计算机组成原理第四章课件

计算机组成原理任课教师：任春玉黑大信息科学与技术学院Email:7/21/20241第一章第一章 概述概述第二章第二章 计算机中的数据表示计算机中的数据表示第三章第三章 运算方法和运算器运算方法和运算器第四章第四章 存储器及存储系统存储器及存储系统第五章第五章 指令系统指令系统 第六章第六章 中央处理器中央处理器 第七章第七章 系统总线系统总线第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 计算机外部设备计算机外部设备 第十章第十章 计算机系统结构计算机系统结构目录2PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 教学目标教学目标l掌握存储器分类及分级结构掌握存储器分类及分级结构l掌握半导体存储器芯片基本工作原理掌握半导体存储器芯片基本工作原理l存储器与中央处理器的连接方法存储器与中央处理器的连接方法l掌握提高存储器性能的主要方法掌握提高存储器性能的主要方法7/21/20243PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 教学过程教学过程l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 半导体存储器芯片半导体存储器芯片l4.4 主存储器组织主存储器组织l4.5 存储保护存储保护7/21/20244PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.1 存储器概述（存储器概述（1/3）l存储器的两大功能：存储器的两大功能：l 1、存储（写入存储（写入Write）l 2、取出（读出取出（读出Read）l三项基本要求：三项基本要求：l 1、大容量、大容量l 2、高速度、高速度 l 3、低成本、低成本7/21/20245PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.1 存储器概述存储器概述 （2/3）l概念概念l1、基本存储单元：存储一位（、基本存储单元：存储一位（bit）二进制）二进制代码的存储元件称为基本存储单元（或存代码的存储元件称为基本存储单元（或存储元）储元）l2、存储单元：主存中最小可编址的单位，、存储单元：主存中最小可编址的单位，是是CPU对主存可访问操作的最小单位。对主存可访问操作的最小单位。l3、存储体：多个存储单元按一定规则组成、存储体：多个存储单元按一定规则组成一个整体。一个整体。l4、存储器分辩率：指存储器能被区分、识、存储器分辩率：指存储器能被区分、识别与操作的精细程度。别与操作的精细程度。7/21/20246PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.1 存储器概述存储器概述 （3/3）l存储器的特性：存储器的特性：l1、存储器是计算机中信息存储的核心。、存储器是计算机中信息存储的核心。l 程序存储功能由存储器来承担。程序存储功能由存储器来承担。l2、内存是、内存是CPU与外界进行数据交换的窗口，与外界进行数据交换的窗口，CPU所执行的程序和所涉及的数据都由内存所执行的程序和所涉及的数据都由内存直接提供。直接提供。l CPU可以对内存进行直接读操作和写操作。可以对内存进行直接读操作和写操作。l3、外存可以保存大量的程序和数据。、外存可以保存大量的程序和数据。7/21/20247PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.1.1 存储器的分类存储器的分类（1）按其所处的位置分为：）按其所处的位置分为：内存内存 外存外存（2）根据所用材料分为：）根据所用材料分为：磁存储器磁存储器 半导体存储半导体存储器器 光存储器光存储器（3）根据工作方式分为：）根据工作方式分为：读写存储器（读写存储器（read/write storage，RW S）只读存储器只读存储器（4）根据访问方式分为：）根据访问方式分为：按地址访问存储器按地址访问存储器 按按内容访问存储器内容访问存储器（关键字）（关键字）7/21/20248PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION（5）根据寻址方式分为：）根据寻址方式分为：随机存储器（随机存储器（random access memory，RAM）顺序存储器顺序存储器（sequentially addressed memory，SAM）直接存储器（直接存储器（directed dressed memory，DAM）例：磁盘例：磁盘（6）根据读出方式分为破坏性读出存储器（再生）根据读出方式分为破坏性读出存储器（再生）和非破坏性读出存储器。和非破坏性读出存储器。7/21/20249PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 主存的基本组成主存的基本组成存储体存储体驱动器驱动器译码器译码器MAR控制电路控制电路读读写写电电路路MDR.地址总线地址总线数据总线数据总线读读写写7/21/202410PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 主存储器的组成和基本操作主存储器的组成和基本操作1.1.主存的基本组成主存的基本组成 存储元件（存储元、存储位）存储元件（存储元、存储位）能够存储一位二进制信息的物理器件。能够存储一位二进制信息的物理器件。如一个双稳态半导体电路、一个如一个双稳态半导体电路、一个CMOSCMOS晶体管或一个磁性晶体管或一个磁性材料的存储元等材料的存储元等存储元是存储器中最小的存储单位。存储元是存储器中最小的存储单位。作为存储元的条件：作为存储元的条件：有两个稳定状态。即可以存储有两个稳定状态。即可以存储“0”“0”、“1”“1”。在外界的激励下，能够进入要求的状态。即可以写入在外界的激励下，能够进入要求的状态。即可以写入“0”“0”、“1”“1”。能够识别器件当前的状态。即可以读出所存的能够识别器件当前的状态。即可以读出所存的“0”“0”、“1”“1”。7/21/202411PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l 存储单元：由一组存储元件组成，可以同时进存储单元：由一组存储元件组成，可以同时进行读写。行读写。