本章目录 4.1 主存储器处于全机中心地位 4.2 主存储器分类 4.3 主存储器的主要技术指标 4.4 主存储器的基本操作 4.5 读／写存储器 ( 即随机存储器

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本章目录 4.1 主存储器处于全机中心地位 4.2 主存储器分类 4.3 主存储器的主要技术指标 4.4 主存储器的基本操作 4.5 读／写存储器 ( 即随机存储器 (RAM)) 4.6 非易失性半导体存储器 4.7DRAM 的研制与发展 4.8 半导体存储器的组成与控制 4.9 多体交叉存储器

2Computer System Organization and Architecture返回目录

本章学习目标本章学习目标

掌握半导体存储器的分类、组成及组成部件的作用及工作原理、读 /写操作的基本过程。掌握 SRAM、 DRAM芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引脚信号、了解 DRAM刷新的基本概念。 了了半导体存储器的组成和控制、多体交叉存储器间。

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4.1 4.1 主存储器处于全机中心地位主存储器处于全机中心地位

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存储器作用： 当前计算机正在执行的程序和数据均存放在存储器中 . DMA 技术和输入 / 输出技术 , 在存储器与输入 / 输出系统之间直接传送数据 共享存储器的多处理机 , 利用存储器存放共享数据 , 并实现处理机之间的通信

输出设备

输入设备

存储器 控

制器

运算器

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0000H 0001H 0002H

XXXXH

读写控制总线 数据总线

地址译码器 地址 内容

地址总线

存储器的逻辑结构示意图 返回本节

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4.2 4.2 主存储器的分类主存储器的分类 RAM( 随机存储器 )

了 静态 RAM了 动态 DRAM

ROM( 只读存储器 ) PROM( 可编程序的只读存储器 ) EPROM ( 可擦除可编程序的只读存储器 ) EEPROM( 可用电擦除的可编程序的只读存储器 ) Flash M: 快闪存储器（可以整块擦除，也可局部擦除）

易失性存储器

非易失性存储器

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半导体存储器的分类

半导体存储器 只读 存储器 ROM

随机读写存储器RAM

Flash M快速闪存储器

可编程ROM （PROM） 可擦除ROM （EPPROM） 电擦除ROM （E2PROM）

静态RAM （SRAM） 动态RAM （DRAM）

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7Computer System Organization and Architecture返回目录

4.2 4.2 主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标

（ 1 ）易失性 （ 2 ）只读性（ 3 ）位容量 （ 4 ）功耗（ 5 ）速度 （ 6 ）价格（ 7 ）可靠性

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主存储器技术指标： 断电后数据是否丢失存储数据是否可擦写

存取时间存储周期

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主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标ⅠⅠ 容量

了 计算机可寻址的最小单位是一个存储字了 一个存储字所包括的二进制位数称为字长了 一个字节为 8 个二进制位了 一个字可以由若干字节组成了 有些计算机可以按“字节”寻址 , 这种机器称为“字节可寻址”计算机了 容量 = 主存储器存储单元总数 × 存储字长

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主存储器的主要技术指标主存储器的主要技术指标ⅡⅡ 存储器存取时间 (Memory Access Time)

了 启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 存储周期 (Memory Cycle Time)

了 连续启动两次独立的存储器操作 ( 例如连续两次读操作 ) 所需间隔的最小时间 说明：

了 通常存储周期略大于存取时间了 具有合适价格的主存储器能提供信息的速度总跟不上 CPU 的处理速度

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4.44.4 主存储器的基本操作主存储器的基本操作 读操作：存储器→ CPU

了 CPU 把信息字的地址送到 AR, 经地址总线送往主存储器 .了 CPU 发读 (Read) 命令 .了 CPU 等待主存储器的 Ready 回答信号 ,Ready 为 1, 表示信息已读出经数据总线 , 送入 DR

写操作： CPU→ 存储器了 CPU 把信息字的地址送到 AR ，经地址总线送往主存储器 , 并将信息字送往 DR.了 CPU 发写 (Write) 命令 .了 CPU 等待主存储器的 Ready 回答信号 ,Ready 为 1, 表示信息已从 DR 经数据总线写入主存储器

读 / 写

Ready

nk 地址总线数据总线控制总线

CPUAR DR

主存储器

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4.5 4.5 随机读写存储器（随机读写存储器（ RAMRAM ））

