第6章存储系统

1、哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.1计算机组成技术计算机组成技术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 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.2计算机组成技术计算机组成技术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 1. 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

2、和 辅存辅存2. 按掉电后信息是否丢失，分为按掉电后信息是否丢失，分为 易失性存储器易失性存储器 和和 非易非易失性存储器失性存储器。3. 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。4. 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、按按内容访问的存储器内容访问的存储器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 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.3计算机组成技术计算机组成技术6. 1 存储器的分类与性能评价

3、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 5. 按实现介质来分，存储器有按实现介质来分，存储器有 半导体存储器半导体存储器、磁表面磁表面存储器存储器、光盘存储器光盘存储器 和和 铁电存储器铁电存储器 等。等。 6. 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 随机访问存储随机访问存储器器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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.4

4、计算机组成技术计算机组成技术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 1. 容量容量2. 速度速度3. 成本成本 一个存储系统通常由若干存储芯片组成。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

5、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KB哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.5计算机组成技术计算机组成技术6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 1. 容量容量2. 速度速度3. 成本成本 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

6、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 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.6计算机组成技术计算机组成技术6. 1 存储器的分类与性能评价存储器的分类与性能评价 1. 容量容量2. 速度速度3. 成本成本6. 1. 2 存储器的性能评

7、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）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。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.7计算机组成技术计算机组成技术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

8、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，处理器访现，无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。这种现象称为存储器连续存储单元区域内。这种现象称为存储器访问的访问的 局部性原理局部性原理。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.8计算机组成技术计算机组成技术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

9、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是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。的信息。空间局部性空间局部性 是指将要用到的信息就在正使是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。用的信息旁边。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。对大多数程序而言，工作集的变化十分缓慢，有时甚至是不变的变化十分缓慢，有时甚至是不变的。 哈尔滨工业大

10、学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.9计算机组成技术计算机组成技术高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量 价格价格 位位存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系CPUCPU主机主机哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.10计算机组成技术计算机组成技术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：用户对存储系统的要求一般是相同的：容量大、容量大、速度快

11、、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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.11计算机组成技术计算机组成技术 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

12、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aa哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.12计算机组成技术计算机组成技术 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

13、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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.13计算机组成技术计算机组成技术缓存缓存CPU主存主存辅存辅存 缓存缓存 主存层次和主存主存层次和主存 辅存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅

14、存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10ns20ns200nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器（速度）（速度）（容量）（容量）哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.14计算机组成技术计算机组成技术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，要访问的数据结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。正在这一级中的比

15、率。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.15计算机组成技术计算机组成技术 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，

16、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。中读取。112RHRR哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.16计算机组成技术计算机组成技术 整个存储层次的整个存储层次的平均访存周期平均访存周期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层次结构存储系统的平均字节价格平均字节价格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

17、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 THT哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.17计算机组成技术计算机组成技术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n随机访问半导体存储器（随机访问半导体存储器（RAM）: RAM是可读、可写的是可读、可写的n只读半导体存储器（只读半导体存储器（ROM）: ROM中的内容

18、是事先写入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行读操作，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。不能写入新的内容。 当然，作为半导体存储器，它们都是当然，作为半导体存储器，它们都是 随机访问型随机访问型 的的，即访问任何一个单元的时间是相等的，与单元的地址大，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。小无关。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.18计算机组成技术计算机组成技术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，R

19、AM分为分为n静态静态RAM ( Statically RAM，SRAM ):利用电流的开关特性来表示信息利用电流的开关特性来表示信息0/1n 动态动态RAM ( Dynamical RAM，DRAM ):靠栅极电容上的电荷来表示信息靠栅极电容上的电荷来表示信息0/1 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.19计算机组成技术计算机组成技术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，有采用的开关元件，有 双极型双极型 和和MOS型型 两种。两种。n 双极型双极型SRAM:电路

20、驱动能力强，开关速度快，存取周期短，速电路驱动能力强，开关速度快，存取周期短，速度快，度快，成本高，功耗大，主要用于高性能计算机，在微成本高，功耗大，主要用于高性能计算机，在微型计算机中应用较少。型计算机中应用较少。 MOS管的逻辑符号管的逻辑符号: 当控制端当控制端W为高电位时为高电位时，MOS管导通，即管导通，即R点与点与VCC同电位。同电位。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.20计算机组成技术计算机组成技术随机存取存储器随机存取存储器 ( RAM ) 1. 静态静态 RAM (SRAM) (1) 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

21、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 T4哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.21计算机组成技术计算机组成技术A 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

