江西財(cái)經(jīng)大學(xué)第5章-1 存儲(chǔ)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)組成原理朱華貴2017年10月26日計(jì)算機(jī)組成原理存儲(chǔ)系統(tǒng)是由幾個(gè)容量、速度和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器構(gòu)成的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)容量大、速度快、成本低的存儲(chǔ)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要課題。本章重點(diǎn)討論主存儲(chǔ)器的工作原理、組成方式以及運(yùn)用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片組成主存儲(chǔ)器的一般原則和方法，此外還介紹了高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的基本原理。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容5.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成5.2主存儲(chǔ)器的組織5.3半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器5.4主存儲(chǔ)器的連接與控制5.5提高主存讀寫速度的技術(shù)5.6多體交叉存儲(chǔ)技術(shù)5.7高速緩沖存儲(chǔ)器5.8虛擬存儲(chǔ)器5.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

存儲(chǔ)系統(tǒng)和存儲(chǔ)器是兩個(gè)不同的概念，下面首先介紹各種不同用途的存儲(chǔ)器，然后討論它們是如何構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的。存儲(chǔ)器應(yīng)用無(wú)處不在什么是存儲(chǔ)器？存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（Memory）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的全部信息，都保存在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器容量均以字節(jié)為單元，常用的單位有：

210字節(jié)=1024B=1KB220字節(jié)=1024KB=1MB230字節(jié)=1024MB=1GB240字節(jié)=1024GB=1TB存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)各種信息的存儲(chǔ)和交流中心。存儲(chǔ)器可與CPU、輸入輸出設(shè)備交換信息，起存儲(chǔ)、緩沖、傳遞信息的作用。衡量存儲(chǔ)器有三個(gè)指標(biāo)：容量、速度和價(jià)格/位。5.1.1存儲(chǔ)器分類1.按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類⑴高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器用來(lái)存放正在執(zhí)行的程序段和數(shù)據(jù)。高速緩沖存儲(chǔ)器的存取速度可以與CPU的速度相匹配，但存儲(chǔ)容量較小，價(jià)格較高。⑵主存儲(chǔ)器主存用來(lái)存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機(jī)地進(jìn)行讀/寫訪問(wèn)。⑶輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器用來(lái)存放當(dāng)前暫不參與運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)以及一些需要永久性保存的信息。輔存設(shè)在主機(jī)外部，CPU不能直接訪問(wèn)它。輔存中的信息必須通過(guò)專門的程序調(diào)入主存后，CPU才能使用。⑴隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAMCPU可以對(duì)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容隨機(jī)地存取，CPU對(duì)任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的寫入和讀出時(shí)間是一樣的，即存取時(shí)間相同，與其所處的物理位置無(wú)關(guān)。⑵只讀存儲(chǔ)器ROM

ROM可以看作RAM的一種特殊形式，其特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能隨機(jī)讀出而不能寫入。這類存儲(chǔ)器常用來(lái)存放那些不需要改變的信息。2.按存取方式分類⑶順序存取存儲(chǔ)器SAMSAM的內(nèi)容只能按某種順序存取，存取時(shí)間的長(zhǎng)短與信息在存儲(chǔ)體上的物理位置有關(guān)，所以SAM只能用平均存取時(shí)間作為衡量存取速度的指標(biāo)。⑷直接存取存儲(chǔ)器DAMDAM既不像RAM那樣能隨機(jī)地訪問(wèn)任一個(gè)存儲(chǔ)單元，也不像SAM那樣完全按順序存取，而是介于兩者之間。當(dāng)要存取所需的信息時(shí)，第一步直接指向整個(gè)存儲(chǔ)器中的某個(gè)小區(qū)域；第二步在小區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直至找到目的地后再進(jìn)行讀/寫操作。2.按存取方式分類（續(xù)）⑴磁芯存儲(chǔ)器采用具有矩形磁滯回線的磁性材料，利用兩種不同的剩磁狀態(tài)表示“1”或“0”。磁芯存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)，不會(huì)因斷電而丟失；但磁芯存儲(chǔ)器的讀出是破壞性讀出，即不論磁芯原存的內(nèi)容為“0”還是“1”，讀出之后磁芯的內(nèi)容一律變?yōu)椤?”。⑵半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

采用半導(dǎo)體器件制造的存儲(chǔ)器，主要有MOS型存儲(chǔ)器和雙極型存儲(chǔ)器兩大類。MOS型存儲(chǔ)器集成度高、功耗低、價(jià)格便宜、存取速度較慢；雙極型存儲(chǔ)器存取速度快、集成度較低、功耗較大、成本較高。半導(dǎo)體RAM存儲(chǔ)的信息會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失。3.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類⑶磁表面存儲(chǔ)器

