Lecture 8: Memory Hierarchy

存储器层次结构存储器层次结构存储器层次结构存储器层次结构

1. 基本概念和主存储器基本概念和主存储器基本概念和主存储器基本概念和主存储器

基本概念和主存储器基本概念和主存储器基本概念和主存储器基本概念和主存储器

主主主主 要要要要 内内内内 容容容容

� 信息的存储信息的存储信息的存储信息的存储、、、、传送传送传送传送、、、、处理单位的含义处理单位的含义处理单位的含义处理单位的含义

• 记忆单元记忆单元记忆单元记忆单元 / 编址单位编址单位编址单位编址单位 / 存储单位存储单位存储单位存储单位 / 传输单位传输单位传输单位传输单位 / 机器字长机器字长机器字长机器字长

� 存储器分类存储器分类存储器分类存储器分类

• 可按存取方式可按存取方式可按存取方式可按存取方式 / 易失性易失性易失性易失性 / 可更改性可更改性可更改性可更改性 / 元器件元器件元器件元器件 / 功能来分功能来分功能来分功能来分

� 半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器

• SRAM的原理和特点的原理和特点的原理和特点的原理和特点

• DRAM的原理和特点的原理和特点的原理和特点的原理和特点

� RAM芯片组织芯片组织芯片组织芯片组织

• 如何由记忆单元构成存储阵列如何由记忆单元构成存储阵列如何由记忆单元构成存储阵列如何由记忆单元构成存储阵列

• 如何读写存储阵列中的信息如何读写存储阵列中的信息如何读写存储阵列中的信息如何读写存储阵列中的信息

• 如何由芯片构成存储器如何由芯片构成存储器如何由芯片构成存储器如何由芯片构成存储器

� 提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施：：：：

• 芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存，，，，同行内数据直接从缓存中取同行内数据直接从缓存中取同行内数据直接从缓存中取同行内数据直接从缓存中取

• 采用多模块存储器采用多模块存储器采用多模块存储器采用多模块存储器，，，，多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取

• 引入引入引入引入Cache（（（（下一讲的主要内容下一讲的主要内容下一讲的主要内容下一讲的主要内容））））

回顾回顾回顾回顾：：：：存储器基本术语存储器基本术语存储器基本术语存储器基本术语

� 记忆单元记忆单元记忆单元记忆单元 （（（（存储基元存储基元存储基元存储基元 / 存储元存储元存储元存储元 / 位元位元位元位元）））） （（（（Cell））））

• 具有两种稳态的能够表示二进制数码具有两种稳态的能够表示二进制数码具有两种稳态的能够表示二进制数码具有两种稳态的能够表示二进制数码0和和和和1的物理器件的物理器件的物理器件的物理器件

� 存储单元存储单元存储单元存储单元 / 编址单位编址单位编址单位编址单位（（（（Addressing Unit ））））

• 主存中具有相同地址的位构成一个存储单元主存中具有相同地址的位构成一个存储单元主存中具有相同地址的位构成一个存储单元主存中具有相同地址的位构成一个存储单元，，，，也称为一个编址单位也称为一个编址单位也称为一个编址单位也称为一个编址单位

� 存储体存储体存储体存储体/ 存储矩阵存储矩阵存储矩阵存储矩阵 / 存储阵列存储阵列存储阵列存储阵列（（（（Bank））））

• 所有存储单元构成一个存储阵列所有存储单元构成一个存储阵列所有存储单元构成一个存储阵列所有存储单元构成一个存储阵列

� 编址方式编址方式编址方式编址方式（（（（Addressing Mode ））））

- 字节编址字节编址字节编址字节编址、、、、按字编址按字编址按字编址按字编址

� 存储器地址寄存器存储器地址寄存器存储器地址寄存器存储器地址寄存器（（（（Memory Address Register - MAR ））））

• 用于存放主存单元地址的寄存器用于存放主存单元地址的寄存器用于存放主存单元地址的寄存器用于存放主存单元地址的寄存器

� 存储器数据寄存器存储器数据寄存器存储器数据寄存器存储器数据寄存器（（（（ Memory Data Register-MDR ( 或或或或MBR) ））））

• 用于存放主存单元中的数据的寄存器用于存放主存单元中的数据的寄存器用于存放主存单元中的数据的寄存器用于存放主存单元中的数据的寄存器

回顾回顾回顾回顾：：：：存储器分类存储器分类存储器分类存储器分类

（（（（1））））按工作性质按工作性质按工作性质按工作性质/存取方式分类存取方式分类存取方式分类存取方式分类

• 随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器Random Access Memory (RAM)

- 每个单元读写时间一样每个单元读写时间一样每个单元读写时间一样每个单元读写时间一样，，，，且与各单元所在位置无关且与各单元所在位置无关且与各单元所在位置无关且与各单元所在位置无关。。。。如如如如：：：：内存内存内存内存。。。。

（（（（注注注注：：：：原意主要强调地址译码时间相同原意主要强调地址译码时间相同原意主要强调地址译码时间相同原意主要强调地址译码时间相同。。。。现在的现在的现在的现在的DRAM芯片采用行缓芯片采用行缓芯片采用行缓芯片采用行缓

冲冲冲冲，，，，因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别。）。）。）。）

• 顺序存取存储器顺序存取存储器顺序存取存储器顺序存取存储器Sequential Access Memory (SAM)

- 数据按顺序从存储载体的始端读出或写入数据按顺序从存储载体的始端读出或写入数据按顺序从存储载体的始端读出或写入数据按顺序从存储载体的始端读出或写入，，，，因而存取时间的长短因而存取时间的长短因而存取时间的长短因而存取时间的长短

与信息所在位置有关与信息所在位置有关与信息所在位置有关与信息所在位置有关。。。。例如例如例如例如：：：：磁带磁带磁带磁带。。。。

• 直接存取存储器直接存取存储器直接存取存储器直接存取存储器Direct Access Memory(DAM )

- 直接定位到要读写的数据块直接定位到要读写的数据块直接定位到要读写的数据块直接定位到要读写的数据块，，，，在读写某个数据块时按顺序进行在读写某个数据块时按顺序进行在读写某个数据块时按顺序进行在读写某个数据块时按顺序进行。。。。

例如例如例如例如：：：：磁盘磁盘磁盘磁盘。。。。

• 相联存储器相联存储器相联存储器相联存储器Associate Memory/Content Addressed Memory (CAM)

- 按内容检索到存储位置进行读写按内容检索到存储位置进行读写按内容检索到存储位置进行读写按内容检索到存储位置进行读写。。。。例如例如例如例如：：：：快表快表快表快表。。。。

依据不同的特性有多种分类方法依据不同的特性有多种分类方法依据不同的特性有多种分类方法依据不同的特性有多种分类方法

回顾回顾回顾回顾：：：：存储器分类存储器分类存储器分类存储器分类

（（（（2222））））按存储介质分类按存储介质分类按存储介质分类按存储介质分类

� 半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器：：：：双极型双极型双极型双极型，，，，静态静态静态静态MOS型型型型，，，，动态动态动态动态MOS型型型型

� 磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器：：：：磁盘磁盘磁盘磁盘（（（（Disk）、）、）、）、磁带磁带磁带磁带 （（（（Tape））））

� 光存储器光存储器光存储器光存储器：：：：CD，，，，CD-ROM，，，，DVD

（（（（3））））按信息的可更改性分类按信息的可更改性分类按信息的可更改性分类按信息的可更改性分类

� 读写存储器读写存储器读写存储器读写存储器（（（（Read / Write Memory) ：：：：可读可写可读可写可读可写可读可写

� 只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器（（（（Read Only Memory) ：：：：只能读不能写只能读不能写只能读不能写只能读不能写

（（（（4））））按断电后信息的可保存性分类按断电后信息的可保存性分类按断电后信息的可保存性分类按断电后信息的可保存性分类

� 非易失非易失非易失非易失（（（（不挥发不挥发不挥发不挥发））））性存储器性存储器性存储器性存储器(Nonvolatile Memory)

• 信息可一直保留信息可一直保留信息可一直保留信息可一直保留，，，， 不需电源维持不需电源维持不需电源维持不需电源维持。。。。

（（（（如如如如 ：：：：ROM、、、、磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器、、、、光存储器等光存储器等光存储器等光存储器等））））

� 易失易失易失易失（（（（挥发挥发挥发挥发））））性存储器性存储器性存储器性存储器(Volatile Memory)

• 电源关闭时信息自动丢失电源关闭时信息自动丢失电源关闭时信息自动丢失电源关闭时信息自动丢失。。。。（（（（如如如如：：：：RAM、、、、Cache等等等等））））

回顾回顾回顾回顾：：：：存储器分类存储器分类存储器分类存储器分类

（（（（5））））按功能按功能按功能按功能/容量容量容量容量/速度速度速度速度/所在位置分类所在位置分类所在位置分类所在位置分类

• 寄存器寄存器寄存器寄存器(Register)

