計(jì)算機(jī)組成原理課件（第三版）第四章 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成原理 主編： 石磊 教授 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 2 第一章 概述 第二章 計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示 第三章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第四章 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 第五章 指令系統(tǒng) 第六章 中央處理器 第七章 總線系統(tǒng) 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 第十章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及發(fā)展 目錄 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 3頁(yè) 第 4章 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成原理 清華大學(xué)出版社教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)重點(diǎn) 教學(xué)過(guò)程 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 4頁(yè) 教學(xué)目標(biāo) 掌握存儲(chǔ)器分類及分級(jí)結(jié)構(gòu) 掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片基本工作原理 掌握提高存儲(chǔ)器性能的主要方法 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 5頁(yè) 教學(xué)重點(diǎn) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片基本工作原理 存儲(chǔ)器與中央處理器的連接方法 提高存儲(chǔ)器性能的主要方法 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 6頁(yè) 教學(xué)過(guò)程 儲(chǔ)器概述 存儲(chǔ)器 導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片 存儲(chǔ)器組織 儲(chǔ)保護(hù) 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 7頁(yè) 存儲(chǔ)器概述 （ 1/3） 存儲(chǔ)器的兩大功能： 1、 存儲(chǔ)（寫入 2、 取出（讀出 三項(xiàng)基本要求： 1、大容量 2、高速度 3、低成本 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 8頁(yè) 存儲(chǔ)器概述 （ 2/3） 概念 1、 基本存儲(chǔ)單元 ：存儲(chǔ)一位（ 進(jìn)制代碼的存儲(chǔ)元件稱為基本存儲(chǔ)單元（或存儲(chǔ)元） 2、 存儲(chǔ)單元 ：主存中最小可編址的單位，是 3、 存儲(chǔ)體 ：多個(gè)存儲(chǔ)單元按一定規(guī)則組成一個(gè)整體。 4、 存儲(chǔ)器分辯率 ：指存儲(chǔ)器能被區(qū)分、識(shí)別與操作的精細(xì)程度。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 9頁(yè) 存儲(chǔ)器概述 （ 3/3） 存儲(chǔ)器的特性： 1、存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中信息存儲(chǔ)的核心。 程序存儲(chǔ)功能由存儲(chǔ)器來(lái)承擔(dān)。 2、內(nèi)存是 3、外存可以保存大量的程序和數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 10頁(yè) 儲(chǔ)器的分類 1. 按構(gòu)成存儲(chǔ)器的器件和存儲(chǔ)介質(zhì)分類：磁介質(zhì)、半導(dǎo)體、紙介質(zhì)、光介質(zhì) 2. 按存取方式分類：隨機(jī)、只讀、串行訪問(wèn)存儲(chǔ)器 3. 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類：主存、輔存、緩沖存儲(chǔ)器 4. 按信息的可保護(hù)性分類：易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器 5. 按信息讀出后存儲(chǔ)單元是否穩(wěn)定分類：破壞性讀出和非破壞性讀出存儲(chǔ)器 6. 按接口形式分類： n 列直插式封裝） n n 算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 11頁(yè) 儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu) 如圖 4有如下特點(diǎn)： 在存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)中，各層之間的信息調(diào)度由輔助硬件或軟件直接完成。 