主存储器和CPU的连接
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
《计算机组成原理》(周建敏)414-9课件 第四章
是主存储器的后援存储器，用于存放当前暂时不用的程序和数据，不能与CPU直接交 换信息。辅助存储器速度慢、容量大、位价格低。
缓冲存储器 (3)
用于两个不同工作速度的部件之间，在交换信息过程中起缓冲作用。
存储器概述
存储器的分类可用图表示。
存储器
主存储器
随机存储器（RAM）
4.6 虚拟存储器
4.3 主存储器与CPU的连接 4.7 常见问题和易混淆知识点
4.4 并行存储器
存储器概述 4.1
存储器概述
4.1.1 存储器的分类
1.按存取方式分类
(1) 随机存储器（Random Access Memory，RAM）
特点是，存储器中任何一个存储单元都能由CPU或I/O 设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无 关。这类存储器在一个存或取的周期内只能进行一次 访问，信息读取时间对任何地址都是相同的。且每一 个字（字节）都有唯一、直接和独立的寻址方法。随 机存储器常用作主存或高速缓存。
其中，x方向有A3A4A5A6A7A8，共6根，产生64条行选择线；y方向有A0A1A2A9，共4
根，产生16条列选择线。
② 数据线，本例中有4条，即I/O1～I/O4，它指定了存储器的字长是4位，因此，存储元
的总数是1 024×4=4 096 。
③ 控制线，本例中 CS 为片选线，低电平有效；WE 为读/写控制线，低电平写入，高电平
存取存储器的存取时间长，速度慢。这种存储器的存储容量
可以做得较大，位价格较低。
存储器概述
第8页
(4) 直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM）
特点是，存储器的任何部位（一个字或字节、记录块等）没有实际的寻址机构，当要存取 所需要的信息时，必须执行两个逻辑操作。 ➢首先，直接指向整个存储器的一个小区域（如磁盘上的磁道）； ➢然后对这一小区域像磁带那样按顺序检索、记数或等待，直至找到
内存及其与CPU的连接资料
D7
… D1D0
6116的基本地址：000H~7FFH
D7
… D1D0
6264的基本地址:0000H~1FFFH
D3 D2 D1D0
2114的基本地址是000H~3FFH
D7
… D1D0
EPROM 27128基本地址是0000H~3FFFH
3、存储器芯片的容量扩充
用两片6116芯片（ 2K ×8）即可扩 展成4K ×8位，这种扩展方式就称为字扩 展。
①6116(2K×8)
②4416(16K×4)
解:
① (64K×8) ÷( 2K×8)=32(片)
② (64K×8) ÷( 16K×4)= 8 (片)
区别：芯片的存储容量和微机的存储容量
微机的存储容量 —— 由多片存储芯片 成的组总存储容量。
①微机的最大内存容量 —— 由CPU的地 总线址决定。
如：PC486，地址总线是32位， 则，内存容许最大容量是232=4G；
分为两类：
①SRAM (Static RAM — 静态RAM) — SRA—M是利用半导体触发器的两个稳定状态表 示“1”和“0”。只要电源不撤除，信息不会 消失，不需要AM — 动态 —DRRAAMM)是—利用电容端电压的高低来表示“1”
和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一般
第4章 内存及其与CPU的连接
一、概述 二、典型芯片举例 三、主存储器设计
一、概述
存储器是计算机的重要组成部分，用 来存放计算机系统工作时所用的信息 — 程序和数据。 1、 内存和外存 2、 存储器的分类 3、 存储器的性能指标
1、内存和外存
（1）内存(或主存），用于存放当前正在使用的程 序和数据，CPU可以对它直接访问，存取速度快， 但容量较小。
《计算机组成原理》第7章：存储系统
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7.1 存储系统概论
所谓速度，通常用存取时间(访问时间)和存取周期 来表示。存取时间是指从启动一次存取操作到完成 该操作所经历的时间；存取周期是指对存储器进行 连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。由于有 些存储器在一次存取操作后需要有一定的恢复时间， 所以通常存取周期大于或等于取数时间。单位容量 的价格是指每位的价格。数据传输率是指在单位时 间内可以存取的二进制信息的位数，在数值上等于 存储器总线宽度除以存取周期，所以又可称为存储 器总线带宽或频宽。除此之外，存储器件还有一个 十分重要的性能，就是它是否是挥发性的。
