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1、,第二章 存儲(chǔ)體系,存儲(chǔ)器處于全機(jī)的中心地位(在馮.諾依曼結(jié)構(gòu)中控制器處于核心地位) 程序和數(shù)據(jù)均放在存儲(chǔ)器中(存儲(chǔ)程序控制),CPU在工作時(shí)要不斷的從存儲(chǔ)器中讀取指令和讀寫數(shù)據(jù)。 輸出輸入設(shè)備工作時(shí),要通過DMA技術(shù)和通道技術(shù)與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 多機(jī)理機(jī)之間,往往也通過共同的存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。,2.1 存儲(chǔ)器概述,本節(jié)主要內(nèi)容包括: 存儲(chǔ)器的基本概念 主存儲(chǔ)器的組成 存儲(chǔ)器的分類 存儲(chǔ)器的性能指標(biāo),2.1.1存儲(chǔ)器的基本概念,存儲(chǔ)媒體必須具備的條件: 有兩個(gè)穩(wěn)定的能量狀態(tài) 借助外部能量能使兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間進(jìn)行無限次的轉(zhuǎn)換(可寫) 借助外部能量能獲知其狀態(tài)(可讀) 基本存儲(chǔ)單元(Bit) 存儲(chǔ)

2、單元 存儲(chǔ)單元地址 存儲(chǔ)體,2.1.2主存儲(chǔ)器的組成,2.1.3存儲(chǔ)器的分類,2.1.4存儲(chǔ)器的性能指標(biāo),存儲(chǔ)器容量 存儲(chǔ)器所能容納的二進(jìn)制信息總量,通常以字節(jié)表示。 B,KB,MB,GB,TB 存儲(chǔ)器速度 存取時(shí)間:從存儲(chǔ)器讀取一次信息(或?qū)懭胍淮涡畔ⅲ┧枰臅r(shí)間 存儲(chǔ)周期:存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需的全部時(shí)間 存儲(chǔ)器帶寬:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器可讀寫的字節(jié)數(shù) 存儲(chǔ)器可靠性 破壞讀出、信息易失、斷電丟失 價(jià)格(成本) 對(duì)存儲(chǔ)器的基本要求是:大容量、高速度、高可靠性和低成本,2.2 半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器,本節(jié)主要內(nèi)容包括: 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的常見分類及特點(diǎn) 半導(dǎo)體基本存儲(chǔ)單元及其工作原理 半導(dǎo)體存儲(chǔ)

3、芯片的組織,2.2.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的常見分類及特點(diǎn),雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器TTL 、發(fā)射極耦合電路存儲(chǔ)器ECL 其特點(diǎn):速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),但集成度低、功耗大、價(jià)格高, 一般用于小容量的高速存儲(chǔ)器。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)器(分動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩種) 其特點(diǎn):集成度高、功耗小、工藝簡(jiǎn)單、成本低,但速度較低, 一般用于大容量存儲(chǔ)器,(1)雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元工作原理 存儲(chǔ)原理:用晶體管導(dǎo)通與截 止來表示0和1。若T0導(dǎo)通、 T1截止表示存儲(chǔ)0, 則T0 截止、 T1導(dǎo)通表示存儲(chǔ)1。 工作原理: 寫入操作 存儲(chǔ)狀態(tài) 讀出操作,寫入,3.6V,4.2V,1.4V,5V,5V,5V,保持,0.4V,4.2V,

4、1.4V,5V,5V,0V,讀出,3.6V,1.4V,1.4V,5V,5V,0V,W升高僅使流向W的電流轉(zhuǎn)由D或/D流出,T0,T1管的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)并未發(fā)生改變,因而是非破壞性讀出,三端口雙極型存儲(chǔ)器,(2)靜態(tài)MOS存儲(chǔ)單元工作原理 存儲(chǔ)原理:用晶體管導(dǎo)通與 截止來表示0和1。 工作原理: 寫入操作 存儲(chǔ)狀態(tài) 讀出操作,寫入,高電平,導(dǎo)通,導(dǎo)通,地,高電平,地,高電平,保持,地,斷開,斷開,地,高電平,地,高電平,讀出,高電平,導(dǎo)通,導(dǎo)通,地,高電平,非破壞性讀出,三端口器件,(3)動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元工作原理 存儲(chǔ)原理:動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元 靠電容存儲(chǔ)信息: 若電容充有電荷表示存儲(chǔ)1,電容放

