1、计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第1页第第4章章 存储器及存储系统存储器及存储系统计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社教学目标教学重点教学过程计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第2页教学目标教学目标l了解存储器分类及分级结构了解存储器分类及分级结构l掌握半导体存储器芯片基本工作原理掌握半导体存储器芯片基本工作原理l掌握提高存储器性能的主要方法掌握提高存储器性能的主要方法计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2
2、023年1月26日第3页教学重点教学重点l半导体存储器芯片基本工作原理半导体存储器芯片基本工作原理l存储器与中央处理器的连接方法存储器与中央处理器的连接方法l提高存储器性能的主要方法提高存储器性能的主要方法计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第4页教学过程教学过程l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 半导体存储器芯片半导体存储器芯片l4.4 主存储器组织主存储器组织l4.5 存储保护存储保护计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第5页4.1 存储器概述存储器
3、概述（1/3）l存储器的两大功能：存储器的两大功能：1、存储（写入存储（写入Write）2、取出（读出取出（读出Read）l三项基本要求：三项基本要求：1、大容量、大容量 2、高速度、高速度 3、低成本、低成本计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第6页4.1 存储器概述存储器概述 （2/3）l概念概念1、基本存储单元基本存储单元：存储一位（：存储一位（bit）二进制代码的）二进制代码的存储元件称为基本存储单元（或存储元）存储元件称为基本存储单元（或存储元）2、存储单元存储单元：主存中最小可编址的单位，是：主存中最小可编址的单位，是CPU对
4、主存可访问操作的最小单位。对主存可访问操作的最小单位。3、存储体存储体：多个存储单元按一定规则组成一个整：多个存储单元按一定规则组成一个整体。体。4、存储器分辩率存储器分辩率：指存储器能被区分、识别与操：指存储器能被区分、识别与操作的精细程度。作的精细程度。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第7页4.1 存储器概述存储器概述 （3/3）l存储器的特性：存储器的特性：1、存储器是计算机中信息存储的核心。、存储器是计算机中信息存储的核心。程序存储功能由存储器来承担。程序存储功能由存储器来承担。2、内存是、内存是CPU与外界进行数据交换的窗口
5、，与外界进行数据交换的窗口，CPU所执行的程序和所涉及的数据都由内所执行的程序和所涉及的数据都由内存直接提供。存直接提供。CPU可以对内存进行直接都可以对内存进行直接都操作和写操作。操作和写操作。3、外存可以保存大量的程序和数据。、外存可以保存大量的程序和数据。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第8页4.1.1 存储器的分类存储器的分类1.按构成存储器的器件和存储介质分类按构成存储器的器件和存储介质分类2.按存取方式分类按存取方式分类3.按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类4.按信息的可保护性分类按信息的可保护性分类5.按信息读
6、出后存储单元是否稳定分类按信息读出后存储单元是否稳定分类6.按接口形式分类按接口形式分类计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第9页4.1.2 存储器的分级结构存储器的分级结构l如图如图4-2所示的存储系统，它有如下特点：所示的存储系统，它有如下特点：在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直接完成。在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直接完成。存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。工作原理：工作原理：CPU首先访问首先访问
