计算机组成原理(存储器)课件

1、College of computer science, SWPUComputer ScienceComputer Science计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)主要知识点：主要知识点：掌握存储器的分类、存储系统的层次结构掌握存储器的分类、存储系统的层次结构掌握存储单元、存储容量、地址线、数据线的关系掌握存储单元、存储容量、地址线、数据线的关系 3. 掌握用半导体存储芯片组成主存储器的方法掌握用半导体存储芯片组成主存储器的方法了解辅助存储器的工作原理了解辅助存储器的工作原理 5. 掌握掌

2、握ache和虚拟存储器的工作原理和虚拟存储器的工作原理重点：重点：半导体存储器，存储系统的层次结构、各类存储器的特点、主半导体存储器，存储系统的层次结构、各类存储器的特点、主存储器的组织方法（与存储器的组织方法（与CPU的连接方法），的连接方法），cache，虚拟存储器，虚拟存储器难点：难点：主存储器的组织方法，主存储器的组织方法，ache、虚拟存储器的工作原理、虚拟存储器的工作原理计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器) CPU CPU Cache Cache 主存主存 外存外存 对某类存储器

3、而言，对某类存储器而言，这些要求往往是相互矛这些要求往往是相互矛盾的，如容量大，速度盾的，如容量大，速度不能很快；速度快，成不能很快；速度快，成本不可能低；因此，在本不可能低；因此，在一个存储系统常采用几一个存储系统常采用几种不同的存储器，构成种不同的存储器，构成多级存储体系，满足系多级存储体系，满足系统的要求。统的要求。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)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存放大量的后备程序和数据。存放大量的

4、后备程序和数据。速度较慢速度较慢容量大容量大存放存放CPUCPU在当前一小段时间在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。内多次使用的程序和数据。速度很快速度很快容量小容量小计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)RAM:

5、RAM:MROMMROM：可读可写可读可写ROM:ROM: 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EEPROMEEPROM： 用户可多次编程用户可多次编程SRAM:SRAM:DRAM:DRAM:计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)等待操作等待操作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）存取周期或读存

6、取周期或读/ /写周期写周期（nsns）速度指标：速度指标：时钟周期的若干倍时钟周期的若干倍作主存、高速缓存。作主存、高速缓存。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)三步操作三步操作定位（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（位（位/ /秒）秒）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Sci

7、ence, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器) 半半导导体体存存储储器器 只读只读 存储器存储器 ROMROM 随机读写随机读写存储器存储器RAMRAM 掩膜掩膜 ROMROM 可编程可编程ROM ROM （ PROMPROM ） 可擦除可擦除ROM ROM （ EPPROMEPPROM ） 电擦除电擦除ROM ROM （ E E2 2PROMPROM ） 静态静态 RAM RAM （ SRAMSRAM ） 动态动态 RAM RAM （

8、DRAMDRAM ） 随机存取存储器随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失可读可写、断电丢失只读存储器只读存储器ROM：正常情况下只读、断电不丢失正常情况下只读、断电不丢失计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器) RAM（radom access memry，随机存取存储器）要求元，随机存取存储器）要求元件有如下记忆特性：件有如下记忆特性： 有两种稳定状态；有两种稳定状态； 在外部信号的激励下，两种稳定状态能进行无限次相互转换；在外部信号的激励下，两种稳定状态能进行无限次相互转换； 在外部信号

9、激励下，能读出两种稳定状态；在外部信号激励下，能读出两种稳定状态； 可靠地存储。可靠地存储。 半导体半导体RAM元件可以分为两大类：元件可以分为两大类： SRAM：是利用开关特性进行记忆，只要电源有电，它总能保持是利用开关特性进行记忆，只要电源有电，它总能保持两个稳定状态中的一个状态。两个稳定状态中的一个状态。 DRAM：除要电源有电外，还必须动态地每隔一定的时间间隔对：除要电源有电外，还必须动态地每隔一定的时间间隔对它进行一次刷新，否则信息就会丢失。它进行一次刷新，否则信息就会丢失。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理

10、计算机组成原理(存储器存储器)1.掩模型只读存储器掩模型只读存储器MROM 以以有无元器件表示有无元器件表示0和和1，MROM芯片出厂时，芯片出厂时，已经写入信息，不能改写已经写入信息，不能改写 用于需要量大且不需要改写的场合用于需要量大且不需要改写的场合计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)W0W1b0b1b2熔丝型熔丝型PROM计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)3. EPROM：可擦除

