4-存储器解析
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计算机组成原理 第 4 章 存储器系统
2013-11-4 22
• 存储单元的编址
• 编址单位：存储器中可寻址的最小单位。 • ① 按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。 • ② 按字编址：相邻的两个单元是两个字。
• 例如一个32位字长的按字节寻址计算机，一个 存储器字中包含四个可单独寻址的字节单元。 当需要访问一个字，即同时访问4个字节时，可 以按地址的整数边界进行存取。即每个字的编 址中最低2位的二进制数必须是“00” ，这样可 以由地址的低两位来区分不同的字节。
• 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据。 主存与CPU之间通过总线进行连接。
地址总线 MAR CPU MDR (k 位) 数据总线 (n 位) R/W MFC
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主 存 2k×n 位
主存的操作过程
• MAR：地址寄存器 MDR：数据寄存器
读操作（取操作） 地址 （MAR） AB
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5
(3) 高速缓冲存储器（Cache）
• Cache是一种介于主存与CPU之间用于解 决CPU与主存间速度匹配问题的高速小 容量的存储器。 • Cache用于存放CPU立即要运行或刚使用 过的程序和数据。
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2．按存取方式分类
• (1) 随机存取存储器(RAM) • RAM存储器中任何单元的内容均可按其地址随机地 读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。 • RAM主要用于组成主存。
主存储器的组成和基本操作
地 址 译 码 驱 动 电 路 存 储 阵 列 读 写 电 路 数 据 寄 存 器 数 据 总 线
时序控制电路 R/W
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MFC
图 4-1
主存储器的基本组成 18
• 存储单元的编址
• 编址单位：存储器中可寻址的最小单位。 • ① 按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。 • ② 按字编址：相邻的两个单元是两个字。
• 例如一个32位字长的按字节寻址计算机，一个 存储器字中包含四个可单独寻址的字节单元。 当需要访问一个字，即同时访问4个字节时，可 以按地址的整数边界进行存取。即每个字的编 址中最低2位的二进制数必须是“00” ，这样可 以由地址的低两位来区分不同的字节。
• 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据。 主存与CPU之间通过总线进行连接。
地址总线 MAR CPU MDR (k 位) 数据总线 (n 位) R/W MFC
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主 存 2k×n 位
主存的操作过程
• MAR：地址寄存器 MDR：数据寄存器
读操作（取操作） 地址 （MAR） AB
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(3) 高速缓冲存储器（Cache）
• Cache是一种介于主存与CPU之间用于解 决CPU与主存间速度匹配问题的高速小 容量的存储器。 • Cache用于存放CPU立即要运行或刚使用 过的程序和数据。
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2．按存取方式分类
• (1) 随机存取存储器(RAM) • RAM存储器中任何单元的内容均可按其地址随机地 读取或写入，且存取时间与单元的物理位置无关。 • RAM主要用于组成主存。
主存储器的组成和基本操作
地 址 译 码 驱 动 电 路 存 储 阵 列 读 写 电 路 数 据 寄 存 器 数 据 总 线
时序控制电路 R/W
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MFC
图 4-1
主存储器的基本组成 18
微型计算机系统原理及应用 第4章 半导体存储器
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4．3 半导体只读存储器（ROM）
4.3.1 掩膜式只读存储器ROM ROM制造厂家按用户提供的数据，在芯片制造时
写定。用户无法修改。
