计算机组成原理(罗克露)第4章存储器

1、第四章第四章 存储子系统存储子系统 本章需解决的主要问题：本章需解决的主要问题： （1）存储器如何存储信息？）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具）在实际应用中如何用存储芯片组成具 有一定容量的存储器？有一定容量的存储器？ 第一节第一节 概述概述 存储器的分类情况存储器的分类情况 1.1.按存储器在系统中的作用分类按存储器在系统中的作用分类 （1 1）主存）主存（内存）（内存） 主要存放主要存放CPUCPU当前使用的程序和数据。当前使用的程序和数据。 速度快速度快 容量有限容量有限 （2 2）辅存）辅存 （外存）（外存） 存放大量的后备程序和数据。存放大量的后备程序和数

2、据。 速度较慢速度较慢 容量大容量大 （3 3）高速缓存）高速缓存 存放存放CPUCPU在当前一小段时间内多次使用的程序在当前一小段时间内多次使用的程序 和数据。和数据。速度很快 速度很快 容量小容量小 CPU CPU Cache Cache 主存主存 外存外存 2.2.按存储介质分类按存储介质分类 （1 1）半导体存储器）半导体存储器 利用双稳态触发器存储信息利用双稳态触发器存储信息 （动态存储器除外）。（动态存储器除外）。 信息易失信息易失 速度快，速度快，非破坏性读出非破坏性读出 （单管动态存储器除外），（单管动态存储器除外）， （只读存储器除外）。（只读存储器除外）。 作主存、高速缓存

3、。作主存、高速缓存。 （2 2）磁表面存储器）磁表面存储器 容量大，容量大，长期保存信息，长期保存信息， 3.3.按存取方式分类按存取方式分类 （3 3）光盘存储器）光盘存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 速度慢。速度慢。 随机存取：随机存取： 非破坏性读出，非破坏性读出， 可按地址访问存储器中的任一单元，可按地址访问存储器中的任一单元， 作外存。作外存。 （2 2）磁表面存储器）磁表面存储器 速度慢。速度慢。 利用光斑的有无表示信息。利用光斑的有无表示信息。 容量很大，容量很大，非破坏性读出，非破坏性读出， 长期保存信息，长期保存信息， 作外

4、存。作外存。 （1 1）随机存取存储器）随机存取存储器 访问时间与单元地址无关。访问时间与单元地址无关。 RAMRAM： 存取周期存取周期或或读读/ /写周期写周期 固存：固存： （2 2）顺序存取存储器（）顺序存取存储器（SAMSAM） （nsns） 可读可写可读可写 ROMROM： 只读不写只读不写 PROMPROM： 用户不能编程用户不能编程 用户可一次编程用户可一次编程 EPROMEPROM： 用户可多次编程用户可多次编程 （紫外线擦除）（紫外线擦除） EEPROMEEPROM：用户可多次编程用户可多次编程 （电擦除）（电擦除） 速度指标：速度指标： 作主存、高速缓存。作主存、高速缓存

5、。 访问时读访问时读/ /写部件按顺序查找目标地址，访问写部件按顺序查找目标地址，访问 时间与数据位置有关。时间与数据位置有关。 Flash MemoryFlash Memory 等待操作等待操作 （3 3）直接存取存储器（）直接存取存储器（DAMDAM） 平均等待时间平均等待时间 读读/ /写操作写操作 两步操作两步操作 访问时读访问时读/ /写部件先直接指向一个小区域，再在写部件先直接指向一个小区域，再在 该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。 速度指标速度指标 （msms） 数据传输率数据传输率（字节（字节/ /秒秒） 三步操作三步操作 定位

6、（寻道）操作定位（寻道）操作 等待（旋转）操作等待（旋转）操作 读读/ /写操作写操作 速度指标速度指标 平均定位（平均寻道）时间平均定位（平均寻道）时间 平均等待（平均旋转）时间平均等待（平均旋转）时间 数据传输率数据传输率 （msms） （msms） （位（位/ /秒秒） 第二节第二节 半导体存储器半导体存储器 工艺工艺 双极型双极型 MOSMOS型型 TTLTTL型型 ECLECL型型 速度很快、速度很快、功耗大、功耗大、 容量小容量小 电路结构电路结构 PMOSPMOS NMOSNMOS CMOSCMOS 功耗小、功耗小、 容量大容量大 工作方式工作方式 静态静态MOSMOS 动态动态