l存储体（存储阵列）：把大量存储单元电路按一存储体（存储阵列）：把大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般都排定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般都排列成阵列形式，所以又称存储阵列。列成阵列形式，所以又称存储阵列。l 存储单元的地址：存储体中每个存储单元被赋存储单元的地址：存储体中每个存储单元被赋予的一个唯一的编号。予的一个唯一的编号。l存储单元的地址用于区别不同的存储单元。要对某存储单元的地址用于区别不同的存储单元。要对某一存储单元进行存取操作，必须首先给出被访问的一存储单元进行存取操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址。存储单元的地址。1.主存的基本组成主存的基本组成7/21/202412PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 存储单元的编址存储单元的编址编址单位：存储器中可寻址的最小单位。编址单位：存储器中可寻址的最小单位。按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。按字编址：相邻的两个单元是两个字。按字编址：相邻的两个单元是两个字。例：例：一个一个32位字长的按字节寻址计算机，一个存储器字中位字长的按字节寻址计算机，一个存储器字中包含四个可单独寻址的字节单元，当需要访问一个包含四个可单独寻址的字节单元，当需要访问一个字，即同时访问字，即同时访问4个字节时，可以按地址的整数边界个字节时，可以按地址的整数边界进行存取。即每个字的编址中最低进行存取。即每个字的编址中最低2位的二进制数必位的二进制数必须是须是“00”，这样可以由地址的低两位来区分不同的，这样可以由地址的低两位来区分不同的字节。字节。1.主存的基本组成主存的基本组成7/21/202413PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 地址地址00011011000001230100456710008910111100121314157/21/202414PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l 地址寄存器：用于存放所要访问的存储单元的地址。要地址寄存器：用于存放所要访问的存储单元的地址。要对某一单元进行存取操作，首先应通过地址总线将被访问对某一单元进行存取操作，首先应通过地址总线将被访问单元地址存放到地址寄存器中。单元地址存放到地址寄存器中。l 地址译码与驱动电路：用于对地址寄存器中的地址进行地址译码与驱动电路：用于对地址寄存器中的地址进行译码，通过对应的地址选择线到存储阵列中找到所要访问译码，通过对应的地址选择线到存储阵列中找到所要访问的存储单元，并提供驱动信号驱动其完成指定的存取操作。的存储单元，并提供驱动信号驱动其完成指定的存取操作。l 读写电路：根据读写电路：根据CPU发出的读写控制命令，控制对存储发出的读写控制命令，控制对存储单元的读写。单元的读写。l 数据寄存器：暂存需要写入或读出的数据。数据寄存器数据寄存器：暂存需要写入或读出的数据。数据寄存器是存储器与计算机其它功能部件联系的桥梁。是存储器与计算机其它功能部件联系的桥梁。7/21/202415PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l 时序控制电路：用于接收来自时序控制电路：用于接收来自CPUCPU的读写控制信的读写控制信号，产生存储器操作所需的各种时序控制信号，控号，产生存储器操作所需的各种时序控制信号，控制存储器完成指定的操作。制存储器完成指定的操作。l如果存储器采用异步控制方式，当一个存取操作完如果存储器采用异步控制方式，当一个存取操作完成后，该控制电路还应给出存储器操作完成（成后，该控制电路还应给出存储器操作完成（MFCMFC）信号。信号。7/21/202416PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION lCPUCPU与主存之间的数据传送，可采用同步控制方式，也与主存之间的数据传送，可采用同步控制方式，也可采用异步控制方式。可采用异步控制方式。l同步控制方式：数据传送在固定的时间间隔内完成。同步控制方式：数据传送在固定的时间间隔内完成。即在一个存取周期内完成。即在一个存取周期内完成。l异步控制方式：数据传送的时间不固定，存储器在完异步控制方式：数据传送的时间不固定，存储器在完成读成读/写操作后，需向写操作后，需向CPUCPU回送回送“存储器功能完成存储器功能完成”信信号（号（MFCMFC），表示一次数据传送完成。），表示一次数据传送完成。l目前多数计算机采用同步方式控制目前多数计算机采用同步方式控制CPUCPU与主存之间的数与主存之间的数据传送。据传送。l由于异步控制方式允许不同速度的设备进行信息交换，由于异步控制方式允许不同速度的设备进行信息交换，所以多用于所以多用于CPUCPU与外设的数据传送中。与外设的数据传送中。同步控制方式同步控制方式 与与 异步控制方式异步控制方式7/21/202417PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 2.主存和主存和 CPU 的联系的联系MDRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址总线地址总线写写7/21/202418PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 高位字节高位字节 地址为字地址地址为字地址 低位字节低位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 24 根根按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 16 位位按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 32 位位字地址字地址字节地址字节地址11109876543210840字节地址字节地址字地址字地址4523014203.