系统总线

存储器

运算器

控制器

接口与通信

输入 / 输出设备

林楠

办公室： 408

办公电话： 0371-63887293

电子邮件： lynn_linnan@yahoo.com.cn

《 计算机组成原理 》

第四章 存储器

第四章 存储器

1 、存储器的分类2 、存储器的层次结构（三级存储系统）3 、主存储器（内存 Main memory ） 4 、高速缓冲存储器（ Cache ）5 、虚拟存储器（ Virtual Memory ）6 、相联存储器（了解）

辅助存储器

3.1 、主存储器概述3.2 、主存储器构成 3.2.1 、位单元构成（ RAM 、 ROM ） 3.2.2 、地址译码（单向，双向） 3.2.3 、主存储器组成（芯片封装）3.3 、主存储器扩展 3.3.1 、位扩展（数据线扩充） 3.3.2 、字扩展（地址线扩充） 3.3.3 、位字扩展（先位后字）

3 、主存储器

内存条就是多个存储芯片的扩展

分析问题找规律： （位扩展片选信号并联，字扩展片选信号分开）

1 ）字、位同时扩展时：首先是位扩展，后是字扩展。2 ）片选信号 /CS 的连接：并联（位扩展），分开（字扩展）3 ）地址线的连接：片内地址线，所有的 A0 连在一起，

所有的 A1 连在一起…所

有的 An 连在一起。

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×8 1K×8 1K×8 1K×8

两片并联

四组串联

分析：2 片芯片位扩展，片选信号 /CS 并联，4 组芯片字扩展，片选信号 /CS 分开（需要 4 个组片选信号）。

3.3.3 、位字扩展

例如：现有芯片 Intel2114 1K×4 ，扩展成 4 K×8 的存储器。

位字扩展：用多个存储器器件完成存储芯片的字长、位长同时扩充。

地址线 13 条，其中高两位译码形成 4 个组片选信号。数据线 8 条。

1K×4 1K×4 1K×4 1K×4

1K×4 1K×4 1K×4 1K×4

3.3.3 、位字扩展

例如：现有芯片 Intel2114 1K×4 ，扩展成 4 K×8 的存储器。

0001

1011

A0~A9

/CSD0~D3

A0~A9

/CSD4~D7

A0~A9

/CSD0~D3

A0~A9

/CSD4~D7

A0~A9

/CSD0~D3

A0~A9

/CSD4~D7

A0~A9

/CSD0~D3

A0~A9

/CSD4~D7

D0~D7

A0~A9

/CS0

/WE

/CS1 /CS2 /CS3

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×4

1K×8 1K×8 1K×8 1K×8

4K×8两片并联

四组串联

3.3.3 、位字扩展

A10~A11

3.1 、主存储器概述3.2 、主存储器构成3.3 、主存储器扩展3.4 、主存储器与 CPU 的连接 3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性 3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例 3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合 3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

3 、主存储器

内存插槽是主板上用来安装内存的地方。

目前常见的内存插槽为 SDRAM内存、 DDR内存插槽。不同的内存插槽它们的引脚，电压，性能功能都是不尽相同的，不同的内存在不同的内存插槽上不能互换使用。

168线的 SDRAM内存金手指上有两个缺口；184线的 DDR SDRAM内存金手指上只有一个缺口。

Review ：计算机主板学习

各种 RAM 芯片主要有下列几类外部接口信号线：

地址线 — Ai

数据线 — Di

片选线 — /CE 或 /CS

读写控制线 — /WR 或 /WE

电源线 — Vcc +5V 工作电源， GND 接地

访存信号 — /MREQ

3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性

RAM

CPU 对存储器进行读写操作，首先由地址总线给出地址信号，然后发出读操作或写操作的控制信号，最后在数据总线上进行数据信号传输。

所以实现存储器与 CPU 的连接要考虑三个部分：1 、地址线的连接2 、数据线的连接3 、控制线的连接

3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性

1 ）低位地址线、数据线、电源线（不要求）之间相连；

2 ）高位地址线 全译码方式：高位地址线经译码后产生片选信号 /CS ； 线译码方式：高位地址直接分别连至各芯片做片选信号/CS 。

3 ）控制总线：形成读 / 写控制信号 /WE 。

连接方法

3.1 、主存储器概述3.2 、主存储器构成3.3 、主存储器扩展3.4 、主存储器与 CPU 的连接 3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性 3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例 3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合 3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

