1、西西 南南 交交 通通 大大 學學信息科學與技術學信息科學與技術學院院20201616年年5 5月月 西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構 5.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成 5.2 5.2 主存儲器的組織主存儲器的組織 5.3 5.3 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器 5.4 5.4 主存儲器的連接與控制主存儲器的連接與控制 5.6 5.6 并行存儲器和相聯存儲器并行存儲器和相聯存儲器5.7 5.7 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 5.8 5.8 虛擬存儲器虛擬存儲器 西南交通大學信

2、息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構3第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構 存儲器用途：存儲器用途：存放程序和數據。存放程序和數據。 要求容量大、速度高、成本低。要求容量大、速度高、成本低。 （但在同樣技術條件下三者往往相互矛盾）（但在同樣技術條件下三者往往相互矛盾）存儲系統：存儲系統：由幾個容量、速度和價格各不相同的存儲器構成的系統。由幾個容量、速度和價格各不相同的存儲器構成的系統。 （以提高整體性能）（以提高整體性能） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算

3、機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構45.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成5.1.1 5.1.1 存儲器的分類存儲器的分類 1. 1. 按存儲器在計算機系統中的作用分類按存儲器在計算機系統中的作用分類 （1 1）高速緩沖存儲器（）高速緩沖存儲器（CacheCache） （2 2）主存儲器（內存、主存）主存儲器（內存、主存） 比如：內存條比如：內存條 （3 3）輔助存儲器（外存、后援存儲器）輔助存儲器（外存、后援存儲器） 比如：磁盤、光盤比如：磁盤、光盤2 2按存儲介質分類按存儲介質分類（1 1）半導體存儲器（靜態）半導體存儲器（靜態/ /動態）

4、動態）（2 2）磁芯存儲器）磁芯存儲器（3 3）磁表面存儲器）磁表面存儲器（4 4）光存儲器）光存儲器 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構55.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成5.1.1 5.1.1 存儲器的分類存儲器的分類3 3按存取方式分類按存取方式分類（1 1）隨機存取存儲器）隨機存取存儲器(Random Access Memory(Random Access Memory，RAM)RAM) 可對其任意單元進行讀寫，并且可對其任意單元進行讀寫，并且 讀寫所需時間與存儲單

5、元的地址無關。讀寫所需時間與存儲單元的地址無關。（2 2）只讀存儲器）只讀存儲器(Read Only Memory, ROM)(Read Only Memory, ROM)（3 3）順序存儲器）順序存儲器(Serial Access Memory, SAM)(Serial Access Memory, SAM)（4 4）直接存取存儲器）直接存取存儲器 (Direct Access Memory, DAM) (Direct Access Memory, DAM) 又稱半順序存儲器又稱半順序存儲器 例如磁盤：尋道例如磁盤：尋道可看作隨機方式；可看作隨機方式； 尋找磁道內扇區的數據尋找磁道內扇區的數

6、據采用順序存取。采用順序存取。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構65.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成5.1.1 5.1.1 存儲器的分類存儲器的分類4 4按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類（1 1）易失性存儲器（又稱揮發性存儲器）易失性存儲器（又稱揮發性存儲器） 斷電后要丟失信息斷電后要丟失信息（2 2）非易失性存儲器）非易失性存儲器 斷電后存儲信息仍然保存斷電后存儲信息仍然保存 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組

7、成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構75.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成5.1.2 5.1.2 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構 目的：目的：解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾。解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾。方法：方法：采用多級存儲層次，以提高存儲系統的整體性能。采用多級存儲層次，以提高存儲系統的整體性能。1 1多級存儲層次多級存儲層次 “Cache-Cache-主存主存-外存外存” ” 是最典型的三級物理存儲體系是最典型的三級物理存儲體系CPUCache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器高高高高低低低低小小大大速度速度價格價格容量容量 西

8、南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構8CPUCache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器高高高高低低低低小小大大速度速度價格價格容量容量（1 1）CacheCache 存放少量內存數據的副本，其速度很快，可與存放少量內存數據的副本，其速度很快，可與CPUCPU速度匹配。速度匹配。 （與主存之間有數據映射算法、淘汰算法）（與主存之間有數據映射算法、淘汰算法）（2 2）主存）主存 能由能由CPUCPU直接編程訪問。運行的程序及處理數據要放在主存中。直接編程訪問。運行的程序及處理數據要放在主