图7-6 2114的读/写周期波形图
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
4. 静态存储器的组织 1)位扩展
图7-7 位扩展连接方式
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性 能 存储信息 破坏性读出 需要刷新 行列地址 运行速度
SRAM 触发器 否 否 同时送 快 电容 是 需要 分两次送 慢
DRAM
集成度
发热量 存储成本
低
大 高
高
小 低
表7-1 静态存储器和动态存储器性能比较
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7.2 主 存 储 器
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7
基本概念 静态MOS RAM芯片举例 动态MOS RAM 2164芯片 动态MOS RAM 4116芯片 动态RAM的刷新 只读存储器举例 主存储器与CPU的连接
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
3. 读写时序 为了使芯片正常工作，必须按所要求的时序关系 提供地址信息、数据信息和有关控制信号，2114 的读/写周期波形图如图7-6所示。 1) 读周期 2) 写周期
14-课件-5.2_主存储器_part2
Ⅱ)国防科技大学计算机学院 刘 芳 5.2.2存储器与CPU的连接 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 MDR MAR CPU 存储器 读 数据总线 地址总线 写 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 • CPU地址线数决定了整个主存空间的寻址范围 C PU地址线数>存储芯片地址引脚线 • 通常将CPU地址线的低位和存储芯片地址线相连，高位用作字扩展时的片选信号的译码 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 5.2.2 存储器与CPU的连接 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 • CPU数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度 C PU数据线数>存储芯片数据引脚线 • 通常将CPU数据线连到多个位扩展的芯片中，使扩展后的位数与CPU数据线数相等 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 CPU中的访存信号线MREQ用来确定是访问主存还是I/O端口 （MREQ信号为低电平时才选择存储芯片） 总线连接方式 • 地址线的连接 • 数据线的连接 • 控制线的连接 • 若CPU读/写命令线和存储芯片的读/写控制线是一根，且电平信号一致，则可直接相连 • 若CPU读/写命令线分开，则需分别进行连接 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 异步方式过程(需握手信号) 读操作 • CPU 送地址到地址线，主存进行地址译码 • CPU 发读命令，然后等待存储器发回“完成”信号 • 主存收到读命令后开始读数，完成后发“完成”信号给CPU • CPU 接收到“完成”信号，从数据线取数 CPU和主存之间的两种通信方式 写操作过程类似 5.2.2 存储器与CPU的连接 CPU和主存之间的两种通信方式 同步方式的特点 • CPU和主存由统一时钟信号控制，无需应答信号 • 主存总是在确定的时间内准备好数据 • CPU送出地址和读命令后，总是在确定的时间取数据 • 存储器芯片必须支持同步方式 COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU的连接 存储器芯片和CPU的连接举例 主存空间的划分主存空间包括ROM和RAM区• R OM区用来存放系统程序、标准子程序等，选ROM芯片构造；• R AM区用来存放用户程序，选RAM芯片构造选择存储芯片的类型和数量时，须先确定ROM区和RAM区的地址范围 COMPUTER P RINCIPLE COMPUTER P RINCIPLE 5.2.2 存储器与CPU 的连接 存储器芯片和CPU 的连接举例 • 例：设CPU 有16根地址线，8根数据线，并用MREQ 作访存控制信号，用WR 作读/写控制信号；• 现有下列存储芯片：1K ×4位RAM 、4K ×8位RAM 、8K ×8位R A M ，2K ×8位R O M 、4K ×8位R O M 、8K ×8位R O M 及74LS138(3-8译码器)和各种门电路；• 要求主存地址空间满足如下条件：7000H ～77FFH 为系统程序区； 7800H ～7BFFH 为用户程序区；• 试合理选择上述存储芯片，并画出CPU 与存储器的连接图。
