計算機組成原理 第5章 存儲系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)

1、第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)1蔣本珊蔣本珊 編著編著中國計算機學會中國計算機學會“2121世紀大學本科計算機專業(yè)系列教材世紀大學本科計算機專業(yè)系列教材”第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)2第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)3 存儲系統(tǒng)是由幾個容量、速度和價存儲系統(tǒng)是由幾個容量、速度和價格各不相同的存儲器構(gòu)成的系統(tǒng)，設計格各不相同的存儲器構(gòu)成的系統(tǒng)，設計一個容量大、速度快、成本低的存儲系一個容量大、速度快、成本低的存儲系統(tǒng)是計算機發(fā)展的一個重要課題。本章統(tǒng)是計算機發(fā)展的一個重要課題。本章重點討論主存儲器的工作原理、組成方重點討論主存儲器的工作原理、組成方式以及運用半導體存

2、儲芯片組成主存儲式以及運用半導體存儲芯片組成主存儲器的一般原則和方法，此外還介紹了高器的一般原則和方法，此外還介紹了高速緩沖存儲器和虛擬存儲器的基本原理。速緩沖存儲器和虛擬存儲器的基本原理。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)4本章學習內(nèi)容本章學習內(nèi)容 5.1 存儲系統(tǒng)的組成存儲系統(tǒng)的組成 5.2 主存儲器的組織主存儲器的組織 5.3 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器 5.4 主存儲器的連接與控制主存儲器的連接與控制 5.5 提高主存讀寫速度的技術(shù)提高主存讀寫速度的技術(shù) 5.6 多體交叉存儲技術(shù)多體交叉存儲技術(shù) 5.7 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 5.8 虛擬存

3、儲器虛擬存儲器第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)5本章學習要求本章學習要求 了解：存儲器的分類方法和存儲系統(tǒng)的層次了解：存儲器的分類方法和存儲系統(tǒng)的層次 理解：主存儲器的基本結(jié)構(gòu)、存儲單元和主存理解：主存儲器的基本結(jié)構(gòu)、存儲單元和主存儲器的主要技術(shù)指標儲器的主要技術(shù)指標 掌握：數(shù)據(jù)在主存中的存放方法掌握：數(shù)據(jù)在主存中的存放方法 了解：半導體隨機存儲器（靜態(tài)了解：半導體隨機存儲器（靜態(tài)RAM和動態(tài)和動態(tài)RAM）的基本存儲原理的基本存儲原理 理解：動態(tài)理解：動態(tài)RAM的刷新的刷新 了解：了解： RAM芯片的基本結(jié)構(gòu)芯片的基本結(jié)構(gòu) 理解：各種不同類型的理解：各種不同類型的ROM 掌握：主存儲器

4、容量的各種擴展方法掌握：主存儲器容量的各種擴展方法 理解：主存儲器和理解：主存儲器和CPU的軟連接的軟連接 了解：了解：Cache存儲系統(tǒng)和虛擬存儲器的概念存儲系統(tǒng)和虛擬存儲器的概念第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)65.1 5.1 存儲系統(tǒng)的組成存儲系統(tǒng)的組成 存儲系統(tǒng)和存儲器是兩個不同的概念，存儲系統(tǒng)和存儲器是兩個不同的概念，下面首先介紹各種不同用途的存儲器，然下面首先介紹各種不同用途的存儲器，然后討論它們是如何構(gòu)成一個存儲系統(tǒng)的。后討論它們是如何構(gòu)成一個存儲系統(tǒng)的。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)75.1.1 5.1.1 存儲器分類存儲器分類 1.按存儲器在計算機系統(tǒng)中的作

5、用分類按存儲器在計算機系統(tǒng)中的作用分類高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 高速緩沖存儲器用來存放正在執(zhí)行的高速緩沖存儲器用來存放正在執(zhí)行的程序段和數(shù)據(jù)程序段和數(shù)據(jù)。高速緩沖存儲器的存取速。高速緩沖存儲器的存取速度可以與度可以與CPU的速度相匹配，但存儲容量的速度相匹配，但存儲容量較小，價格較高。較小，價格較高。主存儲器主存儲器 主存用來存放計算機運行期間所需要主存用來存放計算機運行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)的程序和數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機地進行讀可直接隨機地進行讀/寫訪問。寫訪問。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)81.按存儲器在計算機系統(tǒng)中的作用分類（續(xù)）按存儲器在計算機系統(tǒng)中的作用分類（續(xù)） 輔

6、助存儲器輔助存儲器 輔助存儲器用來存放當前暫不參與運行輔助存儲器用來存放當前暫不參與運行的程序和數(shù)據(jù)以及一些需要永久性保存的信的程序和數(shù)據(jù)以及一些需要永久性保存的信息息。輔存設在主機外部，。輔存設在主機外部，CPU不能直接訪問不能直接訪問它。輔存中的信息必須通過專門的程序調(diào)入它。輔存中的信息必須通過專門的程序調(diào)入主存后，主存后，CPU才能使用。才能使用。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)9隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM CPU可以對存儲器中的內(nèi)容隨機地存可以對存儲器中的內(nèi)容隨機地存取，取，CPU對任何一個存儲單元的寫入和讀對任何一個存儲單元的寫入和讀出時間是一樣的，即存取時間相同，

7、與其出時間是一樣的，即存取時間相同，與其所處的物理位置無關(guān)。所處的物理位置無關(guān)。只讀存儲器只讀存儲器ROM ROM可以看作可以看作RAM的一種特殊形式，的一種特殊形式，其特點是：存儲器的內(nèi)容只能隨機讀出而其特點是：存儲器的內(nèi)容只能隨機讀出而不能寫入。這類存儲器常用來存放那些不不能寫入。這類存儲器常用來存放那些不需要改變的信息。需要改變的信息。2.按存取方式分類按存取方式分類 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)10順序存取存儲器順序存取存儲器SAM SAM的內(nèi)容只能按某種順序存取，存取時間的內(nèi)容只能按某種順序存取，存取時間的長短與信息在存儲體上的物理位置有關(guān)，所以的長短與信息在存儲體上的物