- 封装在封装在封装在封装在CPU内内内内，，，，用于存放当前正在执行的指令和使用的数据用于存放当前正在执行的指令和使用的数据用于存放当前正在执行的指令和使用的数据用于存放当前正在执行的指令和使用的数据

- 用触发器实现用触发器实现用触发器实现用触发器实现，，，，速度快速度快速度快速度快，，，，容量小容量小容量小容量小（（（（几十个几十个几十个几十个））））

• 高速缓存高速缓存高速缓存高速缓存(Cache)

- 位于位于位于位于CPU内部或附近内部或附近内部或附近内部或附近，，，，用来存放当前要执行的局部程序段和数据用来存放当前要执行的局部程序段和数据用来存放当前要执行的局部程序段和数据用来存放当前要执行的局部程序段和数据

- 用用用用SRAM实现实现实现实现，，，，速度可与速度可与速度可与速度可与CPU匹配匹配匹配匹配，，，，容量小容量小容量小容量小（（（（几几几几MB））））

• 内存储器内存储器内存储器内存储器MM（（（（主存储器主存储器主存储器主存储器Main (Primary) Memory ））））

- 位于位于位于位于CPU之外之外之外之外，，，，用来存放已被启动的程序及所用的数据用来存放已被启动的程序及所用的数据用来存放已被启动的程序及所用的数据用来存放已被启动的程序及所用的数据

- 用用用用DRAM实现实现实现实现，，，，速度较快速度较快速度较快速度较快，，，，容量较大容量较大容量较大容量较大（（（（几几几几GB））））

• 外存储器外存储器外存储器外存储器AM (辅助存储器辅助存储器辅助存储器辅助存储器Auxiliary / Secondary Storage)

- 位于主机之外位于主机之外位于主机之外位于主机之外，，，，用来存放暂不运行的程序用来存放暂不运行的程序用来存放暂不运行的程序用来存放暂不运行的程序、、、、数据或存档文件数据或存档文件数据或存档文件数据或存档文件

- 用磁表面或光存储器实现用磁表面或光存储器实现用磁表面或光存储器实现用磁表面或光存储器实现，，，，容量大而速度慢容量大而速度慢容量大而速度慢容量大而速度慢

回顾回顾回顾回顾：：：：内存与外存的关系及比较内存与外存的关系及比较内存与外存的关系及比较内存与外存的关系及比较

� 内存储器内存储器内存储器内存储器（（（（简称内存或主存简称内存或主存简称内存或主存简称内存或主存））））

• 存取速度快存取速度快存取速度快存取速度快

• 成本高成本高成本高成本高、、、、容量相对较小容量相对较小容量相对较小容量相对较小

• 直接与直接与直接与直接与CPU连接连接连接连接，，，，CPU对内存中的对内存中的对内存中的对内存中的

指令及数据进行读指令及数据进行读指令及数据进行读指令及数据进行读、、、、写操作写操作写操作写操作

• 属于属于属于属于易失易失易失易失性存储器性存储器性存储器性存储器(volatile) ，，，，用于用于用于用于

临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据

内

存

储

器

内

存

储

器

内

存

储

器

内

存

储

器

外存储器外存储器外存储器外存储器

CPU指令指令指令指令1指令指令指令指令2

指令指令指令指令k

指令指令指令指令n

程

序

程

序

程

序

程

序

数据数据数据数据1

数据数据数据数据2

数据数据数据数据m

数

据

数

据

数

据

数

据

①①①①程序和数据从程序和数据从程序和数据从程序和数据从

外存成批传送到外存成批传送到外存成批传送到外存成批传送到

内存内存内存内存

②②②②CPUCPUCPUCPU从内存中逐从内存中逐从内存中逐从内存中逐

条读取指令及相条读取指令及相条读取指令及相条读取指令及相

关数据关数据关数据关数据

④④④④将指令处理结将指令处理结将指令处理结将指令处理结

果送回内存保存果送回内存保存果送回内存保存果送回内存保存

⑤⑤⑤⑤将处理结果成将处理结果成将处理结果成将处理结果成

批传送到外存以批传送到外存以批传送到外存以批传送到外存以

长久保存长久保存长久保存长久保存

③③③③逐条执逐条执逐条执逐条执

行指令行指令行指令行指令，，，，

按指令要按指令要按指令要按指令要

求完成对求完成对求完成对求完成对

数据的运数据的运数据的运数据的运

算和处理算和处理算和处理算和处理

� 外存储器外存储器外存储器外存储器（（（（简称简称简称简称外存外存外存外存或辅存或辅存或辅存或辅存））））

• 存取速度慢存取速度慢存取速度慢存取速度慢

• 成本低成本低成本低成本低、、、、容量很大容量很大容量很大容量很大

• 不与不与不与不与CPU直接连接直接连接直接连接直接连接，，，，先传送到内存先传送到内存先传送到内存先传送到内存

，，，，然后才能被然后才能被然后才能被然后才能被CPU使用使用使用使用。。。。

• 属于非易失性存储器属于非易失性存储器属于非易失性存储器属于非易失性存储器(Nonvolatile)，，，，用于长久存放系统中几乎所有的信用于长久存放系统中几乎所有的信用于长久存放系统中几乎所有的信用于长久存放系统中几乎所有的信

息息息息

地

址

寄

存

器

地

址

译

码

器

读写控制电路

控制线

读/写控制信号

记

忆

单

元iii

iii

数据线

读/写的数据

(64位位位位)

主存地址

地址线

(36位位位位)

·····

01101001

10101010

存

储

内

容

0000100000

000100001100100

1111011111

·······

存储

单元

地址

MDR

MAR

CPU

MM

回顾回顾回顾回顾：：：：主存的结构主存的结构主存的结构主存的结构

问题问题问题问题：：：：主存中存放的是什么信息主存中存放的是什么信息主存中存放的是什么信息主存中存放的是什么信息？？？？CPU何时会访问主存何时会访问主存何时会访问主存何时会访问主存？？？？

程序及其数据程序及其数据程序及其数据程序及其数据！！！！执行指令时要取指令执行指令时要取指令执行指令时要取指令执行指令时要取指令、、、、取数据取数据取数据取数据、、、、存数据存数据存数据存数据

� 性能指标性能指标性能指标性能指标：：：：

• 按字节按字节按字节按字节连续编址连续编址连续编址连续编址，，，，每个存储单元为每个存储单元为每个存储单元为每个存储单元为1个字节个字节个字节个字节（（（（8个二进位个二进位个二进位个二进位））））

• 存储容量存储容量存储容量存储容量：：：：所包含的存储单元的总数所包含的存储单元的总数所包含的存储单元的总数所包含的存储单元的总数（（（（单位单位单位单位：：：：MB或或或或GB））））

• 存取时间存取时间存取时间存取时间TA：：：：从从从从CPU送出内存单元的地址码开始送出内存单元的地址码开始送出内存单元的地址码开始送出内存单元的地址码开始，，，，到主存读出到主存读出到主存读出到主存读出

数据并送到数据并送到数据并送到数据并送到CPU（（（（或者是把或者是把或者是把或者是把CPU数据写入主存数据写入主存数据写入主存数据写入主存））））所需要的时间所需要的时间所需要的时间所需要的时间

（（（（单位单位单位单位：：：：ns，，，，1 ns = 10 -9 s））））

• 存储周期存储周期存储周期存储周期TMC：：：：连读两次访问存储器所需的最小时间间隔连读两次访问存储器所需的最小时间间隔连读两次访问存储器所需的最小时间间隔连读两次访问存储器所需的最小时间间隔，，，，它应它应它应它应

等于存取时间加上下一存取开始前所要求的附加时间等于存取时间加上下一存取开始前所要求的附加时间等于存取时间加上下一存取开始前所要求的附加时间等于存取时间加上下一存取开始前所要求的附加时间，，，，因此因此因此因此，，，，

TMC比比比比TA大大大大（（（（ 因为存储器由于读出放大器因为存储器由于读出放大器因为存储器由于读出放大器因为存储器由于读出放大器、、、、驱动电路等都有一段驱动电路等都有一段驱动电路等都有一段驱动电路等都有一段

稳定恢复时间稳定恢复时间稳定恢复时间稳定恢复时间，，，，所以读出后不能立即进行下一次访问所以读出后不能立即进行下一次访问所以读出后不能立即进行下一次访问所以读出后不能立即进行下一次访问。。。。 ））））

回顾回顾回顾回顾：：：：主存的主要性能指标主存的主要性能指标主存的主要性能指标主存的主要性能指标

时间时间时间时间、、、、存储容量存储容量存储容量存储容量（（（（或带宽或带宽或带宽或带宽））））的单的单的单的单

位位位位

-6

61

H

P

C

A

2

0

0

1

Appendix1: Notations and Conventions for Numbers

QuintillionEexaQuadrillionPpetaTrillionTteraBillionGgigaMillionMmegaThousandK (or k)kiloOne quintillionthaattaOne quadrillionthffemtoOne trillionthppicoOne billionthnnanoOne millionthµmicroOne thousandthmmill

