计算机组成原理4第四章存储器PPT课件.ppt
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- 计算机 组成 原理 第四 存储器 PPT 课件
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1、14.1 概概 述述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2一、存储器分类一、存储器分类1. 按存储介质分类按存储介质分类(1) 半导体存储器半导体存储器(2) 磁表面存储器磁表面存储器(3) 磁芯存储器磁芯存储器(4) 光盘存储器光盘存储器易失易失TTL 、MOS磁头、载磁体磁头、载磁体硬磁材料、环状元件硬磁材料、环状元件激光、磁光材料激光、磁光材料非非易易失失3(1) 存取时间与物理地址无关(随机访问)存取时间与物理地址无关(随机访问) 顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带2. 按存取方式分类按存取方式分类(2) 存取时间与物理地址有关(
2、串行访问)存取时间与物理地址有关(串行访问) 随机存储器随机存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘(部分串行)磁盘(部分串行)在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只只读读4Flash Memory存存储储器器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类主存储器主存储器5MROM :Masked ROMPROM : Programmable ROMEPROM: Erasable Progra
3、mmable ROMEEPROM: Electrically Erasable Programmable ROM6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1. 存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构CPUCPU主机主机Cache7缓存缓存CPU主存主存辅存辅存2. 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存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地
4、址物理地址主存储器主存储器(速度)(速度)(容量)(容量)8123567894CU控制控制单元单元CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体9一、概述一、概述1. 主存的基本组成主存的基本组成存储体存储体驱动器驱动器译码器译码器MAR控制电路控制电路读读写写电电路路MDR.地址总线地址总线数据总线数据总线读读写写102. 主存和主存和 CPU 的联系的联系MDRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址总线地址总线写写11 高位字节高位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 24 根根按按 字节字节 寻址寻址按按 字字(3
5、2位位) 寻址寻址字地址字地址字节地址字节地址111098765432108403. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配224 = 16 M4 M12请问:请问:主机存储容量为主机存储容量为4GB,按字节寻址,其地址线,按字节寻址,其地址线位数应为多少位?数据线位数多少位?位数应为多少位?数据线位数多少位?按字寻址(按字寻址(16位为一个字)位为一个字),则地址线和数据线则地址线和数据线各是多少根呢?各是多少根呢?13 设存储字长为设存储字长为64位(位(8个字节),即一个存个字节),即一个存取周期最多能够从主存读或写取周期最多能够从主存读或写64位数据。位数据。 读写的数据有读
6、写的数据有4种不同长度种不同长度:8位16位32位64位字节字节半字半字单字单字双字双字14存储字存储字64位(位(8个字节)个字节) 现有一批数据,它们依次为:字节、半字、现有一批数据,它们依次为:字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字。双字、单字、半字、单字、字节、单字。4种不同种不同长度的数据一个紧接着一个存放。长度的数据一个紧接着一个存放。 优点是不浪费宝贵的主存资源,但存在的问优点是不浪费宝贵的主存资源,但存在的问题是:当访问的一个双字、单字或半字跨越两个存题是:当访问的一个双字、单字或半字跨越两个存储单元时,存储器的工作速度降低了一半储单元时,存储器的工作速度降低了一半,而
7、且读而且读写控制比较复杂。写控制比较复杂。15 无论要存放的是字节、半字、单字或无论要存放的是字节、半字、单字或双字,都必须从存储字的起始位置开始存双字,都必须从存储字的起始位置开始存放,而空余部分浪费不用。放,而空余部分浪费不用。 优点是:无论访问一个字节、半字、优点是:无论访问一个字节、半字、单字或双字都可以在一个存储周期内完成,单字或双字都可以在一个存储周期内完成,读写数据的控制比较简单。读写数据的控制比较简单。 缺点是:浪费了宝贵的存储器资源。缺点是:浪费了宝贵的存储器资源。16存储字存储字64位(位(8个字节)个字节)17存储字存储字64位(位(8个字节)个字节)0181624329
8、172533210183111941220513216142271523263427283635293730313938 此方法规定,双字地址的最末此方法规定,双字地址的最末3个二个二进制位必须为进制位必须为000,单字地址的最末两位必,单字地址的最末两位必须为须为00,半字地址的最末一位必须为,半字地址的最末一位必须为0。它。它能够保证无论访问双字、单字、半字或字能够保证无论访问双字、单字、半字或字节,都在一个存取周期内完成,尽管存储节,都在一个存取周期内完成,尽管存储器资源仍然有浪费。器资源仍然有浪费。18(2) 存储速度存储速度4. 主存的技术指标主存的技术指标(1) 存储容量存储容量主
9、存主存 存放二进制代码的总数量存放二进制代码的总数量 读出时间读出时间 写入时间写入时间 存储器的存储器的 访问时间访问时间 存取时间存取时间 存取周期存取周期 读周期读周期 写周期写周期 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作(读或写)所需的(读或写)所需的 最小间隔时间最小间隔时间 19(3) 存储器的带宽存储器的带宽位位/秒秒 如存取周期为如存取周期为500ns,每个存取周期可访问,每个存取周期可访问16位,则带宽为位,则带宽为32M位位/秒秒20芯片容量芯片容量二、半导体存储芯片简介二、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
10、存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K 4位位16K 1位位8K 8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)10414113821存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用用用 16K 1位位 的存储芯片组成的存储芯片组成 64K 8位位 的存储器的存储器 32片片当地址为当地址为 65 535 时,此时,此 8 片的片选有效片的片选有效 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位220,015,015,70,7 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0151
11、68矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A02. 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(1) 线选法(线选法(16*8位位 线选存储器芯片)线选存储器芯片)00000,00,7007D07D 读读 / 写写选通选通23A3A2A1A0A40,310,031,031,31 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(2) 重合法(重合法(1K*1位重合法存储器芯片)位重合法存储器芯片)00000000000,031,00,31I/OD0,0读读24 三、随机存取存