7、Cache，如果，如果Cache中没有，则存储系统通过辅助中没有，则存储系统通过辅助硬件，到主存储器中去找；如果主存没有硬件，到主存储器中去找；如果主存没有CPU要访问的内容，则存储系统通要访问的内容，则存储系统通过辅助硬件或软件，到辅存中去找。然后把找到的数据逐级上调。过辅助硬件或软件，到辅存中去找。然后把找到的数据逐级上调。CPUCPU主存主存辅存辅存辅助软硬件Cache辅助硬件辅助硬，软件（a）两级存储器层次结构 （b）三级存储器层次结构图4-2 存储器层次结构计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第10页4.2 主存储器主存储器 存
8、储器的性能指标是对存储器的主要要求，存储器的性能指标是对存储器的主要要求，也是对存储器进行设计、使用和提高时的主也是对存储器进行设计、使用和提高时的主要依据，存储器性能指标也称为存储器参数。要依据，存储器性能指标也称为存储器参数。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第11页4.2.1主存储器主存储器技术指标技术指标（1/5）1存储容量：存储容量：（1）存储容量是指一个功能完备的存储器所能容）存储容量是指一个功能完备的存储器所能容纳的二进制信息总量，即可存储多少位二进制信纳的二进制信息总量，即可存储多少位二进制信息代码。息代码。（2）存储容
9、量存储字数）存储容量存储字数字长字长（3）要求：大容量。）要求：大容量。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第12页4.2.1主存储器主存储器技术指标技术指标（2/5）2存储器速度存储器速度（1）存储器取数时间（）存储器取数时间（Memory Access Time）从存储器读出写入一个存储单元信息或从存储器读出写入一次信从存储器读出写入一个存储单元信息或从存储器读出写入一次信息（信息可能是一个字节或一个字）所需要的平均时间，称为存储器息（信息可能是一个字节或一个字）所需要的平均时间，称为存储器的取数时间存数时间的取数时间存数时间,记为记
10、为tA，也称为取数时间，也称为取数时间，tA对随机存储器一对随机存储器一般是指：从中央处理器的地址寄存器门输出端发出读数请求时般是指：从中央处理器的地址寄存器门输出端发出读数请求时起，到所要求的读出信息出现在存储器输出端为止，这期间所需要化起，到所要求的读出信息出现在存储器输出端为止，这期间所需要化费的时间值。费的时间值。（2）存储器存取周期（）存储器存取周期（Memory Cycle Time）存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，称为存取周期。存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，称为存取周期。或具体地说，存取周期是启动两个独立的存储器操作（如两个连续的或具体地说，存取周期
11、是启动两个独立的存储器操作（如两个连续的读操作）之间所需要的最小时间间隔，用读操作）之间所需要的最小时间间隔，用tM表示。表示。tM=tA+复原时间：复原时间：破坏性读出方式：破坏性读出方式：tM2tA。非破坏性读出：非破坏性读出：tM=tA+稳定时间稳定时间计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第13页4.2.1主存储器主存储器技术指标技术指标（3/5）3数据传输率数据传输率单位时间可写入存储器或从存储器取出的信息的单位时间可写入存储器或从存储器取出的信息的最大数量，称为数据传输率或称为存储器传输带最大数量，称为数据传输率或称为存储器传输
12、带宽宽bM。bM=WtM 其中，存储周期的倒数其中，存储周期的倒数1tM 是单位时间（每是单位时间（每秒）内能读写存储器的最大次数。秒）内能读写存储器的最大次数。W表示存储器表示存储器一次读取数据的宽度，即位数，也就是存储器传一次读取数据的宽度，即位数，也就是存储器传送数据的宽度。送数据的宽度。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第14页4.2.1主存储器主存储器技术指标技术指标（4/5）4可靠性可靠性存储器的可靠行是指在规定时间内存储器无存储器的可靠行是指在规定时间内存储器无故障的情况，一般用平均无故障时间故障的情况，一般用平均无故障时
13、间MTBF来衡来衡量。量。为提高存储器的可靠性，必须对存储器中存为提高存储器的可靠性，必须对存储器中存在的特殊问题，采取适当的方法。在的特殊问题，采取适当的方法。（1）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器）对于破坏性读出的存储器：设立缓冲寄存器（2）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用）断电后信息会丢失：备用电源的方法或采用中断的技术转储中断的技术转储（3）动态存储：定期刷新）动态存储：定期刷新计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第15页4.2.1主存储器主存储器技术指标技术指标（5/5）5价格价格又称成本，它是衡量经济性能的重要指标