7、MOSMOS 存储信存储信 息原理息原理 静态存储器静态存储器SRAMSRAM 动态存储器动态存储器DRAMDRAM （双极型、静态（双极型、静态MOSMOS型）：型）： 依靠双稳态电路内部交叉反馈的机依靠双稳态电路内部交叉反馈的机 制存储信息。制存储信息。 （动态（动态MOSMOS型）：型）： 依靠电容存储电荷的原理存储信息。依靠电容存储电荷的原理存储信息。 功耗较大功耗较大, ,速度快速度快, ,作作CacheCache。 功耗较小功耗较小, ,容量大容量大, ,速度较快速度较快, ,作主存作主存。 （静态（静态MOSMOS除外）除外） 4.2.1 4.2.1 静态静态MOSMOS存储单元

8、与存储芯片存储单元与存储芯片 1.1.六管单元六管单元 （1 1）组成）组成 T1T1、T3T3：MOSMOS反相器反相器 VccVcc 触发器触发器 T3T3 T1T1 T4T4 T2T2 T2T2、T4T4：MOSMOS反相器反相器 T5T5T6T6 T5T5、T6T6：控制门管：控制门管 Z Z Z Z：字线，：字线，选择存储单元选择存储单元 位线，位线，完成读完成读/ /写操作写操作 W WW W W W、W W： （2 2）定义）定义 “0”“0”：T1T1导通，导通，T2T2截止；截止； “1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2导通。导通。 （3 3）工作）工作 T5T5、T6T

9、6Z Z：加高电平，加高电平， 高、低电平，写高、低电平，写1/01/0。 （4 4）保持）保持 只要电源正常，保证向导通管提供电流，便能维持一管导只要电源正常，保证向导通管提供电流，便能维持一管导 通，另一管截止的状态不变，通，另一管截止的状态不变，称称静态静态。 VccVcc T3T3 T1T1 T4T4 T2T2 T5T5T6T6 Z Z W WW W 导通，选中该单元。导通，选中该单元。 写入：写入：在在W W、W W上分别加上分别加 读出：读出：根据根据W W、W W上有无上有无 电流，读电流，读1/01/0。 Z Z：加低电平，加低电平， T5T5、T6T6截止，该单元未选中，保持

10、原状态。截止，该单元未选中，保持原状态。 2.2.存储芯片存储芯片 例例.SRAM.SRAM芯片芯片21142114（1 1K K4 4位）位） 外特性：外特性： 静态单元是非破坏性读出，读出后不需重写。静态单元是非破坏性读出，读出后不需重写。 地址端：地址端： 21142114（1K1K4 4） 1 19 9 10101818 A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDA6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GND VccVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE A9A9A0A0（入）（入） 数据端：数据端：

11、D3D3D0D0（入（入/ /出）出） 控制端：控制端： 片选片选CSCS = 0 = 0 选中芯片选中芯片 = 1 = 1 未选中芯片未选中芯片 写使能写使能WEWE = 0 = 0 写写 = 1 = 1 读读 电源、地电源、地 4.2.2 4.2.2 动态动态MOSMOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片 1.1.四管单元四管单元 （1 1）组成）组成 T1T1、T2T2：记忆管：记忆管 C1C1、C2C2：柵极电容：柵极电容 T3T3、T4T4：控制门管：控制门管 Z Z：字线：字线 位线位线W W、W W： （2 2）定义）定义 “0”“0”：T1T1导通，导通，T2T2截截 止止

12、“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2导通导通 T1T1 T2T2 T3T3T4T4 Z Z W WW W C1C1C2C2 （C1C1有电荷，有电荷，C2C2无电荷）；无电荷）； （C1C1无电荷，无电荷，C2C2有电荷）。有电荷）。 （3 3）工作）工作 Z Z：加高电平，加高电平，T3T3、T4T4导通，选中该单元。导通，选中该单元。 2.2.单管单元单管单元 （1 1）组成）组成 （4 4）保持）保持 T1T1 T2T2 T3T3T4T4 Z Z W WW W C1C1C2C2 写入：写入：在在W W、W W上分别加上分别加 高、低电平，写高、低电平，写1/01/0。 读出：读出：

