计算机组成原理8-存储器-1

存储系统需解决的主要问题：（1）存储器如何存储信息？（2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有一定容量的存储器？单位通常意义2的幂K(kilo)103210M(mega)106220G(giga)109230T(tera)1012240存储容量Sm=W.L（位或字节）Sm是存储器容量，W是字数，L是位数•访问时间Ta：指从向存储器发出指令开始，到从存储器中读出信息为止所需的时间。•访问周期Tm：又称“存储周期”、“读周期”、“写周期”或“读写周期”。它是指连续两次访问存储器的最小时间间隔。一般情况下，Tm=Ta。•存储器频宽Bm：是指连续访问存储器时，存储器所能提供的数据传输率。单位为字节/每秒。•延迟时间T1:指访问数据时的起始延迟时间。存储器性能参数若一个块中有k个字，则传送这一块数据的时间是：T=T1+k*Bm存储器的分类1.按存储器在系统中的作用分类（1）主存（内存）主要存放CPU当前使用的程序和数据。速度快容量有限（2）辅存（外存）存放大量的后备程序和数据。速度较慢容量大（3）高速缓存存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。速度很快容量小2.按存储介质分类（1）半导体存储器利用双稳态触发器存储信息速度快，信息易失非破坏性读出和破坏性读出（只读存储器除外）。作主存、高速缓存。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。容量大，非破坏性读出，长期保存信息，速度慢。作外存。（2）磁表面存储器（3）光盘存储器利用光斑的有无表示信息。容量很大，作外存。非破坏性读出，长期保存信息，速度慢。3.按存取方式分类随机存取：可按地址访问存储器中的任一单元，（1）随机存取存储器访问时间与单元地址无关。RAM存取周期或读/写周期固存：（ns）：可读可写ROM：只读不写PROM：用户不能编程用户可一次编程EPROM：用户可多次编程（紫外线擦除）EEPROM：用户可多次编程（电擦除）速度指标：总线周期时钟周期的若干倍作主存、高速缓存。（2）顺序存取存储器（SAM）访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与数据位置有关。（磁带）（3）直接存取存储器（DAM）访问时读/写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。三步操作定位（寻道）操作等待（旋转）操作读/写操作速度指标平均定位（平均寻道）时间平均等待（平均旋转）时间数据传输率（ms）（ms）（位/秒）主存储器的组成DBMDR存储阵列读/写放大电路写驱动电路译码器MARRDWRABn02n-1主存储器的组成•AB地址总线•DB数据总线•RD/WR读写控制线低电平有效•MAR内存地址寄存器•MDR内存数据寄存器又叫MBR•译码器：将具有一定含义的二进制码辨别出来，并转换成控制信号。半导体存储器工艺双极型MOS型TTL型ECL型速度很快、功耗大、容量小电路结构PMOSNMOSCMOS功耗小、容量大工作方式静态MOS动态MOS存储信息原理静态存储器SRAM动态存储器DRAM（双极型、静态MOS型）：依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。功耗较大,速度快,作Cache。（动态MOS型）：依靠电容存储电荷的原理存储信息。功耗较小,容量大,速度较快,作主存。1、TTL存储元transistor-transistorlogicWVccW双极型存储器的存储元电路读放AD1D2BT1T2Z•TTL原理：用两个双射极晶体管交叉反馈，构成双稳态电路。图中，T1，T2交叉反馈，构成双稳态电路，•发射极接字线Z，如果字线Z为低电平，可读/写，如果字线Z为高电平，则数据保持。•W和W是位线，数据通过W和W读出或写入。定义：当T1通导而T2截止时，存储信息为0，当T2通导而T1截止时，存储信息为1。缺点：管子多，功耗大，集成度低优点：速度快,非破坏性读出TTL芯片举例12345678161514131211109VccA1A2A3DI4DO4DI3DO3A0SWDI1DO1DI2DO2GNDSN7418916x4四个位平面的译码结构行译码列译码A3A2A1A0一个位平面的译码结构I/O1I/O2I/O3I/O4X0X1X2X3W0W0W1W1W2W2W3W3Y0Y1Y2Y3电路结构图ABCWVccWT3T4T5ABT6T1T2ZMOS管说明：当C为高时，A和B电压相同。