Numeric ValueMeaningAbbreviationPrefix

Notations and Conventions for Numbers

-1810

-910-1210-1510

206 210 or

103 210 or

309 210 or4012 210 or5015 210 or6018 210 or

-310

10-6

回顾回顾回顾回顾：：：：内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用

� 内存由半导体存储器芯片组成内存由半导体存储器芯片组成内存由半导体存储器芯片组成内存由半导体存储器芯片组成，，，，芯片有多种类型芯片有多种类型芯片有多种类型芯片有多种类型：：：：

半导体半导体半导体半导体

存储器存储器存储器存储器

只读只读只读只读

存储器存储器存储器存储器

(ROM)

随机存取随机存取随机存取随机存取

存储器存储器存储器存储器

(RAM)

静态存储器静态存储器静态存储器静态存储器SRAM

动态存储器动态存储器动态存储器动态存储器DRAM

不可在线改写内容的不可在线改写内容的不可在线改写内容的不可在线改写内容的ROM

闪存闪存闪存闪存（（（（Flash ROM））））

（（（（用作用作用作用作Cache））））

（（（（用作主存储器用作主存储器用作主存储器用作主存储器））））

• 每个存储单元每个存储单元每个存储单元每个存储单元(cell)由由由由6个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成

• 只要加上电源只要加上电源只要加上电源只要加上电源，，，，信息就能一直保持信息就能一直保持信息就能一直保持信息就能一直保持

• 对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感

• 比比比比DRAM更快更快更快更快，，，，也更贵也更贵也更贵也更贵

• 每个存储单元由每个存储单元由每个存储单元由每个存储单元由1个电容和个电容和个电容和个电容和1个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成.• 每隔一段时间必须刷新一次每隔一段时间必须刷新一次每隔一段时间必须刷新一次每隔一段时间必须刷新一次

• 对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感

• 比比比比SRAM慢慢慢慢，，，，但便宜但便宜但便宜但便宜

（（（（用作用作用作用作BIOS））））

回顾回顾回顾回顾：：：：六管静态六管静态六管静态六管静态MOS管电路管电路管电路管电路

6管静态管静态管静态管静态NMOS记忆单元记忆单元记忆单元记忆单元

读出时读出时读出时读出时：：：：

- 置置置置2个位线为高电平个位线为高电平个位线为高电平个位线为高电平

- 置字线为置字线为置字线为置字线为1- 存储单元状态不同存储单元状态不同存储单元状态不同存储单元状态不同，，，，位位位位

线的输出不同线的输出不同线的输出不同线的输出不同

写入时写入时写入时写入时：：：：

- 位线上是被写入的二进位线上是被写入的二进位线上是被写入的二进位线上是被写入的二进

位信息位信息位信息位信息0或或或或1- 置字线为置字线为置字线为置字线为1- 存储单元存储单元存储单元存储单元(触发器触发器触发器触发器)按位按位按位按位

线的状态设置成线的状态设置成线的状态设置成线的状态设置成0或或或或1

信息存储原理信息存储原理信息存储原理信息存储原理：：：： 看作带看作带看作带看作带

时钟的时钟的时钟的时钟的RS触发器触发器触发器触发器

V1 V3

V6V5

V2 V4

UDD

Q Q

V7 V8列列列Y

I / O I / O

行列列

X

位列

D

存存存

元

位列

D

存储存储存储存储

单元单元单元单元

字线字线字线字线

位线位线位线位线D位线位线位线位线D

SRAM中数据保存在中数据保存在中数据保存在中数据保存在一对正负反馈门电路一对正负反馈门电路一对正负反馈门电路一对正负反馈门电路中中中中，，，，只只只只

要供电要供电要供电要供电，，，，数据就一直保持数据就一直保持数据就一直保持数据就一直保持，，，，不是破环性读出不是破环性读出不是破环性读出不是破环性读出，，，，

也无需重写也无需重写也无需重写也无需重写。。。。即即即即：：：：无需刷新无需刷新无需刷新无需刷新！！！！

回顾回顾回顾回顾：：：：记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理

�动态单管动态单管动态单管动态单管MOS记忆单元电路记忆单元电路记忆单元电路记忆单元电路

• 构造和表示构造和表示构造和表示构造和表示：：：：

信息记忆在电容信息记忆在电容信息记忆在电容信息记忆在电容CS上上上上，，，，T为门控管为门控管为门控管为门控管，，，，控制数据的进出控制数据的进出控制数据的进出控制数据的进出。。。。其栅极接其栅极接其栅极接其栅极接

读读读读/写选择线写选择线写选择线写选择线(字线字线字线字线)，，，，漏和源分别接数据线漏和源分别接数据线漏和源分别接数据线漏和源分别接数据线(位线位线位线位线)和记忆电容和记忆电容和记忆电容和记忆电容CS 。。。。

数据数据数据数据1或或或或0以电容以电容以电容以电容CS上电荷量的有无来判别上电荷量的有无来判别上电荷量的有无来判别上电荷量的有无来判别。。。。

• 读写原理读写原理读写原理读写原理：：：：在选择在选择在选择在选择（（（（字字字字））））线上加高电平线上加高电平线上加高电平线上加高电平，，，，使使使使T管导通管导通管导通管导通。。。。

写写写写“0” 时时时时，，，，在数据线上加低电平在数据线上加低电平在数据线上加低电平在数据线上加低电平，，，，使使使使CS上电荷对数据线放电上电荷对数据线放电上电荷对数据线放电上电荷对数据线放电；；；；

写写写写“1” 时时时时，，，，在数据线上加高电平在数据线上加高电平在数据线上加高电平在数据线上加高电平，，，，使数据线对使数据线对使数据线对使数据线对CS充电充电充电充电；；；；

读出时读出时读出时读出时，，，，在数据线上有一在数据线上有一在数据线上有一在数据线上有一读出电压读出电压读出电压读出电压。。。。它与它与它与它与CS上电荷量成正比上电荷量成正比上电荷量成正比上电荷量成正比。。。。

字线字线字线字线

位线位线位线位线

(数据线数据线数据线数据线)

接地接地接地接地

Cs

T

回顾回顾回顾回顾：：：：记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理记忆单元的基本原理

�动态单管动态单管动态单管动态单管MOS记忆单元电路记忆单元电路记忆单元电路记忆单元电路

• 优点优点优点优点：：：：

电路元件少电路元件少电路元件少电路元件少，，，，功耗小功耗小功耗小功耗小，，，，集成度高集成度高集成度高集成度高，，，，用于构建主存存储用于构建主存存储用于构建主存存储用于构建主存存储

• 缺点缺点缺点缺点：：：：

速度慢速度慢速度慢速度慢、、、、是破坏性读出是破坏性读出是破坏性读出是破坏性读出（（（（需读后再生需读后再生需读后再生需读后再生）、）、）、）、需定时刷新需定时刷新需定时刷新需定时刷新

刷新刷新刷新刷新：：：：DRAM的一个重要特点是的一个重要特点是的一个重要特点是的一个重要特点是，，，，数据以电荷的形式保存在电容数据以电荷的形式保存在电容数据以电荷的形式保存在电容数据以电荷的形式保存在电容

中中中中，，，，电容的放电使得电荷通常只能维持几个毫秒左右电容的放电使得电荷通常只能维持几个毫秒左右电容的放电使得电荷通常只能维持几个毫秒左右电容的放电使得电荷通常只能维持几个毫秒左右，，，，相当于相当于相当于相当于

1M个时钟周期左右个时钟周期左右个时钟周期左右个时钟周期左右，，，，因此要定期进行刷新因此要定期进行刷新因此要定期进行刷新因此要定期进行刷新（（（（读出后重新写读出后重新写读出后重新写读出后重新写

回回回回），），），），按行进行按行进行按行进行按行进行（（（（所有芯片中的同一行一起进行所有芯片中的同一行一起进行所有芯片中的同一行一起进行所有芯片中的同一行一起进行），），），），刷新操作所刷新操作所刷新操作所刷新操作所

需时间通常只占需时间通常只占需时间通常只占需时间通常只占1%~2%左右左右左右左右。。。。

字线字线字线字线

位线

位线

位线

位线

接地接地接地接地

回顾回顾回顾回顾：：：：半导体半导体半导体半导体RAM的组织的组织的组织的组织

存储器芯片存储器芯片存储器芯片存储器芯片：：：：存储体存储体存储体存储体+外围电路外围电路外围电路外围电路(地址译码和读写控制地址译码和读写控制地址译码和读写控制地址译码和读写控制)

记忆单元的组织记忆单元的组织记忆单元的组织记忆单元的组织：：：：

位元位元位元位元

字线字线字线字线W

位线位线位线位线

S0位线位线位线位线

S1

读写控制读写控制读写控制读写控制

Din Dout

R/W

位元位元位元位元

选择线选择线选择线选择线(字线字线字线字线)

