最新计算机原理第三章存储器
（１） 写入，字选线加高电平，使门控管Ｔ导通； 若要写０，则位线加０，电容Ｃｓ通过Ｔ对位线放电，
呈低电平。 若要写１，则位线为１，电容Ｃｓ充电。
（２） 读出，字选线加高电平，使门控管Ｔ导通； 若Ｃｓ上有电荷，通过Ｔ→ＣＤ放电，位线上有电流流
过，表示读出信息为“１”。 若Ｃｓ上无电荷，位线上没有电流流过，表示读出信息
４．存储器带宽
单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒 〔ｂｉｔ／ｓ，Ｂ/s〕来表示。
§3.2 半导体存储原理及芯片
3.2.1 静态ＭＯＳ（metal oxide semiconductor金属 氧化物半导体）存储位与芯片
双极型，ＴＴＬ型，速度快，但功耗大，集成度低
半导体 存储器
静态ＭＯＳ，ＳＲＡＭ， 动态ＭＯＳ，ＤＲＡＭ
写1：数据线I/O=1、 I / O =0，使位线D=1、 D =0；
推出T1截止，T2导通使Q=1、 Q =0，写入“1”。
（2）读出
行选线xi，列选线yj加高电平，使T5 、T6导通和V1 、V2导通。
如果原存信息Q=0，则T1导通，从位线D将通过T5、T1到地 形成放电回路，有电流经D流入T1，使I/O线上有电流流过，经放 大为“0”信号，表明原存信息为“0”。而此时因T2截止，所以D 上无电流。
图6－4 2114芯片引脚 片选 CS ：低电平有效，低电平时选中本芯片。 写使能 WE ：低电平时写入，高电平时读出。 地址１０根：Ａ9～Ａ0，对应于１Ｋ容量。 双向数据线４位：DO4～DO1，可直接与数据总线相连。
（３）静态ＲＡＭ读写操作时序
读周期：
图6－5 2114的读周期波形图 tRC：读周期时间，此期间地址维持时间不变，是两次读出的最小时间间隔。 tA：读出时间，从地址有效到输出稳定所需的时间，即其他器件可以使用数
4位数据线信息写入译中的单元中，称为写操作。
当片选信号 CS =0且读写信号WE =1时，数据输出三态门打开，译中
单元的4位数据送入数据线，称为读操作。
当片选信号 CS =1时，输入三态门与输出三态门都关闭，使芯片所有
单元与数据线隔离，即本芯片不工作。片选信号在存储器空间扩展时 要用到。
（２）芯片引脚
（１）内部结构图
１Ｋ＝１０２４＝２１０，共１０根地址线。
图6－2 2114SRAM芯片内部结构框图
图6－3 第K个存储单元4个存储位电路图
一个位平面 ２６×２４＝６４行×１６列＝１０２４个单元 每个单元有４位，即１０２４×４。
当片选信号 CS =0且读写信号 WE =0时，数据输入三态门打开，
如果原存信息Q=1，则T2导通，能推出 I / O 线上有电流流
过，代表原存信息为“1”。此时T1截止，I/O线上无电流。
（３）保持
行选线xi与列选线yj只要有一个为低电平，使位线与双稳态 电路隔离，双稳态电路T1 、T2依靠触发器原理交叉反馈保持原有 状态不变。
2. 静态ＭＯＳ存储芯片举例
2114是一种曾广泛使用的小容量SRAM芯片，容量为1K×4位， 现举例说明。
计算机原理第三章存储 器
§3.1 存储器概述
3.1.1 存储系统的层次结构
CPU
解决速度 解决容量
Cache 主存储器 M 外存储器
分层存储体系结构
３．存储周期ＴＭ
指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。 通常 ＴＭ>ＴＡ，这个参数被标在内存芯片上。
例如：“－７”，“－１５”等，表示存储周期为７ｎｓ或１５ｎ ｓ，数值越小，表示内存芯片的存取速度越高，价格也越贵。
