大学计算机组成原理教程(第2版)第6章

1、6.1计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 4 主存储器主存储器 6. 5 高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache 6. 6 虚拟存储器虚拟存储器 2022-3-46.2计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 按处理器是否直接访问，分为按处理器是否直接访问，分为主存主存和和辅存辅存按掉电后信息是否丢失，分为按掉电后信息是否丢失，分

2、为易失性存储器易失性存储器和和非易失非易失性存储器性存储器。按支持的访问类型来分，分为按支持的访问类型来分，分为可读可读/写存储器写存储器和和只读只读存储器存储器ROM。按访问方式的不同，分为按访问方式的不同，分为按地址访问的存储器按地址访问的存储器、按内按内容访问的存储器容访问的存储器CAM和和指定位置访问的存储器指定位置访问的存储器。也叫相联存储器也叫相联存储器 例如堆栈例如堆栈 2022-3-46.3计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 按实现介质来分，存储器有按实现介质来分，存储器有半导体存储器半导

3、体存储器、磁表面存磁表面存储器储器、光盘存储器光盘存储器和和铁电存储器铁电存储器等。等。 按访问周期是否均等，存储器可分为按访问周期是否均等，存储器可分为随机访问存储器随机访问存储器RAM和和顺序访问存储器顺序访问存储器。所有的半导体存储器都是随机访问存储器所有的半导体存储器都是随机访问存储器所有的磁表面存储器和光盘存储器都是非易失性存储器所有的磁表面存储器和光盘存储器都是非易失性存储器2022-3-46.4计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 1. 1 存储器的分类存储器的分类 容量容量速度速度成本成本 一个存储系统通常由若干存储芯片组成。

4、存储芯一个存储系统通常由若干存储芯片组成。存储芯片的规格表示为：片的规格表示为： 存储单元数目存储单元数目 存储字长。存储字长。 例如，例如，1K 1表示一个具有表示一个具有1024个存储单元的存储个存储单元的存储字长为字长为1的存储芯片，的存储芯片，2 K 4表示一个具有表示一个具有2048个存储个存储单元的存储字长为单元的存储字长为4的存储芯片。的存储芯片。 6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 常用的单位有兆字节常用的单位有兆字节MB或千字节或千字节KB2022-3-46.5计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 容量容量速度速度成

5、本成本 Ta是指从读是指从读/写存储器开始到存储器发出完成信号的写存储器开始到存储器发出完成信号的时间间隔。时间间隔。Tc是指从一个读是指从一个读/写写/存储器操作开始到下一存储器操作开始到下一个存储器操作能够开始的最小时间间隔。个存储器操作能够开始的最小时间间隔。TcTa。 存储器带宽是每秒传送的二进制位数。例如，一个存储器带宽是每秒传送的二进制位数。例如，一个存储器芯片的存储器芯片的Tc=100ns，每个访问周期可以读，每个访问周期可以读/写写16位，位，则该存储器的带宽则该存储器的带宽=16b/100ns=160Mb/s。提高存储器带。提高存储器带宽是计算机组成设计的重点宽是计算机组成设

6、计的重点 。 6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 访问时间访问时间Ta、访问周期、访问周期Tc和存储器带宽和存储器带宽 2022-3-46.6计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 容量容量速度速度成本成本6. 1. 2 存储器的性能评价存储器的性能评价 也称价格，一般有两个指标：存储系统也称价格，一般有两个指标：存储系统总的拥有成本和每存储位的成本。总的拥有成本和每存储位的成本。前者指构成整个计算机存储系统的所有前者指构成整个计算机存储系统的所有存储器件及相关设备的购买总成本；存储器件及相关设备的购买总成本；后者等于存储芯片的容量（位

7、）除以存后者等于存储芯片的容量（位）除以存储芯片的价格。储芯片的价格。 2022-3-46.7计算机组成原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理 经过对处理器访问主存储器情况的统计发现，无经过对处理器访问主存储器情况的统计发现，无论是取指令还是存取数据，处理器访问的存储单元趋论是取指令还是存取数据，处理器访问的存储单元趋向于聚集在一个相对较小的连续存储单元区域内。这向于聚集在一个相对较小的连续存储单元区域内。

8、这种现象称为存储器访问的种现象称为存储器访问的局部性原理局部性原理。2022-3-46.8计算机组成原理计算机组成原理6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理n访问局部性表现为访问局部性表现为时间局部性时间局部性和和空间局部性空间局部性。n时间局部性时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。信息。空间局部性空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。信息旁边。n一个程序在某个时间段内访问的主存储器空间

9、范围称一个程序在某个时间段内访问的主存储器空间范围称为该程序的为该程序的工作集工作集。对大多数程序而言，工作集的变。对大多数程序而言，工作集的变化十分缓慢，有时甚至是不变的化十分缓慢，有时甚至是不变的。 2022-3-46.9计算机组成原理计算机组成原理6. 2 存储器访问的局部性原理与存储器访问的局部性原理与 层次结构存储系统层次结构存储系统 6. 2. 1 存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理 用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、速度快、价格低。速度快、价格低。 在现有存储器工艺技术水平下，上述要求无法满在现有存储器工艺技术水平下，上