14、。又称成本，它是衡量经济性能的重要指标。设是存储容量为位的整个存储器以元计算的设是存储容量为位的整个存储器以元计算的价格，可定义存储器成本价格，可定义存储器成本c为：为：c（CS）元位）元位.衡量存储器性能还有一些其它性能指标，如体积、衡量存储器性能还有一些其它性能指标，如体积、功耗、重量、使用环境等。功耗、重量、使用环境等。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第16页4.2.2主存储器基本主存储器基本组成组成贮存信息的存储体。贮存信息的存储体。信息的寻址机构，即读出和写入信息的地址选择机构。这信息的寻址机构，即读出和写入信息的地址选择机
15、构。这包括：地址寄存器（包括：地址寄存器（MAR）和地址译码器。）和地址译码器。存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR。写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。写入信息所需的能源，即写入线路、写驱动器等。读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和读出所需的能源和读出放大器，即读出线路、读驱动器和读出放大器。读出放大器。存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明存储器控制部件。无论是读或写操作，都需要由一系列明确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、确规定的连续操作步序来完成，这就需要主存时序线路、时钟脉冲线路、读逻辑控制线路，写或重写逻辑控制线路时钟脉冲线路、读逻
16、辑控制线路，写或重写逻辑控制线路以及动态存储器的定时刷新线路等，这些线路总称为存储以及动态存储器的定时刷新线路等，这些线路总称为存储器控制部件。器控制部件。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第17页4.2.2主存储器基本主存储器基本组成组成地址码地址寄存器MAR地址译码器存储体存储器数据寄存器MDR图4-3 主存储器原理框图读命令写命令计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第18页4.2.3 主存储器基本操作主存储器基本操作存储器的基本操作：存储器的基本操作：l读操作读操作l写操作写
17、操作计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第19页4.3 半导体存储器芯片半导体存储器芯片一、分类：按使用器件，半导体存储器分双极型半导体存储一、分类：按使用器件，半导体存储器分双极型半导体存储器（器（TTL）和）和MOS半导体存储器两种半导体存储器两种（1）TTL：存储速度高，集成度低，价格高，主要用于小：存储速度高，集成度低，价格高，主要用于小容量的高速存储器容量的高速存储器（2）MOS：主要用于大容量存储器。根据存储信息机构的：主要用于大容量存储器。根据存储信息机构的原理不同，又分为静态原理不同，又分为静态MOS存储器（存储器（SRA
18、M)和动态和动态MOS存储器（存储器（DRAM)，前者利用双稳态触发器来保存信息，前者利用双稳态触发器来保存信息，只要不断电，信息是不会丢失的，后者利用只要不断电，信息是不会丢失的，后者利用MOS电容存电容存储电荷来保存信息，使用时，需不断给电容充电才能使信储电荷来保存信息，使用时，需不断给电容充电才能使信息保持。息保持。二、半导体存储器的主要优点是存储速度快，存储体积小，二、半导体存储器的主要优点是存储速度快，存储体积小，可靠性高；主要缺点是断电时，读写存储器不能保存信息。可靠性高；主要缺点是断电时，读写存储器不能保存信息。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出
19、版社2023年1月26日第20页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器l基本存储元基本存储元 6管静态管静态MOS存储元存储元 8管静态管静态MOS存储元存储元 6管双向选择管双向选择MOS存储元存储元lRAM结构与地址译码结构与地址译码 字结构或单译码方式字结构或单译码方式 位结构或双译码方式位结构或双译码方式 字段结构字段结构计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第21页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（1/13）l基本存储元基本存储元6管静态管静态MOS存储元存储元A、电路图：图、电路图：图4-4由两个由两个MOS反相器交叉耦合