“恢复”与“刷新”操作由灵敏恢复/读出放大器完 成。
图6－8 灵敏恢复/读出放大器
2. DRAM结构
图6.9 DRAM结构原理图
４Ｍ×４
§3.3 主存储器容量的扩展
速度快，功耗低，集成度高
１．静态ＭＯＳ存储位
ＮＭＯＳ六管静态存储单元（位）
Ｔ１、Ｔ２两个反相器交叉耦合构成一个双稳态触发器， 可用于存储一位信息。
Ｔ３、Ｔ４分别作为负载管，相当于两个电阻。
Ｔ５、Ｔ６是两个控制门管，由行选线Ｘｉ控制它们的 通断，当行选线Ｘｉ加高电平时，Ｔ５、Ｔ６导通，通过一 组位线Ｄ、D 可对双稳态电路进行读/写操作；当Ｘｉ加低 电平时，Ｔ５、Ｔ６断开，位线脱离，双稳态电路进入保持 状态。
Ｖ１、Ｖ２两个管子控制位线与Ｉ/Ｏ相连，由列选线 ｙｉ控制。
（１）写入
行选线xi（也称字选线）加高电平，使T5 、T6管导通。列选线
yj加高电平使V1 、V2管导通，位线D与 D 同I/O线与 I / O 线接
通。
写0：数据线I/O=0、I / O =1，使位线D=0、位D线
=1。
因D=0，通过T5管传给Q点使Q点为低（写入0），T2管截止。 而通过T6管给T1管栅极加高电压，使T1管导通，加快Q点为低 电平的进程。
为“０”。
★ 注意：读出 “１” 信息后，电容Ｃｓ上无电荷，不能再 维持“１”，这种现象称为“破坏性读出”，须进行“恢复”操 作。
（３） 保持，字选线为“０”，Ｔ截止，电容Ｃｓ无放电 回路，其电荷可暂存数毫秒，即维持“１”数毫秒；无电荷 则保持“０”状态。
★ 注意：保持“１”信息时，电容Ｃｓ也要漏电，导致Ｃｓ上 无电荷，须定时“刷新”。
tWC=tAW+tW+tWR tDTW：写信号有效到输出变为三态时间。 tDW：数据有效时间。输入数据至少应维持的时间。 tDH：写信号撤销后数据保持时间。
3.2.2 动态MOS存储位与芯片
1. 动态MOS存储位－－－单管动态存储位
基本工作原理：利用电容有无存储电荷来表示存“１”或“０”。
图6－7 单管动态存储位电路
据线上的数据了。
tCO：从片选信号 CS 有效，到读出的数据在外部数据线上稳定的时间。
tCX：片选有效到数据有效所需的时间。 tOTD：片选无效后输出数据还能维持的时间。 tOHA：地址改变后数据输出的维持时间。
写周期：
图6－6 2114的写周期波形图 tWC：写周期时间，是两次写入操作之间的最小间隔。 tAW：在地址有效后，经过一段时间tAW，才能向芯片发写命令。 t可靠写入，地址有效时间至少应满足：
数字逻辑与计算机组成原理：第三章 存储器系统(1)
A3 0
字线
地0 A2 0 址
译
A1
0码 器
A0 0
15
读 / 写选通
… …
…
0,0 … 0,7
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0
…
7 位线
读/写控制电路
D0
… D7
(2) 重合法（双译码方式）
0 A4
0,00
…
0 A3
阵
A2
译
0码
31,0
…
A1
器 X 31
0 A0
… …
或低表示存储的是1或0。 T5和T6是两个门控管，读写操作时，两管需导通。
六管存储单元
保持
字驱动线处于低电位时，T5、T6 截止， 切断了两根位线与触发器之间的 联系。
六管存储单元
单译码方式
读出时: 字线接通 1)位线1和位线2上加高电平; 2)若存储元原存0，A点为低电
平，B点为高电平，位线2无电 流，读出0。
3)若存储元原存1，A点为高电 平，B点为低电平，位线2有电
流，读出1。
静态 RAM 基本电路的 读 操作（双译码方式）