主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配224=16 M8 M4 M7/21/202419PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.1.2 存储器的分级结构存储器的分级结构l“大容量、高速度、低成本大容量、高速度、低成本”l如图如图4-2所示的存储系统，它有如下所示的存储系统，它有如下 特点：特点：l 在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直接完成。接完成。l 存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。格比。l 工作原理：工作原理：CPU首先访问首先访问Cache，如果，如果Cache中没有，则存储系中没有，则存储系统通过辅助硬件，到主存储器中去找；如果主存没有统通过辅助硬件，到主存储器中去找；如果主存没有CPU要访问的内要访问的内容，则存储系统通过辅助硬件或软件，到辅存中去找。然后把找到的容，则存储系统通过辅助硬件或软件，到辅存中去找。然后把找到的数据逐级上调。数据逐级上调。CPUCPU主存主存辅存辅存辅助软硬件Cache辅助硬件辅助硬，软件（a）两级存储器层次结构 （b）三级存储器层次结构图图4-2 存储器层次结构存储器层次结构7/21/202420PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2 主存储器主存储器 存储器的性能指标是对存储器的主要要求，存储器的性能指标是对存储器的主要要求，也是对存储器进行设计、使用和提高时的主也是对存储器进行设计、使用和提高时的主要依据，存储器性能指标也称为存储器参数。要依据，存储器性能指标也称为存储器参数。7/21/202421PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 1.存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳的二进制信息总量。存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳的二进制信息总量。SM =W *L(位或字节）位或字节）容量存储字数存储字数存储器字长存储器字长l若主存储器由若主存储器由m个并行工作的存储体构成，则主存容量为：个并行工作的存储体构成，则主存容量为：lSM =m*W *L(位或字节）位或字节）l例：某存储器字长例：某存储器字长16位，共有位，共有1024个存储字，则该存储器的容个存储字，则该存储器的容量为：量为：1024*16=16384位位=2048字节字节4.2.1主存储器技术指标主存储器技术指标 7/21/202422PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l存储容量的主要计量单位：存储容量的主要计量单位：l 1K 1K21021010241024l 1M 1M2202201024K1024K10485761048576l 1G 1G2302301024M1024M10737418241073741824l容量与存储器地址线的关系容量与存储器地址线的关系l1K1K210 210 需要需要1010根地址线根地址线l1M1M220 220 需要需要2020根地址线根地址线l256M256M228 228 需要需要2828根地址线根地址线7/21/202423PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 2.存储速度存储速度主存储器的速度可用访问时间主存储器的速度可用访问时间TA、访问周期、访问周期TM和存储器频宽等三个参数来描述。和存储器频宽等三个参数来描述。存取时间存取时间TA 存取周期存取周期TM 存储器的存储器的 访问时间访问时间 读出时间读出时间 写入时间写入时间 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的（读或写）所需的 最小间隔时间最小间隔时间 读周期读周期 写周期写周期4.2.1主存储器技术指标主存储器技术指标 7/21/202424PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l 存储器频宽存储器频宽Bml 指连续访问存储器时，存储器所能提供的指连续访问存储器时，存储器所能提供的数据传送速率。数据传送速率。Bm=m*L/TM(位/秒,字节/秒)注：m个并行工作的存储体，访问周期TM，L存储器字长4.2.1主存储器技术指标主存储器技术指标 7/21/202425PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.1主存储器技术指标主存储器技术指标 3可靠性可靠性存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障的情况，一般用平均无故障时间的情况，一般用平均无故障时间MTBF来衡量。来衡量。为提高存储器的可靠性，必须对存储器中存在为提高存储器的可靠性，必须对存储器中存在的特殊问题，采取适当的方法：的特殊问题，采取适当的方法：（1）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器（2）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用中）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用中断的技术转储断的技术转储（3）动态存储：定期刷新）动态存储：定期刷新7/21/202426PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.1主存储器技术指标主存储器技术指标 4价格价格又称成本，它是衡量经济性能的重要指标。设又称成本，它是衡量经济性能的重要指标。设是存储容量为位的整个存储器以元计算的价是存储容量为位的整个存储器以元计算的价格，可定义存储器成本格，可定义存储器成本c为：为：c（CS）元位）元位.衡量存储器性能还有一些其它性能指标，如体积、衡量存储器性能还有一些其它性能指标，如体积、功耗、重量、使用环境等。功耗、重量、使用环境等。7/21/202427PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.2 主存储器基本组成主存储器基本组成贮存信息的存储体。