10、述要求无法满足。容量大的存储器在速度上通常要比容量小的存储足。容量大的存储器在速度上通常要比容量小的存储器慢。速度快的存储器在价格上通常要比速度慢的存器慢。速度快的存储器在价格上通常要比速度慢的存储器贵。储器贵。 6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统2022-3-46.10计算机组成原理计算机组成原理 这需要利用存储器访问的局部性原理，选择不同这需要利用存储器访问的局部性原理，选择不同容量、速度和价格的存储器来构造一个层次结构的存容量、速度和价格的存储器来构造一个层次结构的存储系统。即把最近频繁访问的一小部分信息存放在速储系统。即把最近频繁访问的一小部分信息存放在速度快、容量小的存

11、储器中，而信息的全部存放在速度度快、容量小的存储器中，而信息的全部存放在速度慢、容量大的存储器。慢、容量大的存储器。6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统低一级存储器低一级存储器高一级高一级存储器存储器读读a写写a块块X块块 Y块块X处处理理器器aa2022-3-46.11计算机组成原理计算机组成原理 计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次是采用高速缓冲存储器的次是采用高速缓冲存储器的“Cache 主存主存”层次层次，以，以及基于虚拟存储器的及基于虚拟存储器的“主存主存 辅存辅存”层次层次。 前者能提高存储系统的等效访问速度，即弥补主前

12、者能提高存储系统的等效访问速度，即弥补主存储器在速度上的不足；后者扩大了存储系统的容量存储器在速度上的不足；后者扩大了存储系统的容量，即弥补主存储器在容量上的不足。，即弥补主存储器在容量上的不足。6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统 若要访问的信息在高一级存储器中找到，则称为若要访问的信息在高一级存储器中找到，则称为命中命中，否则称为不命中或，否则称为不命中或失效失效。命中率命中率是指对层次结是指对层次结构存储系统中的某一级存储器来说，要访问的数据正构存储系统中的某一级存储器来说，要访问的数据正在这一级中的比率。在这一级中的比率。 2022-3-46.12计算机组成原理计算机组成原

13、理 设第设第1级和第级和第2级存储器分别用级存储器分别用M1和和M2表示。设表示。设执行一组有代表性的程序后，测得对执行一组有代表性的程序后，测得对M1和和M2访问的访问的次数分别为次数分别为R1和和R2，则，则M1的命中率的命中率H为为 6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统 这里假设采用的存储管理策略为处理器对这里假设采用的存储管理策略为处理器对M1和和M2的访问是同时启动的。若在的访问是同时启动的。若在M1中取到了目标数据中取到了目标数据则访存结束；否则直接从则访存结束；否则直接从M2读取，而不是等待目标数读取，而不是等待目标数据从据从M2送到送到M1后再从后再从M1中读取。中

14、读取。112RHRR2022-3-46.13计算机组成原理计算机组成原理 整个存储层次的平均访存周期整个存储层次的平均访存周期Tc与与M1和和M2的访的访存周期存周期Tc1和和Tc2的关系为的关系为 6. 2. 2 层次结构存储系统层次结构存储系统层次结构存储系统的平均字节价格层次结构存储系统的平均字节价格C为为 C = (C1 S1 + C2 S2 ) / (S1 + S2) 式中，式中，C1和和S1分别为分别为M1的单位字节价格和容量，的单位字节价格和容量，C2和和S2分别为分别为M2的单位字节价格和容量。的单位字节价格和容量。cc1c2(1)TH THT2022-3-46.14计算机组成

15、原理计算机组成原理6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 6. 2 存储器访问的局部性原理与层次结构存储系统存储器访问的局部性原理与层次结构存储系统 6. 3 半导体存储器半导体存储器 根据存储的信息是否可以读根据存储的信息是否可以读/写，半导体存储器分为写，半导体存储器分为随机访问半导体存储器（随机访问半导体存储器（RAM）和只读半导体存储器（）和只读半导体存储器（ROM）。其中）。其中RAM是可读、可写的；而是可读、可写的；而ROM中的内容中的内容是事先写入的，不会因读取而丢失，在工作时只能对其进是事先写入的，不会因读取而丢失，在工作时只能对其进行读操作，不能写入新的内容。

16、行读操作，不能写入新的内容。 当然，作为半导体存储器，它们都是随机访问型的，当然，作为半导体存储器，它们都是随机访问型的，即访问任何一个单元的时间是相等的，与单元的地址大小即访问任何一个单元的时间是相等的，与单元的地址大小无关。无关。2022-3-46.15计算机组成原理计算机组成原理6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 根据存储原理的不同，根据存储原理的不同，RAM分为分为静态静态RAM ( Statically RAM，SRAM ) 动态动态RAM ( Dynamical RAM，DRAM ) 前者利用电流的开关特性来表示信息前

17、者利用电流的开关特性来表示信息0/1， 后者靠栅极电容上的电荷来表示信息后者靠栅极电容上的电荷来表示信息0/1。 2022-3-46.16计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM （1）SRAM的分类与工作原理的分类与工作原理 SRAM采用的开关元件，有双极型和采用的开关元件，有双极型和MOS型两种。型两种。 双极型双极型SRAM电路驱动能力强，开关速电路驱动能力强，开关速度快，存取周期短，速度快，但是成本度快，存取周期短，速度快，但是成本高，功耗大，主要用于高性能计算机，高，功耗大，主要用于高性能计算机，在微型计算机中应用较少