20、而成的双稳态触发器。反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。BAT2T5T4T0T1T3BS0VBS1读/写“0”读/写“1”位/读出线位/读出线字线图4-4 6管MOS存储电路计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第22页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（2/13）基本存储元基本存储元6管静态管静态MOS存储元存储元B、存储元的工作原理、存储元的工作原理写操作。在字线上加一个正电压的字脉冲，使写操作。在字线上加一个正电压的字脉冲，使T2、T3 管导通。若要写管导通。若要写“0”，无论该位存储元电路原存何种状态，只需使写，无论该位存储元电路
21、原存何种状态，只需使写“0”的位线的位线BS0 电压降为地电位（加负电压的位脉冲），经导通的电压降为地电位（加负电压的位脉冲），经导通的2 管，迫使节点管，迫使节点的电位等于地电位，就能使的电位等于地电位，就能使1 管截止而管截止而0 管导通。写入管导通。写入1，只需，只需使写使写1的位线的位线BS1 降为地电位，经导通的降为地电位，经导通的T3 管传给节点，迫使管传给节点，迫使T0 管管截止而截止而T1 管导通。管导通。写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程。写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社
22、清华大学出版社2023年1月26日第23页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（3/13）基本存储元基本存储元6管静态管静态MOS存储元存储元B、存储元的工作原理、存储元的工作原理读操作。读操作。只需字线上加高电位的字脉冲，使只需字线上加高电位的字脉冲，使T2、T3 管导通，把节点管导通，把节点A、B分别连到位线。若该位存储电路原存分别连到位线。若该位存储电路原存“0”，节点是低电位，经一外，节点是低电位，经一外加负载而接在位线加负载而接在位线0 上的外加电源，就会产生一个流入上的外加电源，就会产生一个流入BS0 线的线的小电流（流向节点经小电流（流向节点经T0 导通管入地）。导通管入地）。
23、“0”位线上位线上BS0 就从平时就从平时的高电位下降一个很小的电压，经差动放大器检测出的高电位下降一个很小的电压，经差动放大器检测出“”信号。信号。若该位原存若该位原存“1”，就会在，就会在“1”位线位线BS1 中流入电流，在中流入电流，在 BS1 位位线上产生电压降，经差动放大器检测出读线上产生电压降，经差动放大器检测出读“1”信号。信号。读出过程中，位线变成了读出线。读取信息不影响触发器原来读出过程中，位线变成了读出线。读取信息不影响触发器原来状态，故读出是非破坏性的读出。状态，故读出是非破坏性的读出。若字线不加正脉冲，说明此存储元没有选中，若字线不加正脉冲，说明此存储元没有选中，T2，
24、T3 管截止，管截止，A、B结点与位读出线隔离，存储元存储并保存原存信息。结点与位读出线隔离，存储元存储并保存原存信息。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第24页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（4/13）l基本存储元基本存储元8管静态管静态MOS存储元存储元 A、目的：地址的双重译码选择，字线分为、目的：地址的双重译码选择，字线分为X选择线与选择线与Y选择线选择线 B、实现：需要在管实现：需要在管MOS存储元的存储元的A、B节点与位线上节点与位线上再加一对地址选择控制管再加一对地址选择控制管T7、T8，形成了，形成了8管管MOS
25、存储存储元。元。l基本存储元基本存储元6管双向选择管双向选择MOS存储元存储元8管管MOS存储元改进：在纵向一列上的存储元改进：在纵向一列上的6管存储元共用一管存储元共用一对对Y选择控制管选择控制管T6、T7，这样存储体管子增加不多，但仍，这样存储体管子增加不多，但仍是双向地址译码选择，因为对选择线选中的一列只是一是双向地址译码选择，因为对选择线选中的一列只是一对控制管接通，只有对控制管接通，只有X选择线也被选中，该位才被重合选选择线也被选中，该位才被重合选中。中。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第25页4.3.1 静态静态MOS存储