数据线数据线数据线数据线

(位线位线位线位线)

读写控制读写控制读写控制读写控制

Din Dout

R/W

存储体存储体存储体存储体(Memory Bank) ：：：： 由记忆单元由记忆单元由记忆单元由记忆单元(位元位元位元位元)构成的存储阵列构成的存储阵列构成的存储阵列构成的存储阵列

记忆单元记忆单元记忆单元记忆单元(Cell) 存储器芯片存储器芯片存储器芯片存储器芯片(Chip) 内存条内存条内存条内存条（（（（存储器模块存储器模块存储器模块存储器模块））））

SRAM DRAM

回顾回顾回顾回顾：：：：字片式存储体阵列组织字片式存储体阵列组织字片式存储体阵列组织字片式存储体阵列组织

X

向

译

码

器

一维地址

译码系统

地址驱动线地址驱动线地址驱动线地址驱动线

假定有假定有假定有假定有m位地址位地址位地址位地址，，，，则地址译码驱动则地址译码驱动则地址译码驱动则地址译码驱动（（（（选择选择选择选择））））线的条数为多少线的条数为多少线的条数为多少线的条数为多少？？？？有有有有2m

条条条条！！！！

一般一般一般一般SRAM为字片式芯片为字片式芯片为字片式芯片为字片式芯片，，，，只在只在只在只在x向上译码向上译码向上译码向上译码，，，，同时读出字线上所有位同时读出字线上所有位同时读出字线上所有位同时读出字线上所有位！！！！

回顾回顾回顾回顾：：：：位片式存储体阵列组织位片式存储体阵列组织位片式存储体阵列组织位片式存储体阵列组织

假定有假定有假定有假定有m位地址位地址位地址位地址，，，，其地址译码驱动其地址译码驱动其地址译码驱动其地址译码驱动（（（（选择选择选择选择））））线的条数为多少线的条数为多少线的条数为多少线的条数为多少？？？？有有有有2m/2+1

位片式可在字方向和位方向扩充位片式可在字方向和位方向扩充位片式可在字方向和位方向扩充位片式可在字方向和位方向扩充，，，，需要有片选信号需要有片选信号需要有片选信号需要有片选信号！！！！

回顾回顾回顾回顾：：：：位片式芯片框图位片式芯片框图位片式芯片框图位片式芯片框图

位扩展芯片位数的位扩展芯片位数的位扩展芯片位数的位扩展芯片位数的16161616倍倍倍倍，，，，字扩展芯片字数的字扩展芯片字数的字扩展芯片字数的字扩展芯片字数的4444倍倍倍倍

共共共共12位地址位地址位地址位地址，，，，

两位选片两位选片两位选片两位选片，，，，10位片内选址位片内选址位片内选址位片内选址，，，，

编址单位编址单位编址单位编址单位16位位位位。。。。

问题问题问题问题：：：：共几共几共几共几

位地址位地址位地址位地址？？？？几几几几

位选片位选片位选片位选片，，，，几几几几

位片内选位片内选位片内选位片内选

址址址址？？？？编址单编址单编址单编址单

位是多少位是多少位是多少位是多少？？？？

问题问题问题问题：：：：高位选片时高位选片时高位选片时高位选片时，，，，是连是连是连是连

续编址还是交叉编址续编址还是交叉编址续编址还是交叉编址续编址还是交叉编址？？？？

高位选片是连续编址高位选片是连续编址高位选片是连续编址高位选片是连续编址，，，，低位选片低位选片低位选片低位选片，，，，是交叉编址是交叉编址是交叉编址是交叉编址

举例举例举例举例：：：：TMS4116动态动态动态动态MOS存储器芯片存储器芯片存储器芯片存储器芯片

�总体性能总体性能总体性能总体性能：：：：

• 存储容量存储容量存储容量存储容量：：：：16K x 1位位位位

• 7根地址线复用根地址线复用根地址线复用根地址线复用（（（（2x7=14））））

�芯片引脚芯片引脚芯片引脚芯片引脚

�芯片框图芯片框图芯片框图芯片框图

�地址缓冲器和地址译码器地址缓冲器和地址译码器地址缓冲器和地址译码器地址缓冲器和地址译码器

�存储阵列存储阵列存储阵列存储阵列

�读出再生放大器读出再生放大器读出再生放大器读出再生放大器

�基本时序基本时序基本时序基本时序、、、、读写操作定时读写操作定时读写操作定时读写操作定时

�由由由由4116芯片构成芯片构成芯片构成芯片构成64K字字字字X16位的存储器位的存储器位的存储器位的存储器

举例举例举例举例：：：：TMS4116动态动态动态动态MOS存储器芯片存储器芯片存储器芯片存储器芯片

问题问题问题问题：：：：7个地址引脚何时送行地址个地址引脚何时送行地址个地址引脚何时送行地址个地址引脚何时送行地址? 何时送列地址何时送列地址何时送列地址何时送列地址？？？？

RAS有效时送行地址有效时送行地址有效时送行地址有效时送行地址，，，，CAS有效时送列地址有效时送列地址有效时送列地址有效时送列地址

问题问题问题问题：：：：CPU送出的地址有几位送出的地址有几位送出的地址有几位送出的地址有几位？？？？送到送到送到送到4116芯片的地址有几位芯片的地址有几位芯片的地址有几位芯片的地址有几位？？？？

CPU给出的地址位数由主存空间大小决定给出的地址位数由主存空间大小决定给出的地址位数由主存空间大小决定给出的地址位数由主存空间大小决定；；；；送送送送4116芯片的地芯片的地芯片的地芯片的地

址有址有址有址有14位地址位地址位地址位地址。。。。

WE低时写操作低时写操作低时写操作低时写操作，，，，

高时读操作高时读操作高时读操作高时读操作

问题问题问题问题：：：：WE的含的含的含的含

义是什么义是什么义是什么义是什么？？？？

ST0结束时结束时结束时结束时，，，，

清除地址缓存清除地址缓存清除地址缓存清除地址缓存

器中的信息器中的信息器中的信息器中的信息。。。。

ST1或或或或ST4有效使得有效使得有效使得有效使得

行或列地址信息被锁存行或列地址信息被锁存行或列地址信息被锁存行或列地址信息被锁存。。。。

7个地址缓存器的输出分别接到地址译码器的个地址缓存器的输出分别接到地址译码器的个地址缓存器的输出分别接到地址译码器的个地址缓存器的输出分别接到地址译码器的7个输入个输入个输入个输入

128种组合种组合种组合种组合！！！！

行向和列向共行向和列向共行向和列向共行向和列向共256个译码器个译码器个译码器个译码器！！！！

每个输入每个输入每个输入每个输入Ai’ 可能是可能是可能是可能是Ai或或或或Ai，，，，共多少种组合共多少种组合共多少种组合共多少种组合？？？？

每个译码器输每个译码器输每个译码器输每个译码器输

出连到一根行出连到一根行出连到一根行出连到一根行

线或列线上线或列线上线或列线上线或列线上。。。。

TA和和和和TS分别是什么分别是什么分别是什么分别是什么？？？？

取数时间和存储周期取数时间和存储周期取数时间和存储周期取数时间和存储周期！！！！

IN

� 16M位位位位=4Mb x 4=2048 x 2048 x 4=2 11x211x4

(1) 地址线地址线地址线地址线：：：：11根分时复用根分时复用根分时复用根分时复用,由由由由RAS和和和和CAS提供控制时序提供控制时序提供控制时序提供控制时序。。。。

(2) 需四个位平面需四个位平面需四个位平面需四个位平面，，，，对相同行对相同行对相同行对相同行、、、、列交叉点的列交叉点的列交叉点的列交叉点的4位一起读位一起读位一起读位一起读/写写写写

(3) 内部结构框图内部结构框图内部结构框图内部结构框图

举例举例举例举例：：：：典型的典型的典型的典型的16M位位位位DRAM（（（（4Mxxxx4））））

问题问题问题问题：：：：

为什么每出现新一代存储器芯片为什么每出现新一代存储器芯片为什么每出现新一代存储器芯片为什么每出现新一代存储器芯片，，，，容量至少提高到容量至少提高到容量至少提高到容量至少提高到4倍倍倍倍？？？？

行地址和列地址分时复用行地址和列地址分时复用行地址和列地址分时复用行地址和列地址分时复用, 每出现新一代存储器芯片每出现新一代存储器芯片每出现新一代存储器芯片每出现新一代存储器芯片，，，，至少要增至少要增至少要增至少要增

加一根地址线每加一根地址线加一根地址线每加一根地址线加一根地址线每加一根地址线加一根地址线每加一根地址线，，，，则行地址和列地址各增加一则行地址和列地址各增加一则行地址和列地址各增加一则行地址和列地址各增加一