18、。在微型计算机中应用较少。 MOS管的逻辑符号如右图所示。管的逻辑符号如右图所示。 当控制端当控制端W为高电位时，为高电位时，MOS管导通，管导通，即即R点与点与VCC同电位。同电位。 2022-3-46.17计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM 常用常用6个个MOS管来构成一个存储基元（即存储一管来构成一个存储基元（即存储一位二进制数的电路单元），如下图所示。图中位二进制数的电路单元），如下图所示。图中T1，T2组成双稳态触发器；组成双稳态触发器；T3，T4作为阻抗；作为阻抗；T5，T6作为存作为存储基元的选中开关储基元的

19、选中开关 。2022-3-46.18计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM （2）SRAM的组成与地址译码的组成与地址译码 在半导体存储器内部，若干存储基元组成存储一个在半导体存储器内部，若干存储基元组成存储一个信息字的存储单元，存储单元按行、分列排列起来构成信息字的存储单元，存储单元按行、分列排列起来构成一个存储单元阵列。再配上读一个存储单元阵列。再配上读/写控制电路、写控制电路、 地址译码地址译码电路和控制电路，就构成了一个存储芯片。电路和控制电路，就构成了一个存储芯片。 对存储器的访问是针对一个特定的存储单元进行的对存储

20、器的访问是针对一个特定的存储单元进行的，而这个存储单元的选择、确定是通过对输入的地址进，而这个存储单元的选择、确定是通过对输入的地址进行译码来实现的。半导体存储器的地址译码有两种方式行译码来实现的。半导体存储器的地址译码有两种方式：单译码单译码和和双译码双译码。 2022-3-46.19计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM （2）SRAM的组成与地址译码的组成与地址译码 单译码只用一个译码电路来将地址信号变换成选中单译码只用一个译码电路来将地址信号变换成选中信号。这种选中信号称为字选择信号，用它来选中一个信号。这种选中信号称

21、为字选择信号，用它来选中一个存储单元。下图为采用单译码方式的存储单元。下图为采用单译码方式的16 4位存储芯片的位存储芯片的组成结构组成结构 。 2022-3-46.20计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM （2）SRAM的组成与地址译码的组成与地址译码 双译码用两个译码电路（称为双译码用两个译码电路（称为X译码器和译码器和Y译码器）译码器），分别产生行选择信号和列选择信号，行选择信号和列，分别产生行选择信号和列选择信号，行选择信号和列选择信号同时有效的存储单元为被选中的存储单元。选择信号同时有效的存储单元为被选中的存储单元

22、。 双译码方式双译码方式的的256 1位位 存储芯片的存储芯片的组成结构组成结构 2022-3-46.21计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM SRAM存储芯片的引脚主要有：存储芯片的引脚主要有：地址信号引脚地址信号引脚A0，A1，A2，数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，芯片选择信号引脚芯片选择信号引脚CS或或CE。写命令信号引脚写命令信号引脚WE。数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚OE。1.电源引脚和接地引脚电源引脚和接地引脚VCC和和GND。 （3）SRAM的外特性与读写时序的外特性与读写时序2022-3-

23、46.22计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM 典型的典型的SRAM有有2114(1K 4位位)，6116(2K8位位)，6264 (8K8位位)，62256(32K8位位)等。等。2114 SRAM芯片的逻辑表示芯片的逻辑表示引脚说明引脚说明 2022-3-46.23计算机组成原理计算机组成原理2114 SRAM芯片的读周期时序如下：芯片的读周期时序如下： 为了保证数据能够可靠地按时输出，片选信号为了保证数据能够可靠地按时输出，片选信号CS必必须在数据有效前须在数据有效前tCO时间有效，即地址有效后，必须在时间有效，即地址

24、有效后，必须在tAtCO 时刻有效，否则数据就不能在时刻有效，否则数据就不能在tA时刻稳定地出现在时刻稳定地出现在数据线上数据线上 。2022-3-46.24计算机组成原理计算机组成原理2114 SRAM芯片的写周期时序如下：芯片的写周期时序如下： 写周期写周期tWC是对存储芯片进行连续两次写操作的最小时间是对存储芯片进行连续两次写操作的最小时间间隔，包括滞后时间间隔，包括滞后时间tAW、写入时间、写入时间tW和维持时间和维持时间tWR 。2022-3-46.25计算机组成原理计算机组成原理6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 1. SRAM 2. DRAM （1）D

25、RAM的分类与工作原理的分类与工作原理l四管动态存储电路四管动态存储电路l单管动态存储电路：最常用单管动态存储电路：最常用 由一个由一个MOS管和一个电容组成。管和一个电容组成。写操作：给字线加高电位，选中该存储基元。若写入写操作：给字线加高电位，选中该存储基元。若写入1，则给位线加高电位，电容，则给位线加高电位，电容C充电；否则给位线加低电充电；否则给位线加低电位，电容位，电容C放电。放电。读操作：选中该存储基元，然后检测位线上的输出信号读操作：选中该存储基元，然后检测位线上的输出信号。若为高电位，则表示读出。若为高电位，则表示读出1；否则读出；否则读出0。2022-3-46.26计算机组成