贮存信息的存储体。信息的寻址机构，即读出和写入信息的地址选择机构。这信息的寻址机构，即读出和写入信息的地址选择机构。这包括：地址寄存器（包括：地址寄存器（MAR）和地址译码器。）和地址译码器。存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR。写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和读出放大器。读出放大器。存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制线路，写或重写逻辑控制线路时钟脉冲线路、读逻辑控制线路，写或重写逻辑控制线路以及以及 动态存储器的定时刷新动态存储器的定时刷新 线路等，这些线路总称为存储线路等，这些线路总称为存储器控制部件。器控制部件。7/21/202428PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.2主存储器基本组成主存储器基本组成地址码地址码地址寄存器MAR地址译码器存储体存储体存储器数据寄存器MDR图4-3 主存储器原理框图读命令写命令7/21/202429PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.3 主存储器基本操作主存储器基本操作存储器的基本操作：存储器的基本操作：读操作读操作写操作写操作 7/21/202430PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 芯片容量芯片容量l半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K 4位位16K 1位位8K 8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）1041411387/21/202431PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用用用 16K 1位位 的存储芯片组成的存储芯片组成 64K 8位位 的存储器的存储器 32片片当地址为当地址为 65 535 时，此时，此 8 片的片选有效片的片选有效 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位4.27/21/202432PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 0,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读/写选通写选通A3A2A1A02.半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式(1)线选法线选法(单译码）单译码）00000,00,7007D07D 读读/写写选通选通7/21/202433PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION（1）结构：）结构：(A)存储容量存储容量=行行b列；列；(B)阵列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线；阵列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线；(C)存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。（2）字结构是）字结构是2度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储电路：字线和位线电路：字线和位线（3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量）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。）缺点：外围电路多、成本昂贵，结构不合理。RAM结构与地址译码结构与地址译码字结构或单译码方式字结构或单译码方式7/21/202434PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写(2)重合法（双译码）重合法（双译码）00000000000,031,00,31I/OD0,0读读7/21/202435PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 比较比较l采用双译码方案，对于采用双译码方案，对于40964096个字只需个字只需128128个个译码驱动电路。而若采用单译码方案，译码驱动电路。而若采用单译码方案，40964096个字将需个字将需40964096个译码驱动电路。个译码驱动电路。7/21/202436PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.3 半导体存储器芯片半导体存储器芯片一、分类：按使用器件，半导体存储器分双极型半导体存储器一、分类：按使用器件，半导体存储器分双极型半导体存储器（TTL）和）和MOS半导体存储器两种半导体存储器两种（1）TTL：存储速度高，集成度低，价格高，主要用于小容：存储速度高，集成度低，价格高，主要用于小容量的高速存储器量的高速存储器.（2）MOS：主要用于大容量存储器。：主要用于大容量存储器。根据存储信息机构的原理不同，又分静态根据存储信息机构的原理不同，又分静态MOS存储器存储器（SRAM)和动态和动态MOS存储器（存储器（DRAM)，前者利用双稳态触，前者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，后者利发器来保存信息，只要不断电，信息是不会丢失的，后者利用用MOS电容存储电荷来保存信息，使用时，需不断给电容电容存储电荷来保存信息，使用时，需不断给电容充电才能使信息保持。充电才能使信息保持。二、半导体存储器优点二、半导体存储器优点:存储速度快，存储体积小，可靠性高；存储速度快，存储体积小，可靠性高；主要缺点主要缺点:断电时，读写存储器不能保存信息。断电时，读写存储器不能保存信息。