主存儲(chǔ)器部件的組成與設(shè)計(jì)

1、主存儲(chǔ)器概述

(1)主存儲(chǔ)器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)

◎讀寫速度：常常用存儲(chǔ)周期來(lái)度量，存儲(chǔ)周期是連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作(如讀操作)所必需的時(shí)間間隔。

◎存儲(chǔ)容量：通常用構(gòu)成存儲(chǔ)器的字節(jié)數(shù)或字?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)量。

(2)主存儲(chǔ)器與CPU及外圍設(shè)備的連接

是通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線進(jìn)行連接，見(jiàn)下圖

主存儲(chǔ)器與CPU的連接

◎地址總線用于選擇主存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元，若地址總線的位數(shù)k，則最大可尋址空間為2k。如k=20,可訪問(wèn)1MB的存儲(chǔ)單元。

◎數(shù)據(jù)總線用于在計(jì)算機(jī)各功能部件之間傳送數(shù)據(jù)。

◎控制總線用于指明總線的工作周期和本次輸入/輸出完成的時(shí)刻。

(3)主存儲(chǔ)器分類

◎按信息保存的長(zhǎng)短分：ROM與RAM

◎按生產(chǎn)工藝分：靜態(tài)存儲(chǔ)器與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器

靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)：讀寫速度快，生產(chǎn)成本高，多用于容量較小的高速緩沖存儲(chǔ)器。

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)：讀寫速度較慢，集成度高，生產(chǎn)成本低，多用于容量較大的主存儲(chǔ)器。

靜態(tài)存儲(chǔ)器與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器主要性能比較如下表：

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片特性比較

SRAM DRAM

存儲(chǔ)信息 觸發(fā)器 電容

破壞性讀出 非 是

需要刷新 不要 需要

送行列地址 同時(shí)送 分兩次送

運(yùn)行速度 快 慢

集成度 低 高

發(fā)熱量 大 小

存儲(chǔ)成本 高 低

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的定期刷新：在不進(jìn)行讀寫操作時(shí)，DRAM 存儲(chǔ)器的各單元處于斷電狀態(tài)，由于漏電的存在，保存在電容CS 上的電荷會(huì)慢慢地漏掉，為此必須定時(shí)予以補(bǔ)充，稱為刷新操作。

2、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的記憶原理和讀寫過(guò)程

(1)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的組成：由單個(gè)MOS管來(lái)存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。信息存儲(chǔ)在MOS管的源極的寄生電容CS中。

◎?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)：字線為高電平，T導(dǎo)通。

寫“1”時(shí)，位線(數(shù)據(jù)線)為低電平， VDD(電源)將向電容充電

寫“0時(shí)，位線(數(shù)據(jù)線)為高電平， 若電容存儲(chǔ)了電荷，則將會(huì)使電容完成放電，就表示存儲(chǔ)了“0”。

◎讀數(shù)據(jù)時(shí)：先使位線(數(shù)據(jù)線)變?yōu)楦唠娖?，?dāng)字線高電平到來(lái)時(shí)T導(dǎo)通，若電容原存儲(chǔ)有電荷( 是“1” )，則電容就要放電，就會(huì)使數(shù)據(jù)線電位由高變低;若電容沒(méi)有存儲(chǔ)電荷( 是“0” )，則數(shù)據(jù)線電位不會(huì)變化。檢測(cè)數(shù)據(jù)線上電位的變化就可以區(qū)分讀出的數(shù)據(jù)是1還是0。

注意

①讀操作使電容原存儲(chǔ)的電荷丟失，因此是破壞性讀出。為保持原記憶內(nèi)容，必須在讀操作后立刻跟隨一次寫入操作，稱為預(yù)充電延遲。

②向動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元提供地址，是先送行地址再送列地址。原因就是對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器必須定時(shí)刷新(如2ms)，刷新不是按字處理，而是每次刷新一行，即為連接在同一行上所有存儲(chǔ)單元的電容補(bǔ)充一次能量。

③在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的位線上讀出信號(hào)很小，必須接讀出放大器，通常用觸發(fā)器線路實(shí)現(xiàn)。

④存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部的行地址和列地址鎖存器分先后接受行、列地址。

⑤RAS、CAS、WE、Din、Dout時(shí)序關(guān)系如下圖：

3、教學(xué)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器組成與設(shè)計(jì)

(1)靜態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)(P207)

(2)教學(xué)計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的組成與設(shè)計(jì)

◎地址總線：記為AB15～AB0,統(tǒng)一由地址寄存器AR驅(qū)動(dòng)，地址寄存器AR只接收ALU輸出的信息。

◎控制總線：控制總線的信號(hào)由譯碼器74LS139給出，功能是指出總線周期的類型：

※內(nèi)存寫周期 用MMW信號(hào)標(biāo)記

※內(nèi)存讀周期 用MMR信號(hào)標(biāo)記

※外設(shè)(接口)寫周期 用IOW信號(hào)標(biāo)記

※外設(shè)(接口)讀周期 用IOR信號(hào)標(biāo)記

※內(nèi)存在工作 用MMREQ信號(hào)標(biāo)記

※外設(shè)在工作 用IOREQ信號(hào)標(biāo)記

※寫控存周期 用SWA信號(hào)標(biāo)記

◎數(shù)據(jù)總線：分為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線IB與外部數(shù)據(jù)總線DB兩部分。主要完成計(jì)算機(jī)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送。

設(shè)計(jì)總線的核心技術(shù)是要保證在任何時(shí)刻只能把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，卻允許一個(gè)和多個(gè)部件同時(shí)接受總線上的信息。所用的電路通常為三態(tài)門電路。

