/CS/CS1K 4RAMA0A9 D0D3/WEA15 A11 0110 0 A15 A10 0110 10 A15 A12 0110 应 使 用 A 15 A11作 为 地址 译 码 信 号 ， 产 生 各存 储 芯 片 的 /CS 2021年 5月 1日 星 期 六 64 逻 辑 连 接 图 1K 4RAMA 9A0D3D0 /WE/CS 1K 4RAMA9A0D3D0 /WE/CS 2K 8ROMA10A0D7 D0 /CS74LS138 G1/G2A/G2BCBA /Y4/Y5 每 访 问 一 次 ， 被 访 行 的 计 数 器 增 1;当 需 要 替 换 时 ， 将 计 数 值 最 小 的 行 换 出 ， 同 时 将 这 些 行 的 计数 器 都 清 零 。l特 点这 种 算 法 将 计 数 周 期 限 定 在 对 这 些 特 定 行 两 次 替 换 之 间 的 间隔 时 间 内 ， 不 能 严 格 反 映 近 期 访 问 情 况 。 2021年 5月 1日 星 期 六 106 3.6.3 Cache的 替 换 策 略近 期 最 少 使 用 (LRU)算 法l替 换 原 则将 近 期 内 长 久 未 被 访 问 过 的 行 替 换 出 去 。l使 用 方 法每 行 也 设 置 一 个 计 数 器 ;每 访 问 一 次 ， 被 访 行 的 计 数 器 清 零 ， 其 它 各 行 计 数 值 1；当 需 要 替 换 时 ， 将 计 数 值 最 大 的 行 换 出 。l特 点这 种 算 法 保 护 了 刚 调 入 到 Cache中 的 新 数 据 行 ， 使 Cache的使 用 率 较 高 。 2021年 5月 1日 星 期 六 107 3.6.3 Cache的 替 换 策 略随 机 替 换 算 法l替 换 原 则从 特 定 的 行 位 置 中 随 机 地 选 取 一 行 换 出 。l特 点在 硬 件 上 容 易 实 现 ， 且 速 度 也 比 前 两 种 策 略 快 。但 降 低 了 命 中 率 和 Cache工 作 效 率 。 2021年 5月 1日 星 期 六 108 3.6.4 Cache的 写 策 略写 回 式l写 入 策 略只 修 改 Cache的 内 容 ， 而 不 立 即 写 入 主 存 ；只 有 当 此 行 被 换 出 时 才 写 回 主 存 。l优 点减 少 了 访 问 主 存 的 次 数 ；l缺 点存 在 Cache与 主 存 不 一 致 性 的 隐 患 。l实 现 该 方 法 时 ， Cache行 必 须 配 置 一 个 修 改 位 ， 以 反 映 此 行 是否 被 CPU修 改 过 。 2021年 5月 1日 星 期 六 109 3.6.4 Cache的 写 策 略全 写 式l这 种 策 略 又 称 写 透 式l写 入 策 略Cache与 主 存 同 时 发 生 写 修 改 ， 因 而 较 好 地 维 护 了 Cache与 主 存 的 内 容 的 一 致 性 。lCache中 无 需 设 置 修 改 位 以 及 相 应 的 判 断 逻 辑 。 l缺 点 是 降 低 了 Cache的 功 效 。每 次 同 时 写 入 主 存 和 Cache， 使 写 入 速 度 变 低 。 2021年 5月 1日 星 期 六 110 3.6.4 Cache的 写 策 略写 一 次 法 l写 入 策 略基 于 写 回 法 ， 并 结 合 全 写 法 的 写 策 略 ;写 命 中 与 写 未 命 中 的 处 理 方 法 与 写 回 法 基 本 相 同 ，只 是 第 一 次 写 命 中 时 要 同 时 写 入 主 存 。l该 写 入 策 略 适 用 于 包 含 多 个 Cache的 系 统 中 ；第 一 次 Cache写 命 中 时 ， 将 数 据 写 入 主 存 和 一 个Cache中 ；使 系 统 中 的 其 它 Cache可 以 及 时 更 新 或 废 止 该 块 内容 ， 从 而 维 护 系 统 中 该 块 数 据 的 一 致 性 。 