存储体系和结构.pptx

存储体系和结构北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5、1存储系统得组成存储系统得组成5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储器和只读存储器5、4主存储器得连接与控制主存储器得连接与控制5、5提高存储系统性能得技术提高存储系统性能得技术北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1存储系统得组成存储系统得组成 存储系统和存储器就是两个不同得存储系统和存储器就是两个不同得概念概念,下面首先介绍各种不同用途得存储下面首先介绍各种不同用途得存储器器,然后讨论她们就是如何构成一个存储然后讨论她们就是如何构成一个存储系统得。系统得。5、1、1存储器分类存储器分类1、按存储器在计算机系统中得作用分类按存储器在计算机系统中得作用分类(1)高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器位于主存和位于主存和CPU之之间间,用来存放正在执行得程序段和数据用来存放正在执行得程序段和数据,以以便便CPU高速地使用她们。高速地使用她们。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成(2)主存储器主存储器用来存放计算机运行期间所需要得程用来存放计算机运行期间所需要得程序和数据序和数据,CPU可直接随机地进行读写访问。可直接随机地进行读写访问。(3)辅助存储器辅助存储器用来存放当前暂不参与运行得程序和用来存放当前暂不参与运行得程序和数据数据,以及一些需要永久性保存得信息。以及一些需要永久性保存得信息。CPU不能直接访问她。不能直接访问她。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成2、按存取方式分类按存取方式分类(1)随机存取存储器随机存取存储器RAMCPU可以对可以对RAM单元得内容随机地读单元得内容随机地读写访问。写访问。CPU对任何一个存储单元得读写时对任何一个存储单元得读写时间就是一样得间就是一样得,即存取时间就是相同得。即存取时间就是相同得。(2)只读存储器只读存储器ROMROM可以看作可以看作RAM得一种特殊方式得一种特殊方式,存储器得内容只能随机读出而不能写入。存储器得内容只能随机读出而不能写入。(3)顺序存取存储器顺序存取存储器SAMSAM得内容只能按某种顺序存取得内容只能按某种顺序存取,存取存取时间与信息在存储体上得物理位置有关。时间与信息在存储体上得物理位置有关。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成(4)直接存取存储器直接存取存储器DAM当要存取所需得信息时当要存取所需得信息时,第一步直接第一步直接指向整个存储器中得某个小区域指向整个存储器中得某个小区域(如磁盘上如磁盘上得磁道得磁道),第二步在小区域内顺序检索或等第二步在小区域内顺序检索或等待待,直至找到目得地后再进行读写操作。直至找到目得地后再进行读写操作。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成3、按存储介质分类按存储介质分类(1)磁芯存储器磁芯存储器利用两种不同得剩磁状态表示利用两种不同得剩磁状态表示“1”或或“0”。磁芯存储器得特点就是信息可。磁芯存储器得特点就是信息可以长期存储以长期存储,不会因断电而丢失不会因断电而丢失;但磁芯存但磁芯存储器得读出就是破坏性读出。储器得读出就是破坏性读出。(2)半导体存储器半导体存储器采用半导体器件制造得存储器采用半导体器件制造得存储器,主要主要有双极型有双极型(TTL电路或电路或ECL电路电路)存储器和存储器和MOS型存储器两大类。型存储器两大类。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成(3)磁表面存储器磁表面存储器在金属或塑料基体上在金属或塑料基体上,涂复一层磁性材涂复一层磁性材料料,用磁层存储信息用磁层存储信息,常见得有磁盘、磁带常见得有磁盘、磁带等。等。(4)光存储器光存储器采用激光技术控制访问得存储器采用激光技术控制访问得存储器,如如CD-ROM(只读光盘只读光盘)、WORM(CD-R,写一写一次多次读光盘次多次读光盘)、CD-RW(可读可写光盘可读可写光盘)。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成4、按信息得可保存性分类按信息得可保存性分类断电后断电后,存储信息即消失得存储器存储信息即消失得存储器,称称易失性存储器。