存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)能發(fā)揮整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的最大效能，有最佳的性能價(jià)格比。 工作原理： 果 存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)輔助硬件，到主存儲(chǔ)器中去找；如果主存沒(méi)有 存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)輔助硬件或軟件，到輔存中去找。然后把找到的數(shù)據(jù)逐級(jí)上調(diào)。 存 主存 輔存 輔存 輔 助 軟 硬 件 助硬件 輔助硬，軟件 （ a） 兩級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) （ b） 三級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 圖 4存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 12頁(yè) 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)是對(duì)存儲(chǔ)器的主要要求，也是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行設(shè)計(jì)、使用和提高時(shí)的主要依據(jù)，存儲(chǔ)器性能指標(biāo)也稱為存儲(chǔ)器參數(shù)。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 13頁(yè) （ 1/6） 1存儲(chǔ)容量： （ 1）存儲(chǔ)容量是指一個(gè)功能完備的存儲(chǔ)器所能容納的二進(jìn)制信息總量，即可存儲(chǔ)多少位二進(jìn)制信息代碼。 （ 2）存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)字?jǐn)?shù) 字長(zhǎng) （ 3）要求：大容量。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 14頁(yè) （ 2/6） 2存儲(chǔ)器速度 （ 1）存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)間（ 從存儲(chǔ)器讀出寫入一個(gè)存儲(chǔ)單元信息或從存儲(chǔ)器讀出寫入一次信息（信息可能是一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字）所需要的平均時(shí)間，稱為存儲(chǔ)器的取數(shù)時(shí)間存數(shù)時(shí)間 ,記為 稱為取數(shù)時(shí)間， 中央處理器的地址寄存器門輸出端發(fā)出讀數(shù)請(qǐng)求時(shí)起，到所要求的讀出信息出現(xiàn)在存儲(chǔ)器輸出端為止，這期間所需要化費(fèi)的時(shí)間值。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 15頁(yè) （ 3/6） 2存儲(chǔ)器速度 （ 2）存儲(chǔ)器存取周期（ 存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需要的全部時(shí)間，稱為存取周期?；蚓唧w地說(shuō)，存取周期是啟動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作（如兩個(gè)連續(xù)的讀操作）之間所需要的最小時(shí)間間隔，用 原時(shí)間： 破壞性讀出方式： 2 非破壞性讀出： 定時(shí)間 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 16頁(yè) （ 4/6） 3 數(shù)據(jù)傳輸率 單位時(shí)間可寫入存儲(chǔ)器或從存儲(chǔ)器取出的信息的最大數(shù)量，稱為數(shù)據(jù)傳輸率或稱為存儲(chǔ)器傳輸帶寬 W 中，存儲(chǔ)周期的倒數(shù) 1 單位時(shí)間（每秒）內(nèi)能讀寫存儲(chǔ)器的最大次數(shù)。 位數(shù)，也就是存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)的寬度。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 17頁(yè) （ 5/6） 4可靠性 存儲(chǔ)器的可靠行是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器無(wú)故障的情況，一般用平均無(wú)故障時(shí)間 為提高存儲(chǔ)器的可靠性，必須對(duì)存儲(chǔ)器中存在的特殊問(wèn)題，采取適當(dāng)?shù)姆椒ā?