3 、主存储器

例 1 ： CPU 有 16 条地址线（ A15 ~ A0 ）， 8 条数据线（ D7 ~ D0 ），

/MREQ 作为访问存储器的控制信号（低电平有效）， /WE 作为读写控制信号（ /WE=0 写， /WE=1 读） 现有芯片 2114 （ 1K*4 ） , 要扩展为 2KB 内存， 地址范围 2000H ~ 27FFH ， 片选信号由 74LS138 （ 3-8 译码器）采用全译码方式进行。 试画出 CPU 与 3-8 译码器及存储芯片的连接。

解：所需要的芯片数 = （ M*N ） / （ m*n ） = （ 2K*8 ） / （ 1K*4 ） = 2*2 = 4

1K×41K×4 1K×4 1K×4

1K×8 1K×8

2K×8

3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

1K 的地址范围： 00 0000 0000 ~ 11 1111 1111 = 000 ~ 3FF = 3FF

A0~A9

1K*4 /CSD7~D4

/CS0

/CS1

CPU

A9~A0

D3~D0

/WE

3-8译码器A12

A11

A10

/Y7

. ./Y1

/Y0

/MREQ

D7~D4

2.4 、主存储器与 CPU 的连接地址范围 2000 ~ 27FF: 0010 0000 0000 0000 ~ 0010 0111 1111 1111 A15A14A13 A12 A11A10 A9A8… A0

第一组地址 2000 ~ 23FF ： 0010 0000 0000 0000 ~ 0010 0011 1111 1111第二组地址 2400 ~ 27FF ： 0010 0100 0000 0000 ~ 0010 0111 1111 1111

A0~A9

/CS 1K*4D3~D0

A0~A9

1K*4 /CSD7~D4

A0~A9

/CS 1K*4D3~D0

CBA 000

001

/CS ：说明低电平有效，CS 输入 0 ，表示选中芯片。

例 2 ： CPU 有 16 条地址线（ A15 ~ A0 ）， 8 条数据线（ D7 ~ D0 ）

， /MREQ 作为访问存储器的控制信号（低电平有效）， /WE 作为读写控制信号（ /WE=0 写， /WE=1 读）， 现有芯片 1K*4 （ RAM ）， 4K*8 （ RAM ）， 2K*8 （ ROM ）， 片选信号由 74LS138 （ 3-8 译码器）采用全译码方式进行。 试画出 CPU 与 3-8 译码器及存储芯片的连接。 要求： 1 ）主存地址分配如下： 6000H ~ 67FFH 为系统程序区（ ROM ） 6800H ~ 6BFFH 为用户工作区（ RAM ） 2 ）合理选择芯片，说明各选几片？ 3 ）试画出 CPU 与 3-8 译码器及存储芯片的连接。

解：因为，地址范围决定了存储器的容量。所以：

1K 的地址范围： 00 0000 0000 ~ 11 1111 1111 = 000 ~ 3FF = 3FFROM 的地址范围： 67FFH - 6000H = 7FFH （ 2K*8 ）RAM 的地址范围： 6BFFH - 6800H = 3FFH （ 1K*8 ）经分析，需要一片 ROM （ 2K*8 ），两片 RAM （ 1K*4 ）

3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

CPU A9~A0

D7~D0

/WE

3-8译码器C

BA

A13

A12

A11

/Y7

./Y5

/Y4

/MREQ

A10

A10 A9~A0

ROM 2K*8 /CSD7~D0

A0~A9

RAM1K*4 /CSD7~D4

/CS ：说明低电平有效，CS 输入 0 ，表示选中芯片。

A0~A9

/CSRAM1K*4D3~D0

101

100

2.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

A15A14A13A12 A11 A10 A9A8… A0

ROM 地址 6000H ~ 67FFH ： 0110 0 000 0000 0000 ~ 0110 0 111 1111 1111RAM 地址 6800H ~ 6BFFH ： 0110 1 000 0000 0000 ~ 0110 1 011 1111 1111