2021年 5月 1日 星 期 六 111 3.6.2 主 存 与 Cache的 地 址 映 射 l信 息 从 主 存 Cache中 ， 如 何 定 位 ？Cache的 容 量 小 于 主 存 ， 需 要 采 用 某 种 算 法 确 定 主 存 和Cache中 块 的 对 应 关 系 ；l地 址 映 射主 存 中 数 据 块 调 入 Cache中 时 ， 主 存 数 据 块 与 Cache行 之 间的 映 射 关 系 ；l地 址 变 换CPU访 存 时 ， 将 主 存 地 址 按 映 射 函 数 关 系 变 换 成 Cache地址 的 过 程 ；l地 址 映 射 的 方 式全 相 联 映 射 、 直 接 映 射 、 组 相 联 映 射 ； 2021年 5月 1日 星 期 六 112 l映 射 关 系主 存 中 的 任 意 字 块 可 调 进 Cache的 任 一 行 中 ；l地 址 映 射主 存 中 数 据 块 调 入 Cache时 ， 可 以 调 入 Cache的 任 一 空 行 ；调 入 的 同 时 ， 将 主 存 标 记 和 Cache的 行 号 同 时 写 入 块 表 ；u课 本 上 的 说 法 ： 将 主 存 标 记 保 存 于 调 入 Cache行 的 对 应 标 记 位l地 址 变 换CPU访 存 时 ， 发 出 主 存 地 址 ；将 主 存 标 记 作 为 关 键 字 ， 送 入 块 表 中 检 索 每 一 个 单 元 ；命 中 时 ， 读 出 对 应 单 元 中 的 Cache行 号 ；使 用 Cache行 号 和 主 存 地 址 中 的 块 内 地 址 访 问 Cache；1、 全 相 联 映 射 （ Associative Mapping） 2021年 5月 1日 星 期 六 113 全 相 联 映 射 示 意 图 2021年 5月 1日 星 期 六 114 全 相 联 地 址 变 换 示 意 2021年 5月 1日 星 期 六 115 全 相 联 映 射 的 主 存 地 址 格 式l设 主 存 共 分 成 2m个 块 ， 每 块 单 元 数 为 2b个主 存 地 址 格 式 ：u主 存 块 号 ， 也 称 为 主 存 标 记Cache地 址 格 式 ：l块 表 的 基 本 结 构单 元 数 目 与 Cache的 行 数 一 致 ；每 个 单 元 保 存 ： 主 存 块 号 和 Cache行 号 ；主 存 块 号 块 内 地 址m位 b位Cache行 号 行 内 地 址b位c位块 表 的 大 小 应 为 2 c (m + c)位 2021年 5月 1日 星 期 六 116 全 相 联 映 射 的 组 织 动 画 演 示 ： 全 相 联 映 射 .swf 2021年 5月 1日 星 期 六 117 全 相 联 映 射 Cache的 特 点l优 点灵 活 性 好 (最 理 想 )uCache中 只 要 有 空 行 ， 就 可 以 调 入 所 需 要 的 主 存 数 据 块 ；l缺 点成 本 高u块 表 单 元 字 长 为 m+c位 ， 需 要 较 大 容 量 的 Cache块 表 ；速 度 太 慢u访 问 Cache时 ， 需 将 所 有 标 记 比 较 一 遍 ， 才 能 最 后 判 出 所需 主 存 中 的 字 块 是 否 在 Cache中 ；l一 般 较 少 使 用 。 2021年 5月 1日 星 期 六 118 【 例 1】 设 主 存 容 量 1MB， Cache容 量 16KB， 块 的 大小 为 512B， 采 用 全 相 联 映 射 方 式 。 写 出 Cache的 地 址 格 式 。 写 出 主 存 的 地 址 格 式 。 块 表 的 容 量 多 大 ？ 画 出 地 址 映 射 及 变 换 示 意 图 。 主 存 地 址 为 CDE8FH的 单 元 ， 在 Cache中 的 什么 位 置 ？ 