13、W W、W W先预充电至先预充电至 再根据再根据W W、W W上有无电流，上有无电流， 高电平，断开充电回路，高电平，断开充电回路， 读读1/01/0。 Z Z：加低电平，加低电平，T3T3、T4T4截止，该单元未选中，保持原状态。截止，该单元未选中，保持原状态。 需定期向电容补充电荷（动态刷新），需定期向电容补充电荷（动态刷新），称称动态动态。 四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。 C C：记忆单元：记忆单元 C C W W Z Z T T T T：控制门管：控制门管 Z Z：字线：字线W W：位线：位线 3.3.存储芯片存储芯片 （2 2

14、）定义）定义 （4 4）保持）保持 写入：写入：Z Z加高电平，加高电平，T T导通，导通，在在W W上加高上加高/ /低电平，写低电平，写1/01/0。 读出：读出：W W先预充电，先预充电， 根据根据W W线电位的变化，读线电位的变化，读1/01/0。 断开充电回路。断开充电回路。 Z Z：加低电平，加低电平，T T截止，该单元未选中，保持原状态。截止，该单元未选中，保持原状态。 单管单元是破坏性读出，读出后需重写。单管单元是破坏性读出，读出后需重写。 “0”“0”：C C无电荷，电平无电荷，电平V0V0（低）（低） C C W W Z Z T T 外特性：外特性： “1”“1”：C C有

15、电荷，电平有电荷，电平V1V1（高）（高） （3 3）工作）工作 Z Z加高电平，加高电平，T T导通，导通， 例例.DRAM.DRAM芯片芯片21642164（6464K K1 1位）位） 地址端：地址端： 21642164（64K64K1 1） 1 18 8 9 91616 GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A7GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A7 A7A7A0A0（入）（入） 数据端：数据端： DiDi（入）（入） 控制端：控制端： 片选片选 写使能写使能WEWE = 0 = 0 写写 = 1 = 1 读读 电源、地电源、地 空闲空闲/ /刷新刷新 Di WE

16、RAS A0 A2 A1 VccDi WE RAS A0 A2 A1 Vcc 分时复用，提供分时复用，提供1616位地址。位地址。 DoDo（出）（出） 行地址选通行地址选通RASRAS 列地址选通列地址选通CASCAS ：=0=0时时A7A7A0A0为行地址为行地址 高高8 8位地址位地址 ：=0=0时时A7A7A0A0为列地址为列地址 低低8 8位地址位地址 1 1脚未用，或在新型号中用于片内自动刷新。脚未用，或在新型号中用于片内自动刷新。 4.2.3 4.2.3 半导体存储器逻辑设计半导体存储器逻辑设计 需解决：需解决：芯片的选用、芯片的选用、 例例1.1.用 用21142114（1K1

17、K4 4）SRAMSRAM芯片组成容量为芯片组成容量为4K4K8 8 的存储器。地址总线的存储器。地址总线A15A15A0A0（低）（低）, ,双向数据双向数据 总线总线D7D7D0D0（低）（低）, ,读读/ /写信号线写信号线R/WR/W。 给出芯片地址分配与片选逻辑给出芯片地址分配与片选逻辑, ,并画出并画出M M框图。框图。 1.1.计算芯片数计算芯片数 动态动态M M的刷新、的刷新、 （1 1）先扩展位数，再扩展单元数。）先扩展位数，再扩展单元数。 主存的组织主存的组织涉及：涉及： 主存的校验。主存的校验。 地址分配与片选逻辑、地址分配与片选逻辑、 信号线的连接。信号线的连接。 2

18、2片片1K1K4 4 1K1K8 8 4 4组组1K1K8 8 4K4K8 8 8 8片片 M M的逻辑设计、的逻辑设计、 存储器寻址逻辑存储器寻址逻辑 2.2.地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑 （2 2）先扩展单元数，再扩展位数。）先扩展单元数，再扩展位数。 4 4片片1K1K4 4 4K4K4 4 2 2组组4K4K4 4 4K4K8 8 8 8片片 芯片内的寻址系统芯片内的寻址系统( (二级译码二级译码) ) 芯片外的芯片外的地址分配地址分配与与片选逻辑片选逻辑 为芯片分配哪几位地址，为芯片分配哪几位地址， 以便寻找片内的存储单以便寻找片内的存储单 元元 由哪几位地址形由哪几位地址形