0

0

0

例 3 ： CPU 有 20 条地址线（ A19 ~ A0 ），

8 条数据线（ D7 ~ D0 ），

/MREQ 作为访问存储器的控制信号（低电平有效）， /WE 作为读写控制电平（ /WE=0 写， /WE=1 读） 现有四片 2K*8 的芯片，用线选法构成 8K*8 存储器， （ ROM ）， 试画出 CPU 与存储芯片的连接。

全译码方式：地址连续线译码方式：地址不连续

3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

CPU

A10~A0

D7~D0

/WE

A14

A13

A12

A11

A10~A0

2K*8D7~D0

A10~A0

2K*8D7~D0

A10~A0

2K*8 D7~D0

A10~A0

2K*8D7~D0

00

00

3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

线译码方式：地址不连续

111

1

11

11

1111

A19A18A17A16 A15A14A13A12 A11A10 A9A8 … A0

芯片 0# 地址 07000H ~ 077FFH ： 0000 0111 0 000 0000 0000 ~ 0000 0111 0 111 1111 1111

芯片 1# 地址 06800H ~ 06FFFH ： 0000 0110 1 000 0000 0000 ~ 0000 0110 1 111 1111 1111

芯片 2# 地址 05800H ~ 05FFFH ： 0000 0101 1 000 0000 0000 ~ 0000 0101 1 111 1111 1111

芯片 3# 地址 03800H ~ 03FFFH ： 0000 0011 1 000 0000 0000 ~ 0000 0011 1 111 1111 1111

3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例

线译码方式：地址不连续

3.1 、主存储器概述3.2 、主存储器构成3.3 、主存储器扩展3.4 、主存储器与 CPU 的连接 3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性 3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例 3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合 3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

3 、主存储器

CPU 存取指令和对存储器进行读写操作有固定的时序。所以与CPU 连接时， CPU 的控制信号与存储器的读写周期之间的配合非常重要。读周期：送地址（经过译码与驱动延迟）、送片选信号 /CS 、发读命令。根据地址和片选信号建立时间的先后不同，有两种读数时间。若片选信号先建立如图 (a) ；若地址先建立如图 (b) 所示。

在读过程中，地址信号、片选信号不能变

3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合

写周期：送地址、送片选信号 /CS 、送数据、发写命令。

3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合

在写过程中，地址信号、片选信号、数据信号都不能变

例：下图是 SRAM 的写入时序图，其中 R/W 是读写命令控制线，当其低电平时写操作，请指出下图写入时序中的错误，并更正。

写的过程当中，地址信号和数据信号都不能变

新地址 新地址

新数据

3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合

×

√

新数据

新地址

3.1 、主存储器概述3.2 、主存储器构成3.3 、主存储器扩展3.4 、主存储器与 CPU 的连接 3.4.1 、存储芯片与 CPU 接口特性 3.4.2 、存储芯片与 CPU 连接举例 3.4.3 、存储器读写周期与 CPU 的配合 3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

3 、主存储器

1 ）静态随机存储器 SRAM 的位存储单元

存储机理：利用双稳态触发器保存数据。

存 1 ： T1 通、 T2止 存 0 ： T1止、 T2 通

字线 Z ：连地址线 位线 W ：连数据线

分析： （ 1 ）保持数据：不送地址信号（ Z=0 ， T5T6截止）

（ 2 ）读出：送地址（ Z=1 ），发读命令 （ 3 ）写入：送地址（ Z=1 ），送数据（ W=0/1 ），发写命令

Review: 位单元构成

Z=1

W=1 读 0 写 0

W=1 读 1 写 1

六管静态位单元

SRAM ：容量小、存取速度快、静态（不需要刷新电路保持数据）（小容量Cache ）

2 ）动态随机存储器 DRAM 的位存储单元 存储机理：利用 MOS 电路中栅板电容保存数据。

存 1 ：电容有电荷 存 0 ：电容无电荷

字线 Z ：连地址线 位线 W ：连数据线

分析： （ 1 ）保持信息：不送地址信号（ Z=0 ， T截止） （ 2 ）读出：送地址（ Z=1 ），发读命令 （ 3 ）写入：送地址（ Z=1 ），送数据（ W=0/1 ），发写命令