9、存中。（3 3）輔存）輔存 存放需聯機保存但暫不使用的程序與數據。存放需聯機保存但暫不使用的程序與數據。 當要運行其中的程序時，先把傳到內存再運行。當要運行其中的程序時，先把傳到內存再運行。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構92 2CacheCache主存存儲層次（主存存儲層次（CacheCache存儲系統）存儲系統） 為解決主存速度不足而提出來的。為解決主存速度不足而提出來的。CPUCache主存輔助硬件 由于由于CacheCache存儲系統全部用硬件來調度，因此它對系統程序存儲

10、系統全部用硬件來調度，因此它對系統程序員和應用程序員都是透明的。員和應用程序員都是透明的。5.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成5.1.2 5.1.2 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構105.1.2 5.1.2 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構 3 3主存主存輔存存儲層次（虛擬存儲系統）輔存存儲層次（虛擬存儲系統） 為解決主存容量不足而提出來的。為解決主存容量不足而提出來的。 由于虛擬存儲系統需要通過操作系統來調度，因此對系統由于虛擬

11、存儲系統需要通過操作系統來調度，因此對系統程序員是不透明的，但對應用程序員是透明的。程序員是不透明的，但對應用程序員是透明的。CPU主存輔存輔助軟硬件5.1 5.1 存儲系統的組成存儲系統的組成 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構115.2.15.2.1主存儲器的存儲單元主存儲器的存儲單元 1 1基本概念基本概念 存儲字：可作為一個整體存入或取出的二進制位數。存儲字：可作為一個整體存入或取出的二進制位數。 存儲單元：存放存儲字或存儲字節的主存空間。存儲單元：存放存儲字或存儲字節的主存

12、空間。 地址：存儲單元的編號。和存儲單元之間一一對應。地址：存儲單元的編號。和存儲單元之間一一對應。5.2 5.2 主存儲器存儲單元的組織主存儲器存儲單元的組織 2 2地址編排方案地址編排方案 內存的常見編址單位有：內存的常見編址單位有： 1 1）按字編址：編址單位）按字編址：編址單位= =計算機字長計算機字長 2 2）按字節編址：編址單位）按字節編址：編址單位=1=1個字節個字節 3 3）按位編址：編址單位）按位編址：編址單位=1bit=1bit 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構

13、12 按字編址時，有大端方案和小端方案之分。按字編址時，有大端方案和小端方案之分。大端方案大端方案 字地址等于最高有效字節地址。例如：字地址等于最高有效字節地址。例如：IBM 370IBM 370機，字長機，字長3232位，按字節編址，字地址總是等于位，按字節編址，字地址總是等于4 4的整數倍，用地址碼的的整數倍，用地址碼的最末兩位來區分同一個字的最末兩位來區分同一個字的4 4個字節。個字節。 00144889101156723字 地 址字 節 地 址 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和

14、結構13 按字編址時，有大端方案和小端方案之分。按字編址時，有大端方案和小端方案之分。小端方案小端方案 字地址等于最低有效字節地址。例如：字地址等于最低有效字節地址。例如：PDP-11PDP-11機，字長機，字長為為1616位，按字節編址，字地址等于位，按字節編址，字地址等于2 2的整數倍。用地址碼的的整數倍。用地址碼的最末最末1 1位來區分同一個字的兩個字節。位來區分同一個字的兩個字節。 004412235字地址字節地址 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構145.2.2 5.2.2

15、 數據在主存中的存放方式數據在主存中的存放方式按字節編址的情況下，數據在主存儲器中的按字節編址的情況下，數據在主存儲器中的3 3種不同存放方法：種不同存放方法： 1) 1) 緊縮存放緊縮存放 2) 2) 字邊界存放字邊界存放 3) 3) 整數邊界存放整數邊界存放 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構155.2.2 5.2.2 數據在主存中的存放方式數據在主存中的存放方式【例例】設存儲字長為設存儲字長為6464位，讀寫的數據有以下位，讀寫的數據有以下4 4種不同長度種不同長度字節字節(8

16、(8位位) )半字半字(16(16位位) )單字單字(32(32位位) )雙字雙字(64(64位位) )1)1)緊縮存放：緊縮存放：4 4種不同長度的數據一個緊接著一個存放。種不同長度的數據一個緊接著一個存放。 存儲字存儲字6464位（位（8 8個字節）個字節）不浪費存儲器資源，但一個數據可能跨字存放，不浪費存儲器資源，但一個數據可能跨字存放，要讀數要訪存兩次要讀數要訪存兩次 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構165.2.2 5.2.2 數據在主存中的存放方式數據在主存中的存放方式【