4.5.1 静态 RAM 4.5.2 动态 RAM

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4.5.1 4.5.1 静态静态 SRAMSRAM

1．基本存储电路单元（六管静态存储电路）（ 1 ）存储单元和存储器VCC （ +5V ）

A BT1 T2

T3 T4

图 4-2-1 基本存储电路单元

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图 4-2-2 六管基本存储电路单元

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2 静态 RAM的结构

图 4.4 1K 存储器框图

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3． SRAM芯片实例常用典型的 SRAM 芯片有 6116 、 6264 、 62256等。

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2

GND

—— —— —— —— —— ——

—— —— —— —— —— ——

VCC A8 A9 WE OE A10 CS D7 D6 D5 D4 D3

1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13

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静态存储器的主要技术参数静态存储器的主要技术参数ⅠⅠ 读周期

了 地址读数时间 了 片选读时间 了 片选禁止到输出的传输延迟时间了 地址对片选的建立时间 LHCS→Dour

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静态存储器的主要技术参数静态存储器的主要技术参数ⅡⅡ 写周期

了 地址对写允许WE 的建立时间 了 地址对写允许WE 的保持时间 了 片选对写控制的建立时间 了 片选对写控制的保持时间 了 输入数据对写允许的建立时间 了 数据对写允许的保持时间 了 最小写允许宽度 了 读出恢复时间 了 写允许到输出的传输延迟

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4.5.2 4.5.2 动态动态 RAM RAM

1．动态 RAM的存储单元（单管动态存储电路）

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动态存储器动态存储器 (DRAM)(DRAM) 单管存储单元

了 写入 : 字线为高电平 ,T 导通 , 写 1: 数据线为低电平 ,VDD 通过 T对 Cs充电 写 0: 数据线为高电平 ,Cs 通过 T 放电

了 读出 : 数据线预充电至高电平 ; 当字线出现高电平后 ,T导通 , 若原来 Cs充有电荷 ,则 Cs 放电 ,使数据线电位下降 , 经放大后 , 读出为 1; 若原来 Cs 上无电荷 ,则数据线无电位变化 , 放大器无输出 , 读出为 0. 读出后 , 若原来 Cs充有电荷也被放掉了 , 和没有充电一样 ,因此读出是破坏性的 ,故读出后要立即对单元进行“重写” , 以恢复原信息

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16K16K11 动态存储器框图动态存储器框图

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16K16K11 动态存储器框图说明动态存储器框图说明 16K=214 地址码为 14 位 , 为了减少封装引脚数 , 地址码分两批 (每批 7 位 ) 送至存储器 .先送行地址 ,后送列地址 . 16K位存储单元矩阵由两个 64128阵列组成 . 读出信号保留在读出放大器中 . 读出时 , 读出放大器又使相应的存储单元的存储信息自动恢复 ( 重写 ), 所以读出放大器还用作再生放大器 . 再生 : 通过电容的充电来保存信息 ,但漏电阻的存在 ,其电荷会逐渐漏掉 , 从而使存储的信息丢失 .因此 ,必须在电荷漏掉以前就进行充电 , 这充电过程称为再生 ,或称为刷新 .

了 读出过程就能使信息得以恢复 , 由于每列都有读出放大器 ,因此只要依次改变行地址 ,轮流对存储矩阵的每一行的所有单元同时进行读出 , 当把所有行全部读出一遍 ,就完成了再生

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DRAMDRAM 芯片逻辑芯片逻辑 (16M(16M 位位 )) 16M 位 DRAM结构：

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动态存储器的工作方式动态存储器的工作方式 读工作方式 写工作方式 读 - 改写工作方式

了 在一个 RAS 周期内，先读出某一单元内容，然后再把新数据改写进该单元。 页面工作方式

了 保持 RAS 为低，改变列地址，实现对某一行的读写 减少两次输入地址带来的访问延迟 ,访问速度提高 2 到 3倍

再生（刷新）工作方式 DRAM 与 SRAM 的比较

了 DRAM每片容量大，引脚少 ; 价格低 ; 功率低 ;了 但速度低，须再生了 SRAM 一般用作容量不大的高速存储器

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4.64.6 非易失性半导体存储器非易失性半导体存储器 只读存储器 (ROM)

了 掩膜式 ROM ，由芯片制造商在制造时写入内容 可编程序的只读存储器 (PROM)

了 有熔丝式 PROM ，刚出厂的产品熔丝是全部接通的，使用前，用户根据需要断开某些单元的熔丝 ( 写入 ) 可擦除可编程序的只读存储器 (EPROM)

