1、第四章第四章 存储器子系统存储器子系统本章主要内容本章主要内容:(1)存储器的一些基本概念存储器的一些基本概念(2)存储器如何存储信息存储器如何存储信息?(3)用存储芯片构成一定容量的存储器用存储芯片构成一定容量的存储器?(4)外部存储器的工作原理外部存储器的工作原理4.1 概述概述典型结构典型结构:三级存储体系结构三级存储体系结构 高速缓存高速缓存(Cache)主存主存 外存层次外存层次 CPU Cache 主存主存 外存外存 Cache:容量小、速度高容量小、速度高 主存主存:容量较大、速度较高容量较大、速度较高 外存外存:容量大、速度慢容量大、速度慢4.1.1 存储系统的层次结构存储系统
2、的层次结构按存储器在系统中的作用分类按存储器在系统中的作用分类1.1.主存主存（内存）（内存）主存是能由主存是能由CPUCPU直接编程访问的存储器，直接编程访问的存储器，主要存放主要存放CPUCPU当前使用的程序和数据。当前使用的程序和数据。速度快速度快容量有限容量有限2.2.辅存辅存（外存）（外存）存放大量的后备程序和数据。存放大量的后备程序和数据。速度较慢速度较慢容量大容量大3.3.高速缓存高速缓存 存放存放CPUCPU在当前一小段时间内多次使用的在当前一小段时间内多次使用的程序和数据。程序和数据。速度很快速度很快容量小容量小存储器读存储器读写命令写命令命中命中不命中不命中CPU访问高速缓
3、存访问高速缓存(Cache)和主存的工作原理和主存的工作原理:CPU 主存主存 Cache物理存储器：真正在物理上存在的主存储器，称为物理存储器，或简称为实存。访问主存的真实地址称为物理地址或实地址。虚拟存储器：虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。依靠操作系统的支持来实现，使用虚拟存储器技术可使计算机内存看起来比实际内存大，在软件编程上可使用的存储器。它的存储容量即虚拟存储空间，面向虚拟存储器的编程地址称为虚拟地址或逻辑地址。4.1.3 存储器的分类存储器的分类 1.按存储介质按存储介质(存储信息的机理存储信息的机理)分类分类(1)半导体存储
4、器半导体存储器 有源器件有源器件 速度快速度快 非破坏性读出非破坏性读出主要作主要作高速缓存高速缓存和和小容量主存小容量主存。静态存储器静态存储器:利用双稳态触发器存储信息利用双稳态触发器存储信息 动态存储器动态存储器:用电容存储的电荷存储信息用电容存储的电荷存储信息 速度低速度低 集成度低集成度低 功耗较大功耗较大 信息易失信息易失适合于作为大容量适合于作为大容量主存主存。需要刷新需要刷新 集成度高集成度高 功耗小功耗小(3)光盘存储器光盘存储器 速度慢速度慢利用激光对光盘表面的记录模进行照射后是否利用激光对光盘表面的记录模进行照射后是否出现融坑表示信息。出现融坑表示信息。容量很大容量很大
5、非破坏性读出非破坏性读出 长期保存信息长期保存信息 容量大容量大 长期保存信息长期保存信息利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。非破坏性读出非破坏性读出适合于作外部存储器。适合于作外部存储器。(2)磁表面存储器磁表面存储器 速度慢速度慢适合于作外部存储器。适合于作外部存储器。2.按存取方式分类按存取方式分类随机存取随机存取:(1)随机存取存储器随机存取存储器(RAM)可按地址访问存储器中的任一单元可按地址访问存储器中的任一单元,访问时间与单元地址无关。访问时间与单元地址无关。固存固存:用户不能编程用户不能编程可读可读/可写可写只读不写只读不写PROM:用户
6、可一次编程用户可一次编程EPROM:用户可多次编程用户可多次编程(紫外线擦除紫外线擦除)EEPROM:用户可多次编程用户可多次编程(电擦除电擦除)可执行操作可执行操作:(2)只读存储器只读存储器(ROM)(3)顺序存取存储器顺序存取存储器(SAM)访问时读访问时读/写部件按顺序查找目标地址写部件按顺序查找目标地址,访问时访问时间与数据位置有关。间与数据位置有关。如如:磁带机磁带机 与磁带录音机工作原理类似与磁带录音机工作原理类似,但但存储信息为数字信息存储信息为数字信息,而非模拟信息。而非模拟信息。等待操作等待操作平均等待时间平均等待时间(ms)读读/写操作写操作两步操作两步操作速度指标速度指