11、可编程：可擦除可编程ROM UVEPROM （ultraviolet erasable programmable ROM）u紫外线擦除（紫外线擦除（有一石英窗口，改写时要将其置于一定波有一石英窗口，改写时要将其置于一定波长的紫外线灯下，照射一定时间长的紫外线灯下，照射一定时间全部擦除，时间长大约全部擦除，时间长大约1025分钟）分钟）uEPROM存在两个问题存在两个问题: A. 用紫外线灯的擦除时间长用紫外线灯的擦除时间长. B. 只能整片擦除只能整片擦除,不能改写个别单元或个别不能改写个别单元或个别位位计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, S

12、WPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)带宽带宽BM:指每秒访问二进制位的数目指每秒访问二进制位的数目。 BM=W/ TM若若TM=500ns,W=16位位, BM=16/0.5=32Mbps则则要提高要提高BM:使使TM 使使W 增加存储体增加存储体计算机组成原理计算机组成原理 College of Com

13、puter Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)存储体存储体时序控制电路时序控制电路驱动电路驱动电路地址译码器地址译码器地址寄存器地址寄存器MAR数据数据寄存寄存器器MDR读读写写电电路路数据总线数据总线地址总线地址总线计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)地地址址寄寄存存器器地地址址译译码码存储体存储体控制电路控制电路A

14、B数数据据寄寄存存读读写写电电路路DBOEWECS计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)单元地址单元地址00000001.XXXX存储单元存储单元存储元存储元存储容量存储容量存储体存储体地址线：决定了存储器的存储容量地址线：决定了存储器的存储容量数据线：一次访问存储器所得到数据位数数据线：一次访问存储器所得到数据位数计算机组成原理计算机组成原理 Colle

15、ge of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)使能使能输入输入编码编码输出输出编码编码映射映射n位二进制码位二进制码2n中取中取1码码1 1、译码器、译码器（decoder）：将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)n 位位二进制代码二进制代码 2 2n n 位位译码输出译码输出二进制二进制译码器译码器 译码输出译码输出100011010001

16、001010000100Y3Y2Y1Y0A0A1译码输入译码输入译码输出高电平有效译码输出高电平有效译码输出译码输出11111111Y3Y2Y1Y0A0A1译码输入译码输入0000111101110100译码输出低电平有效译码输出低电平有效1 1、译码器、译码器（decoder）：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2-4译码器译码器Y0Y1Y2Y3A1A0EN引脚功能图引脚功能图74LS138A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7SCSBSAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y73-8译码

17、器译码器1 1、译码器、译码器（decoder）：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)译译码码器器A5A4A3A2A1A06301存储单元存储单元64个单元行行译译码码A2A1A0710列译码列译码A3A4A501764个单元单译码双译码计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组

18、成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器) 位扩展法位扩展法数据线的连接数据线的连接 字扩展法字扩展法地址线的连接地址线的连接 字位同时扩展法字位同时扩展法 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)一、位扩展方式 当芯片的容量和主存容量相同

19、，而当芯片的容量和主存容量相同，而位数不足位数不足时，就要时，就要对位数进行扩展，称为对位数进行扩展，称为位扩展位扩展 位扩展法的要点：位扩展法的要点： “位的并联位的并联”：各各芯片的数据线芯片的数据线与与CPU数据线数据线的各对的各对应位拼接应位拼接 各芯片的片选线应连在一起，各芯片的片选线应连在一起，合用一个片选信号合用一个片选信号。 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)例例1： 用用8片片8K*1的芯片组成一个的芯片组成一个 8K*8的存储器的存储器计算机组成原理计算机组成原理 Co

20、llege of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2114（1K*4）1042114（1K*4）1042114（1K*4）1042114（1K*4）1044444D D15D D0CSCSA A9A A0WEWE位扩展法组成的位扩展法组成的 1K*16 的存储器的存储器例例2： 用用4片片1K*4的的2114芯片组成一个芯片组成一个 1K*16的存储器。的存储器。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2、字扩展方式 当芯片字长与主存相同，