8、理位置有關(guān)，所以SAM只能用平均存取時間作為衡量存取速度的指只能用平均存取時間作為衡量存取速度的指標。標。直接存取存儲器直接存取存儲器DAM DAM既不像既不像RAM那樣能隨機地訪問任一個那樣能隨機地訪問任一個存儲單元，也不像存儲單元，也不像SAM那樣完全按順序存取，而那樣完全按順序存取，而是介于兩者之間。當要存取所需的信息時，第一是介于兩者之間。當要存取所需的信息時，第一步直接指向整個存儲器中的某個小區(qū)域；第二步步直接指向整個存儲器中的某個小區(qū)域；第二步在小區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直至找到目的地后在小區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直至找到目的地后再進行讀再進行讀/寫操作。寫操作。2.按存取方式分類（續(xù)

9、）按存取方式分類（續(xù)）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)11磁芯存儲器磁芯存儲器 采用具有矩形磁滯回線的磁性材料，利用兩采用具有矩形磁滯回線的磁性材料，利用兩種不同的剩磁狀態(tài)表示種不同的剩磁狀態(tài)表示“1”或或“0”。磁芯存儲。磁芯存儲器的特點是信息可以長期存儲，不會因斷電而丟器的特點是信息可以長期存儲，不會因斷電而丟失；但磁芯存儲器的讀出是破壞性讀出，即不論失；但磁芯存儲器的讀出是破壞性讀出，即不論磁芯原存的內(nèi)容為磁芯原存的內(nèi)容為“0”還是還是“1”，讀出之后磁，讀出之后磁芯的內(nèi)容一律變?yōu)樾镜膬?nèi)容一律變?yōu)椤?” 。半導體存儲器半導體存儲器 采用半導體器件制造的存儲器，主要有采用半導體器件

10、制造的存儲器，主要有MOS型存儲器和雙極型存儲器兩大類。型存儲器和雙極型存儲器兩大類。MOS型存儲器型存儲器集成度高、功耗低、價格便宜、存取速度較慢；集成度高、功耗低、價格便宜、存取速度較慢；雙極型存儲器存取速度快、集成度較低、功耗較雙極型存儲器存取速度快、集成度較低、功耗較大、成本較高。半導體大、成本較高。半導體RAM存儲的信息會因為斷存儲的信息會因為斷電而丟失。電而丟失。 3.按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)12磁表面存儲器磁表面存儲器 在金屬或塑料基體上，涂復一層磁性在金屬或塑料基體上，涂復一層磁性材料，用磁層存儲信息，常見的有磁盤、磁材料，用磁層存儲

11、信息，常見的有磁盤、磁帶等。由于它的容量大、價格低、存取速度帶等。由于它的容量大、價格低、存取速度慢，故多用作輔助存儲器。慢，故多用作輔助存儲器。光存儲器光存儲器 采用激光技術(shù)控制訪問的存儲器，一般采用激光技術(shù)控制訪問的存儲器，一般分為只讀式、一次寫入式、可讀寫式分為只讀式、一次寫入式、可讀寫式3種，種，它們的存儲容量都很大，是目前使用非常廣它們的存儲容量都很大，是目前使用非常廣泛的輔助存儲器。泛的輔助存儲器。 3.按存儲介質(zhì)分類（續(xù)）按存儲介質(zhì)分類（續(xù)）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)13 斷電后，存儲信息即消失的存儲器，斷電后，存儲信息即消失的存儲器，稱易失性存儲器稱易失性存儲器。

12、斷電后信息仍然保存的斷電后信息仍然保存的存儲器，稱非易失性存儲器。存儲器，稱非易失性存儲器。 如果某個存儲單元所存儲的信息被讀如果某個存儲單元所存儲的信息被讀出時，原存信息將被破壞，則稱破壞性讀出時，原存信息將被破壞，則稱破壞性讀出；如果讀出時，被讀單元原存信息不被出；如果讀出時，被讀單元原存信息不被破壞，則稱非破壞性讀出。具有破壞性讀破壞，則稱非破壞性讀出。具有破壞性讀出的存儲器，每當一次讀出操作之后，必出的存儲器，每當一次讀出操作之后，必須緊接一個重寫（再生）的操作，以便恢須緊接一個重寫（再生）的操作，以便恢復被破壞的信息。復被破壞的信息。 4.按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類 第

13、第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)145.1.2 5.1.2 存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 為了解決存儲容量、存取速度和價格之間為了解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾，通常把各種不同存儲容量、不同存取的矛盾，通常把各種不同存儲容量、不同存取速度的存儲器，按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，速度的存儲器，按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，形成一個統(tǒng)一整體的存儲系統(tǒng)。形成一個統(tǒng)一整體的存儲系統(tǒng)。 多級存儲層次從多級存儲層次從CPU的角度來看，的角度來看，n種不同種不同的存儲器（的存儲器（M1Mn）在邏輯上是一個整體。其在邏輯上是一個整體。其中：中：M1速度最快、容量最小、位價格最高；速度最快、容量最小、

14、位價格最高；Mn速度最慢、容量最大、位價格最低。整個存儲速度最慢、容量最大、位價格最低。整個存儲系統(tǒng)具有接近于系統(tǒng)具有接近于M1的速度，相等或接近的速度，相等或接近Mn的容的容量，接近于量，接近于Mn的位價格。在多級存儲層次中，的位價格。在多級存儲層次中，最常用的數(shù)據(jù)在最常用的數(shù)據(jù)在M1中，次常用的在中，次常用的在M2中，最少中，最少使用的在使用的在Mn中。中。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)15多級存儲層次多級存儲層次CPUM1M2Mn存儲層次 圖圖5-1 多級存儲層次多級存儲層次第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)165.1.2 5.1.2 存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（續(xù)）存儲系統(tǒng)層次結(jié)

15、構(gòu)（續(xù)） 對于由對于由M1和和M2構(gòu)成的兩級存儲層次結(jié)構(gòu)，假構(gòu)成的兩級存儲層次結(jié)構(gòu)，假設設M1、M2訪問時間分別為訪問時間分別為TA1、TA2。 命中率命中率H定義為定義為CPU產(chǎn)生的邏輯地址能在產(chǎn)生的邏輯地址能在M1中訪問到的概率。在一個程序執(zhí)行期間，設中訪問到的概率。在一個程序執(zhí)行期間，設N1為為訪問訪問M1的命中次數(shù)，的命中次數(shù)，N2為訪問為訪問M2的次數(shù)。的次數(shù)。 H= 兩級存儲層次的等效訪問時間兩級存儲層次的等效訪問時間TA根據(jù)根據(jù)M2的啟的啟動時間有：動時間有： 假設假設M1訪問和訪問和M2訪問是同時啟動的，訪問是同時啟動的， TA=HTA1+(1H)TA2 211NNN第第5章章