19、 成芯片选择逻辑，成芯片选择逻辑， 以便寻找芯片以便寻找芯片 存储空间分配：存储空间分配： 4KB4KB存储器在存储器在1616位地址空间（位地址空间（64KB64KB）中占据）中占据 任意连续区间。任意连续区间。 64KB64KB 1K1K4 41K1K4 4 1K1K4 41K1K4 4 1K1K4 41K1K4 4 1K1K4 41K1K4 4 需需1212位地址位地址 寻址：寻址： 4KB4KB A A1515A A1212A A1111A A1010A A9 9A A0 0 A11A11A0A0 0 0 0 0 0 0 0 0 任意值任意值 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0

20、 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 片选片选 芯片地址芯片地址 低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑 1K1K 1K1K 1K1K 1K1K A9A9A0A0 A9A9A0A0 A9A9A0A0 A9A9A0A0 CS0CS0 CS1CS1 CS2CS2 CS3CS3 A A1111A A1010 A A1111A A1010 A A111

21、1A A1010 A A1111A A1010 3.3.连接方式连接方式 （1 1）扩展位数）扩展位数 4 1K4 1K4 4 10 1K4 1K4 4 10 1K4 1K4 4 10 4 1K4 1K4 4 10 44 A9A0 D7D4 D3D0 4 4 R/W A11 A10 CS3 A11 A10 CS0 A11 A10 CS1 A11 A10 CS2 （2 2）扩展单元数）扩展单元数 （3 3）连接控制线）连接控制线 （4 4）形成片选逻辑电路）形成片选逻辑电路 某半导体存储器，按字节编址。其中，某半导体存储器，按字节编址。其中， 0000H0000H 07FFH07FFH为为ROM

22、ROM区，选用区，选用EPROMEPROM芯片芯片 （2KB/2KB/片）；片）；0800H0800H13FFH13FFH为为RAMRAM区，选用区，选用 RAMRAM芯片（芯片（2KB/2KB/片和片和1KB/1KB/片）。地址总线片）。地址总线 A15A15A0A0（低）。给出地址分配和片选逻辑（低）。给出地址分配和片选逻辑。 例例2.2. 1.1.计算容量和芯片数计算容量和芯片数 ROMROM区：区：2KB 2KB RAMRAM区：区：3KB 3KB 存储空间分配：存储空间分配： 2.2.地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑 先安排大容量芯片（放地址先安排大容量芯片（放地址 低端），再安

23、排小容量芯片。低端），再安排小容量芯片。 便于拟定片选逻辑。便于拟定片选逻辑。 共共3 3片片 A A1515A A1414A A1313A A1212A A1111A A1010A A9 9A A0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 00 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 00 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。低位地址分配

24、给芯片，高位地址形成片选逻辑。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑 2K2K 2K2K 1K1K A10A10A0A0 A10A10A0A0 A9A9A0A0 CS0CS0 CS1CS1 CS2CS2 A A1212A A1111 A A1212A A1111 A A1212A A1111 5KB5KB 需需1313 位地位地 址寻址寻 址：址： ROMROM A12A12A0A0 64KB64KB 1K1K 2K2K 2K2K RAMRAM A A1010 A A1515A A1414A A1313为全为全0 0 4.2.4 4.2.4 动态存储器的刷新动态存储器

25、的刷新 1.1.刷新定义和原因刷新定义和原因 定定义：义： 刷新。刷新。 动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源 供电，时间一长电容电荷会泄放，需定期向电容供电，时间一长电容电荷会泄放，需定期向电容 补充电荷，以保持信息不变。补充电荷，以保持信息不变。 定期向电容补充电荷定期向电容补充电荷 原因：原因： 注意注意刷新刷新与与重写重写的区别。的区别。 破坏性读出破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。后重写，以恢复原来的信息。 2.2.最大刷新间隔最大刷新间隔 在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。 非破坏性读出非破

26、坏性读出的动态的动态M M，需补充电荷以保持原来的信息。，需补充电荷以保持原来的信息。 2ms2ms。 3.3.刷新方法刷新方法 按行读。按行读。 刷新一行所用的时间刷新一行所用的时间刷新周期刷新周期 （存取周期）（存取周期） 刷新一块芯片所需的刷新一块芯片所需的刷新周期数刷新周期数由芯片矩阵的由芯片矩阵的行数行数决定。决定。 对主存的访问对主存的访问 由由CPUCPU提供行、列地址，提供行、列地址， 随机访问。随机访问。 2ms2ms内集中安排所有刷新周期。内集中安排所有刷新周期。 CPUCPU访存：访存： 4.4.刷新周期的安排方式刷新周期的安排方式 死区死区 用在实时要用在实时要 求不高