在金屬或塑料基體上，涂復(fù)一層磁性材料，用磁層存儲(chǔ)信息，常見的有磁盤、磁帶等。由于它的容量大、價(jià)格低、存取速度慢，故多用作輔助存儲(chǔ)器。⑷光存儲(chǔ)器采用激光技術(shù)控制訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，一般分為只讀式、一次寫入式、可讀寫式3種，它們的存儲(chǔ)容量都很大，是目前使用非常廣泛的輔助存儲(chǔ)器。

3.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類（續(xù)）斷電后，存儲(chǔ)信息即消失的存儲(chǔ)器，稱易失性存儲(chǔ)器斷電后信息仍然保存的存儲(chǔ)器，稱非易失性存儲(chǔ)器。如果某個(gè)存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的信息被讀出時(shí)，原存信息將被破壞，則稱破壞性讀出；如果讀出時(shí)，被讀單元原存信息不被破壞，則稱非破壞性讀出。具有破壞性讀出的存儲(chǔ)器，每當(dāng)一次讀出操作之后，必須緊接一個(gè)重寫（再生）的操作，以便恢復(fù)被破壞的信息。4.按信息的可保存性分類

5.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)為了解決存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格之間的矛盾，通常把各種不同存儲(chǔ)容量、不同存取速度的存儲(chǔ)器，按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一整體的存儲(chǔ)系統(tǒng)。多級(jí)存儲(chǔ)層次從CPU的角度來(lái)看，n種不同的存儲(chǔ)器（M1～Mn）在邏輯上是一個(gè)整體。其中：M1速度最快、容量最小、位價(jià)格最高；Mn速度最慢、容量最大、位價(jià)格最低。整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有接近于M1的速度，相等或接近Mn的容量，接近于Mn的位價(jià)格。在多級(jí)存儲(chǔ)層次中，最常用的數(shù)據(jù)在M1中，次常用的在M2中，最少使用的在Mn中。多級(jí)存儲(chǔ)層次圖5-1多級(jí)存儲(chǔ)層次5.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（續(xù)）

對(duì)于由M1和M2構(gòu)成的兩級(jí)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，假設(shè)M1、M2訪問(wèn)時(shí)間分別為TA1、TA2。

命中率H定義為CPU產(chǎn)生的邏輯地址能在M1中訪問(wèn)到的概率。在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)N1為訪問(wèn)M1的命中次數(shù)，N2為訪問(wèn)M2的次數(shù)。H=

兩級(jí)存儲(chǔ)層次的等效訪問(wèn)時(shí)間TA根據(jù)M2的啟動(dòng)時(shí)間有：

假設(shè)M1訪問(wèn)和M2訪問(wèn)是同時(shí)啟動(dòng)的，

TA=H×TA1+(1?H)×TA2Cache－主存存儲(chǔ)層次（Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)）

Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存速度不足而提出來(lái)的。從CPU看，速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，每位價(jià)格接近于主存的價(jià)格。由于Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)全部用硬件來(lái)調(diào)度，因此它對(duì)系統(tǒng)程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的。圖5-2(a)

Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)主存?輔存存儲(chǔ)層次（虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)）

虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是為解決主存容量不足而提出來(lái)的。從CPU看，速度接近主存的速度，容量是虛擬的地址空間，每位價(jià)格是接近于輔存的價(jià)格。由于虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度，因此對(duì)系統(tǒng)程序員是不透明的，但對(duì)應(yīng)用程序員是透明的。圖5-2(b)

虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)現(xiàn)代微機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)的寄存器L1數(shù)據(jù)CacheL1代碼CacheL2CacheL3Cache內(nèi)部存儲(chǔ)器（內(nèi)存）外部存儲(chǔ)器（外存）外存Cache主存儲(chǔ)器是整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，它用來(lái)存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機(jī)地對(duì)它進(jìn)行訪問(wèn)。5.2主存儲(chǔ)器的組織主存通常由存儲(chǔ)體、地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路、I/O和讀寫電路組成。

圖5-3主存的組成框圖5.2.1主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的結(jié)構(gòu)地址寄存地址譯碼存儲(chǔ)體控制電路AB數(shù)據(jù)寄存讀寫電路DBOEWECS存儲(chǔ)體地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路存儲(chǔ)體地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路CB存儲(chǔ)體是主存儲(chǔ)器的核心，程序和數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)體中。地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上包含譯碼器和驅(qū)動(dòng)器兩部分。譯碼器將地址總線輸入的地址碼轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的譯碼輸出線上的有效電平，以表示選中了某一存儲(chǔ)單元，然后由驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)電流去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的讀寫電路，完成對(duì)被選中存儲(chǔ)單元的讀寫操作。I/O和讀寫電路包括讀出放大器、寫入電路和讀寫控制電路，用以完成被選中存儲(chǔ)單元中各位的讀出和寫入操作。5.2.1主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）位是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。一個(gè)二進(jìn)制數(shù)由若干位組成，當(dāng)這個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為一個(gè)整體存入或取出時(shí)，這個(gè)數(shù)稱為存儲(chǔ)字。存放存儲(chǔ)字或存儲(chǔ)字節(jié)的主存空間稱為存儲(chǔ)單元或主存單元，大量存儲(chǔ)單元的集合構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)體，為了區(qū)別存儲(chǔ)體中的各個(gè)存儲(chǔ)單元，必須將它們逐一編號(hào)。存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為地址，地址和存儲(chǔ)單元之間有一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5.2.2主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元5.2.2主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元（續(xù)）