16、 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)17Cache主存存儲層次（主存存儲層次（Cache存儲系統(tǒng)）存儲系統(tǒng)） CPUCache主存輔助硬件 Cache存儲系統(tǒng)是為解決主存速度不足而提存儲系統(tǒng)是為解決主存速度不足而提出來的。從出來的。從CPU看，速度接近看，速度接近Cache的速度，容的速度，容量是主存的容量，每位價格接近于主存的價格。量是主存的容量，每位價格接近于主存的價格。由于由于Cache存儲系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，因此它存儲系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，因此它對系統(tǒng)程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的對系統(tǒng)程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的。圖圖5-2(a) Cache存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系

17、統(tǒng)和結(jié)構(gòu)18主存主存輔存存儲層次（虛擬存儲系統(tǒng)）輔存存儲層次（虛擬存儲系統(tǒng)） CPU主存輔存輔助軟硬件 虛擬存儲系統(tǒng)是為解決主存容量不足而提虛擬存儲系統(tǒng)是為解決主存容量不足而提出來的。從出來的。從CPU看，速度接近主存的速度，容看，速度接近主存的速度，容量是虛擬的地址空間，每位價格是接近于輔存量是虛擬的地址空間，每位價格是接近于輔存的價格。由于虛擬存儲系統(tǒng)需要通過操作系統(tǒng)的價格。由于虛擬存儲系統(tǒng)需要通過操作系統(tǒng)來調(diào)度，因此來調(diào)度，因此對系統(tǒng)程序員是不透明的，但對對系統(tǒng)程序員是不透明的，但對應用程序員是透明的應用程序員是透明的。圖圖5-2(b) 虛擬存儲系統(tǒng)虛擬存儲系統(tǒng)第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)

18、存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)19 主存儲器是整個存儲系統(tǒng)的核心，主存儲器是整個存儲系統(tǒng)的核心，它用來存放計算機運行期間所需要的程序它用來存放計算機運行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)，和數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機地對它進行訪問。可直接隨機地對它進行訪問。5.2 5.2 主存儲器的組織主存儲器的組織第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)20 主存通常由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電主存通常由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、路、I/O和讀寫電路組成。和讀寫電路組成。 圖圖5-3 主存的組成框圖主存的組成框圖5.2.1 5.2.1 主存儲器的基本結(jié)構(gòu)主存儲器的基本結(jié)構(gòu)存儲體地址線數(shù)據(jù)線讀/寫控制線I/O地址譯碼驅(qū)動和讀寫電路第第5章章 存

19、儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)21 存儲體是主存儲器的核心，程序和存儲體是主存儲器的核心，程序和數(shù)據(jù)都存放在存儲體中。數(shù)據(jù)都存放在存儲體中。 地址譯碼驅(qū)動電路實際上包含譯碼地址譯碼驅(qū)動電路實際上包含譯碼器和驅(qū)動器兩部分。譯碼器將地址總線輸器和驅(qū)動器兩部分。譯碼器將地址總線輸入的地址碼轉(zhuǎn)換成與之對應的譯碼輸出線入的地址碼轉(zhuǎn)換成與之對應的譯碼輸出線上的有效電平，以表示選中了某一存儲單上的有效電平，以表示選中了某一存儲單元，然后由驅(qū)動器提供驅(qū)動電流去驅(qū)動相元，然后由驅(qū)動器提供驅(qū)動電流去驅(qū)動相應的讀寫電路，完成對被選中存儲單元的應的讀寫電路，完成對被選中存儲單元的讀寫操作。讀寫操作。 I/O和讀寫電路包括

20、讀出放大器、寫和讀寫電路包括讀出放大器、寫入電路和讀寫控制電路，用以完成被選中入電路和讀寫控制電路，用以完成被選中存儲單元中各位的讀出和寫入操作。存儲單元中各位的讀出和寫入操作。5.2.1 5.2.1 主存儲器的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）主存儲器的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)22 位是二進制數(shù)的最基本單位，也是位是二進制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。一個二進制存儲器存儲信息的最小單位。一個二進制數(shù)由若干位組成，當這個二進制數(shù)作為一數(shù)由若干位組成，當這個二進制數(shù)作為一個整體存入或取出時，這個數(shù)稱為存儲字。個整體存入或取出時，這個數(shù)稱為存儲字。存放存儲字或存儲字節(jié)的主

21、存空間稱為存存放存儲字或存儲字節(jié)的主存空間稱為存儲單元或主存單元，大量存儲單元的集合儲單元或主存單元，大量存儲單元的集合構(gòu)成一個存儲體，為了區(qū)別存儲體中的各構(gòu)成一個存儲體，為了區(qū)別存儲體中的各個存儲單元，必須將它們逐一編號。存儲個存儲單元，必須將它們逐一編號。存儲單元的編號稱為地址，地址和存儲單元之單元的編號稱為地址，地址和存儲單元之間有一對一的對應關(guān)系。間有一對一的對應關(guān)系。 5.2.2 5.2.2 主存儲器的存儲單元主存儲器的存儲單元 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)235.2.2 5.2.2 主存儲器的存儲單元主存儲器的存儲單元 （續(xù)）（續(xù)） IBM 370機是字長為機是字長為3

22、2位的計算機，位的計算機，主存按字節(jié)編址，每一個存儲字包含主存按字節(jié)編址，每一個存儲字包含4個個單獨編址的存儲字節(jié)，它被稱為大端方案，單獨編址的存儲字節(jié)，它被稱為大端方案，即字地址等于最高有效字節(jié)地址，且字地即字地址等于最高有效字節(jié)地址，且字地址總是等于址總是等于4的整數(shù)倍，正好用地址碼的的整數(shù)倍，正好用地址碼的最末兩位來區(qū)分同一個字的最末兩位來區(qū)分同一個字的4個字節(jié)。個字節(jié)。 圖圖5-4(a)00144889101156723字地址字節(jié)地址第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)245.2.2 5.2.2 主存儲器的存儲單元主存儲器的存儲單元 （續(xù)）（續(xù)） PDP-11機是字長為機是字長為1