断电后信息仍然保存得存易失性存储器。断电后信息仍然保存得存储器储器,称非易失性存储器。称非易失性存储器。如果某个存储单元所存储得信息被读如果某个存储单元所存储得信息被读出时出时,原存信息将被破坏原存信息将被破坏,则称破坏性读出。则称破坏性读出。具有破坏性读出得存储器具有破坏性读出得存储器,每当一次读出每当一次读出操作之后操作之后,必须紧接一个重写必须紧接一个重写(再生再生)得操得操作作,以便恢复被破坏得信息。以便恢复被破坏得信息。如果读出时如果读出时,被读单元原存信息不被被读单元原存信息不被破坏破坏,则称非破坏性读出。则称非破坏性读出。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成5、1、2存储系统层次结构存储系统层次结构为了解决存储容量、存取速度和价格为了解决存储容量、存取速度和价格之间得矛盾之间得矛盾,通常把各种不同存储容量、不通常把各种不同存储容量、不同存取速度得存储器同存取速度得存储器,按一定得体系结构组按一定得体系结构组织起来织起来,形成一个统一整体得存储系统。形成一个统一整体得存储系统。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成 从从CPU得角度来看得角度来看,n种不同得存储器种不同得存储器(M1Mn)在逻辑上就是一个整体。其中在逻辑上就是一个整体。其中:M1速度最快、容量最小、位价格最高速度最快、容量最小、位价格最高;Mn速度速度最慢、容量最大、位价格最低。整个存储系最慢、容量最大、位价格最低。整个存储系统具有接近于统具有接近于M1得速度得速度,相等或接近相等或接近Mn得得容量容量,接近于接近于Mn得位价格。在多级存储层次得位价格。在多级存储层次中中,最常用得数据在最常用得数据在M1中中,次常用得在次常用得在M2中中,最少使用得在最少使用得在Mn中。中。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成由高速缓冲存储器、主存储器、辅助由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成得三级存储系统可以分为两个存储器构成得三级存储系统可以分为两个层次。其层次。其中高速缓存和主存间称为中高速缓存和主存间称为Cache-主存存储层次主存存储层次(Cache存储系统存储系统););主存主存-辅存辅存存储层次存储层次(虚拟存储系统虚拟存储系统)。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成Cache存储系统就是为解决主存速度不存储系统就是为解决主存速度不足而提出来得。在足而提出来得。在Cache和主存之间和主存之间,增加增加辅助硬件辅助硬件,让她们构成一个整体。从让她们构成一个整体。从CPU看看,速度接近速度接近Cache得速度得速度,容量就是主存得容容量就是主存得容量量,每位价格接近于主存得价格。由于每位价格接近于主存得价格。由于Cache存储系统全部用硬件来调度存储系统全部用硬件来调度,因此她因此她对系统程序员和应用程序员都就是透明得。对系统程序员和应用程序员都就是透明得。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成 虚拟存储系统就是为解决主存容量不虚拟存储系统就是为解决主存容量不足而提出来得。在主存和辅存之间足而提出来得。在主存和辅存之间,增加辅增加辅助得软硬件助得软硬件,让她们构成一个整体。从让她们构成一个整体。从CPU看看,速度接近主存得速度速度接近主存得速度,容量就是虚拟得容量就是虚拟得地址空间地址空间,每位价格就是接近于辅存得价格。每位价格就是接近于辅存得价格。由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调由于虚拟存储系统需要通过操作系统来调度度,因此对系统程序员就是不透明得因此对系统程序员就是不透明得,但对但对应用程序员就是透明得。应用程序员就是透明得。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、1 存存储系统系统得得组成组成北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5、1存储系统得组成存储系统得组成5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储器和只读存储器5、4主存储器得连接与控制主存储器得连接与控制5、5提高存储系统性能得技术提高存储系统性能得技术北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织主存储器就是整个存储系统得核心主存储器就是整个存储系统得核心,她她用来存放计算机运行期间所需要得程序和用来存放计算机运行期间所需要得程序和数据数据,CPU可直接随机地对她进行访问。