了 产品出厂时 , 所有存储单元都不导通 , 当浮置栅注入电子后 , 存储单元将通导 ;当芯片用紫外线照射后 ,浮置栅上的电子将逸散, 即整体擦除 可用电擦除的可编程序的只读存储器 (E2PROM)

了 编程原理和 EPROM同 ,但读写操作可按每个位或每字节进行 (类似于 SRAM),但每字节的写入周期要几毫秒 ,寿命为 10万次 . 快闪存储器 (Flash Memory)

了 用电擦除 ,但只能整体擦除或分区擦除

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半导体存储器的类型半导体存储器的类型存储器类型 种类 可擦除性 写机制 易散失性

RAM 读 -写存储器 电，字节级 电信号 易散失ROM 只读存储器 不能 掩膜位写 非散失PROM 只读存储器 不能 电信号 非散失EPROM 写一次读多次 紫外线芯片级 电信号 非散失EEPROM 写多次读多次 电，字节级 电信号 非散失Flash 写多次读多次 电，块级 电信号 非散失

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存储器的主要应用存储器的主要应用存储器 应用SRAM cache(高速缓冲存储器 )DRAM 计算机主存储器ROM 固定程序 ,微程序控制存储器PROM 用户自编程序 , 用于工业控制机或电器 EPROM 用户编写并可修改程序

或产品试制阶段试编程序EEPROM IC卡上存储信息Flash Memory 固态盘 ,IC卡

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4.7 DRAM4.7 DRAM 的研制与发展的研制与发展ⅠⅠ 增强型 DRAM (EDRAM) (异步 )

了 EDRAM 的存取时间和周期时间比普通 DRAM减少一半了 集成了小容量 SRAM,SRAM 中保存的是最后一次读操作所在行的全部内容

Cache DRAM (CDRAM) (异步 ) 了 有比 EDRAM更大的 SRAM了 SRAM 能作为真正的 Cache使用 , 即不仅最近存取的一行了 SRAM 也可以用作支持串行存取数据块的缓冲器

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DRAMDRAM 的研制与发展的研制与发展ⅡⅡ EDO DRAM (异步 )

了 普通 DRAM, 输入行地址和列地址后必须等待电路稳定 ,才能有效的读写数据 , 等待读 / 写周期完成后才能输入下一个地址 ; 而 EDO 在读出放大器之后 ,增加一个锁存器 ,于是在整个 CAS 周期都能有效输出数据 ,因此 ,EDO 不必等待当前的读 / 写周期完成即可启动下一个读 / 写周期 同步 DRAM (SDRAM)

了 典型的 DRAM 是异步工作的 ,CPU 送出地址和控制信号到存储器后 , 要等待存储器的 Ready 信号的返回 ,才能继续工作 ; 而 SDRAM 与 CPU 之间的数据传送是同步的 ,CPU 送地址和控制命令到 SDRAM( 由 SDRAM锁存 ),至SDRAM 完成操作的时间是已知的 , 在此其间 CPU 可进行其他工作 ,而不必等待之 .

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同步动态同步动态 RAMRAM•SDRAM采用成组传送方式 ,除了传送第一个数据需要地址建立时间和行线充电时间以外, 在以后顺序读出数据时 , 均可省去上述时间 .

•SDRAM内有方式寄存器和控制逻辑 ,①允许设置成组传送数据长度②允许设定 SDRAM接收命令到传送数据的等待时间即它有一个 256字节的 EEPROM,其中存放内存的速度 ,容量 ,电压与行 ,列地址带宽•SDRAM有两个存储体提供了并行操作的机会 .

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DRAMDRAM 的研制与发展的研制与发展ⅢⅢ Rambus DRAM (RDRAM)

了 RDRAM采用垂直封装 ,装配非常紧凑了 它与 CPU 之间传送数据是通过专用的 RDRAM 总线进行的 , 除了开始传送需要较大存取时间 , 以后可达到 500Mb/s 的传输率

集成随机存储器 (IRAM)了 习惯上所说的 RAM条 , 包括存储单元阵列 ,刷新逻辑,裁决逻辑 , 地址分时 , 控制逻辑及时序 .了 30pin SIMM 始用于 80286了 72pin SIMM 始用于 80486了 168pin DIMM 始用于 Pentium(PC66, PC100, PC133)

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DRAMDRAM 的研制与发展的研制与发展ⅣⅣ了 例 : SAMSUNG的 KMM375S1620BT

容量 16M×72 的 SDRAM DIMM(128MB带奇偶校验 ), 上面集成了 18 片 16M×4 的 SDRAM 芯片 ,2K SPD串行 EEPROM, 以及锁相环 PLL等辅助电路工作电压为 3.3±0.3V,LVTTL输入 / 输出兼容 ,支持突发模式 ,自动及自刷新速率 4K/64ms,符合 PC100标准 , 最高频率可达 125Mz

ASIC DRAM了 根据用户需求而设计的专用存储器芯片 , 例 Video Memory,双端口存储器 .