26、原理计算机组成原理2. DRAM （2）DRAM芯片的组成与读写时序芯片的组成与读写时序 因为集成度提高，片内存储单元的数量增加，需要因为集成度提高，片内存储单元的数量增加，需要的地址线也相应增加，为了控制成本，封装芯片的尺寸的地址线也相应增加，为了控制成本，封装芯片的尺寸没有增大，芯片引脚数目也就没有增加，所以没有增大，芯片引脚数目也就没有增加，所以DRAM芯芯片地址引脚的数目只是地址宽度的一半。片地址引脚的数目只是地址宽度的一半。 为此，访存地址被分为为此，访存地址被分为行地址行地址和和列地址列地址依次发送。依次发送。相应地，在芯片内部就要设置相应地，在芯片内部就要设置行地址锁存器行地址锁

27、存器和和列地址锁列地址锁存器存器。为了区分地址总线上的行地址和列地址，特地增。为了区分地址总线上的行地址和列地址，特地增加两个控制线：加两个控制线： RAS和和CAS ，分别控制行地址和列地址，分别控制行地址和列地址的接收。的接收。另外，另外，DRAM不再设置不再设置CS引脚，其功能用引脚，其功能用RAS代替。代替。 2022-3-46.27计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM （2）DRAM芯片的组成与读写时序芯片的组成与读写时序 DRAM芯片的引脚主要有：芯片的引脚主要有：n地址信号引脚地址信号引脚A0，A1，A2，n数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，n地址选择信号引脚地址选

28、择信号引脚RAS和和CAS。n写命令信号引脚写命令信号引脚WE。n数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚OE。n电源引脚和接地引脚电源引脚和接地引脚VCC和和GND。2022-3-46.28计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM 2116 DRAM芯片的组成芯片的组成2022-3-46.29计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM 2116 DRAM的读时序的读时序n先向地址引脚提供目标单元行地址，然后发出行地址选先向地址引脚提供目标单元行地址，然后发出行地址选择信号择信号RAS= 0，将行地址打入行地址锁存器中。，将行地址打入行地址锁存器中。n然后向地址引脚提供列地址，发出列地址选择

29、信号然后向地址引脚提供列地址，发出列地址选择信号CAS= 0，将列地址打入到列地址锁存器中。，将列地址打入到列地址锁存器中。2022-3-46.30计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM 2116 DRAM的写时序的写时序 CAS信号必须在列地址和输入数据都准备好之后才能发出。信号必须在列地址和输入数据都准备好之后才能发出。此后输入数据须维持一段时间，以确保信息可靠地写入。此后输入数据须维持一段时间，以确保信息可靠地写入。 2022-3-46.31计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM （3）DRAM芯片的刷新芯片的刷新 n在在DRAM芯片工作过程中，如果某些存储单元未被选中芯片工作过

30、程中，如果某些存储单元未被选中，电容被隔离，由于漏电流的存在，电容上的电荷会缓，电容被隔离，由于漏电流的存在，电容上的电荷会缓慢丢失。因此，每隔一段时间给电容补充电荷，这个过慢丢失。因此，每隔一段时间给电容补充电荷，这个过程称为程称为刷新刷新。典型的刷新间隔为。典型的刷新间隔为 2ms。n刷新是通过读操作实现的。只不过这个刷新是通过读操作实现的。只不过这个“读读”并不输出并不输出数据，是数据，是“假读假读”。n刷新是逐行进行的，刷新是逐行进行的，行地址由芯片内部的行地址由芯片内部的“刷新计数器刷新计数器”提供。提供。刷新一行所花时间称为刷新周期。刷新一行所花时间称为刷新周期。2022-3-46

31、.32计算机组成原理计算机组成原理“刷新刷新”方式有：方式有： 集中式刷新集中式刷新、分散式刷新分散式刷新和和异步式刷新异步式刷新 集中式刷新集中式刷新 在一个刷新间隔（在一个刷新间隔（2ms）内，集中一段时间）内，集中一段时间，对全部存储单元进行逐行刷新。，对全部存储单元进行逐行刷新。 在此期间正常的读在此期间正常的读/写操作将被停止，所以写操作将被停止，所以这段时间称为死时间。这段时间称为死时间。2022-3-46.33计算机组成原理计算机组成原理 例如，对读例如，对读/写周期为写周期为0.5 s的的128 128的存储矩阵进的存储矩阵进行刷新，需要行刷新，需要128个读周期。由于在刷新间

32、隔个读周期。由于在刷新间隔2ms内共有内共有4000个读个读/写周期，所以规定前写周期，所以规定前3872个周期用于读个周期用于读/写或维写或维持，后持，后128个周期（个周期（64 s）用于刷新。）用于刷新。2022-3-46.34计算机组成原理计算机组成原理 为了消除死时间，人们又提出：为了消除死时间，人们又提出： 分散式刷新。分散式刷新。 对每行存储单元的刷新分散到每个读对每行存储单元的刷新分散到每个读/写周期中进行。写周期中进行。具体来说，就是延长原先的读具体来说，就是延长原先的读/写周期，将新的读写周期，将新的读/写周期分写周期分成前成前/后两段，前半段用来读后两段，前半段用来读/写