23、6位的計算機，位的計算機，主存也按字節(jié)編址，每一個存儲字包含主存也按字節(jié)編址，每一個存儲字包含2個單獨編址的存儲字節(jié)，它被稱為小端方個單獨編址的存儲字節(jié)，它被稱為小端方案，即字地址等于最低有效字節(jié)地址，且案，即字地址等于最低有效字節(jié)地址，且字地址總是等于字地址總是等于2的整數(shù)倍，正好用地址的整數(shù)倍，正好用地址碼的最末碼的最末1位來區(qū)分同一個字的兩個字節(jié)。位來區(qū)分同一個字的兩個字節(jié)。 圖圖5-4 (b) 004412235字地址字節(jié)地址第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)255.2.3 5.2.3 主存儲器的主要技術(shù)指標主存儲器的主要技術(shù)指標 1.存儲容量存儲容量 對于字節(jié)編址的計算機，以字

24、節(jié)數(shù)來對于字節(jié)編址的計算機，以字節(jié)數(shù)來表示存儲容量；對于字編址的計算機，以表示存儲容量；對于字編址的計算機，以字數(shù)與其字長的乘積來表示存儲容量。如字數(shù)與其字長的乘積來表示存儲容量。如某機的主存容量為某機的主存容量為64K16，表示它有表示它有64K個存儲單元，每個存儲單元的字長為個存儲單元，每個存儲單元的字長為16位，若改用字節(jié)數(shù)表示，則可記為位，若改用字節(jié)數(shù)表示，則可記為128K字節(jié)（字節(jié)（128KB）。）。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)262.存取速度存取速度 存取時間存取時間Ta 存取時間又稱為訪問時間或讀寫時間，存取時間又稱為訪問時間或讀寫時間，它是它是指從啟動一次存儲器操

25、作到完成該操指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間作所經(jīng)歷的時間。例如：讀出時間是指從。例如：讀出時間是指從CPU向主存發(fā)出有效地址和讀命令開始，向主存發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內(nèi)容讀出為止所用的時直到將被選單元的內(nèi)容讀出為止所用的時間；寫入時間是指從間；寫入時間是指從CPU向主存發(fā)出有效向主存發(fā)出有效地址和寫命令開始，直到信息寫入被選中地址和寫命令開始，直到信息寫入被選中單元為止所用的時間。顯然單元為止所用的時間。顯然Ta越小，存取越小，存取速度越快。速度越快。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)272.存取速度（續(xù)）存取速度（續(xù)） 存取周期存取周期Tm 存取周期

26、又可稱作讀寫周期、訪內(nèi)周存取周期又可稱作讀寫周期、訪內(nèi)周期，是指期，是指主存進行一次完整的讀寫操作所主存進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間，即連續(xù)兩次訪問存儲器操需的全部時間，即連續(xù)兩次訪問存儲器操作之間所需要的最短時間作之間所需要的最短時間。顯然，一般情。顯然，一般情況下，況下，TmTa。這是因為對于任何一種存這是因為對于任何一種存儲器，在讀寫操作之后，總要有一段恢復儲器，在讀寫操作之后，總要有一段恢復內(nèi)部狀態(tài)的復原時間。對于破壞性讀出的內(nèi)部狀態(tài)的復原時間。對于破壞性讀出的RAM，存取周期往往比存取時間要大得存取周期往往比存取時間要大得多，甚至可以達到多，甚至可以達到Tm=2Ta，這是因為

27、存儲這是因為存儲器中的信息讀出后需要馬上進行重寫（再器中的信息讀出后需要馬上進行重寫（再生）。生）。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)282.存取速度（續(xù)）存取速度（續(xù)） 主存帶寬主存帶寬Bm 與存取周期密切相關(guān)的指標是主存的與存取周期密切相關(guān)的指標是主存的帶寬，它又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，表示每秒從主帶寬，它又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，表示每秒從主存進出信息的最大數(shù)量，單位為字每秒或字存進出信息的最大數(shù)量，單位為字每秒或字節(jié)每秒或位每秒。主存帶寬與主存的等效工節(jié)每秒或位每秒。主存帶寬與主存的等效工作頻率及主存位寬有關(guān)系，若單位為字節(jié)每作頻率及主存位寬有關(guān)系，若單位為字節(jié)每秒，則有：秒，則有： Bm=主存

28、等效工作頻率主存位寬主存等效工作頻率主存位寬8第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)293.可靠性可靠性 可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)，存儲器可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)，存儲器無故障讀寫的概率。通常，用平均無故障無故障讀寫的概率。通常，用平均無故障時間時間MTBF來衡量可靠性。來衡量可靠性。 4.功耗功耗 功耗是一個不可忽視的問題，它反映功耗是一個不可忽視的問題，它反映了存儲器件耗電的多少，同時也反映了其了存儲器件耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的程度。通常希望功耗要小，這對存發(fā)熱的程度。通常希望功耗要小，這對存儲器件的工作穩(wěn)定性有好處。大多數(shù)半導儲器件的工作穩(wěn)定性有好處。大多數(shù)半導體存儲器的工作功

29、耗與維持功耗是不同的，體存儲器的工作功耗與維持功耗是不同的，后者大大地小于前者。后者大大地小于前者。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)305.2.4 5.2.4 數(shù)據(jù)在主存中的存放數(shù)據(jù)在主存中的存放 在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主存儲器中的存儲器中的3種不同存放方法。設存儲字種不同存放方法。設存儲字長為長為64位（位（8個字節(jié)），即一個存取周期個字節(jié)），即一個存取周期最多能夠從主存讀或?qū)懽疃嗄軌驈闹鞔孀x或?qū)?4位數(shù)據(jù)。讀寫的位數(shù)據(jù)。讀寫的數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)有4種不同長度，它們分別是字節(jié)（種不同長度，它們分別是字節(jié)（8位）、半字（位）、半字（16位）、單字（位）

30、、單字（32位）和雙位）和雙字（字（64位）。請注意：此例中數(shù)據(jù)字長位）。請注意：此例中數(shù)據(jù)字長（32位）不等于存儲字長（位）不等于存儲字長（64位）。位）。 字節(jié)字節(jié)半半字字單單字字雙雙字字第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)31存儲字存儲字64位（位（8個字節(jié)）個字節(jié)）不浪費存儲器資源的存放方法不浪費存儲器資源的存放方法 現(xiàn)有一批數(shù)據(jù)，它們依次為：字節(jié)、現(xiàn)有一批數(shù)據(jù)，它們依次為：字節(jié)、半字、雙字、單字、半字、單字、字節(jié)、半字、雙字、單字、半字、單字、字節(jié)、單字。單字。4種不同長度的數(shù)據(jù)一個緊接著一種不同長度的數(shù)據(jù)一個緊接著一個存放。優(yōu)點是不浪費寶貴的主存資源，個存放。優(yōu)點是不浪費寶貴的