26、器存储器（5/13）T5T7T3T2T0T1T8T6BS0VBS1读/写“0”读/写“1”位/读出线位/读出线Y选择线X选择线图4-5 8管MOS存储电路读/写“0”BAT2T5T4T0T1I/OI/OT7T6T3BS0VBS1读/写“1”位/读出线位/读出线Y选择线X选择线图4-6 6管双向选择MOS存储电路计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第26页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（6/13）lRAM结构与地址译码结构与地址译码字结构或单译码方式字结构或单译码方式（1）结构：）结构：(A)存储容量存储容量=行行b列；列；(B)阵
27、列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线；阵列的每一行对应一个字，有一根公用的字选择线；(C)每一列对应字线中的一位，有两根公用的位线每一列对应字线中的一位，有两根公用的位线BS0 与与BS1。(D)存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。存储器的地址不分组，只用一组地址译码器。（2）字结构是）字结构是2度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储电路：字线和位度存储器：只需使用具有两个功能端的基本存储电路：字线和位线线（3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量）优点：结构简单，速度快：适用于小容量M（4）缺点：外围电路多、成本昂贵，结构不合理结构。）缺点：外围电路多、成本昂贵，结构不合理结构
28、。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第27页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（7/13）地址写选通b7读出写入读选通A3A2A1A0字线W15W1W0BS1BS0图4-7 字结构或单译码方式的RAM16选 1地址译码器FFFFFFFFFFFFFFFFFF读写电路读写电路读写电路：b1读出写入b0读出写入计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第28页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（8/13）lRAM结构与地址译码结构与地址译码位结构或双译码方式位结构或双译码方式（1）结构
29、：结构：(A)容量：容量：N（字）（字）b（位）的（位）的RAM，把每个字的同一位组织在一，把每个字的同一位组织在一个存储片上，每片是个存储片上，每片是N1；再把；再把b 片并列连接，组成一个片并列连接，组成一个Nb的存的存储体，就构成一个位结构的存储器。储体，就构成一个位结构的存储器。(B)在每一个在每一个N N1 1存储片中，字数被当作基本存储电路的个数。存储片中，字数被当作基本存储电路的个数。若把若把N Nn 个基本存储电路排列成个基本存储电路排列成N Nx行与行与N Ny列的存储阵列，把列的存储阵列，把CPUCPU送送来的来的n位选择地址按行和列两个方向划分成位选择地址按行和列两个方向
30、划分成nx 和和ny 两组，经行和列方两组，经行和列方 向译码器，分别选择驱动行线与列线。向译码器，分别选择驱动行线与列线。(C)采用双译码结构，可以减少选择线的数目。采用双译码结构，可以减少选择线的数目。（2）三度存储器：三个功能端）三度存储器：三个功能端（3）优：驱动电路节省，结构合理，适用于大容量存储器。）优：驱动电路节省，结构合理，适用于大容量存储器。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第29页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（9/13）Y1Y64X64X1A5A4A3A2A1A0图4-8 位结构双译码方式的RAMX地址译码
31、64,164,64 1,64 1,1 I/O Y地址译码A6A7A8 A9 A10 A11计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第30页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（10/13）lRAM结构与地址译码结构与地址译码字段结构字段结构（1）结构：）结构：(A)存储容量存储容量W（字）（字）B（位），（位），Wb：分段：分段Wp（=WS）Sb (B)字线分为两维结构：字线分为两维结构：（C）位线有）位线有Sb对对 （D）双地址译码器）双地址译码器（2）三度结构）三度结构（3）优：对字结构存储器的改进与提高，结构合理，适用于大容量存储）优