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4.3.2 可编程的只读存储器PROM 只能写入一次。
19
4.3.3 可编程、可擦除的只读存储器EPROM
1. 紫外线擦除的EPROM 进行照射10～20min，擦除原存信息，成为全1状态。
8
2．静态RAM的结构 将多个存储单元按一定方式排列起来，就组成了一个静 态RAM存储器。
9
典型的SRAM 6116：2KB，A0~A10，D0~D7形成 128*16*8（每8列组成看作一个整体操作）的阵列
片选CS# 输出允许 OE#
读写控制 WE#
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典型的SRAM芯片6264 (8KB)
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存储器芯片的选用
RAM、ROM区别：
–ROM：ROM用来存放程序，为调试方便，多采用EPROM
–RAM：存储器容量不大，功耗较小时，可采用静态RAM；
系统较大，存储器容量很大，功能和价格成为主要矛盾， 要选择动态RAM，这时要考虑刷新问题。
组成存储器模块时，需要考虑的因素主要有：容
量、速度、负载等：
14
2. 双端口RAM举例
CY7C130/131/140/141 1K*8bit高速双端口SRAM A0~A9：地址线 I/O0~I/O7：数据线 CE#：片选 OE#：输出允许线 R/W#：读写控制 BUSY#： INT#：
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存储器的基本组成 半导体存储器的内部结构为例
译码电路： 重合译码方式 存储体：核心。一个 基本存储电路可存入 一个二进制数码
A12 A7 A6 A5 A4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 Vcc WE CS 2 A8 A9 A 11 OE A 10 CS 1 D7 D6 D5 D4 D3
第四章存储器习题
第四章存储器一、填空题1. 计算机中的存储器是用来存放的，随机访问存储器的访问速度与无关。
√2. 主存储器的性能指标主要是、存储周期和存储器带宽。
√3. 存储器中用来区分不同的存储单元，1GB= KB。
√4. 半导体存储器分为、、只读存储器（ROM）和相联存储器等。
√5. 地址译码分为方式和方式。
√6. 双译码方式采用个地址译码器，分别产生和信号。
√7. 若RAM芯片内有1024个单元，用单译码方式，地址译码器将有条输出线；用双译码方式，地址译码器有条输出线。
√8. 静态存储单元是由晶体管构成的，保证记忆单元始终处于稳定状态，存储的信息不需要。
√9. 存储器芯片并联的目的是为了，串联的目的是为了。
10. 计算机的主存容量与有关，其容量为。
11. 要组成容量为4M×8位的存储器，需要片4M×1位的存储器芯片并联，或者需要片1M×8位的存储器芯片串联。
12. 内存储器容量为6K时，若首地址为00000H，那么末地址的十六进制表示是。
13 主存储器一般采用存储器件，它与外存比较存取速度、成本。
14 三级存储器系统是指这三级、、。
15 表示存储器容量时KB= ，MB= ；表示硬盘容量时，KB= ，MB= 。
16一个512KB的存储器，其地址线和数据线的总和是。
17 只读存储器ROM可分为、、和四种。
18 SRAM是；DRAM是；ROM是；EPROM是。
19半导体SRAM靠存储信息，半导体DRAM则是靠存储信息。
20半导体动态RAM和静态RAM的主要区别是。
21MOS半导体存储器可分为、两种类型，其中需要刷新。
22 广泛使用的和都是半导体③存储器。
前者的速度比后者快，但不如后者高，它们的共同缺点是断电后保存信息。
23 EPROM属于的可编程ROM，擦除时一般使用，写入时使用高压脉冲。
24 单管动态MOS型半导体存储单元是由一个和一个构成的。
25 动态半导体存储器的刷新一般有、和三种方式。
计算机组成原理第4章主存储器(00001)资料讲解
CS
WE
DOUT
片选读时间 taCS
CPU必须在这段时 间内取走数据
片禁止到输出的传 输延迟tPLH CS→DOUT
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1. 静态存储器（SRAM）（6）
(2) 开关特性
写周期时序 地址对写允许WE的保持时间 th Adr
地址对写允许WE的建立时间 tsu
Adr
Adr
CS
WE
最小写允许宽度tWWE
保持1，0 的双稳态 电路
存储单元
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1. 静态存储器（SRAM）
MOS管是金属(Metal)—氧化物(Oxid)—半导体(Semiconductor) 场效应晶体管，或者称S管有三个极：源极S（Source）、漏极D（Drian）和栅极G（Gate）.