7/21/202437PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.3.1 静态静态MOS存储器存储器l基本存储元基本存储元l6管静态管静态MOS存储元存储元l8管静态管静态MOS存储元存储元l6管双向选择管双向选择MOS存储元存储元7/21/202438PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 三、随机存取存储器三、随机存取存储器(RAM)1.静态静态 RAM(SRAM)(1)静态静态 RAM 基本电路基本电路A 触发器非端触发器非端1T4T触发器触发器5TT6、行开关行开关7TT8、列开关列开关7TT8、一列共用一列共用A 触发器原端触发器原端T1 T4T5T6T7T8AA写放大器写放大器写放大器写放大器DIN写选择写选择读选择读选择DOUT读放读放位线位线A位线位线A列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择T1 T47/21/202439PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION AT1 T4T5T6T7T8A写放大器写放大器写放大器写放大器DIN写选择写选择读选择读选择读放读放位线位线A位线位线A列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择DOUT 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 读读 操作操作 行选行选 T5、T6 开开4.2T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT6T8DOUT7/21/202440PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION T1 T4T5T6T7T8AADIN位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择写放写放写放写放读放读放DOUT写选择写选择读选择读选择 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 写写 操作操作 行选行选T5、T6 开开 两个写放两个写放 DIN4.2列选列选T7、T8 开开（左）（左）反相反相T5A（右）（右）T8T6ADINDINT77/21/202441PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 静态静态 RAMl缺点：管子多，速度受影响；缺点：管子多，速度受影响；l 功耗大，需保持电流。功耗大，需保持电流。7/21/202442PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION (2)静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Intel 2114 外特性外特性存储容量存储容量1K41K4位位.I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel 21147/21/202443PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 2.2.存储器芯片举例存储器芯片举例1 1）Intel 2114 Intel 2114芯片芯片Intel 2114 Intel 2114 是是1K41K4位的静态位的静态MOSMOS存储器芯存储器芯片。采用片。采用NMOSNMOS工艺制作，双列直插式封工艺制作，双列直插式封装。共装。共1818个引脚。个引脚。A9A9A0A0：1010根地址线，用于寻址根地址线，用于寻址10241024个存储个存储单元单元I/O4I/O4I/O1I/O1：4 4根双向数据线根双向数据线CS CS：片选信号线：片选信号线WE WE：读：读/写控制线写控制线+5V+5V：5V5V电源线电源线GNDGND：地线：地线7/21/202444PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 三态门三态门X0X63Y0Y157/21/202445PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l21142114芯片由存储体、地址缓冲器、地址译码器、芯片由存储体、地址缓冲器、地址译码器、读读/写控制电路及三态输入输出缓冲器组成。写控制电路及三态输入输出缓冲器组成。l存储体中共有存储体中共有40964096个六管存储单元电路，排列成个六管存储单元电路，排列成64646464阵列。阵列。l在存储体内部的阵列结构中，存储器的读在存储体内部的阵列结构中，存储器的读/写操写操作由片选信号作由片选信号 CS CS 与读与读/写控制信号写控制信号 WE WE 控制。控制。7/21/202446PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l在在1970年，年，Intel公司推出了世界上第一块动态公司推出了世界上第一块动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）芯片，其容量为）芯片，其容量为1024位，它使用一个位，它使用一个MOS管和一个电容来存储一管和一个电容来存储一位二进制信息。位二进制信息。l用电容来存储信息减少了构成一个存储单位所需要用电容来存储信息减少了构成一个存储单位所需要的晶体管的数目。但由于电容本身不可避免地会产的晶体管的数目。但由于电容本身不可避免地会产生漏电，因此生漏电，因此DRAM存储器芯片需要频繁的刷新操存储器芯片需要频繁的刷新操作，但作，但DRAM的存储密度大大提高了。的存储密度大大提高了。动态动态RAM 7/21/202447PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 四管动态MOS存储元7/21/202448PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 单管动态存储元电路单管动态存储元电路7/21/202449PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 四管存储元电路和单管存储元电路的比较 l四管存储元的内部元件多，集成度不高，外围电四管存储元的内部元件多，集成度不高，外围电路简单，刷新时无须另加逻辑电路。