5、電則表示存儲(chǔ)0。 工作原理: 寫入操作 存儲(chǔ)狀態(tài) 讀出操作,寫入,高電平,導(dǎo)通,高電平,高電平,保持,地,斷開,地,高電平,注意:由于電容總是存在漏電,經(jīng)過一段時(shí)間后,Cs上的電荷會(huì)全部漏完,為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確性,必須隔一段時(shí)間,進(jìn)行一次刷新操作,讀取,高電平,導(dǎo)通,高電平,注意:讀取過程中,Cs的電平最終會(huì)變?yōu)橹虚g電平,即原來存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失,需要將讀出的數(shù)據(jù)重新寫入,稱為重寫,中間電平,電壓上升,三端口器件的邏輯符號(hào),2.2.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的組織,(1)一維地址譯碼方式 存儲(chǔ)陣列由MN個(gè)基本存儲(chǔ)單元(位)組成。 存儲(chǔ)陣列的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)字,共用一根字線。 每一列對(duì)應(yīng)不同字的同一位,用位線

6、相連。 用一組地址譯碼器對(duì)地址進(jìn)行譯碼,使其中一根字線有效, 選中相應(yīng)的字。 每次讀出一個(gè)字(一行) 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單 缺點(diǎn):當(dāng)?shù)刂肪€增加時(shí)使譯碼器復(fù)雜性按指數(shù)規(guī)律增加 下圖是一個(gè)16*8位,采用一維地址譯碼方式的存儲(chǔ)器示意圖:,一維地址譯碼方式的RAM:,2.2.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的組織(續(xù)),(2)二維地址譯碼的位選方式 存儲(chǔ)陣列由MN個(gè)基本存儲(chǔ)單元(位)組成。 n位地址按行和列分成兩組,分別由行、列兩個(gè)譯碼器 譯碼,選中相應(yīng)的行、列,即行線和列線交叉位置的基本存 儲(chǔ)單元(位)被選中,通過位線進(jìn)行讀寫。 可將多片同樣芯片并聯(lián)組成存儲(chǔ)體,一個(gè)地址經(jīng)過譯碼分別 選中每個(gè)芯片當(dāng)中的一位組成一個(gè)

7、存儲(chǔ)單元。 每次讀出1位。 優(yōu)點(diǎn):地址譯碼器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,連線少。 缺點(diǎn):同一個(gè)地址單元的各個(gè)二進(jìn)制位分布在不同的芯片上,即每個(gè)芯片只能提供該二進(jìn)制單元的1位。 其原理圖如下:,二維地址譯碼的位選方式,2.2.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的組織(續(xù)),(3)二維地址譯碼的字選方式 位選方式每次讀出一位,改成每次讀出一個(gè)字,這就是字選方式。 優(yōu)點(diǎn):譯碼電路簡(jiǎn)單,同一個(gè)字在同一塊芯片中。,二維地址譯碼的字選方式,2.3 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器ROM,本節(jié)主要內(nèi)容包括: 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器ROM的特點(diǎn)及應(yīng)用 只能讀出信息,而不能寫入的隨機(jī)存儲(chǔ)器。 與RAM相比速度相當(dāng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、造價(jià)低、功耗小、 可靠性高、無

8、掉電信息丟失、無讀出信息破壞、不需要刷新。 與外存相比,都具有掉電信息不丟失的特點(diǎn),但速度高。 應(yīng)用有以下三類: 存放軟件 存放微程序 存放特殊編碼 掩模只讀存儲(chǔ)器MROM 一次性編程只讀存儲(chǔ)器PROM 可改寫的只讀存儲(chǔ)器EPROM 電可改寫只讀存儲(chǔ)器EEPROM和閃存,2.3.1 掩模只讀存儲(chǔ)器MROM,由生產(chǎn)廠生產(chǎn)的存有固定信息的ROM,用戶只能選用而無法修改原存的信息或者芯片制造廠商可根據(jù)用戶提供的信息,設(shè)計(jì)相應(yīng)的光刻掩模來成批生產(chǎn)。,1.MOS只存儲(chǔ)器,2.雙極型ROM,2.3.2 一次性編程只讀存儲(chǔ)器PROM,這是一種封裝后可編程序的半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)的初始內(nèi)容是全“0”或全“1