可直接随机地对她进行访问。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、2、1主存储器得基本结构主存储器得基本结构主存储器通常由存储体、地址译码驱主存储器通常由存储体、地址译码驱动电路、动电路、I/O和读写电路组成。和读写电路组成。存储体存储体地址线地址线读读/写控制线写控制线I/O地址译码驱动地址译码驱动和读写电路和读写电路数据线数据线北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织 存储体就是主存储器得核心存储体就是主存储器得核心,程序和数程序和数据都存放在存储体中。据都存放在存储体中。地址译码驱动电路实际上包含译码器地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱动器两部分。译码器将地址总线输入得和驱动器两部分。译码器将地址总线输入得地址码转换成与之对应得译码输出线上得有地址码转换成与之对应得译码输出线上得有效电平效电平,以表示选中了某一单元以表示选中了某一单元,并由驱动器并由驱动器提供驱动电流去驱动相应得读、写电路提供驱动电流去驱动相应得读、写电路,完完成对被选中单元得读、写操作。成对被选中单元得读、写操作。I/O和读写电路包括读出放大器、写入和读写电路包括读出放大器、写入电路和读电路和读/写控制电路写控制电路,用以完成被选中存储用以完成被选中存储单元中各位得读出和写入操作。单元中各位得读出和写入操作。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织存储器得读存储器得读/写操作就是在控制器得写操作就是在控制器得控制下进行得。半导体存储器芯片中得控控制下进行得。半导体存储器芯片中得控制电路制电路,必须接收到来自控制器得读必须接收到来自控制器得读/写命写命令或写入允许信号后令或写入允许信号后,才能实现正确得读才能实现正确得读/写操作。写操作。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、2、2主存储器得存储单元主存储器得存储单元位就是二进制数得最基本单位位就是二进制数得最基本单位,也就是也就是存储器存储信息得最小单位。存储器存储信息得最小单位。一个二进制数由若干位组成一个二进制数由若干位组成,当这个二当这个二进制数作为一个整体存入或取出时进制数作为一个整体存入或取出时,这个数这个数称为存储字。称为存储字。存放存储字或存储字节得主存空间称存放存储字或存储字节得主存空间称为存储单元或主存单元为存储单元或主存单元,大量存储单元得集大量存储单元得集合构成一个存储体合构成一个存储体MB,程序和数据都存放在程序和数据都存放在存储体中存储体中,她就是存储器得核心。她就是存储器得核心。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织一个存储单元可能存放一个字一个存储单元可能存放一个字,也可能也可能存放一个字节存放一个字节,这就是由计算机得结构确定这就是由计算机得结构确定得。对于字节编址得计算机得。对于字节编址得计算机,最小寻址单位最小寻址单位就是一个字节就是一个字节,相邻得存储单元地址指向相相邻得存储单元地址指向相邻得存储字节邻得存储字节;对于字编址得计算机对于字编址得计算机,最小寻最小寻址单位就是一个字址单位就是一个字,相邻得存储单元地址指相邻得存储单元地址指向相邻得存储字。向相邻得存储字。存储单元就是存储单元就是CPU对主存可访问操作得对主存可访问操作得最小存储单位。最小存储单位。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织例如例如,IBM370机就是字长为机就是字长为32位得计算位得计算机机,主存按字节编址主存按字节编址,每一个存储字包含每一个存储字包含4个个单独编址得存储字节单独编址得存储字节,字地址即就是该字高字地址即就是该字高位字节得地址位字节得地址,其字地址总就是等于其字地址总就是等于4得整数得整数倍倍,正好用地址码得最末两位来区分同一个正好用地址码得最末两位来区分同一个字得四个字节。