3 计算机组成原理第三章 存储系统主存简单模型及寻址半导体寄存器存储器分类主存与CPU连接 双口RAM和多模块寄存器

文章目录

1 主存简单模型及寻址的概念1.1 主存储器1.1.1 存储器芯片的基本结构1.1.2 寻址 2 半导体存储器2.1 半导体随机存取存储器2.1.1 DRAM的刷新2.1.2 SRAM的读周期2.1.3 SRAM的写周期2.1.4 RAM-易失性存储器 2.2 ROM2.2.1 ROM分类2.2.2 半导体随机存储器小结 3 存储器分类3.1 存储器的性能指标3.2 存储器的层次化结构3.3 存储器概念小结 4 主存与CPU的连接4.1 主存容量扩展-位扩展4.2 主存容量扩展-字扩展4.3 主存容量扩展-字位同时扩展4.4 字位扩展实例 5 双口RAM多模块存储器5.1 双端口RAM5.2 多模块存储器5.2.1 单体多字存储器和多体并行存储器5.2.2 多体并行存储器工作模式5.2.3 流水线

存储系统总述：

1 主存简单模型及寻址的概念

1.1 主存储器

存储体负责存储具体的二进制位 地址寄存器接收外部功能部件传到存储器的地址 数据寄存器暂存要传出去或传进来的数据信号 存储体、地址寄存器、数据寄存器在一个时序控制逻辑的控制下协调工作

1.1.1 存储器芯片的基本结构

存储矩阵：由大量相同的位存储单元阵列构成。译码驱动：将来自地址总线的地址信号翻译成对应存储单元的选通信号，该信号在读写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作。读写电路：包括读出放大器和写入电路，用来完成读/写操作。读/写控制线：决定芯片进行读/写操作。片选线：确定哪个存储芯片被选中。可用于容量扩充。地址线：是单向输入的，其位数与存储字的个数有关。数据线：是双向的，其位数与读出或写入的数据位数有关。数据线数和地址线数共同反映存储芯片容量的大小。

如地址线10根，数据线8根，则芯片容量=2¹⁰×8=8K位。

n位地址一>2ⁿ个存储单元总容量=存储单元个数×存储字长

=2³×8bit=2³×1Byte=8B

8×8位的存储芯片

常见的描述：

8K×8位，即2¹³×8 bit = 8 KB 地址线13根，数据线8根 8K×1位，即2¹³×1 bit = 8 Kb=1 KB 64K×16位，即2¹⁶×16 bit

1.1.2 寻址

2 半导体存储器

2.1 半导体随机存取存储器

2.1.1 DRAM的刷新

多久需要刷新一次？刷新周期：一般为2ms每次刷新多少存储单元？以行为单位，每次刷新一行存储单元 ——为什么要用行列地址？减少选通线的数量

行列地址：行地址决定存储单元在哪一行，列地址决定存储单元在那一列，行列交叉即可得存储单元位置 地址0000,0000 对应行地址0000，列地址0000，选中（0,0）号存储单元（8位二进制，行4位，列4位）

如何刷新？有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期在什么时刻刷新？ 假设DRAM内部结构排列成128×128的形式，读/写周期（存储周期）0.5us 2ms共2ms/0.5us=4000个周期

2.1.2 SRAM的读周期

2.1.3 SRAM的写周期

2.1.4 RAM-易失性存储器

2.2 ROM

用RAM做主存，一旦断电，内容全部丢失，ROM掉电之后，内容不会丢失，而且ROM可以直接跟CPU通信 用ROM存储一些开机之后必要的信息，而更详细的、正在运行的程序的数据放在RAM中

2.2.1 ROM分类

2.2.2 半导体随机存储器小结

3 存储器分类

按特点和使用方法的不同，可以分为以下几类：

3.1 存储器的性能指标

存储容量：存储字数×字长（如1M×8位）。 存放的二进制位数或字（字节）数单位成本：每位价格=总成本/总容量。存储速度：数据传输率=数据的宽度/存储周期。 存取时间（Ta）：存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。存取周期（Tm）：存取周期又称为读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。主存带宽（Bm）：主存带宽又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒（B/s）或位/秒（b/s）。

3.2 存储器的层次化结构

3.3 存储器概念小结

4 主存与CPU的连接

4.1 主存容量扩展-位扩展

CPU数据线数与存储芯片的数据位数不相等时，此时必须对存储芯片扩位，增加存储字长，使其数据位数与CPU的数据线数相等 8Kx1位芯片说明：

1根数据线D₀ 13根数据线A₀~A₁₂ 片选线 CS： 高电平有效， 收到1工作，收到 0 不工作 读写控制线 WE ：高电平有效

位扩展：

4.2 主存容量扩展-字扩展

增加存储器芯片中字的数量，位数不变

方案1： 当两个芯片CS同为1时，无法进行正常读写，两位存储器芯片可能冲突

方案2：使用地址线控制片选信号

方案3：使用非门控制片选信号

译码器： 译码器左边101对应5（A低位，C高位），则右边Y5置1

片选信号区分芯片地址范围：

A₁₃A₁₄为00时，译码器对应0号线有效，其余皆无效，选中0号芯片， 地址范围：00，0…00~00,1…11A₁₃A₁₄为01时，译码器对应1号线有效，其余皆无效，选中1号芯片， 地址范围：01，0…00~01,1…11A₁₃A₁₄为10时，译码器对应0号线有效，其余皆无效，选中2号芯片， 地址范围：10，0…00~10,1…11A₁₃A₁₄为11时，译码器对应0号线有效，其余皆无效，选中3号芯片， 地址范围：11，0…00~11,1…11