17、例例】設存儲字長為設存儲字長為6464位，讀寫的數據有以下位，讀寫的數據有以下4 4種不同長度種不同長度字節字節(8(8位位) )半字半字(16(16位位) )單字單字(32(32位位) )雙字雙字(64(64位位) )2)2)字邊界存放：從存儲字的起始位置開始存放字邊界存放：從存儲字的起始位置開始存放. . 每個存儲字最多只存一個數據每個存儲字最多只存一個數據( (不管該數是不管該數是1 1字字節長還是節長還是1 1字長字長) )。 存儲字存儲字64位（位（8個字節）個字節） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章

18、 存儲系統和結構存儲系統和結構175.2.2 5.2.2 數據在主存中的存放方式數據在主存中的存放方式【例例】設存儲字長為設存儲字長為6464位，讀寫的數據有以下位，讀寫的數據有以下4 4種不同長度種不同長度字節字節(8(8位位) )半字半字(16(16位位) )單字單字(32(32位位) )雙字雙字(64(64位位) )3)3)整數邊界存放：單字節數據的地址可任意，整數邊界存放：單字節數據的地址可任意， 二字節數據的地址只能是二字節數據的地址只能是(XXX0)(XXX0)2 2 四字節數據的地址只能是四字節數據的地址只能是 (XXX00)(XXX00)2 2存儲字存儲字64位（位（8個字節）

19、個字節）0181624329172533210183111941220513216142271523263427283635293730313938 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構185.2.3 5.2.3 存儲器的主要技術指標存儲器的主要技術指標 1. 1.存儲容量存儲容量 以以字節字節編址的計算機，通常以字節為單位。編址的計算機，通常以字節為單位。 對于以對于以字字編址的計算機，以編址的計算機，以字數與其字長的乘積字數與其字長的乘積表示容量。表示容量。 例：例：64K64K1

20、616128KB 128KB 。注意：注意：通常情況下，應認為通常情況下，應認為1MB1MB代表代表1024KB1024KB。 但在表述硬盤的存儲容量時，目前習慣上但在表述硬盤的存儲容量時，目前習慣上 1MB1MB指指1000KB1000KB。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構195.2.3 5.2.3 存儲器的主要技術指標存儲器的主要技術指標 2. 2.存取速度存取速度 存取時間（訪問時間或讀寫時間）存取時間（訪問時間或讀寫時間）TaTa 指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷

21、的時間。指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。 Ta Ta越小，存取速度越快。越小，存取速度越快。 存取周期（訪問周期或讀寫周期）存取周期（訪問周期或讀寫周期）TmTm 指存儲器進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間。即兩次連指存儲器進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間。即兩次連續訪問存儲器（讀或寫）操作之間所需的最小時間間隔。續訪問存儲器（讀或寫）操作之間所需的最小時間間隔。 一般一般TmTaTmTa。 主存帶寬主存帶寬BmBm（數據傳輸率）（數據傳輸率） 每秒從主存進出信息的最大數量。每秒從主存進出信息的最大數量。 字字/ /秒、字節秒、字節/ /秒或位秒或位/ /秒秒 若存儲器的

22、字長為若存儲器的字長為W W位，則位，則Bm=W/TmBm=W/Tm。 1.1.存儲容量存儲容量 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構205.2.3 5.2.3 存儲器的主要技術指標存儲器的主要技術指標 2. 2.存取速度存取速度 存取時間（訪問時間或讀寫時間）存取時間（訪問時間或讀寫時間）TaTa 指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。 Ta Ta越小，存取速度越快。越小，存取速度越快。 存取周期（訪問周期或讀寫周期）存取周期

23、（訪問周期或讀寫周期）TmTm 指存儲器進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間。即兩次連指存儲器進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間。即兩次連續訪問存儲器（讀或寫）操作之間所需的最小時間間隔。續訪問存儲器（讀或寫）操作之間所需的最小時間間隔。 一般一般TmTaTmTa。 主存帶寬主存帶寬BmBm（數據傳輸率）（數據傳輸率） 每秒從主存進出信息的最大數量。每秒從主存進出信息的最大數量。 字字/ /秒、字節秒、字節/ /秒或位秒或位/ /秒秒 若存儲器的字長為若存儲器的字長為W W位，則位，則Bm=W/TmBm=W/Tm。 1.1.存儲容量存儲容量 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學

24、與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構215.2.3 5.2.3 存儲器的主要技術指標存儲器的主要技術指標 2. 2.存取速度存取速度 1.1.存儲容量存儲容量3.3.可靠性可靠性 指在規定時間內，存儲器無故障的概率。指在規定時間內，存儲器無故障的概率。 4.4.功耗功耗 反映存儲器耗電的多少和發熱的程度。反映存儲器耗電的多少和發熱的程度。5.5.價格（性能價格比）價格（性能價格比） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構22半導