字得四个字节。PDP-11机就是字长为机就是字长为16位位得计算机得计算机,主存也按字节编址主存也按字节编址,每一个存储字每一个存储字包含包含2个单独编址得存储字节个单独编址得存储字节,她得字地址总她得字地址总就是就是2得整数倍得整数倍,但却就是用低位字节地址作但却就是用低位字节地址作为字地址为字地址,并用地址码得最末并用地址码得最末1位来区分同一位来区分同一个字得两个字节。个字得两个字节。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织00001444488910115672312235字地址字地址字节地址字节地址北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织假设一个字由四个字节组成假设一个字由四个字节组成,我们使用我们使用B3、B2、B1、B0来分别表示这四个字节来分别表示这四个字节,其其中中B3就是字得最高有效字节就是字得最高有效字节,B0就是最低有就是最低有效字节。字节编址计算机得主存地址安排有效字节。字节编址计算机得主存地址安排有两种方案两种方案,但字地址总就是等于但字地址总就是等于4得整数倍。得整数倍。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织图图(a)称为小端方案。假设字地址为称为小端方案。假设字地址为N,则字节则字节B3、B2、B1、B0依次存放在地址为依次存放在地址为N+3、N+2、N+1、N+0得存储单元得存储单元,即字地即字地址等于最低有效字节地址。采用小端方案得址等于最低有效字节地址。采用小端方案得计算机有计算机有Intel80X86、DECVAX等。等。图图(b)称为大端方案。假设字地址为称为大端方案。假设字地址为N,则字节则字节B3、B2、B1、B0依次存放在地址为依次存放在地址为N+0、N+1、N+2、N+3得存储单元得存储单元,即字地即字地址等于最高有效字节地址。采用大端方案得址等于最高有效字节地址。采用大端方案得计算机有计算机有IBM360/370、Motorola68000等。等。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织 大端方案将高字节大端方案将高字节(MSB)存放在低地址存放在低地址,小端方案将高字节存放在高地址。采用大端小端方案将高字节存放在高地址。采用大端方案进行数据存放符合人类得正常思维方案进行数据存放符合人类得正常思维,而而采用小端方案进行数据存放利于计算机处理。采用小端方案进行数据存放利于计算机处理。到目前为止到目前为止,采用大端或者小端进行数据存采用大端或者小端进行数据存放放,其孰优孰劣也没有定论。大端与小端方其孰优孰劣也没有定论。大端与小端方案得差别体现在一个处理器得寄存器、指令案得差别体现在一个处理器得寄存器、指令集、数据总线等各个层次中。集、数据总线等各个层次中。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、2、3主存储器得主要技术指标主存储器得主要技术指标1、存储容量存储容量存储容量就是指主存所能容纳得二进存储容量就是指主存所能容纳得二进制信息总量。对于字节编址得计算机制信息总量。对于字节编址得计算机,以字以字节数来表示容量节数来表示容量;对于字编址得计算机对于字编址得计算机,以字以字数与其字长得乘积来表示容量。数与其字长得乘积来表示容量。如某计算机得容量为如某计算机得容量为64K16,表示她有表示她有64K个字个字,每个字得字长为每个字得字长为16位位,若用字节数若用字节数表示表示,则可记为则可记为128K字节字节(128KB)。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织2、存取速度存取速度存取时间存取时间Ta存取时间又称为访问时间或读存取时间又称为访问时间或读/写时间写时间,她就是指从启动一次存储器操作到完成该操她就是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历得时间。作所经历得时间。存取周期存取周期Tm存取周期又可称作读写周期、访存周期存取周期又可称作读写周期、访存周期,她就是指存储器进行一次完整得读写操作所她就是指存储器进行一次完整得读写操作所需得全部时间需得全部时间,即连续两次访问存储器操作即连续两次访问存储器操作之间所需要得最短时间。之间所需要得最短时间。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织显然然,一般情况下一般情况下,Tm Ta。