DDR SDRAM——双倍速率 SDRAM

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4.8 4.8 半导体存储器的组成与控制半导体存储器的组成与控制ⅠⅠ 位扩展

了 对数据位进行扩展（并联） 字扩展

了 对地址空间进行扩展（串联） 字位扩展

了 对地址空间进行字方向和位方向同时扩展

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位扩展位扩展ⅠⅠ

34Computer System Organization and Architecture返回目录

位扩展位扩展ⅡⅡ

用 1024×1 位的芯片组成 1K RAM 的框图

A0 ︰ ︰ A9

D0 ︰ ︰ ︰ D7

8

I / O 7

I / O

6

I / O 5

I / O

4

I / O 3

I / O

2

I / O 1

1024× 1 I / O

地址线

数据线

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字扩展字扩展ⅠⅠ

36Computer System Organization and Architecture返回目录

字扩展字扩展ⅡⅡ

用 256×4 位的芯片组成 1K RAM 的框图

37Computer System Organization and Architecture返回目录

字位扩展字位扩展ⅠⅠ

38Computer System Organization and Architecture返回目录

用 2114 芯片组成 4K RAM 线选控制译码结构图

字位扩展字位扩展ⅡⅡ

39Computer System Organization and Architecture返回目录

用 2114 芯片组成 4K RAM 局部译码结构图

字位扩展字位扩展ⅡⅡ -2-2

40Computer System Organization and Architecture返回目录

用 2114 芯片组成 4K RAM 全局译码结构图

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE D7～D0

6：64译 码 器

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE D7～D0

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE D7～D0

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE

D7～D0

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE

D7～D0

A9～A0

D7～D0

A9～A0 CS

2114 WE D7～D0

A15～A10

A9～A0

I O/M

CPU

WE

D7～D0

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字位扩展字位扩展ⅡⅡ -3-3

41Computer System Organization and Architecture返回目录

SRAMSRAM 与与 CPUCPU 的接口特性的接口特性 SRAM 的外部接口信号线：

了 地址线—— Ai了 数据线—— Di了 片选线—— CE(或 CS)了 读 / 写控制线——WE或WE/OE

SRAM 与 CPU 的接口方法是：了 低位地址线、数据线直接相连了 高位地址线经译码后产生片选信号 CS了 控制总线组合形成读 / 写控制信号 WE或WE/OE

42Computer System Organization and Architecture返回目录

半导体存储器的组成与控制半导体存储器的组成与控制ⅡⅡ 存储控制

了 集中刷新：在一个刷新周期内 , 利用一段固定的时间,依次对存储器的所有行逐一再生 , 在此其间停止对存储器的读和写 . 例 : 存储器有 1024 行 , 系统工作时间为 200ns,RAM刷新周期为 2ms. 这样 , 一个刷新周期内共有 10000个工作周期 ,其中用于再生为 1024 个工作周期 ,用于读和写为 8976 个工作周期 . 了 分布式刷新：采取在 2ms 时间内分散地将 1024 行刷新一遍的方法 . 具体做法是将刷新周期除以行数 ,得到两次刷新操作的时间间隔 , 上例中 ,2ms 除以 1024 等于 1953ns, 即每隔 1953ns产生一次刷新请求 .

存储校验线路

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4.9 4.9 多体交叉存储器多体交叉存储器存储器的结构技术： 增加存储器的数据宽度

了 例如 , 一次读出 64 位 采用多体交叉存储器

了 低位多体交叉2 的 k次幂模块 : 线路简单 ,但容易发生冲突质数模块 : 不易冲突 ,但有复杂线路实现物理地址到模块号及块内地址的转换

了 存储体的存取周期没有变 ,但对 CPU来说速度提高了若干倍

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多体交叉存储器多体交叉存储器 (( 编址方式编址方式 ))

45Computer System Organization and Architecture返回目录

多体交叉存储器多体交叉存储器 (( 工作时间图工作时间图 ))

交叉访问