◎系統(tǒng)時(shí)鐘及時(shí)序：教學(xué)機(jī)晶振1.8432MHz，3分頻后用614.4KHz的時(shí)鐘作為系統(tǒng)主時(shí)鐘，使CPU、內(nèi)存、IO同步運(yùn)行。

CPU內(nèi)部的有些寄存器用時(shí)鐘結(jié)束時(shí)的上升沿完成接受數(shù)據(jù)，而通用寄存器是用低電平接收的。內(nèi)存或I/O讀寫操作時(shí)，每個(gè)總線周期由兩個(gè)時(shí)鐘組成，第一個(gè)時(shí)鐘，稱為地址時(shí)間，用于傳送地址;第二個(gè)時(shí)鐘，稱為數(shù)據(jù)時(shí)間，用于讀寫數(shù)據(jù)

◎靜態(tài)存儲(chǔ)器的字位擴(kuò)展：

教學(xué)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器用靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)，由2K字的ROM區(qū)和2K字RAM區(qū)組成。內(nèi)存字長(zhǎng)16位，按字尋址。

ROM由74LS2716只讀存儲(chǔ)器ROM(每片2048個(gè)存儲(chǔ)單元，每單元為8位二進(jìn)制位)兩片完成字長(zhǎng)的擴(kuò)展。地址分配在：0～2047

RAM由74LS6116隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(每片2048個(gè)存儲(chǔ)單元，每單元為8位二進(jìn)制位)兩片完成字長(zhǎng)的擴(kuò)展。地址分配在：2048～4095

靜態(tài)存儲(chǔ)器字、位擴(kuò)展

主存儲(chǔ)器的讀寫過(guò)程

靜態(tài)存儲(chǔ)器地址分配:

為訪問(wèn) 2048 個(gè)存儲(chǔ)單元，要用 11 位地址，把地址總線的低 11 位地址送到每個(gè)存儲(chǔ)器芯片的地址引腳;對(duì)地址總線的高位進(jìn)行譯碼，譯碼信號(hào)送到各存儲(chǔ)器芯片的/CS 引腳，

◎在按字尋址的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)按字節(jié)讀寫

4、主存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中的幾項(xiàng)技術(shù)

(1)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的快速讀寫技術(shù)

◎快速頁(yè)式工作技術(shù)(動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的快速讀寫技術(shù))

讀寫動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器同一行的數(shù)據(jù)時(shí)，其行地址第一次讀寫時(shí)鎖定后保持不變，以后讀寫該行多列中的數(shù)據(jù)時(shí)，僅鎖存列地址即可，省去了鎖存行地址的時(shí)間，加快了主存儲(chǔ)器的讀寫速度。

◎EDO(Extended Data Out)技術(shù)

在快速頁(yè)式工作技術(shù)上，增加了數(shù)據(jù)輸出部分的數(shù)據(jù)鎖存線路，延長(zhǎng)輸出數(shù)據(jù)的有效保持時(shí)間，從而地址信號(hào)改變了，仍然能取得正確的讀出數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步縮短地址送入時(shí)間，更加快了主存儲(chǔ)器的讀寫速度。

(2)主存儲(chǔ)器的并行讀寫技術(shù)

是指在主存儲(chǔ)器的一個(gè)工作周期(或較長(zhǎng))可以讀出多個(gè)主存字所采用的技術(shù)。

方案1：一體多字結(jié)構(gòu)，即增加每個(gè)主存單元所包括的數(shù)據(jù)位，使其同時(shí)存儲(chǔ)幾個(gè)主存字，則每一次讀操作就同時(shí)讀出了幾個(gè)主存字。

方案2：多體交叉編址技術(shù)，把主存儲(chǔ)器分成幾個(gè)能獨(dú)立讀寫的、字長(zhǎng)為一個(gè)主存字的主體，分別對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)體進(jìn)行讀寫;還可以使幾個(gè)存儲(chǔ)體協(xié)同運(yùn)行，從而提供出比單個(gè)存儲(chǔ)體更高的讀寫速度。

有兩種方式進(jìn)行讀寫：

◎在同一個(gè)讀寫周期同時(shí)啟動(dòng)所有主存體讀或?qū)憽?/p>

◎讓主存體順序地進(jìn)行讀或?qū)?，即依次讀出來(lái)的每一個(gè)存儲(chǔ)字，可以通過(guò)數(shù)據(jù)總線依次傳送走，而不必設(shè)置專門的數(shù)據(jù)緩沖寄存器;其次，就是采用交叉編址的方式，把連續(xù)地址的幾個(gè)存儲(chǔ)字依次分配在不同的存儲(chǔ)體中，因?yàn)楦鶕?jù)程序運(yùn)行的局部性特性，短時(shí)間內(nèi)讀寫地址相鄰的主存字的概率更大。

(3)存儲(chǔ)器對(duì)成組數(shù)據(jù)傳送的支持

所謂成組數(shù)據(jù)傳送就是地址總線傳送一次地址后，能連續(xù)在數(shù)據(jù)總線上傳送多個(gè)數(shù)據(jù)。而原先是每傳送一次數(shù)據(jù)要使用兩個(gè)時(shí)鐘周期：先送一次地址，后跟一次數(shù)據(jù)傳送，即要傳送N個(gè)數(shù)據(jù)，就要用2N個(gè)總線時(shí)鐘周期，成組數(shù)據(jù)傳送方式只用N+1個(gè)總線時(shí)鐘周期。

實(shí)現(xiàn)成組數(shù)據(jù)傳送方式，不僅CPU要支持這種運(yùn)行方式，主存也能提供足夠高的數(shù)據(jù)讀寫速度，這往往通過(guò)主存的多體結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的EDO支持等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。