33、或维持，后半段用来刷新。写或维持，后半段用来刷新。假如存储单元的读假如存储单元的读/写周期为写周期为0.5 s，则存储器的读，则存储器的读/写周期写周期为为1.0 s。2022-3-46.35计算机组成原理计算机组成原理 异步式刷新是将前两种方法结合起来，在一个刷新异步式刷新是将前两种方法结合起来，在一个刷新间隔内，均匀地进行逐行刷新。间隔内，均匀地进行逐行刷新。 例如在例如在2ms内，均匀地把内，均匀地把128行刷新一遍，即每隔行刷新一遍，即每隔2ms/128=15.5 s刷新一行，如下图所示。这样，原来大块刷新一行，如下图所示。这样，原来大块的死时间被分散开，达到了缩短死时间的效果。的死时

34、间被分散开，达到了缩短死时间的效果。2022-3-4 虽然不存在死时间，但分散式刷新导致存取周期延长虽然不存在死时间，但分散式刷新导致存取周期延长，系统的性能下降，系统的性能下降6.36计算机组成原理计算机组成原理2. DRAM （3）DRAM芯片的刷新芯片的刷新 n如果进一步将刷新安排在指令译码阶段，还可以如果进一步将刷新安排在指令译码阶段，还可以掩盖死时间。掩盖死时间。n刷新操作的优先级被安排成高于读刷新操作的优先级被安排成高于读/写操作。写操作。2022-3-46.37计算机组成原理计算机组成原理6. 3 半导体存储器半导体存储器 6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器

35、RAM 向向ROM写入原始信息的过程称为写入原始信息的过程称为“编程编程”。 依据依据“编程编程”方法的不同，方法的不同，ROM可以分为以下可以分为以下4类：类：（1）掩模型）掩模型ROM，MROM（2）可编程）可编程ROM，PROM（3）可擦除的可编程）可擦除的可编程ROM，EPROM（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM6. 3. 2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 2022-3-46.38计算机组成原理计算机组成原理（1）掩模型）掩模型ROM，MROM6. 3. 2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 以晶体管（如以晶体管（如MOS管）的管）的“有有

36、/无无”来代表来代表“0/1”，即每个存储基元的信息是由制造集成电路的掩模来，即每个存储基元的信息是由制造集成电路的掩模来决定的，制造完成后无法改变。决定的，制造完成后无法改变。 MROM的优点是可靠性高、位密度高、访问周期的优点是可靠性高、位密度高、访问周期短，其不足是设计制造成本高。短，其不足是设计制造成本高。 但若生产数量很大，分摊到每一个芯片上的成本就但若生产数量很大，分摊到每一个芯片上的成本就很小了，所以它较适用于市场占有率高的成熟产品。很小了，所以它较适用于市场占有率高的成熟产品。 2022-3-46.39计算机组成原理计算机组成原理（2）可编程）可编程ROM，PROM6. 3.

37、2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 相当于相当于“一张白纸一张白纸”，用户可以通过所谓的，用户可以通过所谓的“编编程程”操作向其中写入信息。操作向其中写入信息。 依据编程原理的不同，依据编程原理的不同，PROM可分为如下两种：可分为如下两种：（1）熔丝烧断型。可编程的连接点之间用熔丝相连，如）熔丝烧断型。可编程的连接点之间用熔丝相连，如下图所示。所谓下图所示。所谓“编程编程”就是选择某些熔丝将其烧断。就是选择某些熔丝将其烧断。2022-3-46.40计算机组成原理计算机组成原理（2）可编程）可编程ROM，PROM依据编程原理的不同，依据编程原理的不同，PROM可分为如下两种：可分为如下

38、两种：（1）熔丝烧断型）熔丝烧断型（2）PN结击穿型结击穿型 可编程的连接点之间是可编程的连接点之间是PN结，未编程之前结，未编程之前PN结是结是不导通的。所谓不导通的。所谓“编程编程”就是选择某些就是选择某些PN结将其击穿结将其击穿。 烧断熔丝或击穿烧断熔丝或击穿PN结，都是不可逆的，所以结，都是不可逆的，所以PROM只允许一次编程。只允许一次编程。 如果写入的信息有错或需要更改原有信息，只能将如果写入的信息有错或需要更改原有信息，只能将原有的原有的PROM作废，重新选择一片作废，重新选择一片PROM进行编程。进行编程。 目前目前PROM已经淘汰。已经淘汰。2022-3-46.41计算机组成

39、原理计算机组成原理（1）掩模型）掩模型ROM，MROM（2）可编程）可编程ROM，PROM（3）可擦除的可编程）可擦除的可编程ROM，EPROM6. 3. 2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM EPROM用用“浮栅雪崩注入型浮栅雪崩注入型MOS管管”来表示信息。来表示信息。 其原理是：浮栅上不带电荷，源极和漏极之间不导通，其原理是：浮栅上不带电荷，源极和漏极之间不导通，这种状态表示这种状态表示1；当源极和漏极之间加上高电压，产生雪崩击；当源极和漏极之间加上高电压，产生雪崩击穿，电荷就积累在浮栅上，这种状态表示穿，电荷就积累在浮栅上，这种状态表示0。 由于浮栅周围是二氧化硅，故积累的电荷就