9、”,由用戶根據(jù)自己的需要,用過載電壓來寫入信息,但只能寫一次。多射極的熔絲式PROM示意圖如下:,2.3.3 可改寫的只讀存儲(chǔ)器EPROM,EPROM是一種可多次改寫的ROM。 其基本存儲(chǔ)電路如圖:,2.3.4 電可改寫只讀存儲(chǔ)器EEPROM和閃存,2.4 主存儲(chǔ)器與CPU的連接,本節(jié)主要內(nèi)容包括: CPU與MM速度的協(xié)調(diào) 存儲(chǔ)芯片的工作時(shí)序 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器,2.4.1 CPU與MM速度的協(xié)調(diào),同步方式:CPU周期內(nèi)存存取周期總線周期 由于CPU的速度遠(yuǎn)高于主存速度,這種方式對(duì) CPU限制過死,使CPU速度降低。 準(zhǔn)同步方式:CPU以節(jié)拍周期為單位與內(nèi)存同步 CPU完全根據(jù)自身的操作需

10、要確定自己的工作周期, 存儲(chǔ)器有自己固有的讀寫周期,兩者完全獨(dú)立. 同步方法為,CPU進(jìn)行一次讀寫時(shí),若內(nèi)存讀寫周期未結(jié)束,CPU以自身節(jié)拍周期為單位進(jìn)行等待,即以節(jié)拍周期為單位與內(nèi)存同步。(目前常采用的方法),2.4.2 存儲(chǔ)芯片的工作時(shí)序,讀周期時(shí)序,寫周期時(shí)序,(1)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM的工作時(shí)序:,2.4.2 存儲(chǔ)芯片的工作時(shí)序(續(xù)),(2)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM工作時(shí)序,2.4.3 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器,要解決的問題: SRAM、DRAM和ROM的選取 如何利用現(xiàn)有的芯片構(gòu)造所需要的存儲(chǔ)器 三種構(gòu)造方式(設(shè)需要組成一個(gè)MN的存儲(chǔ)器,而現(xiàn)有的 存儲(chǔ)芯片是mn的存儲(chǔ)芯片) 位擴(kuò)展 字

11、擴(kuò)展 字位同時(shí)擴(kuò)展,2.4.3 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器(續(xù)),(1)位擴(kuò)展(Mm,Nn),即每個(gè)存儲(chǔ)單元二進(jìn)制位數(shù)的擴(kuò)展。例如:用16KB1的芯片組成16KB 8的存儲(chǔ)器,則連接圖如下:,2.4.3 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器(續(xù)),(2)字?jǐn)U展(Mm,Nn),即存儲(chǔ)單元數(shù)的擴(kuò)展。例如:用8KB8的芯片組成64KB 8的存儲(chǔ)器,則連接圖如下,2.4.3 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器(續(xù)),(3)字位同時(shí)擴(kuò)展 (Mm,Nn)。例如:用8KB4的芯片組成16KB 8的存儲(chǔ)器,則連接圖如下,2.4.3 用存儲(chǔ)芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器(續(xù)),綜合例題:,A13,A14,2 | 4譯 碼 電 路,A0A12,D7,D6,

12、D0,U0,2.5 并行存儲(chǔ)器,除了選擇高速器件之外,并行讀寫是提高存儲(chǔ)器性能的一 個(gè)有效手段之一,并行存儲(chǔ)器基本思想是通過重復(fù)設(shè)置硬件為 代價(jià),實(shí)現(xiàn)并行存取來?yè)Q取速度的提高,可以分為以下幾類: 雙端口存儲(chǔ)器 多模塊存儲(chǔ)器 單體多字存儲(chǔ)器 多體單字存儲(chǔ)器 相聯(lián)存儲(chǔ)器,2.5.1 雙端口存儲(chǔ)器,基本思想:存儲(chǔ)器采用兩個(gè)端口,再設(shè)置兩套讀寫裝置同時(shí)訪問內(nèi)存,從而提高了整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。 雙端口存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖:,說明:兩個(gè)訪問端口獨(dú)立工作互不干擾,只有當(dāng)兩個(gè)端口 試圖在同一時(shí)間內(nèi)訪問同一地址單元時(shí),才會(huì)發(fā)生沖突。,2.5.2 多模塊存儲(chǔ)器,基本思想:并行設(shè)置多個(gè)存儲(chǔ)模塊,在一個(gè)存取周期內(nèi),多個(gè)