7、标数据传输率数据传输率(字节字节/秒秒)(4)直接存取存储器直接存取存储器(DAM)访问时访问时,读读/写部件先直接指向一个小区域写部件先直接指向一个小区域,再再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。如关。如:磁盘、光盘等磁盘、光盘等,操作过程是操作过程是:三步操作三步操作定位定位(寻道寻道)操作操作等待等待(旋转旋转)操作操作读读/写操作写操作速度指标速度指标平均定位平均定位(平均寻道平均寻道)时间时间(ms)平均等待平均等待(平均旋转平均旋转)时间时间(ms)数据传输率数据传输率(位位/秒秒)4.1.4 存储器系统的关键特性存储器系统的关键特性
8、1.存取时间存取时间存取时间存取时间 用用TA表示表示(一般为一般为ns级级)从存储器收到地址到数据写入存储器或者读从存储器收到地址到数据写入存储器或者读出的数据可用为止所需要的时间。出的数据可用为止所需要的时间。2.存取周期存取周期连续访问存储器时连续访问存储器时,两次访问之间的间隔时间。两次访问之间的间隔时间。存取周期的定义存取周期的定义:如下图所示如下图所示:存取时间存取时间存取周期存取周期存取存取间隔间隔t用于读出后的信息恢复用于读出后的信息恢复或者控制线路恢复稳定或者控制线路恢复稳定3.数据传输率数据传输率 数据传输率是数据传入或传出存储器的速率。数据传输率是数据传入或传出存储器的速
9、率。分为随机存储器和非随机存储器的两种情况。分为随机存储器和非随机存储器的两种情况。4.2 半导体存储器半导体存储器存储信息原理存储信息原理:静态存储器静态存储器SRAM(双极型双极型/静态静态MOS型型)动态存储器动态存储器DRAM(动态动态MOS型型)依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。速度快息。速度快,功耗较大功耗较大,适合于作适合于作Cache。依靠电容存储电荷的原理存储信息。依靠电容存储电荷的原理存储信息。功耗较小功耗较小,容量大容量大,速度较快速度较快,适合于作主存。适合于作主存。较静态存储器慢较静态存储器慢,比外存快比外存快4.2.1
10、静态静态MOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片1、六管静态单元、六管静态单元(1)组成组成T1、T3:MOS反相器反相器触发器触发器T2、T4:MOS反相器反相器T5、T6:控制门管控制门管Z:字线字线,选择存储单元选择存储单元W、W:位线位线,完成读完成读/写操作写操作VccT3T1T4T2T5T6ZWW(2)定义定义“0”:T1导通导通,T2截止截止;“1”:T1截止截止,T2导通。导通。(3)工作工作字线字线Z:加高电平加高电平,T5、T6导通导通,选中该单元。选中该单元。写入写入:在在W、W上分别加高、低电平上分别加高、低电平,写写1在在W、W上分别加低、高电平上分别加低、高电平,
11、写写0VccT3T1T4T2T5T6ZWWVccT3T1T4T2T5T6ZWW原信息为原信息为“1”,即即T1截截止止,T2导通导通,则则W通过通过T6和和T2对地放电对地放电,使使W上有上有电流电流,经放大为经放大为“1”信信号。号。读出读出:先将先将W、W充电至高电平充电至高电平,再根据再根据W、W上上有无放电电流有无放电电流,读读1或或0。原信息为原信息为“0”,即即T1导导通通,T2截止截止,则则W通过通过T5和和T1对地放电对地放电,使使W上有上有电流电流,经放大为经放大为“0”信信号。号。只要电源正常只要电源正常,保证向导通管提供电流保证向导通管提供电流,便能维便能维持一管导通持一
12、管导通,另一管截止的状态不变。另一管截止的状态不变。静态单元是非破坏性读出静态单元是非破坏性读出,读出后不需重写。读出后不需重写。(4)保持保持Z:加低电平加低电平,T5、T6截止截止,该单元未选中该单元未选中,保持保持原状态。原状态。所以称为所以称为:静态静态存储单元存储单元2.存储芯片存储芯片 例例.SRAM芯片芯片2114(1K 4位位)(1)外特性外特性A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE2114(1K 4)191018地址端地址端:A9A0(输入输入)数据端数据端:D3D0(输入输入/输出输出)电源、地电源、地(