位线A1
A T1 ~ T4 B
位线2
T5
行地址选择
T6
行选
T5、T6 开
列选
T7、T8 开
T7
T8
读选择有效
列地址选择 写放大器
写放大器
VA
T6
读放
读放
DOUT
T8 DOUT
DIN
1．主存与CPU的连接
是由总线支持的; 总线包括数据总线、地址总线和控制总线; CPU通过使用MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储
最新计算机组成原理第三章课件白中英版
3.1 存储器概述
❖ 存储器的两大功能： 1、 存储（写入Write） 2、 取出（读出Read）
❖ 三项基本要求： 1、大容量 2、高速度 3、低成本
计算机组成原理
6
计算机组成原理
8
3.2 随机读写存储器
SRAM（静态RAM：Static RAM）
T7 ，这样存储体管子增加不多，但是双向地址译码选择， 因为对Ｙ选择线选中的一列只是一对控制管接通，只有X选 择线也被选中，该位才被重合选中。
X选择线
V 位/读出线
BS0 读/写“0”
A T4
T5
T2
T0
T1
T6
位/读出线
B T3
BS1 读/写“1”
T7
I/O
Y选择线
I/O
6管双向选择MOS存储电路
（2）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 线和位线
（3）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。
计算机组成原理
17
静态MOS存储器
BS0
BS1
FF
FF
FF
16 地址 选
W0
1
A0
地 字线
址
FF
FF
FF
译
……
A1
码 W1 器
：： A2
•以触发器为基本存储单元 •不需要额外的刷新电路 •速度快，但集成度低，功耗和价格较高
DRAM（动态RAM：Dynamic RAM）
•以单个MOS管为基本存储单元 •要不断进行刷新（Refresh）操作 •集成度高、价格低、功耗小，但速度较SRAM慢
计算机组成原理教案(第三章)
3.主存物理地址的存储空间分布
以奔腾PC机主存为例，说明主存物理地址的存储空间概念
3.3.1只读存储器
1.ROM的分类
只读存储器简称ROM，它只能读出，不能写入。它的最 大优点是具有不易失性。
根据编程方式不同，ROM通常分为三类：
只读存 储器
定
义
优
点
缺
点
掩模式
数据在芯片制造过程中就 确定
可靠性和集成度高，价 不能重写 格便宜
存储 周期 存储 器带 宽
连续启动两次操作所需 间隔的最小时间
单位时间里存储器所存 取的信息量,
主存的速
度
数据传输速率 位/秒，字 技术指标 节/秒
3.2.1 SRAM存储器
1.基本存储元
六管SRAM存储元的电路图及读写操作图
2.SRAM存储器的组成
SRAM存储器的组成框图
存储器对外呈现三组信号线，即地址线、数据线、读/写控制线
主存地址空间分布如图所示。
3.3.2闪速存储器
1.什么是闪速存储器
闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器
2.闪速存储器的逻辑结构
28F256A的逻辑方框图
3.闪速存储器的工作原理
闪速存储器是在EPROM功能基础上增加了电路的电擦除和重新 编程能力。 28F256A引入一个指令寄存器来实现这种功能。其作用是： (1)保证TTL电平的控制信号输入； (2)在擦除和编程过程中稳定供电； (3)最大限度的与EPROM兼容。 当VPP引脚不加高电压时，它只是一个只读存储器。 当VPP引脚加上高电压时，除实现EPROM通常操作外，通过指 令寄存器，可以实现存储器内容的变更。 当VPP=VPPL时，指令寄存器的内容为读指令，使28F256A成 为只读存储器，称为写保护。