40、不易失掉。由于浮栅周围是二氧化硅，故积累的电荷就不易失掉。2022-3-46.42计算机组成原理计算机组成原理（3）可擦除的可编程）可擦除的可编程ROM，EPROM EPROM芯片上有一个石英窗口，将窗口置于紫外线芯片上有一个石英窗口，将窗口置于紫外线灯下，照射灯下，照射1025分钟，浮栅上的电荷将全部释放，恢分钟，浮栅上的电荷将全部释放，恢复到原来不带电荷的复到原来不带电荷的“1”状态。状态。 这样，这样，EPROM就被擦除了，可以重新编程。就被擦除了，可以重新编程。 EPROM芯片在使用过程中，应用不透光的胶纸贴盖芯片在使用过程中，应用不透光的胶纸贴盖住石英窗口，避免阳光或灯光直接照射，以

41、免引起芯片住石英窗口，避免阳光或灯光直接照射，以免引起芯片功能损伤。功能损伤。 EPROM的缺点是，擦除时需要将芯片从系统中拔的缺点是，擦除时需要将芯片从系统中拔出，用特殊设备擦除，且时间较长；不能局部擦除或重出，用特殊设备擦除，且时间较长；不能局部擦除或重写指定单元信息。写指定单元信息。 2022-3-46.43计算机组成原理计算机组成原理（1）掩模型）掩模型ROM，MROM（2）可编程）可编程ROM，PROM（3）可擦除的可编程）可擦除的可编程ROM，EPROM（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM6. 3. 2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 可以联机擦

42、除，还可以有选择地擦除或重写可以联机擦除，还可以有选择地擦除或重写指定单元的信息。不过，指定单元的信息。不过，EEPROM的单元结构的单元结构较为复杂，成本较高。较为复杂，成本较高。 2022-3-46.44计算机组成原理计算机组成原理（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM 近年来，出现一种被称为闪存近年来，出现一种被称为闪存（Flash Memory）的）的EEPROM。闪存在结构上与传统的。闪存在结构上与传统的EEPROM类似，只是它类似，只是它的栅极氧化层较薄，擦除和编程（重写）速度较快。的栅极氧化层较薄，擦除和编程（重写）速度较快。 基于闪存的固态盘，以其体积

43、小、携带方便、容量大基于闪存的固态盘，以其体积小、携带方便、容量大、价格低、速度快，已经替代原来的软盘。、价格低、速度快，已经替代原来的软盘。 因其通过因其通过USB接口与主机相连，故称为接口与主机相连，故称为“U盘盘”。 2022-3-46.45计算机组成原理计算机组成原理（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM 虽然虽然EEPROM可以联机擦除，即可读、可写，但不可可以联机擦除，即可读、可写，但不可当作当作RAM使用。使用。 一则它允许编程的次数是有限的，如十万次；一则它允许编程的次数是有限的，如十万次； 二则擦除和编程需要较长的时间成本较高。二则擦除和编程需要较长

44、的时间成本较高。 2022-3-46.46计算机组成原理计算机组成原理ROM的外特性与读的外特性与读/写周期写周期 ROM存储芯片的引脚主要有：存储芯片的引脚主要有：地址信号引脚地址信号引脚A0，A1，A2，数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，芯片选择信号引脚芯片选择信号引脚 CS 或或 CE。数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚 OE。1.电源引脚和接地引脚工作电源电源引脚和接地引脚工作电源VCC、脱机编程电源、脱机编程电源VPP和和GND 2022-3-46.47计算机组成原理计算机组成原理 典型的典型的EPROM有有2716(2K 8位位)、2732(4K 8位位)、2764(

45、8K 8位位)、27128(16K 8位位)等。等。2716 的逻辑表示和引脚说明的逻辑表示和引脚说明2022-3-46.48计算机组成原理计算机组成原理ROM的外特性与读的外特性与读/写周期写周期 EPROM的读周期时序如下。为了保证数据能够可靠地的读周期时序如下。为了保证数据能够可靠地输出，片选信号输出，片选信号CE必须在数据有效前必须在数据有效前tCO时间有效。时间有效。 EPROM在使用时，在使用时，OE引脚接地。引脚接地。2022-3-46.49计算机组成原理计算机组成原理【例例6-1】下列关于闪存（下列关于闪存（Flash Memory）的叙述中，）的叙述中， 错误的是错误的是 。

46、 A信息可读可写，并且读、写速度一样快信息可读可写，并且读、写速度一样快 B存储元由存储元由MOS管组成，是一种半导体存储器管组成，是一种半导体存储器 C掉电后信息不丢失，是一种非易失性存储器掉电后信息不丢失，是一种非易失性存储器 D采用随机访问方式，可替代计算机外部存储器采用随机访问方式，可替代计算机外部存储器 2022-3-4A6.50计算机组成原理计算机组成原理【例例6-3】下列叙述中，正确的是下列叙述中，正确的是 。 I、 RAM是易失性存储器，是易失性存储器，ROM是非易失性存储器是非易失性存储器 II、 RAM和和ROM都是采用随机存取的方式进行信息访问都是采用随机存取的方式进行信