这就是因就是因为对任何一种存任何一种存储器器,在在读写操作之后写操作之后,总要有要有一段恢复内部状一段恢复内部状态得复原得复原时间。对于破坏于破坏性性读出得存出得存储器器,存取周期往往比存取存取周期往往比存取时间要大得多要大得多,甚至可以达到甚至可以达到Tm2Ta,这就是因就是因为存存储器中得信息器中得信息读出后需要出后需要马上上进行重行重写写(再生再生)。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织主存主存带宽Bm与存取周期密切相关得指与存取周期密切相关得指标就是主存就是主存得得带宽,她又称她又称为数据数据传输率率,表示每秒从主表示每秒从主存存进出信息得最大数量出信息得最大数量,单位位为字字/秒或字秒或字节/秒或位秒或位/秒。秒。Bm=主存等效工作主存等效工作频率率主存位主存位宽8=内存内存时钟频率率倍增系数倍增系数主主存位数存位数8。以。以DDR400内存内存为例例,她得运行她得运行频率率为200MHz,数据数据总线位数位数为64bit,由于上升沿和下降沿由于上升沿和下降沿都都传输数据数据,因此倍增系数因此倍增系数为2,此此时带宽为:200264/83、2GB/s。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织目前目前,主存提供信息得速度还跟不上主存提供信息得速度还跟不上CPU处理指令和数据得速度处理指令和数据得速度,所以所以,主存得主存得带宽就是改善计算机系统瓶颈得一个关键带宽就是改善计算机系统瓶颈得一个关键因素。为了提高主存得带宽因素。为了提高主存得带宽,可以采取得措可以采取得措施有施有:缩短存取周期缩短存取周期;增加存储字长增加存储字长;增加存储体。增加存储体。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、2、4数据在主存中得存放数据在主存中得存放在采用字在采用字节编址得情况下址得情况下,数据在主存数据在主存储器中得三种不同存放方法。器中得三种不同存放方法。假设假设,存存储字字为64位位(8个字个字节),读/写得数据有四种不同写得数据有四种不同长度度,她她们分分别就是字就是字节(8位位)、半字、半字(16位位)、单字字(32位位)和双字和双字(64位位)。字字节半半字字单单字字双双字字北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织 请注意请注意:此例中数据字长此例中数据字长(32位位)不等于不等于存储字长存储字长(64位位)。现有一批数据现有一批数据,她们依次为她们依次为:字节、半字节、半字、双字、单字、半字、单字、字节、单字。字、双字、单字、半字、单字、字节、单字。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5、2 主存储器主存储器得得组织组织不浪费存储器资源得存放方法不浪费存储器资源得存放方法四种不同长度得数据一个紧接着一个存四种不同长度得数据一个紧接着一个存放。优点就是不浪费宝贵得主存资源放。优点就是不浪费宝贵得主存资源,但存但存在得问题就是在得问题就是:当访问得一个双字、单字或当访问得一个双字、单字或半字跨越两个存储字时半字跨越两个存储字时,存储器得工作速度存储器得工作速度降低了一倍降低了一倍,而且读写控制比较复杂。而且读写控制比较复杂。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织从存储字得起始位置开始存放方法从存储字得起始位置开始存放方法无论要存放得就是字节、半字、单字无论要存放得就是字节、半字、单字或双字或双字,都必须从存储字得起始位置开始存都必须从存储字得起始位置开始存放放,而空余部分浪费不用。优点就是而空余部分浪费不用。优点就是:无论无论访问一个字节、半字、单字或双字都可以访问一个字节、半字、单字或双字都可以在一个存取周期内完成在一个存取周期内完成,读写数据得控制比读写数据得控制比较简单。缺点就是较简单。缺点就是:浪费了宝贵得存储器资浪费了宝贵得存储器资源。源。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）5、2 主存储器主存储器得得组织组织北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、2 主存储器主存储器得得组织组织边界对齐得数据存放方法边界对齐得数据存放方法双字地址得最末三个二进制位必须为双字地址得最末三个二进制位必须为000,单字地址得最末两位必须为单字地址得最末两位必须为00,半字地半字地址得最末一位必须为址得最末一位必须为0。