位位位位，，，，所以行数和列数各增加一倍所以行数和列数各增加一倍所以行数和列数各增加一倍所以行数和列数各增加一倍。。。。因而容量至少提高到因而容量至少提高到因而容量至少提高到因而容量至少提高到4倍倍倍倍。。。。

举例举例举例举例：：：：典型的典型的典型的典型的16M位位位位DRAM（（（（4Mxxxx4））））

四个位平面四个位平面四个位平面四个位平面

各片同时按各片同时按各片同时按各片同时按“行行行行”进行刷新进行刷新进行刷新进行刷新！！！！

二选一二选一二选一二选一

BACK

问题：

刷新

计数

器的

位数

是几

位？

回顾回顾回顾回顾：：：：DRAM芯片的刷新芯片的刷新芯片的刷新芯片的刷新

�刷新周期刷新周期刷新周期刷新周期：：：：从上次对整个存储器刷新结束到下次对整个存储器全部刷从上次对整个存储器刷新结束到下次对整个存储器全部刷从上次对整个存储器刷新结束到下次对整个存储器全部刷从上次对整个存储器刷新结束到下次对整个存储器全部刷

新一遍为止的时间间隔新一遍为止的时间间隔新一遍为止的时间间隔新一遍为止的时间间隔，，，，为电容数据有效保存期的上限为电容数据有效保存期的上限为电容数据有效保存期的上限为电容数据有效保存期的上限（（（（64ms）。）。）。）。

�有三种刷新方式有三种刷新方式有三种刷新方式有三种刷新方式：：：：集中式集中式集中式集中式、、、、分散式分散式分散式分散式、、、、异步刷新异步刷新异步刷新异步刷新。。。。

①①①① 集中刷新集中刷新集中刷新集中刷新：：：：

前一段时间正常读前一段时间正常读前一段时间正常读前一段时间正常读/写写写写，，，，后一段时间停止读后一段时间停止读后一段时间停止读后一段时间停止读/写写写写，，，，集中逐行刷新集中逐行刷新集中逐行刷新集中逐行刷新。。。。

特点特点特点特点：：：：集中刷新时间长集中刷新时间长集中刷新时间长集中刷新时间长，，，，不能正常读不能正常读不能正常读不能正常读/写写写写（（（（死区死区死区死区），），），），很少使用很少使用很少使用很少使用。。。。

②②②② 分散刷新分散刷新分散刷新分散刷新：：：：

一个存储周期分为两段一个存储周期分为两段一个存储周期分为两段一个存储周期分为两段: 前一段用于正常读前一段用于正常读前一段用于正常读前一段用于正常读/写操作写操作写操作写操作，，，，后一段用于后一段用于后一段用于后一段用于

刷新操作刷新操作刷新操作刷新操作。。。。

特点特点特点特点：：：：不存在死区不存在死区不存在死区不存在死区，，，，但每个存储周期加长但每个存储周期加长但每个存储周期加长但每个存储周期加长。。。。很少使用很少使用很少使用很少使用。。。。

③③③③ 异步刷新异步刷新异步刷新异步刷新：：：：

结合上述两种方式结合上述两种方式结合上述两种方式结合上述两种方式。。。。以以以以4096行为例行为例行为例行为例，，，，在在在在64ms时间内必须轮流对时间内必须轮流对时间内必须轮流对时间内必须轮流对

每一行刷新一次每一行刷新一次每一行刷新一次每一行刷新一次，，，，即每隔即每隔即每隔即每隔64ms/4096=15.625μμμμs刷新一行刷新一行刷新一行刷新一行。。。。

特点特点特点特点：：：：结合前两种结合前两种结合前两种结合前两种，，，，效率高效率高效率高效率高，，，，用得较多用得较多用得较多用得较多。。。。

CPU与存储器之间的通信方式与存储器之间的通信方式与存储器之间的通信方式与存储器之间的通信方式

� CPU和主存之间有同步和异步两种通信方式和主存之间有同步和异步两种通信方式和主存之间有同步和异步两种通信方式和主存之间有同步和异步两种通信方式

• 异步方式异步方式异步方式异步方式（（（（读操作读操作读操作读操作））））过程过程过程过程（（（（需握手信号需握手信号需握手信号需握手信号））））

- CPU送地址到地址线送地址到地址线送地址到地址线送地址到地址线，，，，主存进行地址译码主存进行地址译码主存进行地址译码主存进行地址译码

- CPU发读命令发读命令发读命令发读命令，，，，然后等待存储器发回然后等待存储器发回然后等待存储器发回然后等待存储器发回“完成完成完成完成”信号信号信号信号

- 主存收到读命令后开始读数主存收到读命令后开始读数主存收到读命令后开始读数主存收到读命令后开始读数，，，，完成后发完成后发完成后发完成后发“完成完成完成完成”信号给信号给信号给信号给CPU

- CPU接收到接收到接收到接收到“完成完成完成完成”信号信号信号信号，，，，从数据线取数从数据线取数从数据线取数从数据线取数

写操作过程类似写操作过程类似写操作过程类似写操作过程类似

• 同步方式的特点同步方式的特点同步方式的特点同步方式的特点

- CPU和主存由统一时钟信号控制和主存由统一时钟信号控制和主存由统一时钟信号控制和主存由统一时钟信号控制，，，，无需应答信号无需应答信号无需应答信号无需应答信号，，，，如如如如“完成完成完成完成

”

- 主存总是在确定的时间内准备好数据主存总是在确定的时间内准备好数据主存总是在确定的时间内准备好数据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送出地址和读命令后送出地址和读命令后送出地址和读命令后，，，，总是在确定的时间取数据总是在确定的时间取数据总是在确定的时间取数据总是在确定的时间取数据

- 存储器芯片必须支持同步方式存储器芯片必须支持同步方式存储器芯片必须支持同步方式存储器芯片必须支持同步方式

回顾回顾回顾回顾：：：：SDRAM芯片技术芯片技术芯片技术芯片技术

� SDRAM是同步存储芯片是同步存储芯片是同步存储芯片是同步存储芯片

• 每步操作都在系统时钟控制下进行每步操作都在系统时钟控制下进行每步操作都在系统时钟控制下进行每步操作都在系统时钟控制下进行

• 有确定的等待时间有确定的等待时间有确定的等待时间有确定的等待时间（（（（读命令开始到数据线有效的时间读命令开始到数据线有效的时间读命令开始到数据线有效的时间读命令开始到数据线有效的时间, 称称称称

为为为为CAS潜伏期潜伏期潜伏期潜伏期））））CL，，，，例如例如例如例如 CL=2 clks

• 连续传送连续传送连续传送连续传送（（（（Burst ））））数据个数数据个数数据个数数据个数 BL=1 / 2 / 4 / 8

• 多体多体多体多体(缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器)交叉存取交叉存取交叉存取交叉存取

• 利用总线时钟上升沿与下降沿同步传送利用总线时钟上升沿与下降沿同步传送利用总线时钟上升沿与下降沿同步传送利用总线时钟上升沿与下降沿同步传送

存储单元存储单元存储单元存储单元

阵列阵列阵列阵列

数据总线数据总线数据总线数据总线

DDR2 SDRAMDDR3：：：：一个时钟内传送一个时钟内传送一个时钟内传送一个时钟内传送8个数据个数据个数据个数据

SDRAM芯片的内芯片的内芯片的内芯片的内

部结构部结构部结构部结构

同步方式同步方式同步方式同步方式

回顾回顾回顾回顾：：：：只读存储器和只读存储器和只读存储器和只读存储器和Flash存储器存储器存储器存储器

�特点特点特点特点：：：：

�信息只能读不能信息只能读不能信息只能读不能信息只能读不能（（（（在线在线在线在线））））写写写写。。。。

�非破坏性读出非破坏性读出非破坏性读出非破坏性读出，，，，无需再生无需再生无需再生无需再生。。。。

�也以随机存取方式工作也以随机存取方式工作也以随机存取方式工作也以随机存取方式工作。。。。

�信息用特殊方式写入信息用特殊方式写入信息用特殊方式写入信息用特殊方式写入，，，，一经写入一经写入一经写入一经写入，，，，就可长久保存就可长久保存就可长久保存就可长久保存，，，，不受断电不受断电不受断电不受断电

影响影响影响影响。。。。故是非易失性存储器故是非易失性存储器故是非易失性存储器故是非易失性存储器。。。。

�用途用途用途用途：：：：

�用来存放一些固定程序用来存放一些固定程序用来存放一些固定程序用来存放一些固定程序。。。。如监控程序如监控程序如监控程序如监控程序、、、、启动程序等启动程序等启动程序等启动程序等。。。。只要一只要一只要一只要一