32、：对字结构存储器的改进与提高，结构合理，适用于大容量存储器。器。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第31页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（11/13）Sb对位/读出线An-1An1An1-1A1A0图4-9 字段结构RAM段译码器，从2 n 2=S段中取1（共 n 2 位行译码器共n1 位 列 I/O 电路 存储阵列 WpSbb位 b位 段1 段2 段Sb 根数据线读/写控制线计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第32页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（12/13）l
33、用静态用静态MOS存储片组成存储片组成RAM 位扩展法：位扩展法：例如：用例如：用8的的RAM存储芯片，组成存储芯片，组成8K8位的存储器，按位的存储器，按8位位m1的关系来确定位扩展所需要的芯片数。共需的关系来确定位扩展所需要的芯片数。共需8片，每一芯片的数据片，每一芯片的数据线分别接到数据总线的相应位。线分别接到数据总线的相应位。字扩展法：字扩展法：字扩展：字向扩展而位数不变，将芯片的地址线、数据线、读写控制线字扩展：字向扩展而位数不变，将芯片的地址线、数据线、读写控制线并联，而由片选信号来区分各片地址。并联，而由片选信号来区分各片地址。例如：用例如：用16k8位的芯片采用字扩展法组成位的
34、芯片采用字扩展法组成64k8位的存储器：位的存储器：4个芯个芯片。片。地址分配：地址总线低位地址地址分配：地址总线低位地址A0A13与各芯片的与各芯片的14位地址端相连，而高位地址端相连，而高两位的地址两位的地址A14、A15经经2：4译码器和译码器和4个芯片的片选端个芯片的片选端CE相连。相连。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第33页4.3.1 静态静态MOS存储器存储器（13/13）l用静态用静态MOS存储片组成存储片组成RAMl字位同时扩展法：字位同时扩展法：一个存储器的容量假定为一个存储器的容量假定为MN位，若使用位，若使用l
35、k位的芯片（位的芯片（lM,kN）需）需要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要（要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要（Ml）（Nk）个存）个存储器芯片。储器芯片。其中，其中，Ml表示把表示把MN的空间分成（的空间分成（Ml）个部分（称为页或区），）个部分（称为页或区），每页（每页（Nk）个芯片。）个芯片。地址分配：地址分配：（A）用）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字个字 （B）用用log2（Ml）位表示高位地址：用来经片选译码器产生片选）位表示高位地址：用来经片选译码器产生片选信号。信号。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华
36、大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第34页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（1/11）l4管动态管动态M0S存储元电路存储元电路在在6管静态存储元电路中，信息是存于管静态存储元电路中，信息是存于T0，T1管的栅极管的栅极电容上，由负载管电容上，由负载管T4，T5 经外电源给经外电源给T0，T1 管栅极电容不管栅极电容不断地进行充电以补充电容电荷。维持原有信息所需要的电荷断地进行充电以补充电容电荷。维持原有信息所需要的电荷量。量。由于由于MOS的栅极电阻很高，栅极电容经栅漏（或栅源）的栅极电阻很高，栅极电容经栅漏（或栅源）极间的泄漏电流很小，在一定的时间内（如极间的泄漏电流很小，
37、在一定的时间内（如2ms），存储的），存储的信息电荷可以维持住。为了减少管子以提高集成度。可以去信息电荷可以维持住。为了减少管子以提高集成度。可以去掉补充电荷的负载管和电源，变成掉补充电荷的负载管和电源，变成4管动态存储元：管动态存储元：计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第35页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（2/11）预充预充VDCDCDVSVSVDDBT3C1C0T1T0T2ADBS1BS0字线选择图4-11 4管动态存储电路计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第36页