（ 1）對(duì)于破壞性讀出的存儲(chǔ)器：設(shè)立緩沖寄存器 （ 2）斷電后信息會(huì)丟失：備用電源的方法或采用中斷的技術(shù)轉(zhuǎn)儲(chǔ) （ 3）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)：定期刷新 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 18頁(yè) （ 6/6） 5價(jià)格 又稱成本，它是衡量經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。設(shè)是存儲(chǔ)容量為位的整個(gè)存儲(chǔ)器以元計(jì)算的價(jià)格，可定義存儲(chǔ)器成本 c（ C S）元位 . 衡量存儲(chǔ)器性能還有一些其它性能指標(biāo)，如體積、功耗、重量、使用環(huán)境等。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 19頁(yè) 貯存信息的存儲(chǔ)體。 信息的尋址機(jī)構(gòu)，即讀出和寫入信息的地址選擇機(jī)構(gòu)。這包括：地址寄存器（ 地址譯碼器。 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器 寫入信息所需的能源，即寫入線路、寫驅(qū)動(dòng)器等。 讀出所需的能源和讀出放大器，即讀出線路、讀驅(qū)動(dòng)器和讀出放大器。 存儲(chǔ)器控制部件。無(wú)論是讀或?qū)懖僮?，都需要由一系列明確規(guī)定的連續(xù)操作步序來(lái)完成，這就需要主存時(shí)序線路、時(shí)鐘脈沖線路、讀邏輯控制線路，寫或重寫邏輯控制線路以及動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的定時(shí)刷新線路等，這些線路總稱為存儲(chǔ)器控制部件。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 20頁(yè) 地址碼 地址寄存器 址譯碼器 存儲(chǔ)體 存 儲(chǔ) 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 4主存儲(chǔ)器原理框圖 讀命令 寫命令 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 21頁(yè) 存儲(chǔ)器基本操作 存儲(chǔ)器的基本操作： 讀操作 寫操作 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 22頁(yè) 導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片 一、分類：按使用器件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（ （ 1） 儲(chǔ)速度高，集成度低，價(jià)格高，主要用于小容量的高速存儲(chǔ)器 （ 2） 要用于大容量存儲(chǔ)器。根據(jù)存儲(chǔ)信息機(jī)構(gòu)的原理不同，又分為靜態(tài) 動(dòng)態(tài) 前者利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)保存信息，只要不斷電，信息是不會(huì)丟失的，后者利用 用時(shí)，需不斷給電容充電才能使信息保持。 二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)速度快，存儲(chǔ)體積小，可靠性高；主要缺點(diǎn)是斷電時(shí)，讀寫存儲(chǔ)器不能保存信息。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 23頁(yè) 態(tài) 基本存儲(chǔ)元 6管靜態(tài) 8管靜態(tài) 6管雙向選擇 字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式 位結(jié)構(gòu)或雙譯碼方式 字段結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 24頁(yè) 態(tài) （ 1/11） 基本存儲(chǔ)元 6管靜態(tài) A、電路圖：圖 4兩個(gè) B A 5 0 3 /寫“ 0” 讀 /寫“ 1” 位 /讀出線 位 /讀出線 字線 圖 46管 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 25頁(yè) 基本存儲(chǔ)元 6管靜態(tài) B、存儲(chǔ)元的工作原理 寫操作。在字線上加一個(gè)正電壓的字脈沖，使 導(dǎo)通。若要寫“ 0”，無(wú)論該位存儲(chǔ)元電路原存何種狀態(tài)，只需使寫“ 0”的位線 壓降為地電位（加負(fù)電壓的位脈沖），經(jīng)導(dǎo)通的 2 管，迫使節(jié)點(diǎn)的電位等于地電位，就能使 1 管截止而 0 管導(dǎo)通。寫入 1，只需使寫 1的位線 為地電位，經(jīng)導(dǎo)通的 傳給節(jié)點(diǎn)，迫使 截止而 導(dǎo)通。 寫入過(guò)程是字線上字脈沖和位線上位脈沖相重合的操作過(guò)程。 態(tài) （ 2/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 26頁(yè) 態(tài) )（ 3/11） 基本存儲(chǔ)元 6管靜態(tài) B、存儲(chǔ)元的工作原理 讀操作。 