25、體存儲器半導體存儲器RAMRAM雙極型存儲器（靜態）雙極型存儲器（靜態）SRAMSRAM場效應晶體管場效應晶體管MOSMOS存儲器存儲器靜態存儲器靜態存儲器SRAMSRAM動態存儲器動態存儲器DRAMDRAM5.3 5.3 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器5.3.1 RAM5.3.1 RAM記憶單元電路記憶單元電路 1. 61. 6管管SRAMSRAM記憶單元電路記憶單元電路 用雙穩態觸發器來存儲一位二進制信息用雙穩態觸發器來存儲一位二進制信息0 0或或1 1。 字線位線I/OT3T2T1T4位線I/OVccT5T6AB 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科

26、學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構23字線位線I/OT3T2T1T4位線I/OVccT5T6AB 保存信息：保存信息：字線為低；字線為低； 觸發器與位線斷開觸發器與位線斷開 1 1：T T1 1截止，截止，T T2 2導通導通 0 0：T T1 1導通，導通，T T2 2截止截止 讀出操作：讀出操作：字線為高；字線為高； 若存若存“1”“1”，I/OI/O上輸出高電平。上輸出高電平。 寫入操作：寫入操作：字線為高。字線為高。 寫寫“1”“1”時，位線時，位線I/OI/O為高為高; I/O; I/O為低電位；為低電位； 西南交通大學

27、信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構242. 42. 4管管DRAMDRAM記憶單元電路記憶單元電路 靠靠MOSMOS電路中的柵極電容電路中的柵極電容C1C1、C2C2來存儲信息的。來存儲信息的。 保存信息：保存信息：字線為低；字線為低； 1 1：C C2 2上有電荷，上有電荷，C C1 1上無電荷上無電荷 0 0：C C2 2上無電荷，上無電荷，C C1 1上有電荷上有電荷由于存在漏電流，需周期性給由于存在漏電流，需周期性給電容補充電荷，即刷新。電容補充電荷，即刷新。 讀出操作：讀出操作：字線為

28、高；若存字線為高；若存“1”“1”，C C2 2上有電荷，上有電荷，I/OI/O線上有負脈線上有負脈沖輸出。若存沖輸出。若存“0”0”，C C1 1上有電荷，上有電荷，I/OI/O線上有負脈沖輸出。線上有負脈沖輸出。 字線位線I/OC1T3C2T2T1T4預充預充位線I/OVccAB 寫入操作：寫入操作： 字線為高。字線為高。寫寫“1”“1”時，時，I/OI/O為高電位，為高電位， I/OI/O為低電位；寫為低電位；寫“0”“0”時，時， I/OI/O為高電位，為高電位，I/OI/O為低電位。為低電位。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原

29、理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構253. 3. 單管單管DRAMDRAM記憶單元記憶單元 由一個由一個MOSMOS管管T1T1和一個存儲電容和一個存儲電容C C構成，用構成，用C C存儲電荷來表示信息。存儲電荷來表示信息。 寫入操作：寫入操作：字線為高電平，當位線為字線為高電平，當位線為高電平時，高電平時，C C被充電，寫入被充電，寫入“1”1”；當位；當位線為低電平，線為低電平，C C被放電，寫入被放電，寫入“0” 0” 讀出操作：讀出操作：字線為高電平，字線為高電平，T1T1管導通。若存儲的是管導通。若存儲的是“1”1”，C C上上有電荷，位線上產生讀電流；若存儲的

30、是有電荷，位線上產生讀電流；若存儲的是“0”0”，C C上無電荷，位上無電荷，位線上不產生讀電流。線上不產生讀電流。 字線位線CCdT1 保存信息：保存信息：字線為低；由于存在漏電字線為低；由于存在漏電流，需周期性給電容補充電荷，即刷新。流，需周期性給電容補充電荷，即刷新。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構265.3.2 5.3.2 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器1 1RAMRAM芯片的基本結構芯片的基本結構存儲體存儲體地址線地址線數據線數據線讀讀/ /寫

31、控制線寫控制線I/O和讀寫電路和讀寫電路地址譯碼驅動地址譯碼驅動（1 1）存儲體（存儲陣列、存儲矩陣）存儲體（存儲陣列、存儲矩陣）（2 2）地址譯碼驅動電路）地址譯碼驅動電路（3 3）I/OI/O和讀寫電路和讀寫電路 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構275.3.2 5.3.2 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器2 2地址譯碼方式地址譯碼方式（1 1）單譯碼方式）單譯碼方式( (一維地址譯碼方式，字選法一維地址譯碼方式，字選法) ) 0,00,731,031,7