31、主存資源，但存在的問題是：當訪問的一個雙字、單但存在的問題是：當訪問的一個雙字、單字或半字跨越兩個存儲單元時，存儲器的字或半字跨越兩個存儲單元時，存儲器的工作速度降低了一半工作速度降低了一半，而且讀寫控制比較而且讀寫控制比較復雜。復雜。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)32從存儲字的起始位置開始存放的方法從存儲字的起始位置開始存放的方法 無論要存放的是字節(jié)、半字、單字或無論要存放的是字節(jié)、半字、單字或雙字，都必須從存儲字的起始位置開始存雙字，都必須從存儲字的起始位置開始存放，而空余部分浪費不用。優(yōu)點是：無論放，而空余部分浪費不用。優(yōu)點是：無論訪問一個字節(jié)、半字、單字或雙字都可以訪問一個字

32、節(jié)、半字、單字或雙字都可以在一個存儲周期內(nèi)完成，讀寫數(shù)據(jù)的控制在一個存儲周期內(nèi)完成，讀寫數(shù)據(jù)的控制比較簡單。缺點是：浪費了寶貴的存儲器比較簡單。缺點是：浪費了寶貴的存儲器資源。資源。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)33存儲字存儲字64位（位（8個字節(jié)）個字節(jié)）從存儲字的起始位置開始存放從存儲字的起始位置開始存放第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)34存儲字存儲字64位（位（8個字節(jié)）個字節(jié)）0181624329172533210183111941220513216142271523263427283635293730313938邊界對齊的數(shù)據(jù)存放方法邊界對齊的數(shù)據(jù)存放方法 此方法規(guī)

33、定，雙字地址的最末此方法規(guī)定，雙字地址的最末3個二個二進制位必須為進制位必須為000，單字地址的最末兩位必，單字地址的最末兩位必須為須為00，半字地址的最末一位必須為，半字地址的最末一位必須為0。它。它能夠保證無論訪問雙字、單字、半字或字能夠保證無論訪問雙字、單字、半字或字節(jié)，都在一個存取周期內(nèi)完成，盡管存儲節(jié)，都在一個存取周期內(nèi)完成，盡管存儲器資源仍然有浪費。器資源仍然有浪費。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)35 主存儲器通常分為主存儲器通常分為RAM和和ROM兩大兩大部分。部分。RAM可讀可寫，可讀可寫，ROM只能讀不能只能讀不能寫。寫。 5.3 5.3 半導體隨機存儲器和只讀存儲

34、器半導體隨機存儲器和只讀存儲器第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)36 存放一個二進制位的物理器件稱為存放一個二進制位的物理器件稱為記憶單元，它是存儲器的最基本構(gòu)件，地記憶單元，它是存儲器的最基本構(gòu)件，地址碼相同的多個記憶單元構(gòu)成一個存儲單址碼相同的多個記憶單元構(gòu)成一個存儲單元。記憶單元可以由各種材料制成，但最元。記憶單元可以由各種材料制成，但最常見的由常見的由MOS電路組成。電路組成。RAM又可分為又可分為靜態(tài)靜態(tài)RAM，即即SRAM（Static RAM）和和動態(tài)動態(tài)RAM，即即DRAM（Dynamic RAM）兩種。兩種。 5.3.1 5.3.1 RAMRAM記憶單元電路記憶單元電路

35、第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)371. 6管管SRAM記憶單元電路記憶單元電路 SRAM記憶單元是用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來記憶單元是用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來記憶信息的，從圖記憶信息的，從圖5-6中可以看出，中可以看出，T1T6管構(gòu)成一個記憶單元的主體，能存放一位管構(gòu)成一個記憶單元的主體，能存放一位二進制信息，其中：二進制信息，其中：T1、T2 管構(gòu)成存儲信管構(gòu)成存儲信息的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；息的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；T3、T4管構(gòu)成門控電管構(gòu)成門控電路，控制讀寫操作；路，控制讀寫操作；T5、T6是是T1、T2管的管的負載管。負載管。 SRAM的存取速度快，但集成度低，的存取速度快，但集成度低，功耗也較大，所以一般

36、用來組成高速緩沖功耗也較大，所以一般用來組成高速緩沖存儲器和小容量主存系統(tǒng)。存儲器和小容量主存系統(tǒng)。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)386管管SRAM記憶單元電路記憶單元電路字線位線I/OT3T2T1T4位線I/OVccT5T6AB圖圖5-6 6管管SRAM記憶單元電路記憶單元電路 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)392. 4管管DRAM記憶單元電路記憶單元電路 如果將前述如果將前述6管管SRAM記憶單元電路記憶單元電路中的兩個負載管（中的兩個負載管（T5、T6）去掉，便形成去掉，便形成4管管DRAM記憶單元電路。負載回路斷開記憶單元電路。負載回路斷開后，保持狀態(tài)時沒有外加電源

37、供電，因而后，保持狀態(tài)時沒有外加電源供電，因而T1、T2管不再構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以動管不再構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以動態(tài)態(tài)MOS記憶單元是靠記憶單元是靠MOS電路中的柵極電路中的柵極電容電容C1、C2來存儲信息的。來存儲信息的。 DRAM集成度高，功耗小，但存取速集成度高，功耗小，但存取速度慢，一般用來組成大容量主存系統(tǒng)。度慢，一般用來組成大容量主存系統(tǒng)。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)404管管DRAM記憶單元電路記憶單元電路字線位線I/OC1T3C2T2T1T4預充預充位線I/OVccAB圖圖5-7 4管管DRAM記憶單元電路記憶單元電路第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)41

38、3.單管單管DRAM記憶單元記憶單元 進一步減少記憶單元中進一步減少記憶單元中MOS管的數(shù)目管的數(shù)目可形成更簡單的可形成更簡單的3管管DRAM記憶單元或單記憶單元或單管管DRAM記憶單元。記憶單元。 單管動態(tài)記憶單元由一個單管動態(tài)記憶單元由一個MOS管管T1和和一個存儲電容一個存儲電容C構(gòu)成。構(gòu)成。 顯然，單管顯然，單管DRAM記憶單元與記憶單元與4管管DRAM記憶單元比較，具有功耗更小、集記憶單元比較，具有功耗更小、集成度更高的優(yōu)點。成度更高的優(yōu)點。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)42單管單管DRAM記憶單元電路記憶單元電路字線位線CCdT1圖圖5-8 單管單管DRAM記憶單元電路記