计算机组成原理 第三章
1TB=230B
• 存取时间（存储的时间。
• 存储周期：是指连续启动两次读操作所需要间隔的最 小时间。 • 存储器的带宽（数据传输速率）：是单位时间里存储 器所存取的信息量。通常以位/秒或字节/秒来表示。
3.2 SRAM存储器
通常使用的半导体存储器分为随机存取存储器 （Random Access Memory，RAM）和只读存储器 （Read-Only Memory，ROM）。它们各自又有许多 不同的类型。
相连。
A15 A14
2:4 译码器
CPU
A0 A13
11 10 01 00 CE 16K×8
CE … 16K×8 WE
CE 16K×8
WE
CE 16K×8
WE
WE
WE
D0~D7 16K×8字扩展法组成64K×8 RAM
• 字位同时扩展：既增加存储单元的数量，也加长
各单元的位数
• 实际的存储器 往往 需要对字和位同时扩展，如
I/O1 ….. I/O4
WE 2114 CS A0 …. A9
CPU
A0 A9
WE 2114 CS A0 …. A9
A10 A11
wE
2:4 译 码 器
用16K×8位的芯片采用字扩展法组成64K×8位 的存储器连接图。 图中4个芯片的数据端与数据总线D0—D7相连， 地址总线低位地址A0—A13与各芯片的14位地址端相 连，而两位高位地址A14 ，A15 经译码器和4个片选端
CPU
A0
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A 8 A9
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9
A9 CS
假定使用8K×1的RAM存储器芯片，那么组成 8K×8位的存储器，每一片RAM是8192×1，故其地址
白中英计算机组成原理第三章答案
主存16MB
Cache块号需要14位
主存地址为24位 主存标记位有24－14－2 = 8位
顺序存储器和交叉存储器连续读出m=8个字的数据信息量为： q = 8×64 = 512位 顺序存储器所需要的时间为 t1 = m×T =8×100ns =800ns =8×10-7s 故顺序存储器的带宽为 W1= q/t1 = 512/(8×10-7) = 64×107[bit/s] 交叉存储器所需要的时间为 t2 = T+ (m-1)×τ= 100ns + (8-1)×50ns = 450ns =4.5×10-7s 故交叉存储器的带宽为 W1= q/t2 = 512/(4.5×10-7) = 113.8×107[bit/s]
9、CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为2420 次，主存完成存取的次数为80次， 已知cache存储周期为40ns，主存存储周期为240ns， 求cache/主存系统的效率和平均访问时间。
命中率 h = Nc/(Nc+Nm) = 2420/(2420+80) = 0.968
主存与Cache的速度倍率
第3章 内部存储器
1、设有一个具有20位地址和32位字长 的存储器，问：
①该存储器能存储多少字节的信息？
32 2 * 4M字节 = 220×32 bit 8 ②如果存储器有512K×8位SRAM芯片组成，需要多少片?