47、息访问 III、RAM和和ROM都可用作都可用作Cache IV、RAM和和ROM都需要进行刷新都需要进行刷新 A仅仅I和和II C. 仅仅I、II和和IV B. 仅仅II和和III D.仅仅II、III和和IV 【例例6-2】下列存储器中，不采用随机存储方式的是下列存储器中，不采用随机存储方式的是 。 AEPROM BCDROM CDRAM DSRAM 2022-3-4BA6.51计算机组成原理计算机组成原理6. 4 主存储器主存储器 6. 4. 1 主存储器组成主存储器组成 主存储器由主存储器由RAM和和ROM芯片组成。芯片组成。 系统程序区存放的是不需要改动也不允许改动的系统系统程序区存

48、放的是不需要改动也不允许改动的系统程序，所以这部分存储空间用程序，所以这部分存储空间用ROM来实现；来实现； 系统程序工作区是系统程序在工作时写入并读出临时系统程序工作区是系统程序在工作时写入并读出临时数据的，所以这部分存储空间用数据的，所以这部分存储空间用RAM来实现。来实现。 用户程序区存放用户的程序与数据，这些信息可读、用户程序区存放用户的程序与数据，这些信息可读、可改写，所以这部分存储空间也用可改写，所以这部分存储空间也用RAM来实现。来实现。2022-3-46.52计算机组成原理计算机组成原理 6. 4. 1 主存储器组成主存储器组成 设计一个主存储器，首先要考虑它的容量。目前的设计

49、一个主存储器，首先要考虑它的容量。目前的微处理器都是按字节编址的，所以微处理器都是按字节编址的，所以 主存储器的容量主存储器的容量=存储单元数存储单元数 字节字节 一个处理器对应的主存储器的最大存储单元数是由一个处理器对应的主存储器的最大存储单元数是由其地址总线的线数决定的。设处理器的地址总线的线数其地址总线的线数决定的。设处理器的地址总线的线数为为N，则其对应的主存储器最大存储单元个数为，则其对应的主存储器最大存储单元个数为2N。实。实际设计时，为了降低成本，为计算机配备的主存储器容际设计时，为了降低成本，为计算机配备的主存储器容量往往小于量往往小于2N字节。字节。 由于单片存储芯片提供的存

50、储容量与字长一般不能由于单片存储芯片提供的存储容量与字长一般不能直接满足实际需求，所以经常是将若干存储芯片连接在直接满足实际需求，所以经常是将若干存储芯片连接在一起组成特定机器的存储系统，这就叫存储器扩展。一起组成特定机器的存储系统，这就叫存储器扩展。 2022-3-46.53计算机组成原理计算机组成原理 按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长两片两片1K 4 芯片组芯片组成成1K 8存储器存储器 2022-3-46.54计算机组成原理计算机组成原理 按照

51、扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（2）字扩展：）字扩展：扩大存储单元的数量扩大存储单元的数量两片两片1K 8 芯片组芯片组成成2K 8存储器存储器 （1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长2022-3-46.55计算机组成原理计算机组成原理 按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字按照扩展的目的不同，存储器扩展分为位扩展、字扩展和字位同时扩展。扩展和字位同时扩展。（2）字扩展：）字扩展： 扩大存储单元的数量扩大存储单元的数量（3）字位同时扩展）字位同时扩展 既要扩大存储字长，又要扩大存储字

52、的数量既要扩大存储字长，又要扩大存储字的数量 例如为了构造一个例如为了构造一个2K 8的存储系统，可将的存储系统，可将4片片1K 4的存储芯片先两两并连再依次串连。的存储芯片先两两并连再依次串连。 （1）位扩展：）位扩展： 扩大存储字长扩大存储字长2022-3-46.56计算机组成原理计算机组成原理2. 主存储器与处理器的连接主存储器与处理器的连接（1）数据线的连接。）数据线的连接。 当处理器的数据线数大于存储芯片的数据线数时，需当处理器的数据线数大于存储芯片的数据线数时，需要进行存储器位扩展。要进行存储器位扩展。（2）地址线的连接。）地址线的连接。 尽可能选择与处理器的地址线数相等的存储芯片

53、。尽可能选择与处理器的地址线数相等的存储芯片。 当进行字扩展时，处理器的部分地址线（如地址线的当进行字扩展时，处理器的部分地址线（如地址线的低位）直接连到存储芯片的地址线上，剩余的地址线（如低位）直接连到存储芯片的地址线上，剩余的地址线（如地址线的高位）连接到译码器的输入端，再把译码输出信地址线的高位）连接到译码器的输入端，再把译码输出信号与存储芯片的片选端相连。号与存储芯片的片选端相连。 例如，例如，3-8译码器根据三个输入端译码器根据三个输入端A，B，C的的8种不同种不同组合状态选择组合状态选择8个输出端中的一个输出有效信号。个输出端中的一个输出有效信号。2022-3-46.57计算机组成