22、行选 T5、T6 开开T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT6T8DOUT哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.22计算机组成技术计算机组成技术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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.23计算机组成技术计算机

23、组成技术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，若干在半导体存储器内部，若干 存储基元存储基元 组成存储组成存储一个信息字的一个信息字的 存储单元存储单元，大量的存储单元按行、分，大量的存储单元按行、分列排列起来构成一个列排列起来构成一个 存储单元阵列存储单元阵列。再配上读。再配上读/写控写控制电路、制电路、 地址译码电路和控制电路，就构成了一个地址译码电路和控制电路，就构成了一个 存储芯片存储芯片。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.24计算机组成技术计算机组成技术芯

24、片容量芯片容量半导体存储芯片简介半导体存储芯片简介1. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K4位位16K1位位8K8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）104141138哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.25计算机组成技术计算机组成技术存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用用用 16K1 位的存储芯片组成位的存储芯片组成 64K8 位的存储器位的存储器32片片当地址为当地址为 65535 时，此时，此 8 片的片选有效片的片选有效

25、 8片片16K1位位 8片片16K1位位 8片片16K1位位 8片片16K1位位哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.26计算机组成技术计算机组成技术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 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

26、双译码。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.27计算机组成技术计算机组成技术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。信号。采用单译码方式的采用单译码方式的 16 4位位 存储芯片的组成结构存储芯片的组成结构 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.28计算机组成技术计算机组成技术0,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168矩阵矩阵

27、07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A0半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式单译码（线选法）单译码（线选法）00000,00,7007D07D 读读 / 写写选通选通 读读/写控制电路写控制电路 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.29计算机组成技术计算机组成技术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），行选择信号和列选择信号同时有效的存储单元为被选行选择信号和列

28、选择信号同时有效的存储单元为被选中的存储单元。中的存储单元。 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 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.30计算机组成技术计算机组成技术A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写双译码（重合法）双译码（重合法）00000000000,031,00,31I/OD0,0读读哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.31计算机组成技术计算机组成技术6. 3. 1 随

29、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：1. 地址信号地址信号 引脚引脚A0，A1，A2，2. 数据信号数据信号 引脚引脚D0，D1，D2，3. 芯片选择信号芯片选择信号 引脚引脚CS或或CE。4. 写命令写命令 信号引脚信号引脚WE。5. 数据输出允许信号数据输出允许信号 引脚引脚OE。6. 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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.32计算机组成技术计算机组成技术6. 3. 1 随机访问半导体存储

30、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芯片逻辑表示芯片逻辑表示引脚说明引脚说明 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.33计算机组成技术计算机组成技术2114 SRAM芯片的芯片的 读周期读周期 时序如下：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，即地址有效后，必须在tAtCO 时刻有效，否

31、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 。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.34计算机组成技术计算机组成技术ACSDOUT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

32、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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.35计算机组成技术计算机组成技术2114 SRAM芯片的芯片的 写周期写周期 时序如下：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 。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.36计算机组成技术计算机组成技术ACSWEDOUTDIN 静态静态 RAM 写写 时序时序 tWCtWtAWtDWtDHtWR写

33、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 tDWDW 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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.37计算机组成技术计算机组成技术6. 3. 1 随机访问半导体存储器随机访问半导体存储器RAM 2. DRAM （1）DRAM的分类与工作原理的分类与工作

34、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：单管动态存储电路： 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：写操作：给字线加高电位，选中该存储基元。若写入给字线加高电位，选中该存储基元。若写入1，则给位线加高电位，则给位线加高电位，电容电容C充电充电；否则给位线加低电位；否则给位线加低电位，电容电容C放电放电。读操作：读操作：选中该存储基元，然后检测位线上的输出信号。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。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.38计算机组成技术计算机组成技术DD预

35、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VCgT4T3T2T11 (1) 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路动态动态 RAM ( DRAM )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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.39计算机组成技术计算机组成技术2. DRAM （2）DRAM 芯片的组成与读写时序

36、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，封装芯片的要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，所以尺寸没有增大，芯片引脚数目也就没有增加，所以DRAM芯片地址引脚的数目只是地址宽度的一半芯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 依次发依次发送。相应地，在芯片内部就要设置送。相应地，在芯片内部就要设置 行地址锁存器行地址锁存器 和和 列地址锁存器列地址锁存器。特地增加两个控制线：。

37、特地增加两个控制线： RAS 和和 CAS ，分别控制行地址和列地址的接收。，分别控制行地址和列地址的接收。 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。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.40计算机组成技术计算机组成技术2. DRAM 2116 DRAM芯片的组成芯片的组成哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.41计算机组成技术计算机组成技术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地址信号地址信号引脚引脚A0，A1，A2，n数据信号数据