39、憶單元電路 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)431.刷新間隔刷新間隔 為了維持為了維持DRAM記憶單元的存儲信息，每記憶單元的存儲信息，每隔一定時間必須刷新。一般選定的最大刷新間隔一定時間必須刷新。一般選定的最大刷新間隔為隔為2ms或或4ms甚至更大，也就是說，應在規(guī)定甚至更大，也就是說，應在規(guī)定的時間內(nèi)，將全部存儲體刷新一遍。的時間內(nèi)，將全部存儲體刷新一遍。 刷新和重寫（再生）是兩個完全不同的概刷新和重寫（再生）是兩個完全不同的概念，切不可加以混淆。念，切不可加以混淆。重寫是隨機的，某個存重寫是隨機的，某個存儲單元只有在破壞性讀出之后才需要重寫儲單元只有在破壞性讀出之后才需要重寫。而

40、。而刷新是定時的，即使許多記憶單元長期未被訪刷新是定時的，即使許多記憶單元長期未被訪問，若不及時補充電荷的話，信息也會丟失問，若不及時補充電荷的話，信息也會丟失。重寫一般是按存儲單元進行的，而刷新通常以重寫一般是按存儲單元進行的，而刷新通常以存儲體矩陣中的一行為單位進行的存儲體矩陣中的一行為單位進行的。 5.3.2 5.3.2 動態(tài)動態(tài)RAMRAM的刷新的刷新第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)442.刷新方式刷新方式 集中刷新方式集中刷新方式 在允許的最大刷新間隔（如在允許的最大刷新間隔（如2ms）內(nèi)，內(nèi)，按照存儲芯片容量的大小集中安排若干個按照存儲芯片容量的大小集中安排若干個刷新周期，

41、刷新時停止讀寫操作。刷新周期，刷新時停止讀寫操作。 刷新時間刷新時間=存儲矩陣行數(shù)刷新周期存儲矩陣行數(shù)刷新周期 這里刷新周期是指刷新一行所需要的這里刷新周期是指刷新一行所需要的時間，由于刷新過程就是時間，由于刷新過程就是“假讀假讀”的過程，的過程，所以刷新周期就等于存取周期。所以刷新周期就等于存取周期。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)452.刷新方式（續(xù)）刷新方式（續(xù)） 對具有對具有1024個記憶單元（個記憶單元（3232的存儲矩的存儲矩陣）的存儲芯片進行刷新，刷新是按行進行的，陣）的存儲芯片進行刷新，刷新是按行進行的，且每刷新一行占用一個存取周期，所以共需且每刷新一行占用一個存取周

42、期，所以共需32個周期以完成全部記憶單元的刷新。假設存取個周期以完成全部記憶單元的刷新。假設存取周期為周期為500ns（0.5 s），），從從03967個周期內(nèi)進個周期內(nèi)進行讀寫操作或保持，而從行讀寫操作或保持，而從39683999這最后這最后32個周期集中安排刷新操作。個周期集中安排刷新操作。圖圖5-9 集中刷新方式示意圖集中刷新方式示意圖刷新間隔（刷新間隔（2 ms）讀寫操作讀寫操作刷新刷新013967396839993968個周期（個周期（1984 s）32個周期（個周期（16 s）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)462.刷新方式（續(xù)）刷新方式（續(xù)） 集中刷新方式的優(yōu)點是讀寫操作

43、時集中刷新方式的優(yōu)點是讀寫操作時不受刷新工作的影響，因此系統(tǒng)的存取不受刷新工作的影響，因此系統(tǒng)的存取速度比較高。主要缺點是在集中刷新期速度比較高。主要缺點是在集中刷新期間必須停止讀寫，這一段時間稱為間必須停止讀寫，這一段時間稱為“死死區(qū)區(qū)”，而且存儲容量越大，死區(qū)就越長。，而且存儲容量越大，死區(qū)就越長。 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)472.刷新方式（續(xù)）刷新方式（續(xù)） 分散刷新方式分散刷新方式 分散刷新是指把刷新操作分散到每個存取分散刷新是指把刷新操作分散到每個存取周期內(nèi)進行，此時系統(tǒng)的存取周期被分為兩部周期內(nèi)進行，此時系統(tǒng)的存取周期被分為兩部分，前一部分時間進行讀寫操作或保持，后

44、一分，前一部分時間進行讀寫操作或保持，后一部分時間進行刷新操作。在一個系統(tǒng)存取周期部分時間進行刷新操作。在一個系統(tǒng)存取周期內(nèi)刷新存儲矩陣中的一行。內(nèi)刷新存儲矩陣中的一行。 這種刷新方式增加了系統(tǒng)的存取周期，如這種刷新方式增加了系統(tǒng)的存取周期，如存儲芯片的存取周期為存儲芯片的存取周期為0.5 s，則系統(tǒng)的存取周則系統(tǒng)的存取周期應為期應為1 s。我們?nèi)砸郧笆龅奈覀內(nèi)砸郧笆龅?232矩陣為例，矩陣為例，整個存儲芯片刷新一遍需要整個存儲芯片刷新一遍需要32 s。圖圖5-10 分散刷新方式示意圖分散刷新方式示意圖刷新間隔（刷新間隔（32 s）周期周期0周期周期1周期周期31讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫刷新刷

45、新刷新刷新刷新刷新第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)482.刷新方式（續(xù)）刷新方式（續(xù)） 這種刷新方式?jīng)]有死區(qū)，但是，它也這種刷新方式?jīng)]有死區(qū)，但是，它也有很明顯的缺點，第一是加長了系統(tǒng)的存有很明顯的缺點，第一是加長了系統(tǒng)的存取周期，降低了整機的速度；第二是刷新取周期，降低了整機的速度；第二是刷新過于頻繁（本例中每過于頻繁（本例中每32 s就重復刷新一就重復刷新一遍），尤其是當存儲容量比較小的情況下，遍），尤其是當存儲容量比較小的情況下，沒有充分利用所允許的最大刷新間隔沒有充分利用所允許的最大刷新間隔（2ms）。）。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)492.刷新方式（續(xù)）刷新方式（