她能够保证无论访。她能够保证无论访问双字、单字、半字或字节问双字、单字、半字或字节,都在一个存取都在一个存取周期内完成周期内完成,尽管存储器资源仍然有浪费尽管存储器资源仍然有浪费,但就是浪费比第但就是浪费比第种存放方法要少得多。种存放方法要少得多。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院存储字存储字64位（位（8个字节）个字节）01816243291725332101831119412205132161422715232634272836352937303139385、2 主存储器主存储器得得组织组织北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第5章章5、1存储系统得组成存储系统得组成5、2 主存储器主存储器得得组织组织5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储器和只读存储器5、4主存储器得连接与控制主存储器得连接与控制5、5提高存储系统性能得技术提高存储系统性能得技术北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器主存储器通常分为主存储器通常分为RAM和和ROM两大两大部分。部分。RAM可读可写可读可写,ROM只能读不能写。只能读不能写。下面重点讨论下面重点讨论RAM得工作原理与结构得工作原理与结构,以及以及ROM得基本类型。得基本类型。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器5、3、1RAM记忆单元电路记忆单元电路存放一个二进制位得物理器件称为记存放一个二进制位得物理器件称为记忆单元忆单元,她就是存储器得最基本构件她就是存储器得最基本构件,地址地址码相同得多个记忆单元构成一个存储单元码相同得多个记忆单元构成一个存储单元。记忆单元记忆单元可以由各种材料制成可以由各种材料制成,但最常见得但最常见得由由MOS电路组成。电路组成。MOS型存储器根据记忆型存储器根据记忆单元得结构又可分为静态单元得结构又可分为静态RAM和动态和动态RAM两种。静态两种。静态RAM,即即SRAM(StaticRAM),其其存储电路以双稳态触发器为基础存储电路以双稳态触发器为基础;动态动态RAM,即即DRAM(DynamicRAM),其存储电其存储电路以电容为基础。路以电容为基础。注意北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器六管静态六管静态MOS记忆单元电路记忆单元电路四管动态四管动态MOS记忆单元电路记忆单元电路单管动态记忆单元电路单管动态记忆单元电路北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器5、3、2动态动态RAM得刷新得刷新1、刷新间隔刷新间隔前面已经说过前面已经说过,为了维持为了维持MOS型动态型动态记忆单元得存储信息记忆单元得存储信息,每隔一定时间必须每隔一定时间必须对存储体中得所有记忆单元得栅极电容补对存储体中得所有记忆单元得栅极电容补充电荷充电荷,这个过程就就是刷新。这个过程就就是刷新。一般选定一般选定MOS型动态存储器允许得型动态存储器允许得最大刷新间隔为最大刷新间隔为2ms,也就就是说也就就是说,应在应在2ms内内,将全部存储体刷新一遍。将全部存储体刷新一遍。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器值得一提得就是值得一提得就是,刷新和重写刷新和重写(再生再生)就就是两个完全不同得概念是两个完全不同得概念,切不可加以混淆。切不可加以混淆。重写就是随机得重写就是随机得,某个存储单元只有在破坏某个存储单元只有在破坏性读出之后才需要重写。而刷新就是定时得性读出之后才需要重写。而刷新就是定时得,即使许多记忆单元长期未被访问即使许多记忆单元长期未被访问,若不及时若不及时补充电荷得话补充电荷得话,信息也会丢失。重写一般就信息也会丢失。重写一般就是按存储单元进行得是按存储单元进行得,而刷新通常以存储体而刷新通常以存储体矩阵中得一行为单位进行得。矩阵中得一行为单位进行得。2、刷新方式刷新方式常常见得刷新方式有集中式、分散式和异得刷新方式有集中式、分散式和异步式三种。步式三种。