只需字線上加高電位的字脈沖，使 導(dǎo)通，把節(jié)點(diǎn) A、 該位存儲(chǔ)電路原存“ 0”，節(jié)點(diǎn)是低電位，經(jīng)一外加負(fù)載而接在位線 0 上的外加電源，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流入 的小電流（流向節(jié)點(diǎn)經(jīng) 通管入地）。“ 0”位線上 從平時(shí)的高電位下降一個(gè)很小的電壓，經(jīng)放大器檢測(cè)出“”信號(hào)。 若該位原存“ 1”，就會(huì)在“ 1”位線 流入電流，在 線上產(chǎn)生電壓降，經(jīng)差動(dòng)放大器檢測(cè)出讀“ 1”信號(hào)。 讀出過(guò)程中，位線變成了讀出線。讀取信息不影響觸發(fā)器原來(lái)狀態(tài)，故讀出是非破壞性的讀出。 若字線不加正脈沖，說(shuō)明此存儲(chǔ)元沒(méi)有選中， 截止， A、出線隔離，存儲(chǔ)元存儲(chǔ)并保存原存信息。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 27頁(yè) 態(tài) （ 4/11） 基本存儲(chǔ)元 8管靜態(tài) A、目的：地址雙重譯碼選擇，字線分 選擇線。 B、實(shí)現(xiàn)：需要在管 、 7 、 形成了 8管 基本存儲(chǔ)元 6管雙向選擇 8管 縱向一列上的 6管存儲(chǔ)元共用一對(duì) 6 、 這樣存儲(chǔ)體管子增加不多，但仍是雙向地址譯碼選擇，因?yàn)閷?duì)選擇線選中的一列只是一對(duì)控制管接通，只有 位才被重合選中。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 28頁(yè) 態(tài) )（ 5/11） 7 2 1 6 /寫“ 0” 讀 /寫“ 1” 位 /讀出線 位 /讀出線 圖 48管 讀 /寫“ 0” B A 5 0 “ 1” 位 /讀出線 位 /讀出線 圖 46管雙向選擇 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 29頁(yè) 態(tài) )（ 6/11） 字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式 （ 1）結(jié)構(gòu)： (A) 存儲(chǔ)容量 =行 (B) 陣列的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)字，有一根公用的字選擇線； (C) 每一列對(duì)應(yīng)字線中的一位，有兩根公用的位線 (D) 存儲(chǔ)器的地址不分組，只用一組地址譯碼器。 （ 2）字結(jié)構(gòu)是 2度存儲(chǔ)器：只需使用具有兩個(gè)功能端的基本存儲(chǔ)電路：字線和位線。 （ 3）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快：適用于小容量 M。 （ 4）缺點(diǎn)：外圍電路多、成本昂貴，結(jié)構(gòu)不合理結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 30頁(yè) 態(tài) （ 7/11） 地址 寫選通 出 寫入 讀選通 2 0 字線 1 4字結(jié)構(gòu)或單譯碼方式的 6 選 1 地 址 譯 碼 器 F F F F 寫電路 讀寫電路 讀寫電路 ： 出 寫入 出 寫入 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 31頁(yè) 態(tài) )（ 8/11） 位結(jié)構(gòu)或雙譯碼方式 （ 1） 結(jié)構(gòu)： (A) 容量： N（字） b（位）的 每個(gè)字的同一位組織在一個(gè)存儲(chǔ)片上，每片是 N 1；再把 b 片并列連接，組成一個(gè)N 構(gòu)成一個(gè)位結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器。 (B) 在每一個(gè) N 1存儲(chǔ)片中，字?jǐn)?shù)被當(dāng)作基本存儲(chǔ)電路的個(gè)數(shù)。若把 N n 個(gè)基本存儲(chǔ)電路排列成 組，經(jīng)行和列方 向譯碼器，分別選擇驅(qū)動(dòng)行線與列線。 (C) 采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，可以減少選擇線的數(shù)目。 （ 2）三度存儲(chǔ)器：三個(gè)功能端 （ 3）優(yōu)：驅(qū)動(dòng)電路節(jié)省，結(jié)構(gòu)合理，適用于大容量存儲(chǔ)器。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 32頁(yè) 態(tài) （ 9/11） 64 1 4 2 0 圖 4位結(jié)構(gòu)雙譯碼方式的 地址 譯碼 64, 1 64, 64 1, 64 1, 1 I/O 7 9 11 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 33頁(yè) 態(tài) )（ 10/11） 字段結(jié)構(gòu) （ 1）結(jié)構(gòu)： (A) 存儲(chǔ)容量 W（字） B（位）， Wb：分段 =W S） B) 字線分為兩維結(jié)構(gòu) （ C）位線有 （ D）雙地址譯碼器 （ 2）三度結(jié)構(gòu) （ 3）優(yōu)：對(duì)字結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的改進(jìn)與提高，結(jié)構(gòu)合理，適用于大容量存儲(chǔ)器。