存储器及其接口
0
1
1
1
1
0
F0000～F7FFFH
0
1
1
1
1
1
F8000～FFFFFH
ROM子系统中译码器管理的存储器地址
存储器地址区域
3.RAM子系统
系统板上RAM子系统为256KB，每64KB为一组，采用9片4164 DRAM芯片，8片构成64KB，另一片用于奇偶校验
CPU
数据总线
地址总线
寻址范围
T2为一列基本存储单元电路上共有的控制管。
CD
T1
字选择线
刷 新 放大器
位选择线
T2
单管动态RAM存储电路
数据线（D）
DRAM的基本存储电路
NC
D
IN
WE
RAS
A
0
A2
A1
GND
—
—
—
—
—
—
—
—
V
CC
CAS
D
OUT
A6
A3
A4
A5
A7
—
—
—
—
—
—
4.电可擦可编程的ROM
5.闪速存储器（Flash Memory）
01
闪存也称快擦写存储器，有人也简称之Flash。 Flash Memory属于EERPOM类型 ,有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，而且可以选择删除芯片的一部分内容，但还不能进行字节级别的删除操作。
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02
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计算机组成原理知识强化-清单
20考研·计算机组成原理全程班【知识强化】第一章 计算机系统概述 [1]半导体存储芯片的基本结构□1.1 计算机发展历程 [2]SRAM和DRAM□[1]计算机系统简介□ [3]DRAM的刷新□[2]计算机软硬件的发展□ [4]读写周期□[3]计算机的分类与发展方向□ [5]半导体只读存储器ROM□1.2 计算机系统层次结构 [6]本结小结□[1]计算机的组织结构□ 3.4 主存储器与CPU的连接[2]存储器□ [1]主存模型与CPU的连接□[3]运算器控制器□ [2]主存地址分配□[4]计算机的层次结构□ [3]主存容量拓展□1.3 计算机的性能指标 [4]CPU和主存的连接□[1]计算机的性能指标□ 3.5 双口RAM和多模块存储器[2]第一章总结□ [1]双端口RAM□【知识强化】第二章 数据的表示和运算 [2]多模块存储器□2.1 数制与编码 3.6 高速缓冲存储器[1]进位计数法□ [1]概述□[2]进制转换□ [2]性能分析□[3]BCD码□ [3]cache工作原理□[4]字符□ [4]地址映射①□[5]奇偶校验□ [5]地址映射②□[6]本节总结□ [6]替换算法□2.2 定点数的表示与运算 [7]写策略□[1]定点数的表示□ [8]本节小结□[2]原码□ 3.7 虚拟存储器[3]补码□ [1]虚拟存储器□[4]反码□ [2]第三章总结□[5]移码□【知识强化】第四章 指令系统[6]定点移位□ 4.1 指令格式[7]定点加减和溢出判断□ [1]指令格式□[8]定点乘法□ [2]地址码□[9]定点除法□ [3]扩展操作码□[10]强制类型转换□ [4]数据类型与小结□[11]本节总结□ 4.2 指令寻址方式2.3 浮点数的表示与运算 [1]数据存放□[1]浮点数的表示□ [2]指令寻址□[2]IEEE754标准□ [3]数据寻址□[3]浮点数的加减□ [4]偏移寻址□[4]强制类型转换与运算小结□ [5]堆栈寻址□2.4 算术逻辑单元ALU 4.3 CISC和RISC的基本概念[1]ALU的功能与结构□ [1]CISC和RISC□[2]数电基础知识□ [2]第四章总结□[3]一位全加器□【知识强化】第五章 中央处理器[4]加法器□ 5.1 CPU的功能和基本结构[5]小结□ [1]CPU的功能和基本结构□[6]第二章总结□ [2]运算器的基本结构□【知识强化】第三章 存储系统 [3]控制器的基本结构□3.1 存储器的基本概念 5.2 指令执行过程[1]存储器的分类□ [1]指令周期□[2]存储器的性能指标□ [2]中央处理器2指令周期的数据流□3.2 存储器的层次化结构 [3]指令执行方案□ [1]多级存储系统□ 5.3 数据通路的功能和基本结构3.3 半导体随机存储器 [1]CPU内部单总线方式□[2]单总线例题□[3]专用数据通道□[4]专用数据通道例题□5.4 控制器的功能和工作原理[1]控制器的结构与功能□[2]硬布线□[3]微程序控制器概述□[4]控制存储器□[5]微指令的格式与编码方式□[6]微地址形成方式□[7]微程序控制器的设计□5.5 指令流水线[1]流水线的基本概念与性能指标□[2]影响流水线的因素□[3]流水线的分类□[4]第五章总结□【知识强化】第六章 总线6.1 总线概述[1]总线的基本概念□[2]总线的分类与结构□[3]总线的性能指标□6.2 总线仲裁[1]总线仲裁□6.3 总线操作和定时[1]总线操作与定时□6.4 总线标准[1]总线标准□[2]本章小结□【知识强化】第七章 输入/输出系统7.1 I/O系统基本概念[1]IO系统的基本概念□7.2 外部设备[1]输入/输出设备□[2]外存储器□7.3 I/O接口[1]I/O接口□7.4 I/O方式[1]I/O方式简介□[2]程序查询方式□[3]中断系统□[4]程序中断方式□[5]DMA方式□[6]第七章总结□。
第四章CPU与存储器相联
1.求:下列2进制数的汉明码: 1011,0101,1001,1110,1111 2.验证下面汉明码是否出错,哪位错: 1100100,1100111,1100000,1100001 3.设生成多项式是:G(X)=X3+X+1 求有效信息1010,1101,0111,1011的CRC校验码,并求 循环余数,说明校验原理 4.G(X)同上,若接收到的CRC码为:1101010,试验证其 是否出错,若有错,加以校正
设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ 作访存控制信号（低电平有效），用WR作读写控 制信号（高电平为读，低电平为写），现有下列存 储芯片：1K×4位RAM，4K×8位RAM，2K×8位 ROM，以及74138译码器和各种门电路，画出CPU 与存储器连接图，要求： 主存地址空间分配:8000H~87FFH为系统程序 区,8800H~8BFFH为用户程序区 合理选用上述存储芯片,说明各选几片 详细画出存储芯片的片选逻辑
0000h3fffh为系统程序区4000h4fffh为系统程序工作区6000h9fffh为用户程序区请从上述芯片中选择适合芯片设计该计算机主存储器相联的设计图设cpu共有16根地址线8根数据线并用mreq作访存控制信号低电平有效用wr作读写控制信号高电平为读低电平为写现有下列存储芯片
设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作 访存控制信号（低电平有效），用WR作读写控制信 号（高电平为读，低电平为写），现有下列存储芯片： 1K×4位RAM，4K×8位RAM，2K×8位ROM，以及 74138译码器和各种门电路，画出CPU与存储器连接 图，要求： 主存地址空间分配：最小2K地址空间为系统程序区； 相邻2K地址空间为用户程序区。 合理选用上述存储芯片，说明各选几片？ 详细画出存储芯片的片选逻辑。
第3章习题答案
习题31. Cache－主存存储系统和主存－辅存存储系统有何不同？2. SRAM和DRAM的主要差别是什么？3. 假设某存储器具有32位地址线和32位数据线，请问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由1M×8位SRAM芯片组成，需要多少片？4. 某32位计算机系统采用半导体存储器，其地址码是32位，若使用4M×8位的DRAM 芯片组成64MB主存，并采用内存条的形式，问：（1）若每个内存条为4M×32位，共需要多少内存条？（2）每个内存条内共有多少片DRAM芯片？（3）主存需要多少DRAM芯片？5. 一个512K×16的存储器，由64K×1的2164 DRAM芯片构成（芯片内是4个128×128结构），问：（1）共需要多少个DRAM芯片？（2）若采用分散式刷新方式，单元刷新间隔不超过2ms，则刷新信号的周期是多少？（3）若采用集中式刷新方式，读写周期为0.1μs，存储器刷新一遍最少用多少时间？6. 某主存系统中，其地址空间0000H～1FFFH为ROM区域，ROM芯片为8K×8位，从地址6000H开始，用8K×4位的SRAM芯片组成一个16K×8位的RAM区域，假设RAM芯片有和信号控制端。