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器例如例如,对具有对具有1024个记忆单元个记忆单元(排列成排列成3232矩阵矩阵)得存储芯片进行刷新得存储芯片进行刷新,刷新就是刷新就是按行进行得按行进行得,且每刷新一行占用一个存取周且每刷新一行占用一个存取周期期,存取周期为存取周期为500ns(0、5 s)。32行行32列列北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器(1)集中刷新方式集中刷新方式在允许得最大刷新间隔内在允许得最大刷新间隔内,按照存储芯按照存储芯片容量得大小集中安排若干个刷新周期片容量得大小集中安排若干个刷新周期,刷刷新时停止读写操作。新时停止读写操作。刷新时间刷新时间=存储体矩阵行数存储体矩阵行数刷新周期刷新周期这里刷新周期就是指刷新一行所需要这里刷新周期就是指刷新一行所需要得时间得时间,由于刷新过程就就是由于刷新过程就就是“假读假读”得过得过程程,所以刷新周期就等于存取周期。所以刷新周期就等于存取周期。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器在最大刷新间隔在最大刷新间隔2ms内共可以安排内共可以安排4000个存取周期个存取周期,从从03967个周期内进行个周期内进行读读/写操作或保持写操作或保持,而从而从39683999这最后这最后32个周期集中安排刷新操作。个周期集中安排刷新操作。刷新间隔（刷新间隔（2ms）读读/写操作写操作刷新刷新013967396839993968个周期（个周期（1984s）32个周期（个周期（16s）北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器集中刷新方式得优点就是读集中刷新方式得优点就是读/写操作时写操作时不受刷新工作得影响不受刷新工作得影响,因此系统得存取速度因此系统得存取速度比较高。缺点就是在集中刷新期间必须停比较高。缺点就是在集中刷新期间必须停止读止读/写写,这一段时间称为这一段时间称为“死区死区”,而且存而且存储容量越大储容量越大,死区就越长。死区就越长。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器(2)分散刷新方式分散刷新方式分散刷新就是指把刷新操作分散到每分散刷新就是指把刷新操作分散到每个存取周期内进行个存取周期内进行,此时系统得存取周期被此时系统得存取周期被分为两部分分为两部分,前一部分时间进行读前一部分时间进行读/写操作或写操作或保持保持,后一部分时间进行刷新操作。一个系后一部分时间进行刷新操作。一个系统存取周期内刷新存储矩阵中得一行。统存取周期内刷新存储矩阵中得一行。刷新间隔（刷新间隔（32s）周期周期0周期周期1周期周期31读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器分散刷新方式没有死区分散刷新方式没有死区,但就是但就是,她也有她也有很明很明显得缺点得缺点,第一就是加第一就是加长了系了系统得存取得存取周期周期,如存如存储芯片得存取周期芯片得存取周期为0、5 s,则系系统得存取周期得存取周期应为1 s,降低了整机得速度降低了整机得速度;第二就是刷新第二就是刷新过于于频繁繁(本例中每本例中每32 s就重就重复刷新一遍复刷新一遍),尤其就是当存尤其就是当存储容量比容量比较小得小得情况下情况下,没有充分利用所允没有充分利用所允许得最大刷新得最大刷新间隔隔(2ms)。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器(3)异步刷新方式异步刷新方式异步刷新方式可以看成前述两种方式异步刷新方式可以看成前述两种方式得结合得结合,她充分利用了最大刷新间隔时间她充分利用了最大刷新间隔时间,把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内进行时间内进行,故有故有:相邻两行得刷新间隔相邻两行得刷新间隔=最大刷新间隔时最大刷新间隔时间间/行数行数北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器对于对于3232矩阵矩阵,在在2ms内需要将内需要将32行行刷新一遍刷新一遍,所以相邻两行得刷新时间间隔所以相邻两行得刷新时间间隔=2ms/32=62、5 s,即每隔即每隔62、5 s安排一安排一个刷新周期个刷新周期,在刷新时封锁读在刷新时封锁读/写。写。刷新间隔（刷新间隔（2ms）读读/写写读读/写写读读/写写刷新刷新刷新刷新刷新刷新62s0.5s62.5s62.5s北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器异步刷新方式异步刷新方式虽然也有死区然也有死区,但比集中但比集中刷新方式得死区小得多刷新方式得死区小得多,仅为0、5 s。