器
控制电路
0 … 31
读/写电路 Y地址译码
CS WE DIN H ×× LLL LLH L H×
DOUT H H H DOUT
操作方式
未选 写“0” 写“1”
读
WE CS
A5 … A9
14
1. 静态存储器（SRAM）（5）
(2) 开关特性
读周期时序
Adr
地址对片选的建立时间 tsu Adr→CS
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4.6 非易失性半导体存储器（4）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 为了能修改ROM中的内容，出现了EPROM。其原理：
VPP(+12V)
控制栅 浮置栅
5～7V
源n+
漏n+
P型基片
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4.6 非易失性半导体存储器（5）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 存储1，0的原理：
第三章 存储系统(4)-并行存储器和多模块交叉(1)
二模块交叉来自储器举例二模块交叉存储器举例
3.5 并行存储器
相联存储器
原理：按内容存取的存储器，可以选择记录 （关键字）的一个字段作为地址 组成：见下一页图 主要用途：在虚拟存储器中存放段表、页表和 快表，也可以作Cache的行地址
3.5 并行存储器
3.5 并行存储器
由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹 配的，这种情况便成为限制高速计算机设计 的主要问题。为了提高CPU和主存之间的数 据传输率，除了主存采用更高速的技术来缩 短读出时间外，还可以采用并行技术的存储 器。
空间并行技术 时间并行技术
双端口存储器 多模块交叉存储器
3.5 并行存储器
3.5 并行存储器
两个独立端 口各拥有？
该SRAM容 量大小为？
3.5 并行存储器
2、无冲突读写控制
当两个端口的地址不相同时，在两个端口上进行读写操 作，一定不会发生冲突。当任一端口被选中驱动时，就可 对整个存储器进行存取，每一个端口都有自己的片选控制 (CE)和输出驱动控制(OE)。读操作时，端口的OE(低电平 有效)打开输出驱动器，由存储矩阵读出的数据就出现在 I/O线上。
3.5 并行存储器
假设有n个存储体，每个存储体的容量为m个存 储单元 顺序方式：
log
n 2
log
m 2
片选，存储体 选择
每个存储体内 的地址
3.5 并行存储器
1、顺序方式 [例]M0－M3共四个模块，则每模块8字。 顺序方式： M0：0—7 M1：8－15 M2：16－23 M3：24－31 5位地址组织如下： X X X X X 高位选模块，低位选块内地址 特点：某个模块进行存取时，其他模块不工作，优点是某 一模块出现故障时，其他模块可以照常工作，通过增添模 块来扩充存储器容量比较方便。缺点是各模块串行工作， 存储器的带宽受到了限制。
3.5 并行存储器
相联存储器
原理：按内容存取的存储器，可以选择记录 （关键字）的一个字段作为地址 组成：见下一页图 主要用途：在虚拟存储器中存放段表、页表和 快表，也可以作Cache的行地址
3.5 并行存储器
3.5 并行存储器
由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹 配的，这种情况便成为限制高速计算机设计 的主要问题。为了提高CPU和主存之间的数 据传输率，除了主存采用更高速的技术来缩 短读出时间外，还可以采用并行技术的存储 器。
空间并行技术 时间并行技术
双端口存储器 多模块交叉存储器
3.5 并行存储器
3.5 并行存储器
两个独立端 口各拥有？
该SRAM容 量大小为？
3.5 并行存储器
2、无冲突读写控制
当两个端口的地址不相同时，在两个端口上进行读写操 作，一定不会发生冲突。当任一端口被选中驱动时，就可 对整个存储器进行存取，每一个端口都有自己的片选控制 (CE)和输出驱动控制(OE)。读操作时，端口的OE(低电平 有效)打开输出驱动器，由存储矩阵读出的数据就出现在 I/O线上。
3.5 并行存储器
假设有n个存储体，每个存储体的容量为m个存 储单元 顺序方式：
log
n 2
log
m 2
片选，存储体 选择
每个存储体内 的地址
3.5 并行存储器
1、顺序方式 [例]M0－M3共四个模块，则每模块8字。 顺序方式： M0：0—7 M1：8－15 M2：16－23 M3：24－31 5位地址组织如下： X X X X X 高位选模块，低位选块内地址 特点：某个模块进行存取时，其他模块不工作，优点是某 一模块出现故障时，其他模块可以照常工作，通过增添模 块来扩充存储器容量比较方便。缺点是各模块串行工作， 存储器的带宽受到了限制。
第4章存储逻辑
4.5.1 字长位数扩展
例：利用64K×8位ROM芯片，设计一个64K×16 位的ROM。 解：两个芯片的地址总线公用，控制总线也公 用，而数据线分成高８位和低８位。
4.5.1 字长位数扩展
例：SRAM字长位数扩展
1M×4位 1M×8位
4.5.2 字存储容量扩展