20
存储容量 = 存储单元个数×每单元字节数
需要做存储芯片的字位扩展；
位扩展：4片512K×8位芯片构成512K×32位的存储组； 字扩展：2组512K×32位存储组构成1M×32位的存储器；
15、假设主存容量16M×32位，Cache容量 64K×32位，主存与Cache之间以每块4×32位大 小传送数据，请确定直接映射方式的有关参数，并 画出主存地址格式。
计算机组成原理第3章习题参考答案
第3章习题参考答案1、设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问 (1) 该存储器能存储多少字节的信息？(2) 如果存储器由512KX8位SRAM 芯片组成，需要多少片？ (3) 需要多少位地址作芯片选择？ 解：(1) 该存储器能存储：220 x —= 4M 字节8(3)用512Kx8位的芯片构成字长为32位的存储器，则需要每4片为一组进行字 长的位数扩展，然后再由2组进行存储器容量的扩展。
所以只需一位最高位地址 进行芯片选择。
2、已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4MX8位 的DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用存条结构形式，问； (1) 若每个存条为16MX64位，共需几个存条？ (2) 每个存条共有多少DRAM 芯片？(3) 主存共需多少DRAM 芯片？ CPU 如何选择各存条？ 解：226x64(1) 共需4条存条16M x64(2) 每个存条共有16；V/- 64 =32个芯片4Mx8⑶ 主存共需多少=128个RAM 芯片，共有4个存条，故CPU 4M x 8 4M x 8 选择存条用最高两位地址临和他5通过2： 4译码器实现；其余的24根地址线用 于存条部单元的选择。
3、用16KX8位的DRAM 芯片构成64KX32位存储器，要求： (1)画出该存储器的组成逻辑框图。
⑵ 设存储器读/写周期为0.5uS, CPL •在luS 至少要访问一次。
试问采用哪种 刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍 所需的实际刷新时间是多少？ 解：(1)用16KX8位的DRAM 芯片构成64KX32位存储器，需要用64/Cx32 = 4x4 = 16 16K x8 个芯片，其中每4片为一组构成16KX32位一一进行字长位数扩展(一组的4个芯片 只有数据信号线不互连——分别接D 。
〜DM 叭D®〜仏和加〜皿其余同名引脚220 x 32 需要冷22O X 322I9X 8=8片互连)，需要低14位地址(A°〜AQ 作为模块各个芯片的部单元地址一一分成行、列 地址两次由A 。
计算机组成原理第三章课后题参考答案
第三章课后习题参考答案1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少芯片（3）需要多少位地址作芯片选择解：（1）∵ 220= 1M，∴该存储器能存储的信息为：1M×32/8=4MB （2）（1024K/512K）×（32/8）= 8（片）（3）需要1位地址作为芯片选择。
3．用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。
(2) 设DRAM芯片存储体结构为128行，每行为128×8个存储元。
如单元刷新间隔不超过2ms，存储器读/写周期为μS, CPU在1μS内至少要访问一次。
试问采用哪种刷新方式比较合理两次刷新的最大时间间隔是多少对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少解：（1）组成64K×32位存储器需存储芯片数为N=（64K/16K）×（32位/8位）=16（片）每4片组成16K×32位的存储区，有A13-A0作为片内地址，用A15 A14经2：4译码器产生片选信号，逻辑框图如下所示：（2）根据已知条件，CPU在1us内至少访存一次，而整个存储器的平均读/写周期为，如果采用集中刷新，有64us的死时间，肯定不行；所以采用分散式刷新方式：设16K×8位存储芯片的阵列结构为128行×128列，按行刷新，刷新周期T=2ms，则分散式刷新的间隔时间为：t=2ms/128=(s) 取存储周期的整数倍s的整数倍)则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下可见，两次刷新的最大时间间隔为tMAXt MAX＝×2－＝(μS)对全部存储单元刷新一遍所需时间为tRt R＝×128=64 (μS)4．有一个1024K×32位的存储器，由128K×8位DRAM芯片构成。