接通电源接通电源接通电源接通电源，，，，这些程序就能自动地运行这些程序就能自动地运行这些程序就能自动地运行这些程序就能自动地运行；；；；

�可作为控制存储器可作为控制存储器可作为控制存储器可作为控制存储器，，，，存放微程序存放微程序存放微程序存放微程序。。。。

�还可作为函数发生器和代码转换器还可作为函数发生器和代码转换器还可作为函数发生器和代码转换器还可作为函数发生器和代码转换器。。。。

�在输入在输入在输入在输入/出设备中出设备中出设备中出设备中，，，，被用作字符发生器被用作字符发生器被用作字符发生器被用作字符发生器，，，，汉字库等汉字库等汉字库等汉字库等。。。。

�在嵌入式设备中用来存放固化的程序在嵌入式设备中用来存放固化的程序在嵌入式设备中用来存放固化的程序在嵌入式设备中用来存放固化的程序。。。。

回顾回顾回顾回顾：：：：只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器(Read Only Memory)

MROM（（（（Mask ROM）：）：）：）：掩膜只读存储器掩膜只读存储器掩膜只读存储器掩膜只读存储器

PROM（（（（Programmable ROM ））））：：：：可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器

EPROM （（（（Erasable PROM ）））） ：：：：可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器

EEPROM （（（（E2PROM ，，，，Electrically EPROM ）））） ：：：：

电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器

flash memory ：：：：闪存闪存闪存闪存（（（（快擦存储器快擦存储器快擦存储器快擦存储器））））

闪存闪存闪存闪存（（（（Flash Memory ））））

(a)“0” 状态状态状态状态 (b) “1” 状态状态状态状态

控制栅加足够正电压控制栅加足够正电压控制栅加足够正电压控制栅加足够正电压

时时时时，，，，浮空栅储存大量浮空栅储存大量浮空栅储存大量浮空栅储存大量

负电荷负电荷负电荷负电荷，，，，为为为为“ 0000”态态态态；；；；

控制栅不加正电压时控制栅不加正电压时控制栅不加正电压时控制栅不加正电压时

，，，，浮空栅少带或不带浮空栅少带或不带浮空栅少带或不带浮空栅少带或不带

负电荷负电荷负电荷负电荷，，，，为为为为“ 1111”态态态态

闪存的读取速度与闪存的读取速度与闪存的读取速度与闪存的读取速度与DRAM

相近相近相近相近，，，，是磁盘的是磁盘的是磁盘的是磁盘的100倍左右倍左右倍左右倍左右

；；；；写数据写数据写数据写数据（（（（快擦快擦快擦快擦－－－－编程编程编程编程））））

则与硬盘相近则与硬盘相近则与硬盘相近则与硬盘相近

有三种操作有三种操作有三种操作有三种操作：：：：擦除擦除擦除擦除、、、、编程编程编程编程、、、、读取读取读取读取

写入写入写入写入：：：：快擦快擦快擦快擦（（（（所有单元为所有单元为所有单元为所有单元为1））））---- 编程编程编程编程（（（（需要之处写需要之处写需要之处写需要之处写0））））读出读出读出读出：：：：控制栅加正电压控制栅加正电压控制栅加正电压控制栅加正电压，，，，若状态为若状态为若状态为若状态为0，，，，则读出电路检测不到电流则读出电路检测不到电流则读出电路检测不到电流则读出电路检测不到电流；；；；若状若状若状若状

态为态为态为态为1，，，，则能检测到电流则能检测到电流则能检测到电流则能检测到电流。。。。

(a) 编程编程编程编程:写写写写“0” (b) 擦除擦除擦除擦除:写写写写“1” (a) 读读读读“0” (b) 读读读读“1”

读快读快读快读快、、、、写慢写慢写慢写慢！！！！

存储器芯片的扩展存储器芯片的扩展存储器芯片的扩展存储器芯片的扩展

� 字扩展字扩展字扩展字扩展（（（（位数不变位数不变位数不变位数不变、、、、扩充容量扩充容量扩充容量扩充容量））））

用用用用16K××××8位芯片扩成位芯片扩成位芯片扩成位芯片扩成64K××××8位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片？？？？地址范围地址范围地址范围地址范围？？？？

字方向扩展字方向扩展字方向扩展字方向扩展4倍倍倍倍，，，，即即即即4个芯片个芯片个芯片个芯片。。。。0000-3FFFH，，，， 4000-7FFFH，，，， 8000-BFFFH，，，，

C000- FFFFH，，，， 地址共地址共地址共地址共16位位位位，，，，高两位由外部译码器译码生成高两位由外部译码器译码生成高两位由外部译码器译码生成高两位由外部译码器译码生成4个输出个输出个输出个输出，，，，分别连分别连分别连分别连

到到到到4个片选信号个片选信号个片选信号个片选信号，，，，片内地址有片内地址有片内地址有片内地址有14位位位位• 地址线地址线地址线地址线、、、、读读读读/写控制线等对应相接写控制线等对应相接写控制线等对应相接写控制线等对应相接，，，，片选信号连译码输出片选信号连译码输出片选信号连译码输出片选信号连译码输出

� 位扩展位扩展位扩展位扩展（（（（字数不变字数不变字数不变字数不变，，，，位数扩展位数扩展位数扩展位数扩展））））

用用用用4K××××1位芯片构成位芯片构成位芯片构成位芯片构成4K××××8位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片？？？？地址范围各是多少地址范围各是多少地址范围各是多少地址范围各是多少？？？？

位方向扩展位方向扩展位方向扩展位方向扩展8倍倍倍倍，，，，字方向无需扩展字方向无需扩展字方向无需扩展字方向无需扩展。。。。即即即即8个芯片个芯片个芯片个芯片，，，，地址范围都一样地址范围都一样地址范围都一样地址范围都一样：：：：000-FFFH，，，， 地址共地址共地址共地址共12位位位位，，，，全部作为片内地址全部作为片内地址全部作为片内地址全部作为片内地址

• 芯片的地址线及读芯片的地址线及读芯片的地址线及读芯片的地址线及读/写控制线对应相接写控制线对应相接写控制线对应相接写控制线对应相接，，，，而数据线单独引出而数据线单独引出而数据线单独引出而数据线单独引出

� 字位同时扩展字位同时扩展字位同时扩展字位同时扩展（（（（字和位同时扩展字和位同时扩展字和位同时扩展字和位同时扩展））））

用用用用16K××××4位芯片构成位芯片构成位芯片构成位芯片构成64K××××8位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片位存储器需几个芯片，，，，地址范围各是多少地址范围各是多少地址范围各是多少地址范围各是多少？？？？

字向字向字向字向4倍倍倍倍、、、、位向位向位向位向2倍倍倍倍，，，，8个芯片个芯片个芯片个芯片。。。。0000-3FFFH，，，， 4000-7FFFH，，，， 8000-BFFFH，，，， C000- FFFFH

• 地址线地址线地址线地址线、、、、读读读读/写控制线等对应相接写控制线等对应相接写控制线等对应相接写控制线等对应相接，，，，片选信号则分别与外部译码器各个译码输出片选信号则分别与外部译码器各个译码输出片选信号则分别与外部译码器各个译码输出片选信号则分别与外部译码器各个译码输出

端相连端相连端相连端相连

有两种容量扩展方式有两种容量扩展方式有两种容量扩展方式有两种容量扩展方式：：：：交叉编址和连续编址交叉编址和连续编址交叉编址和连续编址交叉编址和连续编址。。。。

PC机主存储器的物理结构机主存储器的物理结构机主存储器的物理结构机主存储器的物理结构

� 由若干内存条组成由若干内存条组成由若干内存条组成由若干内存条组成

� 内存条的组成内存条的组成内存条的组成内存条的组成：：：：

把若干片把若干片把若干片把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成芯片焊装在一小条印制电路板上制成芯片焊装在一小条印制电路板上制成芯片焊装在一小条印制电路板上制成

� 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用

� 目前流行的是目前流行的是目前流行的是目前流行的是DDR,DDR2和和和和DDR3内存条内存条内存条内存条：：：：

• 采用双列直插式采用双列直插式采用双列直插式采用双列直插式，，，，其触点分布在内存条的两面其触点分布在内存条的两面其触点分布在内存条的两面其触点分布在内存条的两面

• DDR条有条有条有条有184个引脚个引脚个引脚个引脚，，，，DDR2,DDR3有有有有240个引脚个引脚个引脚个引脚

• PC机主板中一般都配备有机主板中一般都配备有机主板中一般都配备有机主板中一般都配备有2个或个或个或个或4个个个个DIMM插槽插槽插槽插槽

存储器芯片和存储器芯片和存储器芯片和存储器芯片和CPU的连接的连接的连接的连接

� 通过总线连接通过总线连接通过总线连接通过总线连接

• 地址线的连接地址线的连接地址线的连接地址线的连接

- CPU地址线数决定主存空间寻址范围地址线数决定主存空间寻址范围地址线数决定主存空间寻址范围地址线数决定主存空间寻址范围，，，，比存储芯片地址引脚线多比存储芯片地址引脚线多比存储芯片地址引脚线多比存储芯片地址引脚线多