给定的芯片存储容量较小，不满足设计要求的总 存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字 数。 方法：数据总线和低位地址总线公用，控制总线 中R/W公用，使能端EN不能公用，它由地址总线 的高位段译码来决定片选信号。 所需芯片数：设计要求存储容量除以已知芯片存 储容量。
3、ROM结构的点阵图表示法
最小项表达式 G3=∑(8,9,10,11,12,13,14,15) G2=∑(4,5,6,7,8,9,10,11) G1=∑(2,3,4,5,10,11,12,13) G0=∑(1,2,5,6,9,10,13,14)
4.3.2 可编程ROM
1、EPROM存储元 2、E2PROM存储元
4.4 FLASH存储器
FLASH存储器也译成闪速存储器，它是高密度非易 失性的读／写存储器。它既有RAM的优点，又有 ROM的优点。 闪速存储器中的存储元，由单个MOS晶体管组 成： 漏极S和源极D，控制栅和浮空栅。
4.4 FLASH存储器
FLASH存储器的基本操作
无电流，读出为0
4.2.2 地址译码方法
存储器按存储矩阵组织方式不同，可分为： 单译 码结构和双译码结构。 1、单译码结构 需要一个译码器。 每个存储元只有一条选择线（字线）。 单译码结构（也称字结构）：每次读／写时，选 中一个字的所有存储元。
4.2.2 地址译码方法
存储器
广义的内存分为随机存储器（RAM，RANDOM ACCESS MEMORY）和只读存储器（ROM，READ ONLY MEMORY）。
一、 RAM
RAM是指通过指令可以随机的、个别的对各个存储单元进行访问的存储器，一般访问时间基本固定，而与存储单元地址无关。RAM的速度比较快，但其保存的信息需要电力支持，一旦丢失供电即数据消失，所以又叫易失性存储器，还有一种很有趣的叫法是"挥发性存储器"，当然这里"挥发"掉的是数据而不是物理上的芯片。
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PCW_星X缘
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个人空间 发短消息 加为好友 当前离线 2F 大 中 小 发表于 2009-4-24 11:23 只看该作者
有奖调查
读者阅读习惯调查 内存储器在PC设备中占有重要的席位，也正是内存储技术的发展才得以让如今的计算机呈现出一番勃勃生机的景象。毫不夸张地说，未来PC发展的重点不是 CPU而是内存。半导体技术的突破已经为CPU发展铺平的道理，随着主频的不断提高，整个系统将对内存性能提出更高的要求。纵观PC技术的发展，每次内存技术的提升都对整体性能产生重大的影响。
B． 我的PC 有5GB的存储器。
C． 我的PC 有5GB 的内存。
唔，有似曾相识的感觉。没错，这是某个笑话的三种表达方式，但只有其中的一个可以认为是真正的笑话。到底是哪一个呢？先说A，如果有钱，给自己的电脑插上1GB的内存是可能的；而B，既然说是存储器，也可以包括硬盘了，话说的滴水不漏，也没留下笑柄；最后到C，因为目前个人电脑上使用的主板一般只能支持到1GB的内存，即使是INTEL目前最高阶的450NX芯片组也只能支持到4GB--所以，用5GB的内存是胡扯的啦。
计算机组成原理第四章课后习题及答案唐朔飞完整版
第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。
CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。
由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。
需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。
擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。
或称快擦型存储器。
2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。
答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。
按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。
3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
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基本存储电路
◆半导体存储器芯片是把成千上万个基本存储电路以矩阵阵列的组织形式 （称为存储体）集成在数平方厘米上的大规模集成电路。 ◆基本存储电路是存储一位二进制信息的电路，由一个具有两个稳定状态 （“0”和“1”）的电子元件组成。
字线 Vcc
T3 位线1 (数据线) T5 A T1 T4 T B T6 T2 位线2 (数据线) Cg Cd 字线
A15 ~A0 D7 ~D0
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常用半导体存储器件的特点
