计算机组成原理第四章.ppt
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1、第四章 存储器,1、存储器概述 外部特性,性能参数,层次结构2、静态存储器和动态存储器存储单元构成 一位存储单元及存储阵列,多端口SRAM,读写时序3、半导体ROM存储器 MROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH4、存储器芯片构成以及存储器主要技术指标5、存储器扩展技术 位、字、字位扩展,本讲安排,本讲将解决的主要问题,1、半导体存储器的分类、组成及组成部件的作用及工作原理、读/写操作的基本过程。2、SRAM、DRAM芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引脚信号、了解DRAM刷新的基本概念。3、半导体存储器的主要技术指标、芯片的扩充、CPU与半导体存储器间的连接。,在现代计算机
2、中,存储器处于全机中心地位,其原因是:,(1)当前计算机正在执行的程序和数据(除了暂存于CPU寄存器的)均存放在存储器中。CPU直接从存储器取指令或存取数据。,(2)计算机系统中输入输出设备数量增多,数据传送速度加快,因此采用了直接存储器存取(DMA)技术和I/O通道技术,在存储器与输入输出系统之间直接传送数据。,(3)共享存储器的多处理机的出现,利用存储器存放共享数据,并实现处理机之间的通信,更加强了存储器作为全机中心的地位。,由于中央处理器都是由高速器件组成,不少指令的执行速度基本上取决于主存储器的速度。所以,计算机解题能力的提高、应用范围的日益广泛和系统软件的日益丰富,无一不与主存储器的
3、技术发展密切相关。,简介,存储器概述,1、存储器:是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。2、存储元:存储器的最小组成单位,用以存储1位二进制代码。3、存储单元:是CPU访问存储器基本单位,由若干个具有相同操作属性的存储元组成。4、单元地址:在存储器中用以表识存储单元的唯一编号,CPU通过该编号访问相应的存储单元。5、字存储单元:存放一个字的存储单元,相应的单元地址叫字地址。6、字节存储单元:存放一个字节的存储单元,相应的单元地址叫字节地址7、按字寻址计算机:可编址的最小单位是字存储单元的计算机。8、按字节寻址计算机:可编址的最小单位是字节的计算机。9、存储体:存储单元的集合,是存放二进
4、制信息的地方,几个基本概念,存储器各个概念之间的关系,单元地址,00000001.XXXX,存储单元,存储元,存储容量,存储体,存储器分类,1.按存储介质分 半导体存储器磁表面存储器:在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料,工作时磁层随载磁体高速运转,用磁头在磁层上进行读写操作;按其剩磁状态的不同区分“0”、“1”光盘存储器:用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写,记录密度高、耐性好、可靠性高、可互换性强2.按存取方式分 随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关 顺序存储器:只能按某种顺序来存取,存取时间和存储单元的物理位置有关,双极型 TTL:高速,M
5、OS:高集成度,制造简单,成本低廉,功耗小,易失,非易失,3.按存储器的读写功能分 只读存储器(ROM):存储的内容是固定不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。通常用来存放固定不变的程序、常数和汉字字库,甚至用于操作系统的固化。早期采用掩模工艺,把原始信息记录在芯片中,一旦制成就无法改变。随机读写存储器(RAM):既能读出又能写入的半导体存储器,分为静态RAM和动态RAM 4.按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器:断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息的存储器。5.按在计算机系统中的作用分 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。,半导体存储器,磁盘、
6、磁带、光盘,高速缓冲存储器(Cache),Flash Memory,存储器,辅助存储器:,存储器层次结构,容量大,速度快,成本低。为解决三者之间的矛盾,目前通常采用多级存储器体系结构,即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。,对存储器的要求是:,高,小,快,存储器的用途和特点,主存储器的技术指标,存储容量;存取时间(存储器访问时间)、存储周期和存储器带宽;可靠性;功耗及集成度。,可靠性 主存储器的可靠性通常用平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Failures)来表征。MTBF指连 续两次故障之间的平均时间间隔。显然,MTBF越 长,意味着主存的可靠性越高。,功耗