路简单，刷新时无须另加逻辑电路。l单管存储元的内部元件少，集成度高，外围电路单管存储元的内部元件少，集成度高，外围电路复杂。复杂。7/21/202450PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 动态存储器的刷新动态存储器的刷新l集中式集中式-正常读正常读/写操作与刷新操作分开进行，刷写操作与刷新操作分开进行，刷新集中完成。新集中完成。l例：例：2116芯片，读芯片，读/写周期为写周期为500ns，则刷新，则刷新128行所需时间行所需时间500ns*128=64us，则，则2ms时间内集时间内集中用中用64us刷新。刷新。l 特点：存在一段停止读特点：存在一段停止读/写操作的死时间写操作的死时间，适用，适用于高速存储器。于高速存储器。l 7/21/202451PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 动态存储器的刷新动态存储器的刷新l分散式分散式-将一个存储系统周期分成两个时间片，分时将一个存储系统周期分成两个时间片，分时进行正常读进行正常读/写操作和刷新操作。写操作和刷新操作。l例：读例：读/写周期为写周期为500ns相当于延长到相当于延长到1000ns，每读，每读/写写128次存储器就能对次存储器就能对128行存储元刷新一遍，刷新行存储元刷新一遍，刷新间隔为间隔为128us，2ms内对每个存储元刷新内对每个存储元刷新16遍。遍。l特点：不存在停止读特点：不存在停止读/写操作的死时间写操作的死时间，但系统运行，但系统运行速度降低。速度降低。7/21/202452PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 动态存储器的刷新动态存储器的刷新l异步式异步式-前两种方式的结合，每隔一段时间刷新一次，保证在前两种方式的结合，每隔一段时间刷新一次，保证在刷新周期内对整个存储器刷新一遍。刷新周期内对整个存储器刷新一遍。l例：例：2116芯片访问周期为芯片访问周期为500ns，整个芯片共，整个芯片共128行，故每行行，故每行的刷新间隔为：的刷新间隔为：l2ms/128=15.625us 所以所以2ms分成分成128段，每段段，每段15.5us，每段，每段内利用内利用0.5us刷新一行。刷新一行。l特点：死时间分散，对特点：死时间分散，对CPU的影响不大，不降低访问速度，控的影响不大，不降低访问速度，控制不复杂，较实用。制不复杂，较实用。l异步式刷新还可利用异步式刷新还可利用CPU不访问存储器的空闲时间进行刷新。不访问存储器的空闲时间进行刷新。7/21/202453PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 动态存储器的刷新动态存储器的刷新-集中式、分散式、异步式集中式、分散式、异步式7/21/202454PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 4.2.3 半导体存储器的组成半导体存储器的组成l由于一块存储器芯片的容量总是有限的，因此一由于一块存储器芯片的容量总是有限的，因此一个存储器总是由一定数量的存储器芯片构成。个存储器总是由一定数量的存储器芯片构成。l要组成一个主存储器，需要考虑的问题：要组成一个主存储器，需要考虑的问题：l 如何选择芯片如何选择芯片l根据存取速度、存储容量、电源根据存取速度、存储容量、电源 电压、功耗及成电压、功耗及成本等方面的要求进行芯片的选择。本等方面的要求进行芯片的选择。l 所需的芯片数量：所需的芯片数量：l 7/21/202455PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l例：用例：用21142114芯片组成芯片组成32K832K8位的存储器，所需位的存储器，所需21142114芯片数为：芯片数为：l 如何把许多芯片连接起来。如何把许多芯片连接起来。l通常存储器芯片在单元数和位数方面都与实际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。位方向两个方面进行扩展。7/21/202456PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 1 1位扩展位扩展l当芯片的单元数满足存储器单元数的要求，但单当芯片的单元数满足存储器单元数的要求，但单元中的位数不满足要求时，需要进行位扩展。元中的位数不满足要求时，需要进行位扩展。l位扩展：只进行位数扩展（加大字长）。位扩展：只进行位数扩展（加大字长）。l采用位扩展时，芯片的单元数（字数）与存储器采用位扩展时，芯片的单元数（字数）与存储器的单元数是一致的。的单元数是一致的。l位扩展的连接方式：位扩展的连接方式：l 将所有存储器芯片的地址线、片选信号线和读将所有存储器芯片的地址线、片选信号线和读/写控制线均对应的并接在一起，连接到地址和控写控制线均对应的并接在一起，连接到地址和控制总线的对应位上。制总线的对应位上。l 将各芯片的数据线单独列出，分别接到数据总将各芯片的数据线单独列出，分别接到数据总线的对应位。线的对应位。7/21/202457PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l例：用例：用21142114存储器芯片构成存储器芯片构成1K81K8位的存储器。位的存储器。l21142114为为1K41K4位的芯片，现存储器要求容量为位的芯片，现存储器要求容量为1K81K8位，单元数满足，位数不满足，需要位，单元数满足，位数不满足，需要1K8/1K41K8/1K42 2片片 2114 2114来构成存储器。来构成存储器。l1K81K8位的存储器共需位的存储器共需8 8根数据线根数据线D7D7D0D0，两片，两片21142114各自的各自的4 4根数据线分别用于连接根数据线分别用于连接D7D7D4D4和和D3D3D0D0。l21142114本身具有本身具有1010根地址线，称为片内地址线，与存根地址线，称为片内地址线，与存储器要求的储器要求的1010根地址线一致，所以只要将他们并接根地址线一致，所以只要将他们并接起来即可。起来即可。