13、2)内部寻址逻辑内部寻址逻辑控制端控制端:=0 选中芯片选中芯片=1 未选中芯片未选中芯片片选片选CS写使能写使能WE=0 写写=1 读读寻址空间寻址空间1K,存储芯片共存储芯片共1K 4个位单元个位单元,被分被分成成4个位平面个位平面(按矩阵排列按矩阵排列),每个平面每个平面1K 1位。位。如下图所示如下图所示:每面矩阵排成每面矩阵排成64行行 16列。列。X0 行译码行译码6位行地址位行地址X63 列译码列译码Y0Y154 4位列地址位列地址64 1664 1664 1664 161K1K1K1KD3D2D1D0读写过程控制读写过程控制:Xi 读读/写线路写线路YiWWWW数据数据输出输出
14、缓冲缓冲数据数据输入输入缓冲缓冲D0D1D2D3控制控制电路电路CSWE4.2.2 动态动态MOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片1.单管单元单管单元(1)组成组成C:记忆单元记忆单元T:控制门管控制门管Z:字线字线W:位线位线(2)信息的存储信息的存储“0”:C无电荷无电荷;“1”:C有电荷。有电荷。写入写入:Z加高电平加高电平,T导通导通,W上加高上加高/低电平低电平,写写1/0读出读出:先对位线先对位线W预充电预充电,使其分布电容使其分布电容C充电至充电至Vm，然，然后对字线后对字线Z加高电平加高电平,T导通导通,据据W线电位变化线电位变化,读出读出1/0(3)工作工作CWZTC(4
15、)保持保持字线字线Z:加低电平加低电平,T截止截止,该单该单元未选中元未选中,保持原状态。保持原状态。单管单元是破坏性读出单管单元是破坏性读出,读出读出后需重写。后需重写。CWZTC 地址线地址线:A7A0(输入输入)分时复用分时复用,提供提供16位地址。位地址。数据端数据端:Di(输入输入)Do(输出输出)GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A72164 (64K 1)18916Di WE RAS A0 A2 A1 Vcc空闲空闲/刷新刷新电源、地电源、地引脚引脚1未使用未使用,或在新型号中用于片内自动刷新。或在新型号中用于片内自动刷新。2.存储芯片存储芯片外特性外特性:例例.DR
16、AM芯片芯片2164 (64K 1位位)控制端控制端:片选片选=0 写写=1 读读写使能写使能WE行地址选通行地址选通RAS=0时时,列地址选通列地址选通CAS=0时时,A7A0为为行地址行地址高高8位地址位地址A7A0为为列地址列地址低低8位地址位地址附附:半导体存储芯片的一般结构半导体存储芯片的一般结构除存储单元本身除存储单元本身,存储芯片还包括地址译码器、存储芯片还包括地址译码器、I/O电路、片选控制和输出驱动电路等。电路、片选控制和输出驱动电路等。(1)地址译码器地址译码器 地址译码器地址译码器对对n条地址线译码条地址线译码,以选择以选择2n个存个存储单元中的一个。储单元中的一个。根据
17、输入地址来选择存储根据输入地址来选择存储单元单元,通常采用行通常采用行/列双译码方式列双译码方式;(2)I/O电路电路 I/O电路在数据总线与被选中的单元之间电路在数据总线与被选中的单元之间,控控制被选中单元读出或写入制被选中单元读出或写入,并具有驱动作用。并具有驱动作用。(3)片选控制电路片选控制电路 片选控制电路用于控制存储芯片是否被选中。片选控制电路用于控制存储芯片是否被选中。为扩展存储器的字数为扩展存储器的字数,常需将若干存储芯片的常需将若干存储芯片的数据线并联使用数据线并联使用或或与双向的数据总线接与双向的数据总线接,因而因而需要使用三态输出需要使用三态输出驱动电路驱动电路,既便于连
18、接数据既便于连接数据总线总线,又具有驱动功能。又具有驱动功能。(4)输出驱动电路输出驱动电路 一个存储器系统一般由一定数量的存储芯片组一个存储器系统一般由一定数量的存储芯片组成。在地址选择时成。在地址选择时,首先要选片首先要选片,用地址译码器用地址译码器输出和一些控制信号输出和一些控制信号(如如8086的的M/IO)形成选片形成选片信号信号,只有当某芯片的片选只有当某芯片的片选(CS)有效时有效时,才能对才能对该片上的存储单元进行读该片上的存储单元进行读/写操作。写操作。例例:一个一个8K 8静态静态RAMA3 8K 8 存储矩阵存储矩阵 I/O电路电路 列译码列译码行行译译码码数据输数据输入电路入电路三态数据三态数据输出驱动输出驱动控制电路控制电路.A11A12A9A0A1A2A10CSOEWE.D0D7.