2021年 5月 1日 星 期 六 119 【 例 1】 设 主 存 容 量 1MB， Cache容 量 16KB， 块 的大 小 为 512B， 采 用 全 相 联 映 射 方 式 。 写 出 Cache的 地 址 格 式 Cache地 址 格 式 Cache的 容 量 16KB 块 （ 行 ） 的 大 小 为 512B 行 地 址 为 14 9 5位 写 出 主 存 的 地 址 格 式 主 存 的 地 址 格 式 为 主 存 容 量 1MB 块 的 大 小 为 512B 块 地 址 为 20 9 11位 Cache地 址 为 14位 行 内 地 址 为 9位 Cache共 32行行 地 址 行 内 地 址13 9 主 存 地 址 为 20位 块 内 地 址 为 9位 主 存 共 2048块主 存 标 记 （ 块 号 ） 块 内 地 址19 98 08 0 2021年 5月 1日 星 期 六 120 【 例 1】 设 主 存 容 量 1MB， Cache容 量 16KB， 块 的大 小 为 512B， 采 用 全 相 联 映 射 方 式 。 块 表 的 容 量 多 大 ？ 块 表 的 大 小 应 为 2c (m + c) 位 ， 即 25 16位 ； 画 出 地 址 映 射 及 变 换 示 意 图 。 见 下 页 图 ； 主 存 地 址 为 CDE8FH的 单 元 ， 在 Cache中 的 什 么 位 置 ？ 主 存 地 址 为 CDE8FH的 单 元 可 映 射 到 Cache中 的 任 何 一 个字 块 位 置 ； u CDE8FH= 1100 1101 1110 1000 1111 B 其 块 /行 内 地 址 为 ： 010001111。 2021年 5月 1日 星 期 六 121 第 0块第 1块第 i 块 第 31块 主 存块 标 记 第 0块第 1块第 31块主 存 字 块 标 记 块 内 地 址 Cachem 11位 b 9位 主 存 地 址 块 表 11 比 较 命 中 全 相 联 映 射 方 式 的 地 址 映 射 及 变 换 示 意 图 2021年 5月 1日 星 期 六 122 2、 直 接 映 射 （ Direct Mapping）l映 射 关 系主 存 中 的 每 一 块 数 据 只 能 调 入 Cache的 特 定 行 中 ；直 接 映 射 函 数 为 ： i = j mod 2c l地 址 映 射主 存 中 数 据 块 调 入 Cache时 ， 只 能 调 入 Cache的 特 定 行 ；同 时 ， 将 主 存 标 记 写 入 块 表 中 与 Cache行 地 址 相 同 的 单 元 ；l地 址 变 换CPU访 存 时 ， 发 出 主 存 地 址 ；从 主 存 地 址 中 截 取 出 Cache行 号 ， 访 问 块 表 的 对 应 单 元 ；若 该 单 元 中 数 据 与 主 存 标 记 相 同 ， 则 命 中 ， 否 则 未 命 中 ；命 中 时 ， 使 用 Cache行 号 和 块 内 地 址 （ 即 主 存 地 址 中 除 主 存标 记 位 之 外 的 其 余 位 ） 访 问 Cache； c是 Cache行 地 址 的 位 数主 存 块 号 为 j Cache行 号 为 i 2021年 5月 1日 星 期 六 123 直 接 相 联 映 射 示 意 图 2021年 5月 1日 星 期 六 124 直 接 映 射 地 址 变 换 示 意 2021年 5月 1日 星 期 六 125 直 接 映 射 方 式 下 的 主 存 地 址 格 式l假 定 主 存 共 2m块 ， Cache共 2c行 ， 每 块 /行 单 元 数 为 2b个主 存 地 址 为 m+b位 ； Cache地 址 为 c+b位 ；l直 接 映 射 中 主 存 块 与 Cache行 的 关 系 ：Cache地 址 格 式 为 ：主 存 的 地 址 格 式 为 ：l块 表 的 基 本 结 构单 元 数 目 与 Ca