l电路中电路中CPUCPU的读的读/写控制线（写控制线（R/WR/W）与）与21142114的的 WE WE 信号信号并接。并接。MREQ MREQ 为为CPUCPU的访存请求信号，作为的访存请求信号，作为21142114的片的片选信号连接到选信号连接到 CS CS 上。上。7/21/202458PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 7/21/202459PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 2 2字扩展字扩展l当芯片单元中的位数满足存储器位数的要求，但芯片的单元当芯片单元中的位数满足存储器位数的要求，但芯片的单元数不满足存储器单元数要求时，需要进行字扩展。数不满足存储器单元数要求时，需要进行字扩展。l字扩展：仅是单元数（字数）扩展，而位数不变。字扩展：仅是单元数（字数）扩展，而位数不变。l采用字扩展时，芯片单元中的位数与存储器的数据位数是一采用字扩展时，芯片单元中的位数与存储器的数据位数是一致的。致的。l字扩展的连接方式：字扩展的连接方式：l 将所有芯片的地址线、数据线、读将所有芯片的地址线、数据线、读/写控制线均对应地并写控制线均对应地并接在一起，连接到地址、数据、控制总线的对应位上。接在一起，连接到地址、数据、控制总线的对应位上。l 由片选信号区分被选芯片。由片选信号区分被选芯片。l片选信号：通常由高位地址经译码进行控制。片选信号：通常由高位地址经译码进行控制。l高位地址：存储器总地址减去芯片内部寻址的地址得到的地高位地址：存储器总地址减去芯片内部寻址的地址得到的地址。址。7/21/202460PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l例：用例：用16K816K8位的存储器芯片构成位的存储器芯片构成64K864K8位的存储器。位的存储器。l16K816K8位的芯片，可以满足位的芯片，可以满足64K864K8位的存储器数据位的要求，位的存储器数据位的要求，但不满足单元数的要求。需要但不满足单元数的要求。需要4 4片片16K816K8位的芯片采用字扩位的芯片采用字扩充方式来构成存储器。充方式来构成存储器。l64K864K8位的存储器需要位的存储器需要1616位地址线位地址线A15A15A0A0，而，而16K816K8位的位的芯片的片内地址线为芯片的片内地址线为1414根，所以用根，所以用1616位地址线中的低位地址线中的低1414位位A13A13A0A0进行片内寻址，高两位地址进行片内寻址，高两位地址A15A15、A14A14用于选择芯片，用于选择芯片，即选片寻址。即选片寻址。l设存储器从设存储器从0000H0000H开始连续编址，则四块芯片的地址分配：开始连续编址，则四块芯片的地址分配：l 第一片地址范围为：第一片地址范围为：0000H0000H3FFFH3FFFHl 第二片地址范围为：第二片地址范围为：4000H4000H7FFFH7FFFHl 第三片地址范围为：第三片地址范围为：8000H8000HBFFFHBFFFHl 第四片地址范围为：第四片地址范围为：C000HC000HFFFFHFFFFH7/21/202461PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION A15A14 A15A14 A13A12A2A1A0A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 00000000000000 00 11111111111111 00 111111111111110000H0000H3FFFH3FFFH第一片第一片 01 00000000000000 01 00000000000000 01 11111111111111 01 111111111111114000H4000H7FFFH7FFFH第二片第二片 10 00000000000000 10 00000000000000 10 11111111111111 10 111111111111118000H8000HBFFFHBFFFH第三片第三片 11 00000000000000 11 00000000000000 11 11111111111111 11 11111111111111C000HC000HFFFFHFFFFH第四片第四片片内地址片内地址片选地址片选地址7/21/202462PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 7/21/202463PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 3 3字和位同时扩展字和位同时扩展l当芯片的单元数和单元的数据位均不满足存储器的当芯片的单元数和单元的数据位均不满足存储器的要求时需要进行字和位的同时扩展。要求时需要进行字和位的同时扩展。l字和位同时扩展：按位扩展和字扩展的方法分别在字和位同时扩展：按位扩展和字扩展的方法分别在位方向和字方向进行扩展。位方向和字方向进行扩展。l字和位同时扩展的连接方式：字和位同时扩展的连接方式：l 所有芯片的片内地址线、读所有芯片的片内地址线、读/写控制线均对应地写控制线均对应地并接在一起，连接到地址和控制总线的对应位上。并接在一起，连接到地址和控制总线的对应位上。l 同一地址区域内，不同芯片的片选信号连在一同一地址区域内，不同芯片的片选信号连在一起，接到片选译码器的同一输出端；不同地址区域起，接到片选译码器的同一输出端；不同地址区域内的芯片的片选信号分别接到片选译码器的不同输内的芯片的片选信号分别接到片选译码器的不同输出端。出端。7/21/202464PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 不同地址区域内，同一位芯片的数据线对应地并不同地址区域内，同一位芯片的数据线对应地并接在一起，连接到数据总线的对应位上。不同位芯接在一起，连接到数据总线的对应位上。不同位芯片的数据线分别连接到数据总线的不同位上。片的数据线分别连接到数据总线的不同位上。7/21/202465PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l例例1 1：用：用21142114芯片组成芯片组成8K88K8位存储器位存储器l需用需用1616片片21142114芯片构成芯片构成8K88K8位存储器。