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 34頁(yè) 態(tài) （ 11/11） 讀出線 1 4字段結(jié)構(gòu) 譯碼器，從 2 n 2 = （共 n 2 位 行譯碼器 共 位 列 I / O 電路 存儲(chǔ)陣列 Sb 段 1 段 2 段 S b 根數(shù)據(jù)線 讀 / 寫控制線 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 35頁(yè) 態(tài) （ 1/11） 4管動(dòng)態(tài) 在 6管靜態(tài)存儲(chǔ)元電路中，信息是存于 負(fù)載管 外電源給 柵極電容不斷地進(jìn)行充電以補(bǔ)充電容電荷。維持原有信息所需要的電荷量。 由于 極電容經(jīng)柵漏（或柵源）極間的泄漏電流很小，在一定的時(shí)間內(nèi)（如 2存儲(chǔ)的信息電荷可以維持住。為了減少管子以提高集成度?？梢匀サ粞a(bǔ)充電荷的負(fù)載管和電源，變成 4管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元： 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 36頁(yè) 預(yù)充 預(yù)充 D S D D B 1 1 2 A D 線選擇 圖 44管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路 態(tài) （ 2/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 37頁(yè) 4管動(dòng)態(tài) 寫入操作：當(dāng)寫入時(shí)，字選擇線加入高電平，打開(kāi) 制管，將 的信息存儲(chǔ)在 的柵極電容上。當(dāng) 截止時(shí)，靠 柵極電容的存儲(chǔ)作用，在一定時(shí)間內(nèi)，（如 2以保留所寫入的信息。 讀出操作：當(dāng)讀出時(shí)，先給出預(yù)充信號(hào)，于是電源就向位線的寄生電容電，使它們都達(dá)到電源電壓（ ，當(dāng)字選擇線使 導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)的信息通過(guò) A、 原存信息為 1，則電容 存有電荷， 導(dǎo)通而 截止，因此，位線 預(yù)充電荷經(jīng)泄漏，位線 讀出電流流過(guò)。經(jīng)讀出放大電路鑒別輸出。與此同時(shí)， 的預(yù)充電荷 以通過(guò) 1 進(jìn)行充電。故讀出過(guò)程也是刷新過(guò)程。 再生操作： “再生”或“刷新”。由于 4管存儲(chǔ)元的信息電荷有泄漏，電荷數(shù)不象6管存儲(chǔ)元電路由電源經(jīng)負(fù)載管源源不斷地補(bǔ)充，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)丟失信息。必須設(shè)法在外界按一定規(guī)律不斷給柵極進(jìn)行充電，按需要補(bǔ)足柵極的信息電荷。 態(tài) （ 3/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 38頁(yè) 4管動(dòng)態(tài) 刷新過(guò)程：在字選擇線上加一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刷新。顯然，只要定時(shí)給全部存儲(chǔ)元電路執(zhí)行一遍讀操作，而信息不向外輸出，那么就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的再生或刷新。 態(tài) （ 4/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 39頁(yè) 3管 由于 4管 0 、 的狀態(tài)總是相反的，因此完全可以只用一個(gè) 的狀態(tài)，截止或?qū)▉?lái)表示 0或 1，這樣就可以變成 3管動(dòng)態(tài) 態(tài) （ 5/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 40頁(yè) S D 1 充 數(shù)據(jù)線 數(shù)據(jù)輸出 刷新控制 寫數(shù)據(jù)線 寫入選擇線 讀出選擇線 圖 43管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路 態(tài) （ 6/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 41頁(yè) 3管 寫入操作：當(dāng)寫選擇線為 1，打開(kāi) ，欲寫入的信息經(jīng)寫數(shù)據(jù)線送入，通過(guò) 存到 的柵極電容 。如寫數(shù)據(jù)線為 1，則對(duì) 行充電；如寫數(shù)據(jù)線為0，則 電。 