7、作为目前的主存储器的主体的半导体存储器的功耗包 括“维持功耗”和“操作功耗”,应在保证速度的前提下 尽可能地减小功耗,特别是要减小“维持功耗”。集成度 所谓集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成 多少个存储单元,每个存储单元存储一个二进制位,所以集成度常表示为位/片。,高位字节 地址为字地址,低位字节 地址为字地址,设地址线 24 根,按 字节 寻址,按 字 寻址,若字长为 16 位,按 字 寻址,若字长为 32 位,主存中存储单元地址的分配,224=16 M,8 M,4 M,芯片容量,半导体存储芯片简介,1.半导体存储芯片的基本结构,1K4位,16K1位,8K8位,10,4,14,1,13
8、,8,存储芯片片选线的作用,用 16K 1位 的存储芯片组成 64K 8位 的存储器,32片,2.半导体存储芯片的译码驱动方式,(1)线选法,左图是一个161字节线选法存储芯片的结构示意图。用一根字选择线(字线)直接选中一个存储单元的各位(如一个字节)。这种方式结构简单,但是只适用于容量不大的存储芯片。如当地址线A3A2A1A0为1111时,第15根字线被选中,图中最后一行8位代码可以直接读出或写入。,(2)重合法,0,0,1K1位重合法结构示意图。只要用64根选择线(X、Y两个方向各32根),就可以选择3232矩阵中的任意一位。,例如,当地址线为全0时,译码输出X0和Y0有效,矩阵中第0行、
9、第0列共同选中的那位即被选中,这就是重合法。,六管基本存储单元电路:图中T1T4是一个由MOS管组成的触发器基本电路,T5、T6犹如开关,受X地址选择信号控制,T1T6共同构成一个基本单元电路。T7、T8受Y地址选择信号控制,分别与位线A和B相连,它们不包含在基本单元电路内,而是芯片内同一列的各个基本单元电路所共有的。,组成存储器的基础和核心,存储一位“0”或“1”。,SRAM存储器,1.基本存储元:,假设触发器已存有“1”信号,即B点位低电平。当需要读出时,只要使X、Y地址选择信号均有效,则T5T8导通,B点低电平通过T6后,再由位线B通过T8作为读出放大器的输入信号,在读信号有效时,低电平
10、反相,将“1”信号读出。SRAM采用触发器原理,信息读出后仍保持原状态,不需要再生。电源掉电时,原存信息丢失,属于易失性半导体存储器。,写入时不论触发器原状态如何,只要将写入代码送至Din端,在写选择有效时,经两个写放大器,使两端输出为相反电平。当X、Y地址选择有效时,使T5T8导通,通过位线把想写入的信息写到该基本单元电路中。如写入“1”,即Din=1,经两个写放大器使位线A为高电平,位线B为低电平,结果使A点为高,B点为低,写入“1”,161 bit SRAM,1K bit SRAM,2.SRAM存储器的组成,一个SRAM存储器由存储体、读写电路、地址译码电路和控制电路等组成。,一个基本存
11、储电路只能存储一个二进制位。将基本的存储电路有规则地组织起来,就是存储体。存储体又有不同的组织形式:将各个字的同一位组织在一个芯片中;将各个字的4位组织在一个芯片中,如:2114 1K4;将各个字的8位组织在一个芯片中,如:6116 2K8;如图所示:存储体将4096个字的同一位组织在一个集成片中;需16个片子组成409616的存储器;4096通常排列成矩阵形式,如 6464,由行选、列选线选中所需的单元。,(1)存储体,(2)地址译码器,单译码方式适用于小容量存储器中,只有一个译码器。,双译码方式 地址译码器分成两个,可有效减少选择线的数目。,(3)驱动器 双译码结构中,在译码器输出后加驱动
12、器,驱动挂在各条X方向选择线上的所有存储元电路。(4)I/O电路 处于数据总线和被选用的单元之间,控制被选中的单元读出或写入,放大信息。(5)片选 在地址选择时,首先要选片,只有当片选信号有效时,此片所连的地址线才有效。(6)输出驱动电路 为了扩展存储器的容量,常需要将几个芯片的数据线并联使用;另外存储器的读出数据或写入数据都放在双向的数据总线上。这就用到三态输出缓冲器。,3.SRAM存储器芯片实例,Intel 211410244 的存储器:4096 个基本存储单元,排成 6464(64164)的矩阵;需 10 根地址线寻址;X 译码器输出 64 根选择线,分别选择 1-64 行;Y 译码器输
13、出 16 根选择线,分别选择 1-16 列控制各列的位 线控制门。,Intel 21141K4 SRAM,(64 164),4.存储器的读、写周期,在与CPU连接时,CPU的控制信号与存储器的读、写周期之间的配合问题是非常重要的。读周期:读周期与读出时间是两个不同的概念。读出时间:从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所读出的数据信息所经历的时间。读周期时间:则是存储器进行两次连续读操作时所必须间隔的时间,它总是大于或等于读出时间。,SRAM存储器时序,tRC 读周期 tA 读出周期 tCO 片选到数据输出延迟tCX 片选到输出有效 tOTD 从断开片选到输出变为三态tOHA 地址改变后的维