计算机原理第三章存储器
3.1.3 存储器的分类
一、根据存储介质来分
1. 半导体存储器：
静态存储器 动态存储器
2. 磁表面存储器：磁盘、磁带等。（磁性材料）
3. 光盘存储器：利用光来存储的装置。（光的反射 性）
二、按存取方式来分：
1. 随机存储器RAM，Radom Access Memory ※ 可按地址随机地访问任一单元，
※ 访问各存储单元所需的读/写时间相同，与地址无关。 2. 只读存储器ROM，Read－Only Memory
半导体集成电路，ROM，PROM， EPROM，E2PROM。 3. 顺序存储器（SAM）
访问时间与信息存放位置有关，如磁带等。
4. 直接存取存储器（DAM） 如磁盘，工作方式介于随机存储器与顺序存储器之间。
4位数据线信息写入译中的单元中，称为写操作。
当片选信号 CS =0且读写信号WE =1时，数据输出三态门打开，译中
单元的4位数据送入数据线，称为读操作。
当片选信号 CS =1时，输入三态门与输出三态门都关闭，使芯片所有
单元与数据线隔离，即本芯片不工作。片选信号在存储器空间扩展时 要用到。
（２）芯片引脚
（１）内部结构图
１Ｋ＝１０２４＝２１０，共１０根地址线。
图6－2 2114SRAM芯片内部结构框图
图6－3 第K个存储单元4个存储位电路图
一个位平面 ２６×２４＝６４行×１６列＝１０２４个单元 每个单元有４位，即１０２４×４。
当片选信号 CS =0且读写信号 WE =0时，数据输入三态门打开，
分层存ห้องสมุดไป่ตู้体系结构
对存储器最基本的要求：容量大、速度快、 价格低。
《计算机的存储器》 讲义
《计算机的存储器》讲义在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
而计算机的存储器，则是计算机系统中至关重要的组成部分，它负责存储和管理计算机运行所需的各种数据和程序。
一、存储器的定义与作用存储器，简单来说，就是计算机用于存储信息的部件。
它就像是一个巨大的“仓库”，可以存放各种各样的数据，包括文档、图片、音频、视频，以及计算机运行所需的操作系统、应用程序等等。
存储器的主要作用有两个方面。
首先，它能够保存计算机当前正在处理的数据和程序，使得计算机在进行运算和操作时能够快速地访问和使用这些信息。
其次，存储器还能够长期保存用户的数据和程序，即使计算机断电，这些信息也不会丢失。
二、存储器的分类计算机的存储器可以分为两大类：主存储器和辅助存储器。
主存储器，也称为内存，是计算机直接进行数据处理和运算的地方。
它的速度非常快，但容量相对较小，而且存储的数据在断电后会丢失。
常见的主存储器有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存取存储器（RAM）就像是计算机的“临时工作台”，它可以随时读取和写入数据，但一旦断电，存储在其中的数据就会消失。
我们在使用计算机时，运行的程序和处理的数据通常都暂时存放在 RAM 中。
只读存储器（ROM）则是一种只能读取而不能写入的存储器，它里面的数据在制造时就已经被固化，即使断电也不会丢失。
ROM 通常用于存储计算机的基本输入输出系统（BIOS）等重要的系统信息。
辅助存储器，也称为外存，主要用于长期存储大量的数据和程序。
它的速度相对较慢，但容量很大，并且数据在断电后不会丢失。
常见的辅助存储器有硬盘、光盘、U盘、固态硬盘（SSD）等。
硬盘是计算机中最常见的辅助存储器，它具有较大的存储容量，可以存储大量的文件和数据。
光盘则通过激光技术来读取和写入数据，常见的有CD、DVD 等。
U盘是一种小巧便携的存储设备，使用方便。
固态硬盘（SSD）则是近年来发展迅速的一种新型存储设备，它具有更快的读写速度和更好的抗震性能。
计算机原理存储器
计算机原理存储器
计算机原理中，存储器是指计算机用来存储数据和程序的部件。
存储器一般分为内存和外存两种类型。
内存是计算机中用于存储当前运行程序和数据的存储器。
它分为主存和辅存两部分。
主存是计算机中最主要的存储器，由半导体存储芯片构成，通常包括随机访问存储器（RAM）和只
读存储器（ROM）。
RAM具有读写功能，用于临时存储运行
程序和数据，数据可以快速读取和写入。
而ROM是只读存储器，其中的数据是固化的，无法进行修改。
主存的容量通常较小，但速度快。
外存主要是指硬盘、光盘等可以作为辅助存储器使用的设备。
相比主存，外存容量大，但速度较慢。
外存被用于长期存储程序和数据，能够持久保存。
计算机在运行过程中，通常需要将外存中的数据加载到主存中进行操作。
存储器在计算机中起到了至关重要的作用，它直接影响到计算机的性能和数据的处理速度。
不同类型的存储器在容量、速度和价格等方面有所差异，计算机系统需要根据不同的需求来选择合适的存储器组合。