32、讀 /寫 控 制 電 路地址譯碼器字 線位線讀 /寫片 選00731D7D0D1D2A0A1A2A3A432 8矩 陣.000000000111111. 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構285.3.2 5.3.2 半導體隨機存儲器和只讀存儲器半導體隨機存儲器和只讀存儲器2 2地址譯碼方式地址譯碼方式（2 2）雙譯碼方式）雙譯碼方式( (二維地址譯碼二維地址譯碼) ) 0,00,6363,063,63I/OY地 址 譯 碼器地址譯碼器XA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A

33、11DinDoutDD_D_D64 64矩陣X0X63Y0Y63.XYZ 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構29雙譯碼方式地址譯碼器結構簡單，連線少。雙譯碼方式地址譯碼器結構簡單，連線少。思考：思考：1K1K4 4存儲器芯片，采用單譯碼字選方式時芯片內共需要存儲器芯片，采用單譯碼字選方式時芯片內共需要多少根字選線？多少根字選線？409640961 1的存儲芯片內部可排列成的存儲芯片內部可排列成64646464的矩陣，采用雙譯碼方式時芯片內共需要多少根選擇線？的矩陣，采用雙譯碼方式時芯

34、片內共需要多少根選擇線？ 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構302 2靜態存儲器（靜態存儲器（SRAMSRAM）芯片及其工作時序）芯片及其工作時序 1K 4A9-0CSRDD1-4WR 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構312 2靜態存儲器（靜態存儲器（SRAMSRAM）芯片及其工作時序）芯片及其工作時序 1K 4A9-0CSRDD1-4WR讀寫時序（注意片選信號的作用區域

35、）：讀寫時序（注意片選信號的作用區域）：數據輸出數據地址CSWE讀時序讀時序讀周期讀周期 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構322 2靜態存儲器（靜態存儲器（SRAMSRAM）芯片及其工作時序）芯片及其工作時序 1K 4A9-0CSRDD1-4WR讀寫時序（注意片選信號的作用區域）：讀寫時序（注意片選信號的作用區域）：數據輸入數據地址CSWE寫時序寫時序寫周期寫周期 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章

36、存儲系統和結構存儲系統和結構333 3動態存儲器（動態存儲器（DRAMDRAM）芯片及其工作時序）芯片及其工作時序 64K 1A7-0RASDRDCASWRDRAMDRAM芯片一般沒有片選端，用芯片一般沒有片選端，用RASRAS和和CASCAS信號代替片選信號代替片選 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構343 3動態存儲器（動態存儲器（DRAMDRAM）芯片及其工作時序）芯片及其工作時序 64K 1A7-0RASDRDCASWR讀寫時序：讀寫時序： 數據輸出數據地址讀周期CASWE(

37、a)(b)RAS行地址列地址數據輸入數據地址寫周期CASWERAS行地址列地址 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構351.1.刷新間隔刷新間隔 DRAM DRAM記憶單元中電容信息可保持的時間決定了兩次刷新記憶單元中電容信息可保持的時間決定了兩次刷新操作的時間間隔，在這段時間內必須將所有存儲單元都刷新操作的時間間隔，在這段時間內必須將所有存儲單元都刷新一遍。一般芯片的最大刷新間隔為一遍。一般芯片的最大刷新間隔為2ms2ms。 5.3.3 5.3.3 動態存儲器的刷新動態存儲器的刷新刷

38、新：刷新：在存儲電荷要消失但還沒消失到使信息不能辨認之前，給在存儲電荷要消失但還沒消失到使信息不能辨認之前，給電容器上充電以補充原來丟失的電荷，使信息再生。電容器上充電以補充原來丟失的電荷，使信息再生。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構362. 2. 刷新方式刷新方式 (1) (1) 集中刷新方式集中刷新方式 在允許的最大刷新間隔內，按照存儲芯片容量的大小集中安排在允許的最大刷新間隔內，按照存儲芯片容量的大小集中安排若干個刷新周期，刷新時停止讀寫操作。若干個刷新周期，刷新時停止讀寫