讀出操作：首先預(yù)充電脈沖使 導(dǎo)通，電源先對(duì)讀出數(shù)據(jù)線上的寄生電容 行充電（升高 ，當(dāng)讀出選擇線為 1時(shí)， 導(dǎo)通，若原存信息為 1， 通，則 3 、 進(jìn)行放電，（注意：不是 電）。讀數(shù)據(jù)線上有讀出電流，線電位有 原存信息為 0， 1截止，則 數(shù)據(jù)線上無(wú)電流、無(wú)電壓降?？捎米x出數(shù)據(jù)線上有或無(wú)讀出電流或線電位低或高來(lái)判別讀出信息或。當(dāng) 儲(chǔ)信息，而讀數(shù)據(jù)線電位卻變低是反向的，故需經(jīng)倒相放大器后才是正確的數(shù)據(jù)輸出。 刷新操作：按一定周期地進(jìn)行讀出操作，但不向外輸出。讀出信息經(jīng)刷新控制信號(hào)控制的倒相放大器送到寫數(shù)據(jù)線，經(jīng)導(dǎo)通的 2管就可周期性地給 態(tài) （ 7/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 42頁(yè) 單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元： 為了進(jìn)一步縮小存儲(chǔ)器體積，提高集成度，在大容量動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中都采用單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元電路。如圖 1和 寫入時(shí)，字選擇線加高電平，使 入信息由數(shù)據(jù)線 D（位線）存入電容 讀出時(shí)，首先要對(duì)數(shù)據(jù)線上的分布電容 加入字脈沖，使 1管導(dǎo)通， 據(jù)動(dòng)態(tài)平衡的電荷數(shù)多少來(lái)判斷原存信息是或，因此，每次讀出后，存儲(chǔ)內(nèi)容就被破壞。是破壞性讀出，必須采取措施，以便再生原存信息。 動(dòng)態(tài) 存儲(chǔ)體和外圍電路組成，但外圍電路由于再生操作要復(fù)雜得多。 態(tài) （ 8/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 43頁(yè) D S 據(jù)線 字選擇線 圖 4單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路 態(tài) （ 9/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 44頁(yè) 動(dòng)態(tài) （ 1）刷新：對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器要每隔一定時(shí)間（通常是 2全部基本存儲(chǔ)元的存儲(chǔ)電容補(bǔ)充一次電荷，稱為 2 （ 2）常用的刷新方式有兩種： 集中式刷新（ 集中式刷新指在一個(gè)刷新周期內(nèi)，利用一段固定的時(shí)間，依次對(duì)存儲(chǔ)器的所有行進(jìn)行逐一再生，在此期間停止對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作。 例如，一個(gè)存儲(chǔ)器有 1024行，系統(tǒng)工作周期為 200樣，在每個(gè)刷新周期內(nèi)共有 10000個(gè)工作周期，其中用于再生的為 1024個(gè)工作周期，用于讀寫操作的共有 8976個(gè)工作周期。 集中式刷新的缺點(diǎn)是期間不能訪問(wèn)存儲(chǔ)器，所以這種刷新方式多適用于高速存儲(chǔ)器。 態(tài) （ 10/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 45頁(yè) 動(dòng)態(tài) 分布式刷新（ 有兩種方法： （ I）把對(duì)每一行的再生分散到各個(gè)工作周期中去。這樣，一個(gè)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)工作周期分為兩部分：前半部分用于正常讀、寫或保持，后半部分用于再生某一行。系統(tǒng)工作周期增加到 400 1024個(gè)系統(tǒng)工作周期可把整個(gè)存儲(chǔ)器刷新一遍。可以看出，整個(gè)存儲(chǔ)器的刷新周期縮短，它不是 2是 409.6s。但由于它的系統(tǒng)工作周期為讀、寫所需周期的一倍，因此，使存儲(chǔ)器不能高速工作，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要加以改進(jìn)。 （ 了提高存儲(chǔ)器工作效率，經(jīng)常采取在 2體做法是將刷新周期除以行數(shù)，得到兩次刷新操作之間的時(shí)間間隔 t，利用邏輯電路每隔時(shí)間 態(tài) （ 11/11） 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 46頁(yè) 1. 只讀存儲(chǔ)器 （ 1）掩模 2） 3） . 