。。。。

- 连续编址连续编址连续编址连续编址，，，，则将则将则将则将CPU地址线的低位和存储芯片地址线相连地址线的低位和存储芯片地址线相连地址线的低位和存储芯片地址线相连地址线的低位和存储芯片地址线相连，，，，高位高位高位高位

部分用作片选信号的译码部分用作片选信号的译码部分用作片选信号的译码部分用作片选信号的译码；；；；交叉编址扩展则相反交叉编址扩展则相反交叉编址扩展则相反交叉编址扩展则相反。。。。

• 数据线的连接数据线的连接数据线的连接数据线的连接

- CPU数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度数据线数决定了一次可读写的最大数据宽度，，，，故比存储芯片故比存储芯片故比存储芯片故比存储芯片

数据引脚线多数据引脚线多数据引脚线多数据引脚线多。。。。

- 将将将将CPU数据线连到多个进行位扩展的芯片中数据线连到多个进行位扩展的芯片中数据线连到多个进行位扩展的芯片中数据线连到多个进行位扩展的芯片中，，，，使扩展后的位数与使扩展后的位数与使扩展后的位数与使扩展后的位数与

CPU数据线数相等数据线数相等数据线数相等数据线数相等。。。。

• 控制线的连接控制线的连接控制线的连接控制线的连接

- 若若若若CPU读读读读/写命令线和存储芯片的读写命令线和存储芯片的读写命令线和存储芯片的读写命令线和存储芯片的读/写控制线都是一根写控制线都是一根写控制线都是一根写控制线都是一根，，，，且电平且电平且电平且电平

信号一致信号一致信号一致信号一致，，，，则可直接相连则可直接相连则可直接相连则可直接相连。。。。

- 若若若若CPU读读读读/写命令线分开写命令线分开写命令线分开写命令线分开，，，，则需要分别进行连接则需要分别进行连接则需要分别进行连接则需要分别进行连接。。。。

存储器芯片和存储器芯片和存储器芯片和存储器芯片和CPU的连接的连接的连接的连接

� ROM区和区和区和区和RAM区的划分区的划分区的划分区的划分

• 主存空间包括主存空间包括主存空间包括主存空间包括ROM和和和和RAM区区区区；；；；

• ROM区用来存放区用来存放区用来存放区用来存放BIOS等系统程序等等系统程序等等系统程序等等系统程序等，，，，选用选用选用选用ROM芯片构造芯片构造芯片构造芯片构造；；；；

• RAM区用来存放用户程序区用来存放用户程序区用来存放用户程序区用来存放用户程序，，，，选用选用选用选用RAM芯片构造芯片构造芯片构造芯片构造；；；；

• 选择存储芯片的类型和数量时选择存储芯片的类型和数量时选择存储芯片的类型和数量时选择存储芯片的类型和数量时，，，，必须先确定好必须先确定好必须先确定好必须先确定好ROM区和区和区和区和RAM

区的地址范围区的地址范围区的地址范围区的地址范围。。。。

举例举例举例举例：：：：CPU和主存的连接和主存的连接和主存的连接和主存的连接

CPU地址线地址线地址线地址线A15～～～～A0，，，，数据线数据线数据线数据线D7～～～～D0，，，，WR为读为读为读为读/写信号写信号写信号写信号，，，，MREQ为访存请求为访存请求为访存请求为访存请求

信号信号信号信号。。。。0000H～～～～3FFFH为为为为BIOS区区区区，，，，4000H～～～～FFFFH为用户程序区为用户程序区为用户程序区为用户程序区。。。。用用用用8K××××4位位位位ROM芯片和芯片和芯片和芯片和16K××××8位位位位RAM芯片构成该存储器芯片构成该存储器芯片构成该存储器芯片构成该存储器，，，，要求说明地址译码方案要求说明地址译码方案要求说明地址译码方案要求说明地址译码方案，，，，并并并并

将将将将ROM芯片芯片芯片芯片、、、、RAM芯片与芯片与芯片与芯片与CPU连接连接连接连接。。。。

解解解解：：：：因为因为因为因为0000H～～～～3FFFH为为为为BIOS，，，，故故故故ROM区高两位总是区高两位总是区高两位总是区高两位总是00，，，，低低低低14位为全译码位为全译码位为全译码位为全译码。。。。

ROM区大小为区大小为区大小为区大小为：：：：214××××8位位位位=16K××××8位位位位=16KB，，，，ROM芯片数为芯片数为芯片数为芯片数为：：：：

16K××××8位位位位 / 8K××××4位位位位 = 2××××2 = 4，，，，字方向扩展字方向扩展字方向扩展字方向扩展2倍倍倍倍，，，，位方向扩展位方向扩展位方向扩展位方向扩展2倍倍倍倍。。。。

ROM芯片内地址位数为芯片内地址位数为芯片内地址位数为芯片内地址位数为13位位位位，，，，连到连到连到连到CPU低低低低13位地址线位地址线位地址线位地址线A12～～～～A0。。。。

因为因为因为因为4000H～～～～FFFFH为用户程序区为用户程序区为用户程序区为用户程序区，，，，故故故故RAM区高两位是区高两位是区高两位是区高两位是01、、、、10、、、、11，，，，低低低低14位为全译码位为全译码位为全译码位为全译码。。。。RAM区大小为区大小为区大小为区大小为：：：：3××××214

××××8位位位位=3××××16K××××8位位位位= 48KB。。。。

RAM芯片数为芯片数为芯片数为芯片数为：：：：

48K××××8位位位位 / 16K××××8位位位位 = 3××××1 = 3，，，，字方向上扩展字方向上扩展字方向上扩展字方向上扩展3倍倍倍倍，，，，位方向上不扩展位方向上不扩展位方向上不扩展位方向上不扩展。。。。

RAM芯片内地址位数为芯片内地址位数为芯片内地址位数为芯片内地址位数为14位位位位，，，，连到连到连到连到CPU低低低低14位地址线位地址线位地址线位地址线A13～～～～A0。。。。

片选信号片选信号片选信号片选信号CS是哪一个是哪一个是哪一个是哪一个？？？？

00000101X11X

举例举例举例举例：：：：CPU和主存的连接和主存的连接和主存的连接和主存的连接

问题问题问题问题：：：：为什么为什么为什么为什么WR不连到不连到不连到不连到ROM芯片上芯片上芯片上芯片上？？？？

ROM片选由最高三位确定片选由最高三位确定片选由最高三位确定片选由最高三位确定。。。。

RAM片选由最高两位确定片选由最高两位确定片选由最高两位确定片选由最高两位确定。。。。

ROM芯片只读不写芯片只读不写芯片只读不写芯片只读不写

问题问题问题问题：：：：MREQ信号的作用是什么信号的作用是什么信号的作用是什么信号的作用是什么？？？？ 有效有效有效有效(低电平低电平低电平低电平)时时时时，，，，表示选中主存读写表示选中主存读写表示选中主存读写表示选中主存读写。。。。

问题问题问题问题：：：：是交叉还是连续编址是交叉还是连续编址是交叉还是连续编址是交叉还是连续编址？？？？

连续编址连续编址连续编址连续编址！！！！

回顾回顾回顾回顾：：：：存储器与存储器与存储器与存储器与CPU速度差距愈来愈大速度差距愈来愈大速度差距愈来愈大速度差距愈来愈大

从上图可以看出什么从上图可以看出什么从上图可以看出什么从上图可以看出什么？？？？

DRAM、、、、 硬盘与硬盘与硬盘与硬盘与CPU 之间之间之间之间

的速度差距愈来愈大的速度差距愈来愈大的速度差距愈来愈大的速度差距愈来愈大！！！！

01

10

1001,000

10,000100,000

1,000,00010,000,000

100,000,000

1980 1985 1990 1995 2000 2005

nsDisk seek time

DRAM access time

SRAM access time

CPU cycle time

由于由于由于由于CPU很快很快很快很快，，，，内内内内

存较慢存较慢存较慢存较慢（（（（差差差差1～～～～2个个个个数量级数量级数量级数量级），），），），从内存从内存从内存从内存

取数或向内存写数取数或向内存写数取数或向内存写数取数或向内存写数

时时时时，，，，CPU往往需要往往需要往往需要往往需要

等待等待等待等待。。。。

解决内存访问速度慢的措施有三个解决内存访问速度慢的措施有三个解决内存访问速度慢的措施有三个解决内存访问速度慢的措施有三个：：：：

• 提高主存芯片本身的速度提高主存芯片本身的速度提高主存芯片本身的速度提高主存芯片本身的速度

• 采用多模块存储器技术采用多模块存储器技术采用多模块存储器技术采用多模块存储器技术

• 在主存和在主存和在主存和在主存和CPU之间加入之间加入之间加入之间加入Cache

提高提高提高提高DRAM存储器速度的措施存储器速度的措施存储器速度的措施存储器速度的措施

� 之一之一之一之一：：：：采用芯片内部行缓冲采用芯片内部行缓冲采用芯片内部行缓冲采用芯片内部行缓冲，，，，以提高芯片本身的速度以提高芯片本身的速度以提高芯片本身的速度以提高芯片本身的速度