位存储器。l1616片芯片排成片芯片排成8 8行行22列，每行按位扩展方法连列，每行按位扩展方法连接，每列按字扩展方法连接。接，每列按字扩展方法连接。l存储器地址线存储器地址线A12A12A0A0，芯片片内地址，芯片片内地址A9A9A0A0，高三位地址，高三位地址A12A12、A11A11、A10A10用于选片寻址。用于选片寻址。l存储器数据线存储器数据线D7D7D0D0，芯片数据线，芯片数据线I/O3I/O3I/O0I/O0，两片芯片的数据线一同构成存储器的，两片芯片的数据线一同构成存储器的8 8位数位数据线。据线。7/21/202466PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION A12A11A10 A12A11A10 A9A2A1A0A9A2A1A0 000 0000000000 000 0000000000 000 1111111111 000 11111111110000H0000H03FFH03FFH第一组第一组 001 0000000000 001 0000000000 001 1111111111 001 11111111110400H0400H07FFH07FFH第二组第二组 010 0000000000 010 0000000000 010 1111111111 010 11111111110800H0800H0BFFH0BFFH第三组第三组 011 0000000000 011 0000000000 011 1111111111 011 11111111110C00H0C00H0FFFH0FFFH第四组第四组 100 0000000000 100 0000000000 100 1111111111 100 11111111111000H1000H13FFH13FFH第五组第五组 101 0000000000 101 0000000000 101 1111111111 101 11111111111400H1400H17FFH17FFH第六组第六组 110 0000000000 110 0000000000 110 1111111111 110 11111111111800H1800H1BFFH1BFFH第七组第七组 111 0000000000 111 0000000000 111 1111111111 111 11111111111C00H1C00H1FFFH1FFFH第八组第八组7/21/202467PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 7/21/202468PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l例：某微机系统有例：某微机系统有1616根地址线，根地址线，8 8根数据线，地址空根数据线，地址空间安排为：间安排为：16K16K系统程序存储区，用系统程序存储区，用ROMROM芯片，安排芯片，安排在地址最低区；接着留出在地址最低区；接着留出16K16K的设备地址空间；其后的设备地址空间；其后的的32K32K作为用户程序区，采用作为用户程序区，采用RAMRAM芯片。给定芯片如芯片。给定芯片如下，请画出连线图，给出各存储区的地址范围。下，请画出连线图，给出各存储区的地址范围。ROMROMD7D7D0D0A13A13A0A0CSCS DEDERAMRAMD7D7D0D0A13A13A0A0CSCS RDRDWRWR7/21/202469PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION lROMROM区：区：16K816K8位，需位，需1 1片片16K816K8位位ROMROM芯片芯片lRAMRAM区：区：32K832K8位，需位，需2 2片片16K816K8位位RAMRAM芯片芯片lI/OI/O区：区：16K816K8位，主存不应使用位，主存不应使用A15A14 A15A14 A13A12A2A1A0A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 00000000000000 00 11111111111111 00 111111111111110000H0000H3FFFH3FFFHROMROM区区 01 00000000000000 01 00000000000000 01 11111111111111 01 111111111111114000H4000H7FFFH7FFFHI/OI/O区区 10 00000000000000 10 00000000000000 10 11111111111111 10 111111111111118000H8000HBFFFHBFFFHRAMRAM区区1 1 11 00000000000000 11 00000000000000 11 11111111111111 11 11111111111111C000HC000HFFFFHFFFFHRAMRAM区区2 27/21/202470PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION ROMROMA13A13A0A0CSCSDEDERAMRAMD7D7D0D0A15A15A14A14CSCSRDRDWRWRRAMRAMY Y0 0CSCSRDRDWRWR地址译码器地址译码器MEMRMEMRY Y2 2Y Y3 3Y Y1 1R/WR/W7/21/202471PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION 7/21/202472PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION l判断以下图为哪种译码法？判断以下图为哪种译码法？7/21/202473A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A11A 15A0A 10IO/MWRD7D 05:32译码器CPU313010611661166116611623全译码法全译码法线选法线选法7/21/202474PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION A0 A10CSWED7 D0A0 A10