27、的场求不高的场 合。合。 动态芯片刷新：动态芯片刷新： 由刷新地址计数器由刷新地址计数器 提供行地址，定时刷新。提供行地址，定时刷新。 （1 1）集中刷新）集中刷新 R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新 2ms2ms 50ns50ns （2 2）分散刷新）分散刷新 各刷新周期分散安排在存取周期中。各刷新周期分散安排在存取周期中。 R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新 100ns100ns 用在低速系用在低速系 统中。统中。 2ms2ms （3 3）异步刷新）异步刷新 例例. . 各刷新周期分散安排在各刷新周期分散安排在2ms2ms内。内。 用在大多数计算机中。用在大多数计算机中。 每隔

28、一段时间刷新一行。每隔一段时间刷新一行。 128128行行 15.6 15.6 微秒微秒 每隔每隔15.615.6微秒提一次刷新请求，微秒提一次刷新请求， 刷新一行；刷新一行；2 2毫秒内刷新完所有毫秒内刷新完所有 行。行。 R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W 15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒 刷新请求刷新请求刷新请求刷新请求 （DMADMA请求）请求）（DMADMA请求）请求） 第三节第三节 磁表面存储器磁表面存储器 4.3.1 4.3.1 存储原理与技术指标存储原理与技术指标 1.1.读写原理读写

29、原理 存储介质：存储介质：磁层磁层 读读/ /写部件：写部件：磁头磁头 （1 1）写入）写入 在磁头线圈中加入磁化电流（在磁头线圈中加入磁化电流（写电流写电流），并），并 使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化 区域（区域（位单元位单元）。）。演示演示 （2 2）读出）读出 磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的 转变区转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生经过磁头下方时，在线圈两端产生感应感应 电势电势。 读出信号读出信号 磁通变化的区域磁通变化的区域 2.2.技术指标技术指标 道密度：道密度： （1 1）记录密度

30、）记录密度 （2 2）存储容量）存储容量 位密度：位密度： 单位长度内的磁道数。单位长度内的磁道数。 磁道上单位长度内的磁道上单位长度内的 二进制代码数。二进制代码数。 非格式化容量：非格式化容量： 格式化容量：格式化容量： 总位数总位数 用位密度计算。用位密度计算。 有效位数有效位数 用扇区內的数据块用扇区內的数据块 长度计算。长度计算。 （3 3）速度指标）速度指标 平均存取时间平均存取时间 带：带：平均等待时间平均等待时间 盘：盘：平均定位、平均旋转时间平均定位、平均旋转时间 衡量查找速度衡量查找速度 msms 数据传输率数据传输率衡量读衡量读/ /写速度写速度 b/sb/s、B/sB/

31、s 4.3.2 4.3.2 磁盘存储器磁盘存储器 适用于调用较频繁的场合，常作为主存的直适用于调用较频繁的场合，常作为主存的直 接后援。接后援。 磁盘磁盘 磁盘控制器磁盘控制器 磁盘驱动器磁盘驱动器 + + 接口接口磁盘适配器磁盘适配器 盘片、磁头盘片、磁头 定位系统、传动系统定位系统、传动系统 1.1.组成组成 （1 1）软盘信息分布与寻址信息）软盘信息分布与寻址信息 1 1）信息分布）信息分布 盘片：盘片： 单片，双面记录。单片，双面记录。 磁道：磁道： 盘片旋转一周，磁头的作用区域。盘片旋转一周，磁头的作用区域。 扇区：扇区： 磁道上长度相同的区段。磁道上长度相同的区段。存放数据块。存放

32、数据块。 各道容量相同各道容量相同, ,各道位密度不同各道位密度不同, ,内圈位密度最高。内圈位密度最高。 非格式化容量非格式化容量 = =内圈位密度内圈位密度内圈周长内圈周长道数道数/ /面面面数面数 驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号、扇区数驱动器号、磁头号、磁道号、扇区号、扇区数 2 2）寻址信息）寻址信息 盘组：盘组： 多个盘片，双面记录。多个盘片，双面记录。 各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱 面。面。 圆柱面：圆柱面： 扇区（定长记录格式）扇区（定长记录格式） 格式化容量格式化容量 = =字节数字节数/ /扇区扇区扇区数扇区数/ /道道道数道数/ /面面面数面数 （2 2）硬盘信息分布与寻址信息）硬盘信息分布与