38、4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（3/11）l4管动态管动态M0S存储元电路存储元电路写入操作：当写入时，字选择线加入高电平，打开写入操作：当写入时，字选择线加入高电平，打开T2、T3 控制管，将控制管，将BS0，BS1 上的信息存储在上的信息存储在T0、T1 管的栅极电容上。当管的栅极电容上。当T2、T3 管截管截止时，靠止时，靠T0、T1 管栅极电容的存储作用，在一定时间内，（如管栅极电容的存储作用，在一定时间内，（如2ms）可以保留所写入的信息。可以保留所写入的信息。读出操作：当读出时，先给出预充信号，于是电源就向位线的寄生电读出操作：当读出时，先给出预充信号，于是电源就向位线的寄
39、生电容容CD 充电，使它们都达到电源电压（充电，使它们都达到电源电压（CD VD），当字选择线使），当字选择线使T2、T3 管导通时，存储的信息通过管导通时，存储的信息通过A、B端向位线输出。若原存信息为端向位线输出。若原存信息为1，则电容则电容C1 上存有电荷，上存有电荷，T1 管导通而管导通而T0 管截止，因此，位线管截止，因此，位线BS1 的预的预充电荷经充电荷经T1 管泄漏，位线管泄漏，位线BS1 有读出电流流过。经读出放大电路鉴有读出电流流过。经读出放大电路鉴别输出。与此同时，别输出。与此同时，BS0 上的预充电荷上的预充电荷CD 可以通过可以通过A点向点向C1 进行充进行充电。故读
40、出过程也是刷新过程。电。故读出过程也是刷新过程。再生操作：再生操作：“再生再生”或或“刷新刷新”。由于。由于4管存储元的信息电荷有泄漏，电荷数管存储元的信息电荷有泄漏，电荷数不象不象6管存储元电路由电源经负载管源源不断地补充，时间一长就会丢失信管存储元电路由电源经负载管源源不断地补充，时间一长就会丢失信息。必须设法在外界按一定规律不断给栅极进行充电，按需要补足栅极的信息。必须设法在外界按一定规律不断给栅极进行充电，按需要补足栅极的信息电荷。息电荷。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第37页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（4/11
41、）l4管动态管动态M0S存储元电路存储元电路 刷新过程：在字选择线上加一个脉冲就能实现自动刷新。显然，只要刷新过程：在字选择线上加一个脉冲就能实现自动刷新。显然，只要定时给全部存储元电路执行一遍读操作，而信息不向外输出，那么就定时给全部存储元电路执行一遍读操作，而信息不向外输出，那么就可以实现动态存储器的再生或刷新。可以实现动态存储器的再生或刷新。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第38页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（5/11）l3管管MOS动态存储元电路：动态存储元电路：由于由于4管管MOS的动态存储元电路的动态存储元电路T
42、0、T1 管的管的状态总是相反的，因此完全可以只用一个状态总是相反的，因此完全可以只用一个MOS管管（如（如T1）的状态，截止或导通来表示）的状态，截止或导通来表示0或或1，这样，这样就可以变成就可以变成3管动态管动态MOS存储元电路以进一步提存储元电路以进一步提高集成度。高集成度。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第39页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（6/11）C1VSCDVDT2T1T3预充T4读数据线数据输出刷新控制写数据线写入选择线读出选择线图4-12 3管动态存储电路计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大
43、学出版社清华大学出版社2023年1月26日第40页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（7/11）l3管管MOS动态存储元电路的工作原理：动态存储元电路的工作原理：写入操作：当写选择线为写入操作：当写选择线为1，打开，打开T2 管，欲写入的信息经写数据线送入，通过管，欲写入的信息经写数据线送入，通过T2 管存到管存到T1 管的栅极电容管的栅极电容C1 上。如写数据线为上。如写数据线为1，则对，则对C1 进行充电；如写数据线进行充电；如写数据线为为0，则，则C1 放电。放电。读出操作：首先预充电脉冲使读出操作：首先预充电脉冲使T4 管导通，电源先对读出数据线上的寄生电容管导通，电源先对读出数据