特殊情况：

A₁₃A₁₅为00时，译码器对应0号线有效，其余皆无效，选中0号芯片 ， A₁₄不用管，取0取1无影响

4.3 主存容量扩展-字位同时扩展

用8片16Kx4位的芯片组成64Kx8位的存储器：

每两片构成一组16Kx8位的存储器（位扩展）4组构成64Kx8位存储器（字扩展）地址线 A₁₅A₁₄经 2/4译码器得到4个片选信号A₁₅A₁₄=00时，输出端0有效，选中第一组芯片（①②）A₁₅A₁₄=01时，输出端1有效，选中第二组芯片（③④）

4.4 字位扩展实例

解题步骤：

数据线：CPU数据线8根→存储器位数应扩展为8位，如果没有8位的芯片，应选择低位扩展到8位 地址线：首先确定内存空间的分配

67FFH-6000H+1=7FFH+1=800H 表示800H地址空间内有2K个存储单元，每个存储单元8位，则存储容量2KB6BFFH-6800H+1=3FFH+1=400H（B：11，11-8=3）

分析地址线如何跟CPU之间进行连接：把地址空间写成二进制形式

总的地址线16根，而ROM 11根，RAM 10根，把低地址位位直接相连，剩下的高位作为选片信号

3/8译码器：在剩下的地址位中选三位做片选信号，选取原则：以低位占用最多的存储为准，向它高位选三位，用此三位做3/8译码器的输入。即100时选中ROM，101选中RAM剩下的01做译码器使能端（使能端刚好需要一个1和0），最后的一个端口连MREQ，决定译码器是否工作。而MREQ是低电平有效，只能连0，不可以连1，是译码器开关

说明：

低10位 A₀~A₉直接连到每一块存储器芯片； ROM需要11位地址线。把A₁₀直接连到ROM； CBA 刚好直接用，100对应Y₄，连到ROM； ROM 不仅要求 CBA 101 对应Y₅，还要求第10位地址必须是0才可以选通； A₁₀=0 表示A₁₀经过一个非得1，Y₅非为0，经过一个非得1，将两个1与一下，即得RAM的选通信号，非作用就是低电平有效； A₁₄A₁₅1 0 充当译码器使能端信号，A₁₄连上1，A₁₅连上0； MREQ 是低电平有效，接最后一个使能端； 数据线 ROM 8 位直接连CPU数据线； RAM 经过扩展了，一个连低四位，另外一个连高四位； 最后读写控制线WR的连接，只有RAM需要直接连接CPU的读写控制线，ROM读写控制线是一个静态状态，直接给一个固定信号，题意要求低电平有效，所以可以直接连接地面。

5 双口RAM多模块存储器

为了提高CPU访问存储器的工作速度

5.1 双端口RAM

双口RAM空间上并行，当两个端口地址不相同时，在两个端口上读写一定不会冲突 两个端口对同一主存操作有以下4种情况：

两个端口不同时对同一地址单元存取数据。没有问题两个端口同时对同一地址单元读出数据。没有问题两个端口同时对同一地址单元写入数据。可能写入错误两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，另一个读出数据。可能读出错误

解决方法：置“忙”信号为0，由判断逻辑决定暂时关闭一个端口（即被延时），未被关闭的端口正常访问，被关闭的端口延长一个很短的时间段后再访问。

5.2 多模块存储器

5.2.1 单体多字存储器和多体并行存储器

5.2.2 多体并行存储器工作模式

多体并行存储器工作模式依赖于地址的设置方式

高位交叉编址的多体存储器：体号在前体内地址在后，地址的高位决定现在访问的是哪个体，低位决定访问体内的哪一块单元

低位交叉编址的多体存储器：体号在后体内地址在前，地址的低位决定现在访问的是哪个体，高位决定访问体内的哪一块单元

高位交叉编址的多体存储器：由上往下编，每个存储体地址的高位一致，对应存储体下标，如00对应M₀ 低位交叉编址的多体存储器：由左往右编，每个存储体地址的低位一致，对应存储体下标，如01对应M₁

5.2.3 流水线

微观（计算题）

模块数m=4，存储周期为T，字长W，数据总线宽度为w，总线传输周期为r，连续存取n个字，求交叉存储器的带宽。

上面题目对应：有m个存储体，存储周期为T，字长W，每隔r时间启动下一个存储体，连续存取n个字，求存储器的存取速率。

宏观（概念题）

一个存储周期内，交叉存储器可以提供的数据量为单个模块的m倍。