CPU地址总线为A15～A0，数据总线为D7～D0，读/写控制信号为R/，访存允许信号为，要求：（1）写出地址译码方案；（2）画出主存与CPU的连接图。
7. 设主存储器容量为64M字，字长为64位，模块数m=8，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。
主存储器的存储周期T=100ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期τ=50ns。
若按地址顺序连续读取16个字，问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？8. 设某计算机访问一次主存储器的时间如下：传送地址需1个时钟周期，读/写需4个时钟周期，数据传送1个时钟周期，采用下述主存结构按地址顺序连续读取16个字的数据块，各需多少时钟周期？（1）单字宽主存，一次只能读/写1个字。
王道计组第三章存储系统思维导图脑图
基于闪存技术Flash Memory，属于电可擦除ROM，即EEPROM
原理
每个块包含多个页（page）
负责翻译逻辑块号，找到对应页（Page）
闪存翻译层
每个芯片包含多个块（block）
存储介质：多个闪存芯片（Flash Chip）
组成
相当于磁盘的“扇区”
以页（page）为单位读/写
以块（block）为单位“擦除”，擦干净的块，其中的每页都可以写一次，读无限次
记录介质可以重复使用 记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档
优点
非破坏性读出，读出时不需要再生
存取速度慢
机械结构复杂
缺点
对工作环境要求较高
一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干条磁道，而每条磁道又划分为 若干个扇区，扇区（也称块）是磁盘读写的最小单位，也就是说磁盘按块存取。
即记录面数，表示硬盘总共有多少个磁头，磁头用于读取/写入盘片上记录面的信 息,一个记录面对应一个磁头。
半导体元件的原理
主存储器的基本组成
译码驱动电路
译码器将地址信号转化为字选通线的高低电平
存储矩阵(存储体)
由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
存储芯片的基本原理
读写电路
每次读/写一个存储字
由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
地址线，数据线，片选线，读写控制线；每根线都会对应一个金属引脚
存储器的层次结构
主存——辅存：实现了虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题 Cache——主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题
按层次
高速缓存（Cache） 主存储器（主存，内存）
可直接被CPU读写
辅助存储器（辅存，外存）
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1.主存和CPU之间的硬连接 主存与CPU的硬连接有3组连线：地址 总线（AB）、数据总线（DB）和控制总 线（CB）。此时，把主存看作一个黑盒子， 存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据 寄存器（MDR）是主存和CPU之间的接口。 MAR可以接受来自程序计数器（PC）的指 令地址或来自运算器的操作数地址，以确 定要访问的单元。MDR是向主存写入数据 或从主存读出数据的缓冲部件。MAR和 MDR从功能上看属于主存，但在小微型机 中常放在CPU内。
3
写操作 写操作是指将要写入的信息存入CPU 所指定的存储单元中，其操作过程是： 地址→MAR→AB CPU将地址信号送 至地址总线； 数据→MDR→DB CPU将要写入的数 据送至数据总线； Write CPU发写命令； Wait for MFC 等待存储器工作 完成信号。4Βιβλιοθήκη 1主存和CPU的硬连接
地址总线 MAR k位
数据总线 Read Write MFC
n位 主存容量 2k字 字长 n位
MDR
CPU
图5-20 主存和CPU的硬连接
2
读操作 读操作是指从CPU送来的地址所指定 的存储单元中取出信息，再送给CPU，其 操作过程是： 地址→MAR→AB CPU将地址信号送至 地址总线； Read CPU发读命令； Wait for MFC 等待存储器工作完成信号； M(MAR)→DB→MDR 读出信息经数据 总线送至CPU。