38、信号引脚引脚D0，D1，D2，n地址选择信号地址选择信号引脚引脚RAS和和CAS。n写命令信号写命令信号引脚引脚WE。n数据输出允许信号数据输出允许信号引脚引脚OE。n电源引脚和接地引脚电源引脚和接地引脚VCC和和GND。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.42计算机组成技术计算机组成技术2. DRAM 2116 DRAM的的 读时序读时序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，发出列地址选择信号然后向地址引脚

39、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。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.43计算机组成技术计算机组成技术2. DRAM 2116 DRAM的的 写时序写时序nCAS信号必须在列地址和输入数据都准备好之后才能发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，以确保信息可靠地出。此后输入数据须维持一段时间，以确保信息可靠地写入。写入。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.44计算机组成技术计算机组成技术 动态动态 RAM 时序时序 行、列地址分开传送行、列地址分开传送写

40、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)列地址列地址 CAS 有效有效列地址列地址 CAS 有效有效哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.45计算机组成技术计算机组成技术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

41、的电荷会缓慢丢失。为了保证存储信息的稳定性和正确性，慢丢失。为了保证存储信息的稳定性和正确性，需要每需要每隔一段时间给电容补充电荷，这个过程称为隔一段时间给电容补充电荷，这个过程称为 刷新刷新。n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，刷新一行所花时间称为刷新周期。刷新是逐行进行的，刷新一行所花时间称为刷新周期。例如对于例如对于2116 芯片，在芯片，在2ms内必须完成内必须完成128个刷新周期。个刷新周期。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机

42、学院1.46计算机组成技术计算机组成技术 动态动态 RAM 刷新刷新 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tc0 123967396801tctctctc3999V 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）刷新序号刷新序号sstcXtcY 以以 32 32 矩阵为例矩阵为例哈尔滨工业大

43、学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.47计算机组成技术计算机组成技术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 矩阵为例矩阵为例哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.48计算机组成技术计算机组成技术 分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）对于对于 1

44、28 128 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(2/128)s 刷新一行刷新一行则每行每隔则每行每隔 2ms 刷新一次刷新一次若每隔若每隔 2ms 集中刷新一次集中刷新一次“死区死区” 为为 64 s哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.49计算机组成技术计算机组成技术动态动态 RAM 和静态和静态 RAM 的比较的比较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

45、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存缓存缓存哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.50计算机组成技术计算机组成技术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 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.

46、2 只读半导体存储器只读半导体存储器ROM 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.51计算机组成技术计算机组成技术（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 以晶体管的以晶体管的“有有/无无”来代表来代表“0/1”，即每个存储，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。完成后无法改变。 基于基于 MOS 管的存储二进制数管的存储二进制数 0的存储基元电路。当存储基元中不的存储基元电路。当存储基元中不包含包含 MOS 管时表示二进制数管时表示二进制数1。 M

47、ROM 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。但如果批量生产数量很短，其不足是设计制造成本高。但如果批量生产数量很大，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。用于市场占有率高的成熟产品。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.52计算机组成技术计算机组成技术（2）可编程）可编程ROM，PROM6. 3. 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

48、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）熔丝烧断型熔丝烧断型。可编程的连接点之间用熔丝相连，如。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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.53计算机组成技术计算机组成技术（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P

49、N结，未编程结，未编程之前之前 PN 结是不导通的。所谓结是不导通的。所谓“编程编程”就是选择某些就是选择某些PN 结将其击穿，使其导通。结将其击穿，使其导通。 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，所以所以 PROM 使用起来很不方便，目前已经淘汰。使用起来很不方便，目前已经淘汰。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.

50、54计算机组成技术计算机组成技术（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 最常用的最常用的 EPROM 是：是：浮栅雪崩注入型浮栅雪崩注入型MOS管管G 栅极栅极S 源极源极D 漏极漏极SGDN+N+P基片基片GDS浮动栅浮动栅SiO2+ + + + +_ _ _ 紫外线全部擦洗紫外线全部擦洗哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.55计算机组成技术计算机组成技术（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，将窗口置于芯片上有一个石英窗口，将窗口置于12mW /cm2的紫外