54、原理计算机组成原理2. 主存储器与处理器的连接主存储器与处理器的连接（3）控制线的连接）控制线的连接 读读/写控制线写控制线WR与存储芯片读与存储芯片读/写控制端写控制端(WE)相连。相连。访存控制访存控制IO/MREQ与与3-8译码器使能端译码器使能端G2A和和G2B连接，译连接，译码器的另外一个使能端码器的另外一个使能端G1可以直接与电源可以直接与电源Vcc连接。连接。 2022-3-46.58计算机组成原理计算机组成原理【例例6-4】某计算机主存容量为某计算机主存容量为64KB，其中，其中ROM区为区为4KB，其余为其余为RAM区，按字节编址。现要用区，按字节编址。现要用2K8位的位的R

55、OM芯芯片和片和4K4位的位的RAM芯片来设计该存储器，则需要上述规芯片来设计该存储器，则需要上述规格的格的ROM芯片数和芯片数和RAM芯片数分别是芯片数分别是 。 A1、15 B2、15 C1、30 D2、30 2022-3-4D6.59计算机组成原理计算机组成原理【例例6-6】某计算机存储器按字节编址，主存地址空间大小为某计算机存储器按字节编址，主存地址空间大小为64MB，现用，现用4M8的的RAM芯片组成芯片组成32 MB 的主存储器，的主存储器，则存储器地址寄存器则存储器地址寄存器MAR的位数至少是的位数至少是 。 A22位位 B23位位 C25位位 D26位。位。 【例例6-5】用若

56、干个用若干个2K4位芯片组成一个位芯片组成一个8K8位存储器，位存储器，则地址则地址0B1FH所在芯片的最小地址是所在芯片的最小地址是 。 A：0000H B：0600H C： 0700H D：0800H 2022-3-4DD6.60计算机组成原理计算机组成原理【例例6-7】 设某处理器有设某处理器有18根地址线，根地址线，8根数据线，并用根数据线，并用IO/M作为访存控制信号，作为访存控制信号，RD/ WR为读为读/写信号。现有如下各种写信号。现有如下各种芯片及各种门电路芯片及各种门电路(自定自定)。要求主存地址空间分配为。要求主存地址空间分配为032767为系统程序区，为系统程序区，327

57、6898303为用户程序区，最大为用户程序区，最大16K地址空间为系统程序工作区。请说明选用存储芯片的地址空间为系统程序工作区。请说明选用存储芯片的类型、数量，并写出每片存储芯片的二进制地址范围。画类型、数量，并写出每片存储芯片的二进制地址范围。画出处理器与存储芯片的连接图出处理器与存储芯片的连接图 。 2022-3-46.61计算机组成原理计算机组成原理解：（解：（1）已知）已知032767为系统程序区，这是为系统程序区，这是32K的只读地的只读地址空间，所以选用址空间，所以选用32K 8的的ROM芯片一片。芯片一片。 3276898303为用户程序区，这是为用户程序区，这是64K的随机存取

58、地的随机存取地址空间，选用址空间，选用32K 8的的RAM芯片两片。芯片两片。 最大最大16K地址空间为系统程序工作区，这是地址空间为系统程序工作区，这是16K的随的随机存取空间，选用机存取空间，选用16K 8的的RAM芯片一片。芯片一片。 一片一片32K 8 ROM芯片的寻址范围是芯片的寻址范围是: 00 0000 0000 0000 0000 B00 0111 1111 1111 1111 B 两片两片32K 8 RAM芯片的寻址范围是芯片的寻址范围是: 00 1000 0000 0000 0000 B01 0111 1111 1111 1111 B 一片一片16K 8 RAM芯片的寻址范

59、围是芯片的寻址范围是: 11 1100 0000 0000 0000 B11 1111 1111 1111 1111 B2022-3-46.62计算机组成原理计算机组成原理解：（解：（2）处理器与存储芯片的连接如下：）处理器与存储芯片的连接如下：2022-3-46.63计算机组成原理计算机组成原理6. 4 主存储器主存储器 6. 4. 1 主存储器组成主存储器组成 虽然人们在不断地研制更高速度的存储器，但是仍虽然人们在不断地研制更高速度的存储器，但是仍然赶不上高性能计算机对主存储器访问带宽的需求。所然赶不上高性能计算机对主存储器访问带宽的需求。所以需要立足于现有的存储器，通过引入并行处理技术来

60、以需要立足于现有的存储器，通过引入并行处理技术来提高主存储器访问带宽。提高主存储器访问带宽。 常用的并行存储器有多端口常用的并行存储器有多端口RAM（如双口（如双口RAM）和多模块存储器和多模块存储器 。 6. 4. 2 提高主存储器访问带宽的方法提高主存储器访问带宽的方法2022-3-46.64计算机组成原理计算机组成原理1. 双口双口RAM 这是具有两套独立的读这是具有两套独立的读/写控制逻辑的写控制逻辑的RAM，具有两，具有两个独立的端口：左端口个独立的端口：左端口( L )和右端口和右端口( R )。 分别具有各自的地址总线、数据总线和控制总线，可分别具有各自的地址总线、数据总线和控制