12、储器三、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触发器触发器5TT6、行开关行开关7TT8、列开关列开关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 T425A 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 (2)静
13、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DOUTVAT6T8DOUT26T1 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 (3)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) T8T6ADINDINT727 (4) 静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Intel 2114 (1K*4位)外特性
14、位)外特性存储容量存储容量1 1K K4 4位位.I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSCCVGNDIntel 211428DD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VCgT4T3T2T11 (1) 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路 2. 动态动态 RAM ( DRAM )电容存储信息电容存储信息数据线数据线CsT字线字线DDV0 10 11 0T3T2T1T无电流无电流有电流有电流三管式动态三管式动态RAM一管式动态一管式动态RAM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”29
15、(2) 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 DINDOUTDINDOUTA6A030 (3) 动态动态 RAM 时序时序 行、列地址分开传送行、列地址分开传送写时序写时序行地址行地址
16、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31 (4) 动态动态 RAM 刷新刷新 刷新实质刷新实质:先将原存信息读书先将原存信息读书,再由刷新放大器再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程形成原信息并重新写入的再生过程.1、集中刷新、集中刷新2、分散刷新、分散刷新3、异步刷新、异步刷新32 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 32/4
17、000 100% = 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)刷新序号刷新序号sstcXtcY 以以 32 32 矩阵为例矩阵为例33t tC C = = t tM M + + t tR R读写读写 刷新刷新无无 “死区死区”,但存取周期长了,但存取周期长了,系统速度降低了。系统速度降低了。 分散刷新分散刷新(存取周期为存取周期
18、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34 分散刷新与集中刷新相结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 (2000 s 128)刷新刷新一行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
19、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 s35 3. 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36芯片容量芯片容量内容回顾内容回顾: 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1K 4位位16K 1位位8K 8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)
20、104141138370,015,015,70,7 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07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A0内容回顾内容回顾: 译码驱动方式译码驱动方式(1) 线选法(线选法(16*8位位 线选存储器芯片)线选存储器芯片)00000,00,7007D07D 读读 / 写写选通选通38A3A2A1A0A40,310,031,031,31 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(2) 重合法(重合法(1K*1位重合法存储器芯片)
21、位重合法存储器芯片)00000000000,031,00,31I/OD0,0读读内容回顾内容回顾:39内容回顾内容回顾:DRAM 和和SRAM 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40 四、存储器与四、存储器与 CPU 的连接的连接 1. 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) 用用 2片片 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10根地址线根地址线8根数据线根数据
22、线DDD0479AA021142114CSWE41 (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 2片片 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 1K 8位位 1K 8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS142存储器与存储器与 CPU 的连接的连接:字、位扩展字、位扩展用用 8片片 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 4K 8位位 的存储器的存储器8根数据线根数据线12根地址线根地址线WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0CS1CS2CS3片选片选译码译码.1K41K41K41K4
23、1K41K41K41K443 2. 存储器与存储器与 CPU 的连接的连接 (1) 地址线的连接地址线的连接(2) 数据线的连接数据线的连接(3) 读读/写线的连接写线的连接(4) 片选线的连接片选线的连接(5) 合理选用芯片合理选用芯片(6) 其他其他 时序、负载时序、负载44例例4.1 解解: : (1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码(2) 确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13A12 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1
24、1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2片片1K4位位ROM1片片 2K8位位45(3) 分配地址线分配地址线A10 A0 接接 2K 8位位 ROM 的片内地址线的片内地址线A9 A0 接接 1K 4位位 RAM 的片内地址线的片内地址线(4) 确定片选信号确定片选信号C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0
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