39、操作。刷新時間刷新時間= =存儲矩陣行數存儲矩陣行數刷新周期刷新周期 注意：注意：這里刷新周期是指刷新一行所需要的時間，由于刷這里刷新周期是指刷新一行所需要的時間，由于刷新過程就是新過程就是“假讀假讀”的過程，所以刷新周期等于的過程，所以刷新周期等于存取周期存取周期。 刷新間隔（刷新間隔（2 ms）讀寫操作讀寫操作刷新刷新013967396839993968個周期（個周期（1984 s）32個周期（個周期（16 s） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構37（2 2） 分散刷新方式分散

40、刷新方式 把刷新操作分散到每個存取周期內進行，在一個系統存取把刷新操作分散到每個存取周期內進行，在一個系統存取周期內刷新存儲矩陣中的一行。周期內刷新存儲矩陣中的一行。刷新間隔（刷新間隔（32 s）周期周期0周期周期1周期周期31讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫刷新刷新刷新刷新刷新刷新 特點：特點：沒有死區，但加長了系統存取周期，降低了整機速度；沒有死區，但加長了系統存取周期，降低了整機速度；而且刷新過于頻繁而且刷新過于頻繁，沒有充分利用所允許的最大刷新間隔，沒有充分利用所允許的最大刷新間隔。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5

41、5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構38（3 3）異步刷新方式）異步刷新方式 是前兩種方式的結合，充分利用了最大刷新間隔時間，把是前兩種方式的結合，充分利用了最大刷新間隔時間，把刷新操作平均分配到整個最大刷新間隔時間內進行。刷新操作平均分配到整個最大刷新間隔時間內進行。相鄰兩行的刷新間隔相鄰兩行的刷新間隔= =最大刷新間隔時間最大刷新間隔時間行數行數 刷新間隔（刷新間隔（2 ms）讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫讀寫刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s（4 4）其他刷新方式）其他刷新方式 如不定期刷新，把刷新安排在如不定期刷新，把刷新安排在CPUCPU不訪存的空閑時間里，不會不訪存的

42、空閑時間里，不會出現死區，也不會降低存儲器存取速度，但控制復雜。出現死區，也不會降低存儲器存取速度，但控制復雜。 特點：特點：雖然也有死區，但比集中刷新方式的死區小得多，雖然也有死區，但比集中刷新方式的死區小得多，且且減少了刷新次數。減少了刷新次數。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構393. DRAM3. DRAM的刷新要注意的問題的刷新要注意的問題 刷新控制電路的主要任務是解決刷新和刷新控制電路的主要任務是解決刷新和CPUCPU訪問存儲器之訪問存儲器之間的矛盾。當刷新請求和訪存請

43、求同時發生時，應優先進間的矛盾。當刷新請求和訪存請求同時發生時，應優先進行行刷新刷新操作。操作。刷新對刷新對CPUCPU是是透明透明的。的。刷新以行為單位進行，每一行中各記憶單元同時被刷新，刷新以行為單位進行，每一行中各記憶單元同時被刷新，故刷新操作時僅需要故刷新操作時僅需要行地址行地址，不需要列地址。，不需要列地址。刷新操作類似于讀出操作，但不需要信息輸出。刷新時刷新操作類似于讀出操作，但不需要信息輸出。刷新時不不需要需要加加片選片選信號，信號，考慮刷新問題時，應當從考慮刷新問題時，應當從單個單個芯片的存儲容量著手，而不芯片的存儲容量著手，而不是從整個存儲器的容量著手。是從整個存儲器的容量著

44、手。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構40【例例】64K64K 1 1 的芯片，共有的芯片，共有8 8位行地址，譯碼后產生位行地址，譯碼后產生256256個行，所個行，所以，在以，在2ms 2ms 內至少應有內至少應有256256個刷新周期。個刷新周期。 【例例】某機主存容量某機主存容量1MB1MB，用，用16K16K 1/1/片的片的DRAMDRAM芯片構成，芯片最芯片構成，芯片最大刷新周期為大刷新周期為2ms2ms。問：刷新一遍需要多少次刷新？主存不能提。問：刷新一遍需要多少次

45、刷新？主存不能提供讀寫服務的百分比占到多少？供讀寫服務的百分比占到多少？ 【解解】 16K16K 1 1的的DRAMDRAM芯片有芯片有14/214/27 7位行地址，即共有位行地址，即共有128128個刷新個刷新行地址。所以，需要行地址。所以，需要128128次的刷新才能刷遍所有的單元。次的刷新才能刷遍所有的單元。 若每次刷新所需的時間為若每次刷新所需的時間為Ts,Ts,則主存不能提供讀寫服務的百則主存不能提供讀寫服務的百分比為：分比為： (Ts(Ts 128)/2ms)128)/2ms) 100%100% 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機