21、而当芯片字长与主存相同，而容量不足容量不足时，就需要用几片存时，就需要用几片存储器芯片组成组成容量较大的存储器，称为储器芯片组成组成容量较大的存储器，称为字扩展字扩展。 字扩展法的要点：字扩展法的要点： 各芯片的数据线与各芯片的数据线与CPUCPU数据线的各对应位串接数据线的各对应位串接在一起在一起 各芯片的各芯片的片选线要分开片选线要分开，分别与，分别与CPUCPU地址总线的高位地址地址总线的高位地址译码后的片选信号相连译码后的片选信号相连 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)v 例例3：

22、用：用Intel2114（1K*4）芯片，组成）芯片，组成4K*4的存储器。的存储器。1、 计算分析：计算分析：v 2114的规格为的规格为1K*4，芯片地址线，芯片地址线10条条(A9A0)，数据线，数据线4条条 v 需需4片片2114，系统地址线，系统地址线12条条(A11A10为片选线为片选线)，数据线，数据线4条条 A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 000-3FF 1K 400-7FF 1K 800-BFF 1K C00-FFF 1K 2

23、2、 片选及片选及地址分析：地址分析：计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2114（1K*4）1042114（1K*4）1042114（1K*4）1042114（1K*4）1044D D3D D0CSCSA A9A A0WEWE0CSCS1CSCS2CSCS3译码器00011011A A10A A11字扩展法组成的字扩展法组成的4K*4 的存储器的存储器计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)

24、计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)字扩展法字扩展法组成组成64K8存储空间存储空间计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器) 2 2片片1K1K4 4 1K1K8 8 4 4组组1K1K8 8 4K4K8 8 8 8片片 4 4片片1K1K4 4 4K4K

25、4 4 2 2组组4K4K4 4 4K4K8 8 8 8片片 计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)存储器寻址逻辑存储器寻址逻辑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元以便寻找片内的存储单元由哪几位地址形成芯由哪几位地址形成芯片选择逻辑，以便寻片选择逻辑，以便寻找芯片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

26、（64KB64KB）中占据）中占据任意连续区间。任意连续区间。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)64KB64KB1K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 4需需1212位地址位地址寻址：寻址：4KB4KBA A1515A A1212A A1111A A1010A A9 9A A0 0A11A11A0A00 0 0 0 0 0 0 0任意值任意值 0 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 11 0 1 0 1

27、 1 1 10 1 0 1 0 0 0 01 0 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 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1K1K1K1K1K1K1K1KA9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2CS3CS3A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A1010计算机组成原理计算机组成原理 Col

28、lege of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)连接方式连接方式（1 1）扩展位数）扩展位数4 1K4 1K4410 1K4 1K4410 1K4 1K44104 1K4 1K441044A9A0D7D4D3D044R/WA11 A10CS3A11 A10CS0A11 A10CS1A11 A10CS2（2 2）扩展单元数）扩展单元数 （3 3）连接控制线）连接控制线形成片选逻辑电路形成片选逻辑电路计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)已知

29、已知RAM芯片和地址译码器的引脚如图所示，试回答如下问题：芯片和地址译码器的引脚如图所示，试回答如下问题：（1）若要求构成一个）若要求构成一个8K8的的RAM 存储器，需几片这样的芯片？存储器，需几片这样的芯片？设设RAM存储器占用起始地址为存储器占用起始地址为E1000H的连续地址空间，若采用的连续地址空间，若采用全地址译码方式译码，试画出存储器系统与全地址译码方式译码，试画出存储器系统与CPU电路连接图。电路连接图。（2）试写出每块）试写出每块RAM芯片的地址空间。芯片的地址空间。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理

30、计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)对主存的访

31、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。CPUCPU访存：访存：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。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2ms2ms内集中安排所有刷新周期。内集中安排所有刷新周期。死区死区用在实时要用在实时要求不高的场求不高的场合。合。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新2ms2ms50ns50ns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。

32、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。计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)2ms2ms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/W

33、R/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W15.6 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）计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)有效信息位有效信息位+ +校验位校验位校验码校验码译码检测译码检测计算机组成原理计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU计算机组成原理计算机组成原理(存储器存储器)如：偶校验如：偶校验码距码距d=2d=21011001 1011001 0 0 1 1 通过统计校验码中通过统