反复多次使用芯片内部缓存中的内容反复多次使用芯片内部缓存中的内容反复多次使用芯片内部缓存中的内容反复多次使用芯片内部缓存中的内容，，，，不需每次进行不需每次进行不需每次进行不需每次进行“行访问行访问行访问行访问”

DDR SDRAM (Double data-rate synchronous DRAM) 和和和和

DDR2 SDRAM

时钟频率时钟频率时钟频率时钟频率 内部频率内部频率内部频率内部频率 传输频率传输频率传输频率传输频率

=100MHz =200MHz =400MHz时钟频率时钟频率时钟频率时钟频率 内部频率内部频率内部频率内部频率 传输频率传输频率传输频率传输频率

=100MHz =100MHz =200MHz

存储单元存储单元存储单元存储单元

阵列阵列阵列阵列

数据总线数据总线数据总线数据总线

DDR SDRAM

存储单元存储单元存储单元存储单元

阵列阵列阵列阵列

数据总线数据总线数据总线数据总线

DDR2 SDRAM

提高提高提高提高DRAM存储器速度的措施存储器速度的措施存储器速度的措施存储器速度的措施

� 之二之二之二之二：：：：多模块技术多模块技术多模块技术多模块技术

2个个个个、、、、4个或多个存储器同时工作个或多个存储器同时工作个或多个存储器同时工作个或多个存储器同时工作

加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二：：：：多模块存储器多模块存储器多模块存储器多模块存储器

多体存储器多体存储器多体存储器多体存储器（（（（不能提高数据访问速度不能提高数据访问速度不能提高数据访问速度不能提高数据访问速度，，，，只是扩充容量只是扩充容量只是扩充容量只是扩充容量））））

由若干个小体组成由若干个小体组成由若干个小体组成由若干个小体组成，，，， 共用地址寄存器共用地址寄存器共用地址寄存器共用地址寄存器MAR和数据寄存器和数据寄存器和数据寄存器和数据寄存器MDR

加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二：：：：多模块存储器多模块存储器多模块存储器多模块存储器

双口存储器双口存储器双口存储器双口存储器（（（（能同时进行两个数据的读能同时进行两个数据的读能同时进行两个数据的读能同时进行两个数据的读/写写写写））））

两套独立的读两套独立的读两套独立的读两套独立的读/写控制电路写控制电路写控制电路写控制电路、、、、地址缓存地址缓存地址缓存地址缓存、、、、地址译码及地址线和数地址译码及地址线和数地址译码及地址线和数地址译码及地址线和数

据线据线据线据线，，，， 通常作为双口通常作为双口通常作为双口通常作为双口RAM或指令预取部件或指令预取部件或指令预取部件或指令预取部件

加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二加快访存速度措施之二：：：：多模块存储器多模块存储器多模块存储器多模块存储器

• 多模块存储器多模块存储器多模块存储器多模块存储器（（（（能提高数据访问速度能提高数据访问速度能提高数据访问速度能提高数据访问速度））））

包含多个小体包含多个小体包含多个小体包含多个小体；；；；

每个体有其自己的每个体有其自己的每个体有其自己的每个体有其自己的MAR、、、、MDR和读写电路和读写电路和读写电路和读写电路

可独立组成一个存储模块可独立组成一个存储模块可独立组成一个存储模块可独立组成一个存储模块

可同时对多个模块进行访问可同时对多个模块进行访问可同时对多个模块进行访问可同时对多个模块进行访问

根据不同的编址方式可分为根据不同的编址方式可分为根据不同的编址方式可分为根据不同的编址方式可分为：：：：

连续编址连续编址连续编址连续编址、、、、交叉编址交叉编址交叉编址交叉编址

连续编址多模块存储器连续编址多模块存储器连续编址多模块存储器连续编址多模块存储器

按高位地址划分模块按高位地址划分模块按高位地址划分模块按高位地址划分模块

第第第第0模块模块模块模块第第第第1模块模块模块模块 第第第第7模块模块模块模块

从某单元开始从某单元开始从某单元开始从某单元开始，，，，继续在继续在继续在继续在

同一模块访问同一模块访问同一模块访问同一模块访问，，，，然后才然后才然后才然后才

跳到下一个模块跳到下一个模块跳到下一个模块跳到下一个模块。。。。

如如如如：：：：一个模块执行程序一个模块执行程序一个模块执行程序一个模块执行程序，，，，

另一个实现另一个实现另一个实现另一个实现DMA访问访问访问访问。。。。

为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量？？？？

多个模块可并行存取多个模块可并行存取多个模块可并行存取多个模块可并行存取！！！！

交叉编址多模块存储器交叉编址多模块存储器交叉编址多模块存储器交叉编址多模块存储器

按低位地址划分模块按低位地址划分模块按低位地址划分模块按低位地址划分模块

第第第第0模块模块模块模块第第第第1模块模块模块模块

第第第第3模块模块模块模块

从某个单元开始从某个单元开始从某个单元开始从某个单元开始

后后后后，，，，总是在所有总是在所有总是在所有总是在所有

模块间交替进行模块间交替进行模块间交替进行模块间交替进行。。。。

为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量为什么能提高吞吐量？？？？

多个模块交叉存取多个模块交叉存取多个模块交叉存取多个模块交叉存取！！！！

第第第第2模块模块模块模块

在存储地址在存储地址在存储地址在存储地址“相关相关相关相关”或出现或出现或出现或出现

“转移转移转移转移”时时时时，，，，并行性被破坏并行性被破坏并行性被破坏并行性被破坏。。。。

Increasing Bandwidth – Interleaving( 交叉交叉交叉交叉)

Access Pattern without Interleaving: CPU Memory

Start Access for D1 Start Access for D2D1 available

Acc

ess

Ban

k 0

Access Bank 1Access Bank 2

Access Bank 3We can Access Bank 0 again

CPU

Bank 1

Bank 0

Bank 3

Bank 2

Access Pattern with Interleaving:

每隔每隔每隔每隔1/4周期在数据线上得到一个信息周期在数据线上得到一个信息周期在数据线上得到一个信息周期在数据线上得到一个信息，，，，使主存吞吐量提高使主存吞吐量提高使主存吞吐量提高使主存吞吐量提高4倍倍倍倍!

轮流启动轮流启动轮流启动轮流启动

各各各各Bank！！！！

小结小结小结小结

� 信息的存储信息的存储信息的存储信息的存储、、、、传送传送传送传送、、、、处理单位处理单位处理单位处理单位

• 记忆单元记忆单元记忆单元记忆单元 / 编址单位编址单位编址单位编址单位 / 存储单位存储单位存储单位存储单位 / 传输单位传输单位传输单位传输单位 / 机器字长机器字长机器字长机器字长

� 存储器分类存储器分类存储器分类存储器分类

• 可按存取方式可按存取方式可按存取方式可按存取方式 / 易失性易失性易失性易失性 / 可更改性可更改性可更改性可更改性 / 元器件元器件元器件元器件 / 功能来分功能来分功能来分功能来分

� 半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器半导体存储器随机访问存储器

• SRAM ：：：：速度快速度快速度快速度快，，，，容量小容量小容量小容量小，，，，可做快速小容量存储器可做快速小容量存储器可做快速小容量存储器可做快速小容量存储器

• DRAM：：：：速度慢速度慢速度慢速度慢，，，，容量大容量大容量大容量大，，，，用作主存用作主存用作主存用作主存

� RAM芯片组织芯片组织芯片组织芯片组织：：：：

• 存储阵列存储阵列存储阵列存储阵列：：：：按行按行按行按行、、、、列排列排列排列排，，，，分别由行地址和列地址指出位置分别由行地址和列地址指出位置分别由行地址和列地址指出位置分别由行地址和列地址指出位置

• 地址译码器地址译码器地址译码器地址译码器：：：：分行分行分行分行、、、、列地址译码器列地址译码器列地址译码器列地址译码器

• 读写逻辑读写逻辑读写逻辑读写逻辑：：：：可控制多个位平面的同一位数据一起读可控制多个位平面的同一位数据一起读可控制多个位平面的同一位数据一起读可控制多个位平面的同一位数据一起读/写写写写

� 提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施提高存储器速度的措施：：：：

• 芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存芯片内采用行缓存，，，，行内数据直接从缓存中取行内数据直接从缓存中取行内数据直接从缓存中取行内数据直接从缓存中取

• 采用多模块存储器采用多模块存储器采用多模块存储器采用多模块存储器，，，，多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取多个存储器交叉存取

• 引入引入引入引入Cache（（（（下一讲的主要内容下一讲的主要内容下一讲的主要内容下一讲的主要内容））））