13、存儲(chǔ)模塊同時(shí)存取多個(gè)字以提高整體速度。 單體多字存儲(chǔ)器,只有一套地址寄存器和地址譯碼器,有多個(gè)容量相同的存儲(chǔ)模塊,2.5.2 多模塊存儲(chǔ)器(續(xù)),多體單字交叉存取方式,說明: 多存儲(chǔ)模塊 多讀寫裝置 交叉編址,2.5.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器,相聯(lián)存儲(chǔ)器的概念 相聯(lián)存儲(chǔ)器的組成 存儲(chǔ)體,存放信息的部件。 輸入檢索寄存器,用來存放待檢索的內(nèi)容。 屏蔽寄存器,用來決定輸入檢索寄存器的哪些項(xiàng)參與檢索比較, 哪些項(xiàng)不參與。 比較器,是相聯(lián)存儲(chǔ)器的核心,由字比較器和位比較器兩部分組成。 字匹配寄存器,用來記錄比較結(jié)果。 數(shù)據(jù)寄存器,用來存放某個(gè)單元的內(nèi)容。 地址寄存器和地址譯碼器,使相聯(lián)存儲(chǔ)器同時(shí)具有按地 址查找

14、的一般功能。,2.5.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器(續(xù)),相聯(lián)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖:,附錄一 數(shù)字邏輯電路,門,SR鎖存器,時(shí)鐘SR鎖存器,時(shí)鐘D鎖存器,D觸發(fā)器,D鎖存器和觸發(fā)器的符號(hào),附錄二 常見內(nèi)存的種類,SRAM速度快,但制造成本高,這種內(nèi)存多見于Pentium時(shí)代的主板上,用來做高速緩存(Cache)。這種緩存的邏輯位置介于CPU和DRAM之間,使用它可以大大減少CPU的等待時(shí)間,并提高系統(tǒng)性能。因此,這種緩存也稱為二級(jí)緩存(L2 Cache)。隨著Intel將L2 Cache集成到CPU(Medocino核心Celeron之后的絕大多數(shù)型號(hào))后,AMD也開始將L2 Cache集成到CPU中,目前SRA

15、M在主板上幾乎已經(jīng)找不到蹤影了。,內(nèi)存的接口形式,SIMM (Single In-line Memory Module) 72個(gè)接觸點(diǎn) DIMM(Double In-line Memory Module) RIMM(RAMBUS In-line Memory Module),168(842面) ,3.3V,184 , 2.5V,184個(gè)接觸點(diǎn),目前的RDRAM內(nèi)存只能以雙數(shù)條形式存在,而且由于RDRAM采用了串聯(lián)的設(shè)計(jì),因此所有未用的RIMM插槽都必須用一個(gè)被稱作“連通器”的電路板占用,RAM (Random Access Memories)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器,實(shí)際上所有存儲(chǔ)器均可以隨機(jī)訪問。 S

16、RAM (Static RAM)靜態(tài)存儲(chǔ)器,速度快,成本高,集成度低,常用作高速緩存存儲(chǔ)器。 DRAM (Dynamic RAM)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器,速度慢,成本低,集成度高,常用作構(gòu)成主存。 FPM (Fast Page Mode,快頁(yè)型)動(dòng)態(tài)RAM ,工作時(shí)先輸入行地址,再輸入列地址,可以在給定一個(gè)行地址后,連續(xù)給出一組連續(xù)列地址,以加快連續(xù)數(shù)據(jù)位的訪問。 EDO (Extended Data Output,擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出)動(dòng)態(tài)RAM,充許在前一個(gè)內(nèi)存訪問周期結(jié)束前啟動(dòng)第二個(gè)內(nèi)存訪問周期。雖然沒有加快單次內(nèi)存的訪問速度,但提高了整個(gè)內(nèi)存的帶寬,單位時(shí)間內(nèi)能輸出更多的字。 FPM和EDO均是異步的即地

17、址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分別由不同的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。,SDRAM (Synchronous DRAM)即同步動(dòng)態(tài)RAM,其地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)由同一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。所謂clock同步是指內(nèi)存能夠與CPU同步存取資料,這樣可以取消等待周期,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t,因此可提升計(jì)算機(jī)的性能和效率。 DDR (Double Data Rate) SDRAM .SDRAM和DDR SDRAM的真實(shí)工作頻率都與CPU外頻相同100MHz或133MHz,不同之處在于,DDR SDRAM在工作時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿都可以傳輸數(shù)據(jù),因此它的性能等同于266MHz的普通SDRAM。 RDRAM(Rambus DRAM,高頻動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)Rambus公司獨(dú)立設(shè)計(jì)完成的一種內(nèi)存模式,速度一般

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