閃速存儲(chǔ)器 （ 1）閃速存儲(chǔ)器的特點(diǎn) （ 2）閃速存儲(chǔ)器的技術(shù)分類 （ 3）閃速存儲(chǔ)器的性能 （ 4）閃速存儲(chǔ)器與 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 47頁(yè) 存儲(chǔ)器組織 存儲(chǔ)器芯片的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長(zhǎng)方面與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有很大差距，所以要在字向和位向兩方面進(jìn)行擴(kuò)充，才能滿足實(shí)際存儲(chǔ)器的容量要求。中央處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作時(shí)，首先由地址總線給出地址信號(hào)，然后要發(fā)出有關(guān)進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮鞯目刂菩盘?hào)，最后在數(shù)據(jù)總線上進(jìn)行信息交換，因此，存儲(chǔ)器同完成： 地址線的連接 數(shù)據(jù)線的連接 控制線的連接。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 48頁(yè) 儲(chǔ)器與中央處理器的連接 1. 位擴(kuò)展 2. 字?jǐn)U展 3. 字位擴(kuò)展 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 49頁(yè) 用靜態(tài) 位擴(kuò)展法： 例如：用 8 的 成 8K 8位的存儲(chǔ)器，按 8位 m 1的關(guān)系來(lái)確定位擴(kuò)展所需要的芯片數(shù)。共需 8片，每一芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的相應(yīng)位。 字?jǐn)U展法： 字?jǐn)U展：字向擴(kuò)展而位數(shù)不變，將芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線并聯(lián)，而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各片地址。 例如：用 16k 8位的芯片采用字?jǐn)U展法組成 64k 8位的存儲(chǔ)器： 4個(gè)芯片。 地址分配：地址總線低位地址 4位地址端相連，而高兩位的地址 ： 4譯碼器和 4個(gè)芯片的片選端 儲(chǔ)器與中央處理器的連接 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 50頁(yè) 儲(chǔ)器與中央處理器的連接 用靜態(tài) 字位同時(shí)擴(kuò)展法： 一個(gè)存儲(chǔ)器的容量假定為 M 使用 l l M,k N）需要在字向和位向同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。此時(shí)共需要（ M l） （ N k）個(gè)存儲(chǔ)器芯片。 其中， M M l）個(gè)部分（稱為頁(yè)或區(qū)），每頁(yè)（ N k）個(gè)芯片。 地址分配： （ A）用 來(lái)選擇訪問(wèn)頁(yè)內(nèi)的 （ B） 用 M l）位表示高位地址：用來(lái)經(jīng)片選譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)。 8K 1位擴(kuò)展組成的 8K 8 7 6 5 4 3 2 8k 1 中央 處理器 0 0 : : 位擴(kuò)展法 ：只加長(zhǎng)每個(gè)存儲(chǔ)單元的字長(zhǎng)，而不增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量 演示 14 0 E 7 2:4 譯碼器 6K 8 E 16K 8 E 16K 8 E 16K 8 6K 8字?jǐn)U展法組成 64K 8 11 10 01 00 字?jǐn)U展法 ：僅增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量，而各單元的位數(shù)不變 演示 字位同時(shí)擴(kuò)展： 2114存儲(chǔ)芯片 1K 4擴(kuò)展成 2K 8存儲(chǔ)器 30 E 10 2114 ：既增加存儲(chǔ)單元的數(shù)量 ，也加長(zhǎng)各單元的位數(shù) 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 54頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 1/11） 硬件變換地址和控制調(diào)度。 位于 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中級(jí)別最高的一級(jí)； 容量比主存小，目前一般有數(shù) B； 速度比主存快 5 10倍 ,通常由存儲(chǔ)速度高的雙極型三極管或 其容量是主存的部分副本； 其用途可用來(lái)存放指令，也可用來(lái)存放數(shù)據(jù)； 快存的功能全部由硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)程序員透明。 地址變換邏輯 替換邏輯組成。