46、組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構41思考：思考：第第5 5章習題：章習題： 1-101-10，2323，2424，2626 第第5 5章習題：章習題： 1 1，2 2，5-105-10，2323，2424，2626 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構42特點：特點：非易失性存儲器，造價比非易失性存儲器，造價比RAMRAM低，集成度高，低，集成度高， 組成結構比組成結構比RAMRAM簡單。簡單。用途：用途：存放軟件；存放微程序；存放特殊編碼存放軟件；存放微

47、程序；存放特殊編碼 1.1.掩模式掩模式ROM(MROM)ROM(MROM) 廠家制造芯片時把數據用光刻掩摸寫入芯片，不能改。廠家制造芯片時把數據用光刻掩摸寫入芯片，不能改。 特點：特點：可靠性高，集成度高，批量生產價格便宜，但用戶可靠性高，集成度高，批量生產價格便宜，但用戶對廠家依賴性大，靈活性差。對廠家依賴性大，靈活性差。 存儲單元可用二級管、雙極型晶體管和存儲單元可用二級管、雙極型晶體管和MOSMOS三極管作為耦合三極管作為耦合元件。元件。 5.3.45.3.4半導體只讀存儲器（半導體只讀存儲器（ROMROM） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原

48、理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構43 一種封裝后可編程的半一種封裝后可編程的半導體只讀存儲器。存儲的初導體只讀存儲器。存儲的初始內容為全始內容為全“0”0”或全或全“1”1”，用戶可用專門的編程器或寫用戶可用專門的編程器或寫入器，加過載電壓來寫入信入器，加過載電壓來寫入信息，但只能寫入一次。息，但只能寫入一次。 存儲單元可分為熔絲型、存儲單元可分為熔絲型、二極管型等。二極管型等。 2. 2. 一次可編程一次可編程ROMROM（PROMPROM） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5

49、章章 存儲系統和結構存儲系統和結構44 可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。 EPROM EPROM可分為兩種：紫外線擦除（可分為兩種：紫外線擦除（UVEPROMUVEPROM） 電擦除（電擦除（EEPROMEEPROM）。）。 3.3.可擦除可編程可擦除可編程ROM(EPROM) ROM(EPROM) n UVEPROM 需用紫外線燈制作的擦抹器照射存儲器芯片上的透明窗口，需用紫外線燈制作的擦抹器照射存儲器芯片上的透明窗口，擦除芯片中信息，只能對整個芯片擦除，不能對芯片中個別存儲擦除芯片中信息，只能對整個芯片擦除，不能對芯片中個

50、別存儲單元單獨擦除。單元單獨擦除。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構45 可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。 EPROM EPROM可分為兩種：紫外線擦除（可分為兩種：紫外線擦除（UVEPROMUVEPROM） 電擦除（電擦除（EEPROMEEPROM）。）。 3.3.可擦除可編程可擦除可編程ROM(EPROM) ROM(EPROM) n UVEPROM 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院

51、“計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構46 可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。 EPROM EPROM可分為兩種：紫外線擦除（可分為兩種：紫外線擦除（UVEPROMUVEPROM） 電擦除（電擦除（EEPROMEEPROM）。）。 3.3.可擦除可編程可擦除可編程ROM(EPROM) ROM(EPROM) n UVEPROM 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構47 可由用戶

52、利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。可由用戶利用編程器寫入信息，且可對其內容多次改寫。 EPROM EPROM可分為兩種：紫外線擦除（可分為兩種：紫外線擦除（UVEPROMUVEPROM） 電擦除（電擦除（EEPROMEEPROM）。）。 3.3.可擦除可編程可擦除可編程ROM(EPROM) ROM(EPROM) n UVEPROM 需用紫外線燈制作的擦抹器照射存儲器芯片上的透明窗口，需用紫外線燈制作的擦抹器照射存儲器芯片上的透明窗口，擦除芯片中信息，只能對整個芯片擦除，不能對芯片中個別存儲擦除芯片中信息，只能對整個芯片擦除，不能對芯片中個別存儲單元單獨擦除。單元單獨擦除。 采用電氣方法

53、進行擦除，在聯機條件下既可以用字擦除方采用電氣方法進行擦除，在聯機條件下既可以用字擦除方式擦除，也可以用數據塊擦除方式擦除。式擦除，也可以用數據塊擦除方式擦除。n EEPROM 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構48 4. 4. 閃速存儲器（閃速存儲器（Flash MemoryFlash Memory） 可擦除非揮發性存儲器，存儲結構與可擦除非揮發性存儲器，存儲結構與EEPROMEEPROM類似，具備類似，具備RAMRAM與與ROMROM的所有功能，但擦除、重寫速度比的所有功能，但擦

