第06讲——第4章 存储器(423-424)

1、主讲人：李淑芝主讲人：李淑芝4.1 概述概述4.2 主存储器主存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器4.4 辅助存储器辅助存储器本课本课学习学习4.2.1 概述概述4.2.2 半导体存储芯片简介半导体存储芯片简介 4.2.3 随机存取存储器随机存取存储器4.2.4 只读存储器只读存储器 4.2.5 存储器与存储器与CPU连接连接4.2.6 存储器的校验存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施提高访存速度的措施 熟练掌握静态和动态随机熟练掌握静态和动态随机存储器的工作原理及技术指标，了解存储器的工作原理及技术指标，了解只读存储器工作原理只读存储器工作原理 。从本质上理解从本质上理解RAM和

2、和ROM存存储芯片单元电路读储芯片单元电路读/写原理；动态写原理；动态RAM刷新原理。刷新原理。RAM读写时序、动态存储器的读写时序、动态存储器的刷新。刷新。 l计算机中的数据存储在计算机中的数据存储在“记忆装置记忆装置”存储器中，其他部件是怎样与它交互存储器中，其他部件是怎样与它交互的呢？的呢？ l存储器中的数据为什么有的稳定，有存储器中的数据为什么有的稳定，有的容易丢失呢？的容易丢失呢？ （1）静态）静态 RAM (SRAM) u 静态静态 RAM 基本电路基本电路A 触发器非端触发器非端1T4T触发器触发器5TT6、行开关行开关7TT8、列开关列开关7TT8、一列共用一列共用A 触发器原

3、端触发器原端T1 T4T5T6T7T8A A写放大器写放大器写放大器写放大器DIN写选择写选择读选择读选择DOUT读放读放位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择T1 T4A T1 T4T5T6T7T8A写放大器写放大器写放大器写放大器DIN写选择写选择读选择读选择读放读放位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选择行地址选择DOUT 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 读读 操作操作 行选行选 T5、T6 开开T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT6T8DOUT T1 T4T5T6T7T8A ADIN位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择行地址选

4、择行地址选择写放写放写放写放读放读放DOUT写选择写选择读选择读选择 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 写写 操作操作 行选行选T5、T6 开开 两个写放两个写放 DIN列选列选T7、T8 开开（左）（左） 反相反相T5A （右）（右） T8T6ADINDINT7 Intel 2114 外特性外特性存储容量存储容量1 1K K4 4位位.I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel 2114问题问题4：Intel2114 芯片如何进行列芯片如何进行列地址选择？地址选择？ （1）静态）静态 RAM (SRAM) u 静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Inte

5、l 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组

6、第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150

7、311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114

8、 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读0163248CSWE第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECSCSWE15031164732634801632480000000000第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读15031164732634

9、8150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE1503116473263480163248第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS00000

10、00000CSWE1503116473263480163248读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000CSWE读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路1503116473263480163248I/O1I

11、/O2I/O3I/O4A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4

12、WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵

13、矩阵 (64 64) 写写150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址

14、址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电

15、路读写电路读写电路第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4WECS150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348WECSI/O1I/O2I/O3I/O4读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (

16、64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写I/O1I/O2I/O3I/O4150311647326348150311647326348读写电路

17、读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码WECS0000000000150311647326348I/O1I/O2I/O3I/O4读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路WECS0163248ACSDOUT地址有效地址有效地址失效地址失效片选失效片选失效数据有效数据有效数据稳定数据稳定高阻高阻u 静态静态 RAM 读读 时序时序 tAtCOtOHAtOTDtRC片选有效片选有效读周期读周期 t tRCRC 地址有效地址有效 下一次地址有效下一次地址有效读时间读时间 t tA A 地址有效地址有效数据稳

18、定数据稳定 t tCOCO 片选有效片选有效数据稳定数据稳定t tOTDOTD 片选失效片选失效输出高阻输出高阻t tOHAOHA 地址失效后的地址失效后的数据维持时间数据维持时间 （1）静态）静态 RAM (SRAM) ACSWEDOUTDINu 静态静态 RAM 写写 时序时序 tWCtWtAWtDWtDHtWR写周期写周期 t tWCWC 地址有效地址有效下一次地址有下一次地址有效效写时间写时间 t tW W 写命令写命令 WEWE 的有效时间的有效时间t tAWAW 地址有效地址有效片选有效的滞后时间片选有效的滞后时间t tWRWR 片选失效片选失效下一次地址有效下一次地址有效t tD

19、W DW 数据稳定数据稳定 WE WE 失效失效t tDHDH WE WE 失效后的数据维持时间失效后的数据维持时间 （1）静态）静态 RAM (SRAM) DD预充电信号预充电信号读选择线读选择线写数据线写数据线写选择线写选择线读数据线读数据线VCgT4T3T2T11u 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路读出与原存信息相反读出与原存信息相反读出时数据线有电流读出时数据线有电流 为为 “1”数据线数据线CsT字线字线DDV0 10 11 0写入与输入信息相同写入与输入信息相同写入时写入时CS充电充电 为为 “1” 放电放电 为为 “0”T3T2T1T无电流无电流有电流有电流 （2）动态

20、）动态 RAM (DRAM) 单元单元电路电路读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D行行地地址址译译码码器器001131311A9A8A7A6A531A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 读读00000000000D0 0单元单元电路电路读读 写写 控控 制制 电电 路路 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码

21、器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) 11111A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0 三管动态

22、三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线011111 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电

23、电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线00100011111 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放

24、大器写写数数据据线线读读数数据据线线0111111010001 1 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0D11111010001 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举

25、例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0D11111010001读读 写写 控控 制制 电电 路路 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选