44、线上的寄生电容CD 进行充电（升高进行充电（升高VD），当读出选择线为），当读出选择线为1时，时，T3 管导通，若原存信息为管导通，若原存信息为1，T1 导通，则导通，则CD经经T3、T1 管进行放电，（注意：不是管进行放电，（注意：不是C1 放电）。读数据线上有读放电）。读数据线上有读出电流，线电位有出电流，线电位有V降落；若原存信息为降落；若原存信息为0，1截止，则截止，则CD不放电，读数据线不放电，读数据线上无电流、无电压降。可用读出数据线上有或无读出电流或线电位低或高来判上无电流、无电压降。可用读出数据线上有或无读出电流或线电位低或高来判别读出信息或。当别读出信息或。当C1上充有电荷，
45、存储信息，而读数据线电位却变低是上充有电荷，存储信息，而读数据线电位却变低是反向的，故需经倒相放大器后才是正确的数据输出。反向的，故需经倒相放大器后才是正确的数据输出。刷新操作：按一定周期地进行读出操作，但不向外输出。读出信息经刷新控制刷新操作：按一定周期地进行读出操作，但不向外输出。读出信息经刷新控制信号控制的倒相放大器送到写数据线，经导通的信号控制的倒相放大器送到写数据线，经导通的2管就可周期性地给管就可周期性地给C1补充电补充电荷。荷。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第41页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（8/11）l单
46、管动态存储元：单管动态存储元：为了进一步缩小存储器体积，提高集成度，在大容量动态存储器中都采为了进一步缩小存储器体积，提高集成度，在大容量动态存储器中都采用单管动态存储元电路。如图用单管动态存储元电路。如图6.20存储元由存储元由T1和和CS构成。构成。写入时，字选择线加高电平，使写入时，字选择线加高电平，使T1管导通，写入信息由数据线管导通，写入信息由数据线D（位线）（位线）存入电容存入电容CS中。中。读出时，首先要对数据线上的分布电容读出时，首先要对数据线上的分布电容CD预充电，再加入字脉冲，使预充电，再加入字脉冲，使1管导通，管导通，CS与与CD上电荷重新分配以达到平衡。根据动态平衡的电
47、荷数多上电荷重新分配以达到平衡。根据动态平衡的电荷数多少来判断原存信息是或，因此，每次读出后，存储内容就被破坏。是破少来判断原存信息是或，因此，每次读出后，存储内容就被破坏。是破坏性读出，必须采取措施，以便再生原存信息。坏性读出，必须采取措施，以便再生原存信息。动态动态MOS随机存储芯片的组成大体与静态随机存储芯片的组成大体与静态MOS随机芯片相似，由存储随机芯片相似，由存储体和外围电路组成，但外围电路由于再生操作要复杂得多。体和外围电路组成，但外围电路由于再生操作要复杂得多。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第42页4.3.2 动态动
48、态MOS存储器存储器（9/11）DCDCST1数据线字选择线图4-13 单管动态存储电路计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第43页4.3.2 动态存储器动态存储器（10/11）l动态动态MOS存储器的刷新存储器的刷新：（1）刷新：对动态存储器要每隔一定时间（通常是）刷新：对动态存储器要每隔一定时间（通常是2ms）给全部基本）给全部基本存储元的存储电容补充一次电荷，称为存储元的存储电容补充一次电荷，称为RAM的刷新，的刷新，2ms是刷新间是刷新间隔时间。隔时间。（2）常用的刷新方式有两种：）常用的刷新方式有两种：集中式刷新（集中式刷新（B
49、urst Refresh）：）：集中式刷新指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次集中式刷新指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生，在此期间停止对存储器的读写操作。对存储器的所有行进行逐一再生，在此期间停止对存储器的读写操作。例如，一个存储器有例如，一个存储器有1024行，系统工作周期为行，系统工作周期为200ns，RAM刷刷新周期为新周期为2ms，这样，在每个刷新周期内共有，这样，在每个刷新周期内共有10000个工作周期，其个工作周期，其中用于再生的为中用于再生的为1024个工作周期，用于读写操作的共有个工作周期，用于读写操作的共有8976个工作个工作周
50、期。周期。集中式刷新的缺点是期间不能访问存储器，所以这种刷新方式集中式刷新的缺点是期间不能访问存储器，所以这种刷新方式多适用于高速存储器。多适用于高速存储器。计算机组成原理计算机组成原理(第二版第二版)清华大学出版社清华大学出版社2023年1月26日第44页4.3.2 动态动态MOS存储器存储器（11/11）l动态动态MOS存储器的刷新：存储器的刷新：分布式刷新（分布式刷新（Distributed Refresh）有两种方法：有两种方法：（I）把对每一行的再生分散到各个工作周期中去。这样，一个存储器的）把对每一行的再生分散到各个工作周期中去。这样，一个存储器的系统工作周期分为两部分：前半部分用