54、除、重寫速度比EEPROMEEPROM快很多。快很多。 可聯機工作，在計算機內進行擦除和重寫。擦寫次數在可聯機工作，在計算機內進行擦除和重寫。擦寫次數在1010萬次以上，讀取速度小于萬次以上，讀取速度小于90ns90ns。具有密度高、可靠性高、體積。具有密度高、可靠性高、體積小、功耗低等特點，有望取代小、功耗低等特點，有望取代EPROMEPROM、磁盤。、磁盤。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構495 5ROMROM芯片芯片 ROM ROM中使用最多的是可擦除可編程中使用最多的是可

55、擦除可編程ROMROM（EPROMEPROM）。各種）。各種EPROMEPROM芯片的外引腳主要有：地址線、數據線、片選線、功率下降與編芯片的外引腳主要有：地址線、數據線、片選線、功率下降與編程輸入線、電源線等。程輸入線、電源線等。 例如，例如，2K2K 8 8的的ROMROM芯片芯片CS A10-0D7-0地址線地址線1111條條CS CS 片選片選( (低有效低有效) )（有的芯片還有（有的芯片還有OE: OE: 輸出允許輸出允許( (低有效低有效) )） 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存

56、儲系統和結構505.4 5.4 主存儲器的連接與控制主存儲器的連接與控制5.4.1 5.4.1 主存容量的擴展主存容量的擴展 當一個存儲器芯片的容量規格不能滿足主存系統容量規格當一個存儲器芯片的容量規格不能滿足主存系統容量規格的要求時，需要用多個芯片來構成主存系統，即對存儲體進行的要求時，需要用多個芯片來構成主存系統，即對存儲體進行擴展。擴展。 容量擴展方式：容量擴展方式： 位擴展位擴展 字擴展字擴展 字位同時擴展字位同時擴展 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構511 1位擴展位擴展

57、 只在位數方向擴展（加大字長），而芯片的字數和存儲器的只在位數方向擴展（加大字長），而芯片的字數和存儲器的字數是一致的。字數是一致的。連接方式：連接方式：各存儲芯片的地址線、片選線和讀各存儲芯片的地址線、片選線和讀/ /寫線并聯寫線并聯 各芯片的數據線單獨列出。各芯片的數據線單獨列出。 D7 D0. 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構52【例例】用用64K64K1 1的的SRAMSRAM芯片組成芯片組成64K64K8 8的存儲器的存儲器 擴展條件：擴展條件：設目標容量為設目標容量為M

58、 M字字N N位，存儲器芯片容量為位，存儲器芯片容量為 m m字字n n位，位， M Mm m ，NnNn，則需要的存儲器芯片數，則需要的存儲器芯片數N/nN/n。 64 K 8芯片組A15 A0A0A15D7 D0D0D7_CS_CS_WE_WE等效為64 K 112345678I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O. .地址總線數據總線 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構53 2. 2.字擴展字擴展 僅在字數方向擴展，位數不變。僅在字數方向擴展，位數不變。 16K 80

59、000H0000H3FFFH3FFFH16K 84000H4000H7FFFH7FFFH16K 8C000HC000HFFFFHFFFFH.D D7 7 D D0 0連接方式：連接方式：各芯片的地址線、數據線、讀各芯片的地址線、數據線、讀/ /寫線并聯寫線并聯 由片選信號來區分各個芯片。由片選信號來區分各個芯片。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構54 【例例】用用16K16K8 8的的SRAMSRAM芯片組成芯片組成64K64K8 8存儲器存儲器 16K816K816K816K8_

60、WECSD7D0A15A0A13A0A15A14_WE_WE_WE_WED7D0D7D0D7D0D7D0A13A0A13A0_CS_CS_CS_CSA13A0A13A0譯碼器_Y3_Y2_Y1_Y0.。 。 。 。 。 CS3CS2CS1CS0在同一時間內在同一時間內4 4個芯片中最多只有一個芯片被選中。個芯片中最多只有一個芯片被選中。 西南交通大學信息科學與技術學院西南交通大學信息科學與技術學院 “計算機組成原理計算機組成原理B”教案 第第5 5章章 存儲系統和結構存儲系統和結構55 這這4 4片片SRAMSRAM芯片的地址分配為：芯片的地址分配為：芯片編號芯片編號A15 A14 A13 A