46、續(xù)） 異步刷新方式異步刷新方式 這種刷新方式是前兩種方式的結(jié)合，這種刷新方式是前兩種方式的結(jié)合，它充分利用了最大刷新間隔時間，把刷新它充分利用了最大刷新間隔時間，把刷新操作平均分配到整個最大刷新間隔時間內(nèi)操作平均分配到整個最大刷新間隔時間內(nèi)進行，故有：進行，故有： 相鄰兩行的刷新間隔相鄰兩行的刷新間隔= =最大刷新間隔最大刷新間隔時間行數(shù)時間行數(shù) 對于對于3232矩陣，在矩陣，在2ms內(nèi)需要將內(nèi)需要將32行刷新一遍，所以相鄰兩行的刷新時間間行刷新一遍，所以相鄰兩行的刷新時間間隔隔=2ms32=62.5 s，即每隔即每隔62.5 s安排一安排一個刷新周期。在刷新時封鎖讀寫。個刷新周期。在刷新時封

47、鎖讀寫。第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)502.刷新方式（續(xù)）刷新方式（續(xù)）圖圖5-11 異步刷新方式示意圖異步刷新方式示意圖 異步刷新方式雖然也有死區(qū)，但比集異步刷新方式雖然也有死區(qū)，但比集中刷新方式的死區(qū)小得多，僅為中刷新方式的死區(qū)小得多，僅為0.5 s。這這樣可以避免使樣可以避免使CPU連續(xù)等待過長的時間，連續(xù)等待過長的時間，而且減少了刷新次數(shù)，是比較實用的一種而且減少了刷新次數(shù)，是比較實用的一種刷新方式。刷新方式。刷新間隔（刷新間隔（2 ms）讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)51 為了控制

48、刷新，往往需要增加刷新為了控制刷新，往往需要增加刷新控制電路。刷新控制電路的主要任務是解控制電路。刷新控制電路的主要任務是解決刷新和決刷新和CPU訪問存儲器之間的矛盾。通訪問存儲器之間的矛盾。通常，當刷新請求和訪存請求同時發(fā)生時，常，當刷新請求和訪存請求同時發(fā)生時，應優(yōu)先進行刷新操作。也有些應優(yōu)先進行刷新操作。也有些DRAM芯片芯片本身具有自動刷新功能，即刷新控制電路本身具有自動刷新功能，即刷新控制電路在芯片內(nèi)部。在芯片內(nèi)部。3.刷新控制刷新控制第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)52 刷新對刷新對CPU是透明的。是透明的。 每一行中各記憶單元同時被刷新，每一行中各記憶單元同時被刷新，故刷

49、新操作時僅需要行地址，不需要列地故刷新操作時僅需要行地址，不需要列地址。址。 刷新操作類似于讀出操作，但不需刷新操作類似于讀出操作，但不需要信息輸出。另外，刷新時不需要加片選要信息輸出。另外，刷新時不需要加片選信號，即整個存儲器中的所有芯片同時被信號，即整個存儲器中的所有芯片同時被刷新。刷新。 因為所有芯片同時被刷新，所以在因為所有芯片同時被刷新，所以在考慮刷新問題時，應當從單個芯片的存儲考慮刷新問題時，應當從單個芯片的存儲容量著手，而不是從整個存儲器的容量著容量著手，而不是從整個存儲器的容量著手。手。DRAM的刷新要注意的問題的刷新要注意的問題第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)531.

50、RAM芯片芯片 RAM芯片通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與芯片通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與外部連接。地址線是單向輸入的，其數(shù)目與芯外部連接。地址線是單向輸入的，其數(shù)目與芯片容量有關(guān)。如容量為片容量有關(guān)。如容量為10244時，地址線有時，地址線有10根；容量為根；容量為64K1時，地址線有時，地址線有16根。數(shù)據(jù)線根。數(shù)據(jù)線是雙向的，既可輸入，也可輸出，其數(shù)目與數(shù)是雙向的，既可輸入，也可輸出，其數(shù)目與數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)。如據(jù)位數(shù)有關(guān)。如10244的芯片，數(shù)據(jù)線有的芯片，數(shù)據(jù)線有4根；根；64K1的芯片，數(shù)據(jù)線只有的芯片，數(shù)據(jù)線只有1根?？刂凭€主要根?？刂凭€主要有讀寫控制線和片選線兩種，讀寫控制線用來有讀寫

51、控制線和片選線兩種，讀寫控制線用來控制芯片是進行讀操作還是寫操作的，片選線控制芯片是進行讀操作還是寫操作的，片選線用來決定該芯片是否被選中。用來決定該芯片是否被選中。5.3.3 5.3.3 RAMRAM芯片分析芯片分析第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)54 由于由于DRAM芯片集成度高，容量大，芯片集成度高，容量大，為了減少芯片引腳數(shù)量，為了減少芯片引腳數(shù)量，DRAM芯片把芯片把地址線分成相等的兩部分，分兩次從相地址線分成相等的兩部分，分兩次從相同的引腳送入。兩次輸入的地址分別稱同的引腳送入。兩次輸入的地址分別稱為行地址和列地址，行地址由行地址選為行地址和列地址，行地址由行地址選通信號通

52、信號 送入存儲芯片，列地址由列送入存儲芯片，列地址由列地址選通信號地址選通信號 送入存儲芯片。由送入存儲芯片。由于采用了地址復用技術(shù)，因此，于采用了地址復用技術(shù)，因此，DRAM芯片每增加一條地址線，實際上是增加芯片每增加一條地址線，實際上是增加了兩位地址，也即增加了了兩位地址，也即增加了4倍的容量。倍的容量。1.RAM芯片（續(xù)）芯片（續(xù)）RASCAS第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)55單譯碼方式單譯碼方式 單譯碼方式又稱字選法，所對應的存單譯碼方式又稱字選法，所對應的存儲器是字結(jié)構(gòu)的。容量為儲器是字結(jié)構(gòu)的。容量為M個字的存儲器個字的存儲器（M個字，每字個字，每字b位），排列成位），排列