Review: 位单元构成

Z=1

+-

W=1 写1

单管动态位单元

DRAM ：容量大、存取速度慢、动态（需要刷新电路保持数据）（大容量内存）

SRAM 是以双稳态电路为存储单元的，因此它不需要刷新。

DRAM 是通过电容的有无电荷存储数据的，由于随着时间的增加，电荷 会逐渐漏掉，从而使存储的数据丢失。所以，必须在电荷漏掉以 前就进行充电，以恢复原来的电荷。把这一充电过程称为刷新。

间隔多少时间刷新一次，主要根据电容电荷的泄放速度来决定。

DRAM 的所有存储单元都被刷新一次的时间为刷新周期（一般为2ms ）

整个存储器中，各芯片可同时刷新，芯片内逐行刷新，每次刷新一行。

分析：所有的 A0， A1… 是连在一起的，便于各芯片同时刷新。

例如：如果 DRAM 为 128*128 （一次刷一行） 则在 2ms 之内至少刷 128 次，即安排 128个刷新周期。

3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

1 ）集中式刷新（ 适用于高速存储器） 在 2ms 内按存储器容量集中安排刷新时间（此刻停止读 /写操作）。

如果对（ 128*128 ）矩阵存储器进行刷新，在读写操作 3872 次后 集中刷新，已知该存储器的读写周期 T 为 500ns （读一行的时间） （刷新一行等于读一行） 1 ms 毫秒 =1000 us微秒 1 us 微秒 =1000 ns 豪微秒R/W R/W … R/W 刷新 … 刷新

读 / 写操作共 3872T ， 1936us

刷新 共 128T ， 64us

2ms

500ns*128=64000ns=64us ，此段时间 CPU 不能访问存储器。1936+64=2000us=2ms 500ns*3872=1936000ns=1936us

3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

死区

2 ）分散式刷新 把系统存取周期分成两部分。一半读写一半刷新，一个周期刷一行。 （如果 CPU 的存取周期是存储芯片存取周期的二倍，使用此方法好）

对 128*128矩阵，读写周期 T 为 500ns ，则需要 128 个周期后才能把全部 单元刷新完毕，但是中间还有 128 个 CPU 访问的读写周期。

R/W 刷新 R/W 刷新 … R/W 刷新 R/W 刷新

刷新间隔 128 us = （ 500+500 ） * 128 = 128000 ns = 128 us 微秒

存取周期 0 存取周期 1 存取周期 126 存取周期 127

3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

虽然 CPU可以随时访问存储器，但是刷的太勤了点吧，每隔 2ms 就可以了，刷新要充电的，功耗自然就大。

3.4.4 、动态存储器 DRAM 刷新

结合前两种方式的优缺点后：

3 ）异步式刷新

采取 2ms 内分散地对 128 行刷新一遍，那么对于每一行平均刷新的 的时间间隔为 2ms / 128 = 15.625us ，隔 15.6us提出一次刷新请求。

提出刷新请求时，有可能 CPU 正在访存，可等待至 CPU交出控制权 后，再安排刷新周期，所以称为异步刷新方式。

刷新时间内封锁读 / 写操作，这样对每行单元的刷新间隔仍为 2ms 。

相对于分散式刷新，它减少了刷新次数； 相对于集中式刷新，它的主机“死区”缩短了很多； 因此，这种方式使用比较多。

复习与作业

复习章节：

第 4 章 主存储器4.2 主存储器

作业： P150 4.9 、 4.10 、 4.11 、 4.13 、 4.14 、 4.15 、 4.16

例： 对 512 ×2048 的存储器刷新，假设刷新周期定为 8ms 。

解：如果选择行地址进行刷新，每一行上的 2048 位同时刷新， 即在 8ms 内进行 512 个周期的刷新。

刷新方式可采用在 8ms 中进行 512 次刷新操作的集中刷新方式， 或按每隔 8ms / 512 = 15.5 us 提出一刷新请求的异步刷新方式。