当C为低时，A和B电压无关六管静态MOS存储元等效电路NMOS原理：T1与T3、T2与T4，分别是MOS反相器T3，T4是负载管，这两个反相器交叉反馈，构成一个双稳态触发器。T5，T6是控制门管，由字线控制它们的通断。当字线Z为高电平，T5，T6导通，可读/写，如果字线Z为低电平，则T5，T6截止，数据保持。定义：当T1通导而T2截止时，存储信息为0，当T2通导而T1截止时，存储信息为1。优点：功耗低缺点：速度稍慢,非破坏性读出六管静态MOS存储元六管静态MOS存储元•读写过程1）写入：字线Z加高电平“0”：W加低，W加高；“1”：W加高，W加低2）保持：字线Z加低电平3）读出：对W和W充电至高电平（可随放电降低），然后将字线Z加高电平六管静态MOS存储器•六管改为四管，集成度提高。•芯片举例Intel21141Kx4,18脚123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WEA6A5A4A3A0A1A2CSGND21141Kx4六管静态MOS存储器•读写时序为了让芯片正确工作，必须按时序提供正确的地址、控制、数据信号。1）读周期地址信号：控制信号：CS数据信号：Dout六管静态MOS存储器2）写周期地址信号：控制信号：CSWE数据信号：DoutDin单管动态MOS存储元•结构图ZCC’WV•定义：电容C充电至高电平，为1，电容C放电至低电平，为0单管动态MOS存储元•读写过程1）写入：字线Z加高电平，使V通导“0”：W加低；“1”：W加高2）保持：字线Z加低电平，无放电回路，有泄漏电流，C的信息可保存几毫秒，或保持无电荷状态。3）读出：对W充电至高电平（可随放电降低），然后将字线Z加高电平动态存储器芯片举例Intel216412345678161514131211109GNDCASDoutA6A3A4A5A7NCDinWERASA0A2A1Vcc216464Kx164K需16位地址解决方案：8根地址线分时复用，行选RAS和列选CAS就代替了CS信号。存储器的各芯片同时刷新，每个芯片内是按行刷新，刷新一行的时间是一个刷新周期。集中刷新方式有“死”时间R/WR/WR/W刷新刷新2ms动态存储器的刷新动态存储器的刷新•分散刷新方式刷新次数过多R/WR/W刷新刷新存取周期•异步刷新方式克服前两种的缺点R/WR/W刷新15.6usR/WR/W刷新15.6usR/WROM指一般情况下只能读出、不能写入的存储器1、掩模型只读存储器（MROM）地址译码驱动器VccA1A9数据缓冲器D0D1…D7011023读出放大器01…700…110…111…0011023A0半导体只读存储器半导体只读存储器•上页MROM结构图的说明：1）MROM的存储元可由二极管、双极型晶体管或MOS管等构成，厂家生产时按用户要求做好，用户不能修改。2）上图是采用MOS管的1024*8位的MROM，单译码，1024行，每行8位。译码器行选择线选中为高电平，一行8管，如果某管导通，则对应位为0，否则为1。输出为D0，D1…D7。3）特点：信息一次写入后不能修改，灵活性差。信息固定不变，可靠性高。生产周期长，适合定型批量生产。半导体只读存储器2、可编程只读存储器（PROM）1）为克服MROM的缺点，设计了一种出厂时全0，用户可修改1次的ROM。2）有两种产品：结破坏型：行列交点处制作一对彼此反向的二极管，平时不通，为0；若加高电平，击穿1只二极管，则写1。熔丝型：行列交点处连接一段熔丝，连通为0，若加高电平熔断，则写1。3）以熔丝型为例：见下图，单译码，4字*4位，每个字实际上是一个多发射极管，每个发射极通过熔丝与位线相连。半导体只读存储器可编程只读存储器（PROM）结构图：行译码器A1A0读写读写读写读写D0D1D2D30123Vcc0110101101011010Ec半导体只读存储器4、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）将EPROM改为用电来擦写。而且一次不需全部擦除，可以只改写某个单元。思考：可读，可写。能不能代替RAM?1。反复擦写会击穿浮空门附近的绝缘层。编程次数有限（10万）2。写操作时间是10us左右，擦除操作是10ms.和CPU速度不匹配。3、可擦除（紫外线）可编程只读存储器（EPROM）基本存储器电路半导体只读存储器5、FLASHMEMORY1）闪存是一种快擦写存储器，非易失性，可以在线擦除和重写。2）集成度高、高可靠性、抗振动、价格低3）结构和EEPROM相似4）可作存储卡，硅盘。存储手段非易失性高密度低功耗单管单元在线重写能力字节重写能力抗冲击能力MROM√√√√√EPROM√√√√√EEPROM√√√√√FLASH√√√√√√半导体只读存储器6、各种ROM的比较