26、择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写数数据据线线读读数数据据线线0D11111010001读读 写写 控控 制制 电电 路路 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) A9A8A7A6A5读读 写写 控控 制制 电电 路路列列 地地 址址 译译 码码 器器读选择线读选择线写选择线写选择线D单元单元电路电路行行地地址址译译码码器器00113131131A4A3A2A1A0刷新放大器刷新放大器写写

27、数数据据线线读读数数据据线线0D11111010001读读 写写 控控 制制 电电 路路 三管动态三管动态 RAM 芯片芯片 (Intel 1103) 写写u 动态动态 RAM 芯片举例芯片举例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) 单管动态单管动态 RAM 4116 (16K 1 1位位) 外特性外特性时序与控制时序与控制 行时钟行时钟列时钟列时钟写时钟写时钟 WERASCAS缓存器缓存器行地址行地址缓存器缓存器列地址列地址 A6A0存储单元阵列存储单元阵列基准单元基准单元行行译译码码列译码器列译码器再生放大器再生放大器列译码器列译码器读读出出放放大大基准单元基准单元存储单元阵列存储单元阵

28、列行行译译码码 I/O缓存器缓存器数据输出数据输出驱动驱动数据输入数据输入寄存器寄存器 DINDOUTDINDOUTA6A0读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器06364127128 根行线根行线CS01271128列列选选择择读读/写线写线数据输入数据输入I/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动DOUTDINCS 4116 (16K 1位位) 芯片芯片 读读 原理原理读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器630I/O缓冲缓冲输出驱动输出驱动OUTD读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器06364127128 根行线根行线CS01271

29、128列列选选择择读读/写线写线数据输入数据输入I/O缓冲缓冲DOUTDINCS 4116 (16K 1位位) 芯片芯片 写写 原理原理数据输入数据输入I/O缓冲缓冲I/O缓冲缓冲DIN读出放大器读出放大器读出放大器读出放大器630问题问题5：Intel4116动态动态RAM芯片中读出放大器的工作原理怎样？芯片中读出放大器的工作原理怎样？ 行、列地址分开传送行、列地址分开传送写时序写时序行地址行地址 RAS 有效有效写允许写允许 WE 有效有效(高高)数据数据 DOUT OUT 有效有效数据数据 DIN IN 有效有效读时序读时序行地址行地址 RAS 有效有效写允许写允许 WE 有效有效(低低

30、)列地址列地址 CAS 有效有效列地址列地址 CAS 有效有效u 动态动态 RAM 时序时序 （2）动态）动态 RAM (DRAM) 刷新与行地址有关刷新与行地址有关 集中刷新集中刷新 （存取周期为存取周期为0.5s）“死时间率死时间率” 为为 32/4000 100% = 0.8%“死区死区” 为为 0.5 s 32 = 16 s周期序号周期序号地址序号地址序号tc0123967 396801tctctctc3999V W0131读读/写或维持写或维持刷新刷新读读/写或维持写或维持3968个周期个周期 （1984）32个周期个周期 （ 16）刷新时间间隔刷新时间间隔 （2ms）刷新序号刷新序

31、号sstcXtcY 以以 32 32 矩阵为例矩阵为例 （2）动态）动态 RAM (DRAM) u 动态动态 RAM 刷新刷新问题问题6：刷新放大器的工作原理是怎样的？：刷新放大器的工作原理是怎样的？t tC C = = t tM M + + t tR R读写读写 刷新刷新无无 “死区死区” 分散刷新分散刷新（存取周期为存取周期为1s）(存取周期为存取周期为 0.5 s + 0.5 s)W/RREF0W/RtRtMtCREF126REF127REFW/RW/RW/RW/R刷新间隔刷新间隔 128 个读写周期个读写周期以以 128 128 矩阵为例矩阵为例 异步刷新异步刷新分散刷新与集中刷新相结

32、合分散刷新与集中刷新相结合对于对于 128 128 的存储芯片的存储芯片（存取周期为存取周期为 0.5s）将刷新安排在指令译码阶段，不会出现将刷新安排在指令译码阶段，不会出现 “死区死区”“死区死区” 为为 0.5 s若每隔若每隔 15.6 s 刷新一行刷新一行而且每行每隔而且每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次若每隔若每隔 2 ms 集中刷新一次集中刷新一次“死区死区” 为为 64 s （2）动态）动态 RAM (DRAM) u 动态动态 RAM 刷新刷新解：解：DRAM的刷新最大间隔时间为的刷新最大间隔时间为2ms，则异步刷新时，刷新，则异步刷新时，刷新 间隔间隔 =2ms/256行行 =

33、0.0078125ms =7.8125s 即：每即：每7.8125s刷新一行刷新一行l 集中刷新时，刷新最晚启动时间集中刷新时，刷新最晚启动时间=2ms-0.1s256行行= 2ms- 25.6s=1974.4sl 集中刷新启动后，刷新间隔集中刷新启动后，刷新间隔 = 0.1s 即：每即：每0.1s刷新一行刷新一行 集中刷新的死时间集中刷新的死时间 =0.1s256行行=25.6s l 分散刷新时，刷新间隔分散刷新时，刷新间隔 =0.1s2 =0.2s 即：每即：每0.2s刷新刷新 一行一行 l 分散刷新一遍的时间分散刷新一遍的时间=0.1s2256行行 =51.2s 则分散刷新时，则分散刷新时，2ms内可重复刷新遍数内可重复刷新遍数=2ms/ 51.2s 39遍遍DRAMSRAM存储原理存储原理集成度集成度芯片引脚芯片引脚功耗功耗价格价格速度速度刷新刷新电容电容触发器触发器高高低低少少多多小小大大低低高高慢慢快快有有无无主存主