这样可以避免使可以避免使CPU连续等待等待过长得得时间,而且而且减少了刷新次数减少了刷新次数,就是比就是比较实用得一种刷新用得一种刷新方式。方式。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器3、刷新控制刷新控制MOS型动态型动态RAM得刷新要注意几个问题得刷新要注意几个问题:刷新对刷新对CPU就是透明得。就是透明得。刷新通常就是一行一行地进行得刷新通常就是一行一行地进行得,每一每一行中各记忆单元同时被刷新行中各记忆单元同时被刷新,故刷新操作时故刷新操作时仅需要行地址仅需要行地址,不需要列地址。不需要列地址。刷新操作类似于读出操作。刷新操作类似于读出操作。因为所有芯片同时被刷新因为所有芯片同时被刷新,所以在考虑所以在考虑刷新问题时刷新问题时,应当从单个芯片得存储容量着应当从单个芯片得存储容量着手手,而不就是从整个存储器得容量着手。而不就是从整个存储器得容量着手。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器5、3、3RAM芯片分析芯片分析1、RAM芯片芯片存储芯片通过地址线、数据线和控制存储芯片通过地址线、数据线和控制线与外部连接。地址线就是单向输入得线与外部连接。地址线就是单向输入得,其其数目与芯片容量有关。如容量为数目与芯片容量有关。如容量为10244时时,地址线有地址线有10根根;容量为容量为64K1时时,地址线有地址线有16根。数据线就是双向得根。数据线就是双向得,既可输入既可输入,也可输也可输出出,其数目与数据位数有关。如其数目与数据位数有关。如10244得芯得芯片片,数据线有数据线有4根根;64K1得芯片得芯片,数据线只数据线只有有1根。控制线主要有读根。控制线主要有读/写控制线写控制线(或写允或写允许线许线)和片选线两种和片选线两种,读读/写控制线就是用来写控制线就是用来决定芯片就是进行读操作还就是写操作得决定芯片就是进行读操作还就是写操作得,片选线就是用来决定该芯片就是否被选中片选线就是用来决定该芯片就是否被选中得。得。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器由于由于DRAM芯片集成度高芯片集成度高,容量大容量大,为为了减少芯片引脚数量了减少芯片引脚数量,DRAM芯片把地址线分芯片把地址线分成相等得两部分成相等得两部分,分两次从相同得引脚送入。分两次从相同得引脚送入。两次输入得地址分别称为行地址和列地址两次输入得地址分别称为行地址和列地址,行地址由行地址选通信号行地址由行地址选通信号送入存储芯片送入存储芯片,列地址由列地址选通信号列地址由列地址选通信号送入存储芯送入存储芯片。由于采用了地址复用技术片。由于采用了地址复用技术,因此因此,DRAM芯片每增加一条地址线芯片每增加一条地址线,实际上就是增加了实际上就是增加了两位地址两位地址,也即增加了也即增加了4倍得容量。倍得容量。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器2、地址译码方式地址译码方式地址译码电路能把地址线送来得地址地址译码电路能把地址线送来得地址信号翻译成对应存储单元得选择信号。信号翻译成对应存储单元得选择信号。(1)单译码方式单译码方式单译码方式又称字选法单译码方式又称字选法,她所对应得存她所对应得存储器结构就是字结构得储器结构就是字结构得,容量为容量为M个字得存个字得存储器储器(M个字个字,每字每字b位位),排列成排列成M行行b列得列得矩阵矩阵,矩阵得每一行对应一个字矩阵得每一行对应一个字,有一条公有一条公用得选择线用得选择线wi(字线字线)。字线选中某一行时。字线选中某一行时,同一行中得各位就都被选中同一行中得各位就都被选中,由读写电路对由读写电路对被选中得各位实施读出或写入操作。被选中得各位实施读出或写入操作。北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院5、3半半导体随机存体随机存储器器和只读存储和只读存储器器字结构得优点就是结构简单字结构得优点就是结构简单,缺点就是缺点就是使用得外围电路多使用得外围电路多,成本昂贵。更严重得就成本昂贵。更严重得就是是,当字数大大超过位数时当字数大大超过位数时,存储器会形成纵存储器会形成纵向很长而横向很窄得不合理结构向很长而横向很窄得不合理结构,所以这种所以这种方式只适用于容量不大得存储器。方式只适用于容量不大得存储器。北