51、线灯下，照射的紫外线灯下，照射1025分钟，分钟，EPROM浮栅上的浮栅上的电荷将全部释放，恢复到原来不带电荷的状态电荷将全部释放，恢复到原来不带电荷的状态(“1”)。这。这样，样，EPROM 就可以重新编程。就可以重新编程。 EPROM芯片在使用过程中，应该用不透光的胶纸贴芯片在使用过程中，应该用不透光的胶纸贴盖住石英窗口，同时避免阳光或灯光直接照射，以免引盖住石英窗口，同时避免阳光或灯光直接照射，以免引起芯片功能损伤。起芯片功能损伤。 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

52、较长；不能局部擦除或重写指定单元信息。写指定单元信息。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.56计算机组成技术计算机组成技术（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。 哈尔滨工

53、业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.57计算机组成技术计算机组成技术（4）可用电擦除的可编程）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM 近年来，一种被称为近年来，一种被称为 闪存闪存(Flash Memory) 的的EEPROM迅速发展起来。闪存在结构上与传统的迅速发展起来。闪存在结构上与传统的EEPROM类似，只类似，只是它的栅极氧化层较薄，擦除和编程（重写）速度较快。是它的栅极氧化层较薄，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。由于其通过、价格低、速度快，已经替代原

54、来的软盘。由于其通过USB 接口与主机相连，所以人们将其称为接口与主机相连，所以人们将其称为“U盘盘”。 需要指出的是，虽然需要指出的是，虽然 EEPROM 可读、可写，但是不可读、可写，但是不可当作可当作 RAM 使用。一则它允许编程的次数是有限的，如使用。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。十万次；二则擦除和编程需要较长的时间成本较高。 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.58计算机组成技术计算机组成技术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：1. 地址信号引脚地址信号引脚A

55、0，A1，A2，2. 数据信号引脚数据信号引脚D0，D1，D2，3. 芯片选择信号引脚芯片选择信号引脚 CS 或或 CE。4. 数据输出允许信号引脚数据输出允许信号引脚 OE。5. 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 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.59计算机组成技术计算机组成技术 典型的典型的EPROM有有2716(2K 8位位)、2732(4K 8位位)、2764(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哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学

56、计算机学院1.60计算机组成技术计算机组成技术ROM 的外特性与读的外特性与读/写周期写周期 EPROM的的 读周期时序读周期时序 如下。为了保证数据能够可靠如下。为了保证数据能够可靠地输出，片选信号地输出，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。哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.61计算机组成技术计算机组成技术内部存储器的小结内部存储器的小结 只读存储器只读存储器(ROM)随机存储器随机存储器(RAM)名称名称写入方式写入方式名称名称特点特点MASK ROM厂家加工厂家加工SRAM

57、(静态静态)通电可保留数据通电可保留数据PROM一次性编程一次性编程DRAM(动态动态)需要不断进行刷新需要不断进行刷新EPROM可擦写，可编程可擦写，可编程EEPROM电擦除，可编程电擦除，可编程FLASH MEMORY(闪存闪存)在线可擦、可写在线可擦、可写哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.62计算机组成技术计算机组成技术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 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哈尔

58、滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.63计算机组成技术计算机组成技术一、主存储器组成一、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系统程序区用户程序区用户程序区系统程序工作区系统程序工作区系统程序系统程序 工作时工作时 写入写入 并并 读出读出 临时数据临时数据不能修改不能修改ROM能修改能修改能修改能修改RAMRAM存放存放 系统程序系统程序存放存放 用户的程序与数据用户的程序与数据哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.64计算机组成技术计算机组成技术1. 主存储器的逻辑设计主存储器的逻辑设计设计一个存储器设计一个存储器存储器

59、容量存储器容量微处理器微处理器 按按 字节字节 编址编址主存储器的容量主存储器的容量 = 存储单元数存储单元数 字节字节存储单元数存储单元数 与与 地址总线数地址总线数 有关有关设地址总线数为设地址总线数为 N 存储器的最大单元个数为存储器的最大单元个数为 2N 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 若干存储芯片连在一起若干存储芯片连在一起 哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.65计算机组成技术计算机组成技术 用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 1K 8位位 的存储器的存储器？片？片 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 (1) 位扩展位扩展（增加存储字长）（增加存储字长）1

60、0 根地址线根地址线8 根数据线根数据线DDD0479AA021142114CSWE2片片哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.66计算机组成技术计算机组成技术 (2) 字扩展（增加存储字的数量）字扩展（增加存储字的数量） 用用 1K 8位位 存储芯片组成存储芯片组成 2K 8位位 的存储器的存储器11 根地址线根地址线8 根数据线根数据线？片？片2片片1K 8位位1K 8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS1哈尔滨工业大学计算机学院哈尔滨工业大学计算机学院1.67计算机组成技术计算机组成技术 (3) 字、位扩展字、位扩展用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成