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 55頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 2/11） 1、 2、當(dāng) 先由 在，叫命中，否則，不命中 3、 若命中： 若是“讀”請(qǐng)求，則直接對(duì) 主存無(wú)關(guān) 若是“寫”請(qǐng)求： 只更新 出時(shí)修改主存（寫回 只寫入主存，并在 次從 證正確。 4、未命中時(shí)： 若是“讀”請(qǐng)求，則從主存讀出所需字送 把含該字的一塊送“裝入通過(guò)”，若 換算法； 若是“寫”請(qǐng)求，直接寫入主存。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 56頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 3/11） 替換算法的目標(biāo)是使 是讓 而使 其算法如下： 先進(jìn)先出法（ 替換最早進(jìn)入 于只考慮了歷史情況，沒(méi)有反映信息的使用情況，所以命中率不高。其原因是最先進(jìn)來(lái)的信息塊可能是經(jīng)常用的塊，反而被替換掉了。 近期最少使用算法（ 替換近期使用最少的信息塊。這就要求隨時(shí)記錄 便確定哪個(gè)字塊是最近期最少使用的。由于近期使用少，未必是將來(lái)使用最少的，所以，這種算法的命中率比 并不最理想。 優(yōu)化替換算法（ 這是一種理想算法，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度大。因此，只作為衡量其它算法的標(biāo)準(zhǔn)，這種算法需讓程序運(yùn)行兩次，第一次分析地址流，第二次才真正運(yùn)行程序。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 57頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 4/11） 1、概念 （ 1）地址映象：為了把信息放到 須應(yīng)用某種函數(shù)把主存地址映象到 作地址映象。 （ 2）地址變換：在信息按這種映象關(guān)系裝入 行程序時(shí)，應(yīng)將主存地址變換成 個(gè)變換過(guò)程叫作地址變換。地址映象和變換是密切相關(guān)的。 2、 直接映象 全相聯(lián)映象 組相聯(lián) 映象 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 58頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 5/11） 直接映象： 假設(shè)主存空間被分為 2m 個(gè)頁(yè)，其頁(yè)號(hào)分別為 0、 1、 .1,每頁(yè)大小為 2b 個(gè)字， 頁(yè)號(hào)為 0、 1、 .,每頁(yè)大小同樣為 2b 個(gè)字， ( c m) （ A）直接映象函數(shù)定義： j=i 2 c 其中 然，主存的第 0頁(yè)、 2c 頁(yè)、2c+1 .塊（共 2t 個(gè)頁(yè)）。主存的第 1頁(yè)，第 2c 1頁(yè)， .(共 2t 個(gè)頁(yè)）只能映象到 頁(yè) .中的主存頁(yè)面標(biāo)記（ 來(lái)表明主存對(duì)應(yīng)同一 t 個(gè)頁(yè)面中，究竟是哪一個(gè)頁(yè)面存放到 （ B）主存地址：最后 b 位是頁(yè)內(nèi)地址，中間 t(=是主存的頁(yè)面標(biāo)記，用來(lái)標(biāo)明主存的 2t 個(gè)頁(yè)面中究竟哪個(gè)頁(yè)面已在 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 59頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 6/11） 主存 圖 4頁(yè)面地址的直接映像方式 頁(yè)號(hào) 0 頁(yè)號(hào) 1 頁(yè)號(hào) 2 c 1 頁(yè)號(hào) 2 c 頁(yè)號(hào) 2 c 1 頁(yè)號(hào) 2c+1 1 頁(yè)號(hào) 2 c+1 頁(yè)號(hào) 2 m 1 頁(yè)號(hào) 0 頁(yè)號(hào) 1 頁(yè)號(hào) 2 c 1 標(biāo)記 標(biāo)記 標(biāo)記 主存頁(yè)面標(biāo)記 頁(yè)內(nèi)地址 主存地址 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 60頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 7/11） 直接映象： （ C）工作過(guò)程：地址變換部件在收到 需根據(jù)中間 后檢查標(biāo)記是否與主存地址高 果符合，則可根據(jù)頁(yè)號(hào)地址和低 果不符合，就要從主存讀入新的頁(yè)面來(lái)替換舊的頁(yè)面，同時(shí)修改 （ D）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)：不靈活，命中率低。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 2016年 3月 14日 第 61頁(yè) 速緩沖存儲(chǔ)器 （ 8/11） 全相聯(lián)映象方式 （ 1）主存中的每一頁(yè)面可以映象到 允許采用任何替換算