◆双极型RAM：存取速度快，与MOS型RAM相比集成度低、功耗大、成 本高。 ◆MOS型RAM：制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜，存取速 度不及双极型RAM。静态RAM（SRAM）以双稳态触发器做基本存储 电路，集成度较高。动态RAM （DRAM）利用电容电荷存储信息，需 附加刷新电路，采用的元件比静态RAM少，集成度更高，功耗更小。 DRAM优于SRAM。 ◆ EPROM ：是可用紫外线进行 （脱线）擦除，用编程器固化信息的 ROM。EPROM可以多次改写，但编程速度较慢。 ◆ E2PROM ： 是 可 用 特 定 电 信 号 进 行 （ 在 线 ） 擦 除 和 编 程 的 ROM 。 E2PROM比EPROM使用方便，但存取速度较慢，价格也较高。 ◆快擦写存储器：在E2PROM基础上发展的，比E2PROM擦除和改写速度 快得多。
位线 （数据线）
六管静态基本存储电路
单管动态基本存储电路
存储芯片的基本组成
（以静态存储器为例）
◆半导体存储器芯片通常由存储矩阵、单元地址译码、数据缓冲/驱动和 读/写控制逻辑四部分组成。 ◆存储器芯片的引脚主要有存储单元地址线Am-1~A0 、数据线Dn-1~D0 、片 选通线CS（CE）、读/写控制线OE和WE等。
◆扩充存储器容量的连接方法：
位扩充——扩充存储单元（字节）的数据位数。 （芯片的单元位数为1位或4位时，需做位扩充。） 字节扩充——扩充存储单元的字节个数。 （芯片的单元数小于存储器字节数时，需做字节扩充。）
位扩充连接示意图
MEMW A19 ~A10 译码器 A9~A0 CS WE A9~A0 2114 (1K×4) D3~D0 CS WE A9~A0 2114 (1K×4) D3~D0
半导体存储器的分类
随机存取存储器 （RAM） 双极型RAM MOS型RAM 静态RAM（SRAM） 动态RAM（DRAM）
半导体存储器 (Memory)
只读存储器 （ROM）
掩膜ROM 可编程ROM(PROM) 紫外线擦除可编程ROM(EPROM) 电擦除可编程ROM(E2PROM) 快擦写存储器（Flash Memory）
读/写控制线的连接
◆CPU 读 / 写操作控制信号 (M/IO ， RD 和 WR) 进行逻辑组合， 产生存储器读 MEMR 和存储器写 MEMW 信号，分别接存
储器芯片的读允许OE信号和写允许WE信号 。
RD M/IO WR
与充
◆当单个存储器芯片的容量不能满足存储器容量要求时，需要 用多个存储器芯片组合，以扩充存储器的容量。
芯片型号 M× N 地址线 A10～A0 数据线 D7～ D 0 Din Dout O7~O0 I/O7~ I/O0 控制线 CS, OE, WE SRAM6116 2K×8 （静态RAM）
DRAM2164 A7～ A0 64K×1 （动态RAM） (行列地址复用) EPROM 2764 E2PROM 2817 8K×8 2K×8 A12～A0 A10～A0
A0 A1 Am-1 . . .
地 址 译 码 器
基本存储电路
. . . . 存储矩阵（体） . .
组成的
数 据 缓 冲 器
D0 . . . D1 Dn-1
读/写控制逻辑 片选通 读/写选通
存储器芯片的容量表示
◆存储器芯片的容量表示： 存储芯片的单元数×单元位数 例如，1 K×4 8 K× 1 16K×8 8 芯片位数
微机原理与接口技术
第 4 章 微机存储器
教案
第 4 章 微机存储器
4.1 半导体存储器
4.2 存储器与系统的连接
4.3* 现代存储器体系结构
习题例
半导体存储器的性能指标
由于半导体存储器具有集成度高、功耗低、可靠性好、存取速度快、 成本低等优点，是构成存储器的最主要的器件。 ◆存储容量：存储器容量是数据存储能力的指标，以字节为单位编址，存 储器容量用最大字节数描述。 ◆ 存取速度：存储器存取速度用最大存取时间或存取周期描述。存储器 存取时间定义为从接收到存储单元的地址码开始，到它取出或存入数 据为止所需时间（单位为纳秒, ns）。 ◆ 功耗：功耗用存储单元功耗（μW/单元），或存储芯片功耗（mW/芯片） 描述。功耗指标也涉及到到芯片集成度。 ◆ 可靠性：可靠性是指存储器对电磁场、温度等外界变化因素的抗干扰 能力，一般用平均无故障时间描述。
RAS, CAS, WE CE, OE/VPP, PGM CE, OE, WE, RDY/BUSY
数据线、地址线的连接
◆数据线的连接： 存 储 器 芯 片 的 数 据端 Dn-1~D0 ， 直接和系统数据 总线 （DB）相应的数据位挂接起来。 ◆地址线的连接： 存储器芯片的地址端 Am-1~A0 ，直接和系统地址总线 （AB），从A0开始的低位地址部分相应的地址线挂接 起来。
D7~D4
D3~D0
字节扩充连接示意图
MEMW MEMR 2-4 译 码 器
A19 A18
8088
16
CS OE 27512(1) 16
CS OE 27512(2) 11
CS OE WE 6116(1)
A10~A0D7~D0
CS OE WE 6116(2)
A10~A0D7~D0
A15~A0D7~D0 A15~A0D7~D0
◆存储器芯片组成存储器的芯片数计算：
存储器字节数 芯片单元数
例如，设计一个64KB的RAM存储器:
若用静态RAM 6116（2K×8）芯片组成，则 64/2×1=32 片; 若用动态RAM 2116（16K×1）芯片组成，则 64/16×8=32片， 32片分成4组，每组8片。
常用存储器芯片的组成特性