53、成M行行b列列的矩陣，矩陣的每一行對應一個字，有一的矩陣，矩陣的每一行對應一個字，有一條公用的選擇線條公用的選擇線wi，稱為字線。地址譯碼稱為字線。地址譯碼器集中在水平方向，器集中在水平方向，K位地址線可譯碼變位地址線可譯碼變成成2K條字線，條字線，M=2K。字線選中某個字長為字線選中某個字長為b位的存儲單元，經(jīng)過位的存儲單元，經(jīng)過b根位線可讀出或?qū)懜痪€可讀出或?qū)懭肴隻位存儲信息。位存儲信息。2.地址譯碼方式地址譯碼方式第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)56字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM0,00,731,031,7讀/寫控制電路地址譯碼器字線位線讀/寫片選00731D7D0

54、D1D2A0A1A2A3A4328矩陣.圖圖5-12 字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)57 圖圖5-12中有中有258=256個記憶單元，排個記憶單元，排列成列成32個字，每個字長個字，每個字長8位。有位。有5條地址線，條地址線，經(jīng)過譯碼產(chǎn)生經(jīng)過譯碼產(chǎn)生32條字線條字線w0w31。某一字某一字線被選中時，同一行中的各位線被選中時，同一行中的各位b0b7就都就都被選中，由讀寫電路對各位實施讀出或?qū)懕贿x中，由讀寫電路對各位實施讀出或?qū)懭氩僮?。入操作?字結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是字結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是使用的外圍電路多，成本昂貴。更嚴重的

55、使用的外圍電路多，成本昂貴。更嚴重的是，當字數(shù)大大超過位數(shù)時，存儲體會形是，當字數(shù)大大超過位數(shù)時，存儲體會形成縱向很長而橫向很窄的不合理結(jié)構(gòu)，所成縱向很長而橫向很窄的不合理結(jié)構(gòu)，所以這種方式只適用于容量不大的存儲器。以這種方式只適用于容量不大的存儲器。 字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM 第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)58 雙譯碼方式雙譯碼方式 雙譯碼方式又稱為重合法。通常是把雙譯碼方式又稱為重合法。通常是把K位地址線分成接近相等的兩段，一段用位地址線分成接近相等的兩段，一段用于水平方向作于水平方向作X地址線，供地址線，供X地址譯碼器譯地址譯碼器譯碼；一段用于垂直方向作碼；一

56、段用于垂直方向作Y地址線，供地址線，供Y地地址譯碼器譯碼。址譯碼器譯碼。X和和Y兩個方向的選擇線在兩個方向的選擇線在存儲體內(nèi)部的每個記憶單元上交叉，以選存儲體內(nèi)部的每個記憶單元上交叉，以選擇相應的記憶單元。擇相應的記憶單元。2.地址譯碼方式（續(xù)）地址譯碼方式（續(xù)）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)59 雙譯碼方式對應的存儲芯片結(jié)構(gòu)可雙譯碼方式對應的存儲芯片結(jié)構(gòu)可以是位結(jié)構(gòu)的，也可以是字段結(jié)構(gòu)的。對以是位結(jié)構(gòu)的，也可以是字段結(jié)構(gòu)的。對于位結(jié)構(gòu)的存儲芯片，容量為于位結(jié)構(gòu)的存儲芯片，容量為M1，把把M個記憶單元排列成存儲矩陣（盡可能排個記憶單元排列成存儲矩陣（盡可能排列成方陣）。列成方陣）。2

57、.地址譯碼方式（續(xù)）地址譯碼方式（續(xù)）第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)60位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM0,00,6363,063,63I/OY地址譯碼器地址譯碼器XA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11DinDoutDD_D_D6464矩陣X0X63Y0Y63.XYZ圖圖5-13 位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)61 圖圖5-13結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)是40961，排列成，排列成6464的矩陣。地址碼共的矩陣。地址碼共12位，位，X方向和方向和Y方向各方向各6位。若要組成一個位。若要組成一個M字字b位的位的存儲器，就需要

58、把存儲器，就需要把b片片M1的存儲芯片并的存儲芯片并列連接起來，即在列連接起來，即在Z方向上重疊方向上重疊b個芯片。個芯片。 位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)62SRAM讀寫時序讀寫時序 讀周期表示對該芯片進行兩次連續(xù)讀操作讀周期表示對該芯片進行兩次連續(xù)讀操作的最小間隔時間。在此期間，地址輸入信息不的最小間隔時間。在此期間，地址輸入信息不允許改變，片選信號允許改變，片選信號 在地址有效之后變?yōu)樵诘刂酚行е笞優(yōu)橛行?，使芯片被選中，最后在數(shù)據(jù)線上得到讀有效，使芯片被選中，最后在數(shù)據(jù)線上得到讀出的信號。寫允許信號出的信號。寫允許信號 在讀周期中保持

59、高電在讀周期中保持高電平。平。圖圖5-14(a) 靜態(tài)靜態(tài)RAM的讀時序的讀時序3.RAM的讀寫時序的讀寫時序數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)地址CSWECSWE第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)63 寫周期與讀周期相似，但除了要加地寫周期與讀周期相似，但除了要加地址和片選信號外，還要加一個低電平有效址和片選信號外，還要加一個低電平有效的寫入脈沖的寫入脈沖 ，并提供寫入數(shù)據(jù)。，并提供寫入數(shù)據(jù)。圖圖5-14(b) 靜態(tài)靜態(tài)RAM的寫時序的寫時序3.RAM的讀寫時序（續(xù)）的讀寫時序（續(xù)）數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)地址CSWEWE第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)64 DRAM讀寫時序讀寫時序 在讀周期中，行地址必須在在

60、讀周期中，行地址必須在 有效有效之前有效，列地址也必須在之前有效，列地址也必須在 有效之前有效之前有效，且在有效，且在 到來之前，到來之前， 必須為高電必須為高電平，并保持到平，并保持到 脈沖結(jié)束之后。脈沖結(jié)束之后。 在寫周期中，當在寫周期中，當 有效之后，輸入有效之后，輸入的數(shù)據(jù)必須保持到的數(shù)據(jù)必須保持到 變?yōu)榈碗娖街?。變?yōu)榈碗娖街蟆Ｔ谠?、 和和 全部有效時，數(shù)據(jù)被寫全部有效時，數(shù)據(jù)被寫入存儲器。入存儲器。 3.RAM的讀寫時序（續(xù)）的讀寫時序（續(xù)）WEWEWERASRASCASCASCASCASCAS第第5章章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)65動態(tài)動態(tài)RAM的讀寫時序圖的讀寫時序圖數(shù)