14、持时间,地址有效CS有效数据输出CS复位地址撤销,静态存储器的读周期,静态存储器的读写周期,写周期:地址有效CS有效数据有效CS复位(数据输入)地址撤销,常用典型的SRAM芯片有6116、6264、62256等。,SRAM芯片实例,SRAM 6116(2K 8),DRAM存储器,1.单管动态存储元,T1,靠电容存储电荷的原理存储信息,电容上的电荷一般只能维持12ms,因此即使电源不掉电,信息也会自动消失。与SRAM相比集成度更高,功耗更低,应用广泛。,单管DRAM的存储矩阵,读操作 行选择线为高电平,使存储电路中的T1管导通,于是,使连在每一列上的刷新放大器读取电容C上的电压值。刷新放大器的灵
15、敏度很高,放大倍数很大,并且能将从电容上读得的电压值折合为逻辑“0”或者逻辑“1”。列地址(较高位地址)产生列选择信号,有了列选择信号,所选中行上的基本存储电路才受到驱动,从而可以输出信息。在读出过程中,选中行上的所有基本存储电路中的电容都受到干扰,因此为破坏性读出。为了在读出之后,仍能保存所容纳的信息,刷新放大器对这些电容上的电压值读取之后又立即进行重写。,写操作 行选择线为“1”,T1管处于可导通的状态,如果列选择信号也为“1”则此基本存储电路被选中,于是由数据输入输出线送来的信息通过刷新放大器和T1管送到电容C。刷新 虽然进行一次读写操作实际上也进行了刷新,但是,由于读写操作本身是随机的
16、,所以,并不能保证所有的RAM单元都在2ms中可以通过正常的读写操作来刷新,由此,专门安排了存储器刷新周期完成对动态RAM的刷新。,集成度高,功耗低 具有易失性,必须刷新。破坏性读出,必须读后重写 读后重写,刷新均经由刷新放大器进行。刷新时只提供行地址,由各列所拥有的刷新放大器,对选中行全部存储单元实施同时集体读后重写(再生)。,DRAM的电气特征:,内部结构Intel2164(64K1),2.DRAM存储芯片实例,Intel 2164(64K1)引脚,A0A7:地址输入线RAS:行地址选通信号线,兼起片选信号作用(整个读写周期,RAS一直处于有效状态)CAS:列地址选通信号线WE:读写控制信
17、号 0-写 1-读Din:数据输入线Dout:数据输出线,DRAM时序,读周期:行地址有效行地址选通列地址有效列地址选通数据输出行选通、列选通及地址撤销,DRAM时序,写周期:行地址有效行地址选通列地址、数据有效列地址选通数据输入行选通、列选通及地址撤销,3.DRAM的刷新,(1)DRAM的刷新 不管是哪种动态RAM,都是利用电容存储电荷的原理来保存信息的,由于电容会逐渐放电,所以,对动态RAM必须不断进行读出和再写入,以使释放的电荷得到补充,也就是进行刷新。动态MOS存储器采用“读出”方式进行刷新,先将原存信息读出,再由刷新放大器形成原信息并重新写入。刷新是一行行进行的,必须在刷新周期内,由
18、专用的刷新电路来完成对基本电路单元的逐行刷新,才能保证DRAM的信息不丢失。,(2)刷新周期 从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止,这一段时间间隔叫刷新周期,一般为2ms。(3)刷新方式 常用的刷新方式有三种:集中式、分散式、异步式。,在整个刷新间隔内,前一段时间重复进行存取周期或维持周期,等到需要进行刷新操作时,便暂停存取或维持周期,而逐行刷新整个存储器,它适用于高速存储器。,集中式刷新,刷新时间相当于128个读周期;设刷新周期为2ms,存取周期为0.5s,则刷新周期共有4000个存取周期,其中3872个周期(1936s)用来读写或维持信息,128个周期(64s)
19、用来刷新;当3871个周期结束,便开始进行128个周期(64 s)的刷新操作。这64s时间内不能进行读写操作,称为“死区时间”,又称访存“死区”,所占比例为128/4000100%=3.2%,称为“死时间率”。,例如:对128128矩阵存储器刷新:,集中式刷新适用于高速存储器,存在不能进行读写操作的死区时间。,对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。把机器的一个存取周期tc分为两段,前半段时间tm用来读写或维持信息,后半段时间tr用来刷新。若读写周期为0.5s,则存取周期为1s,仍以128128矩阵的存储芯片为例,刷新按行进行,每隔128s就可将存储芯片全部刷新一遍。这比允许的间隔2ms
20、要短得多,但存取周期长了,整个系统速度降低。,分散式刷新,分散式刷新系统速度降低,但不存在停止读写操作的死时间。,异步式刷新,是前两种方式的结合。既可以缩短“死区时间”,又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。,例如:对存取周期为0.5s,排列成128128矩阵的存储芯片来说,在2ms中内把128行刷新一遍:2000s 128 15.5s 即每隔15.5s刷新一行,而每行刷新的时间仍为0.5s,这样刷新一行只停止一个存取周期。对于每行来说,刷新间隔时间仍为2ms,而“死区时间”缩短为0.5s。如果将DRAM的刷新安排在CPU对指令的译码阶段,由于这个阶段CPU不访问存储器,所以这种方案既克服了分
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- 计算机 组成 原理 第四
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