IBM370機(jī)是字長(zhǎng)為32位的計(jì)算機(jī)，主存按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字包含4個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，它被稱為大端方案，即字地址等于最高有效字節(jié)地址，且字地址總是等于4的整數(shù)倍，正好用地址碼的最末兩位來(lái)區(qū)分同一個(gè)字的4個(gè)字節(jié)。5.2.2主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元（續(xù)）PDP-11機(jī)是字長(zhǎng)為16位的計(jì)算機(jī)，主存也按字節(jié)編址，每一個(gè)存儲(chǔ)字包含2個(gè)單獨(dú)編址的存儲(chǔ)字節(jié)，它被稱為小端方案，即字地址等于最低有效字節(jié)地址，且字地址總是等于2的整數(shù)倍，正好用地址碼的最末1位來(lái)區(qū)分同一個(gè)字的兩個(gè)字節(jié)。5.2.3主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)1.存儲(chǔ)容量對(duì)于字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)，以字節(jié)數(shù)來(lái)表示存儲(chǔ)容量；對(duì)于字編址的計(jì)算機(jī)，以字?jǐn)?shù)與其字長(zhǎng)的乘積來(lái)表示存儲(chǔ)容量。如某機(jī)的主存容量為64K×16，表示它有64K個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元的字長(zhǎng)為16位，若改用字節(jié)數(shù)表示，則可記為128K字節(jié)（128KB）。2.存取速度⑴存取時(shí)間Ta

存取時(shí)間又稱為訪問(wèn)時(shí)間或讀寫時(shí)間，它是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。例如：讀出時(shí)間是指從CPU向主存發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內(nèi)容讀出為止所用的時(shí)間；寫入時(shí)間是指從CPU向主存發(fā)出有效地址和寫命令開始，直到信息寫入被選中單元為止所用的時(shí)間。顯然Ta越小，存取速度越快。2.存取速度（續(xù)）⑵存取周期Tm存取周期又可稱作讀寫周期、訪內(nèi)周期，是指主存進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作之間所需要的最短時(shí)間。顯然，一般情況下，Tm＞Ta。這是因?yàn)閷?duì)于任何一種存儲(chǔ)器，在讀寫操作之后，總要有一段恢復(fù)內(nèi)部狀態(tài)的復(fù)原時(shí)間。對(duì)于破壞性讀出的RAM，存取周期往往比存取時(shí)間要大得多，甚至可以達(dá)到Tm=2Ta，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)器中的信息讀出后需要馬上進(jìn)行重寫（再生）。2.存取速度（續(xù)）⑶主存帶寬Bm

與存取周期密切相關(guān)的指標(biāo)是主存的帶寬，它又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，表示每秒從主存進(jìn)出信息的最大數(shù)量，單位為字每秒或字節(jié)每秒或位每秒。主存帶寬與主存的等效工作頻率及主存位寬有關(guān)系，若單位為字節(jié)每秒，則有：

Bm=主存等效工作頻率×主存位寬÷83.可靠性可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)器無(wú)故障讀寫的概率。通常，用平均無(wú)故障時(shí)間MTBF來(lái)衡量可靠性。4.功耗功耗是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，它反映了存儲(chǔ)器件耗電的多少，同時(shí)也反映了其發(fā)熱的程度。通常希望功耗要小，這對(duì)存儲(chǔ)器件的工作穩(wěn)定性有好處。大多數(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作功耗與維持功耗是不同的，后者大大地小于前者。5.2.4數(shù)據(jù)在主存中的存放在采用字節(jié)編址的情況下，數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的3種不同存放方法。設(shè)存儲(chǔ)字長(zhǎng)為64位（8個(gè)字節(jié)），即一個(gè)存取周期最多能夠從主存讀或?qū)?4位數(shù)據(jù)。讀寫的數(shù)據(jù)有4種不同長(zhǎng)度，它們分別是字節(jié)（8位）、半字（16位）、單字（32位）和雙字（64位）。請(qǐng)注意：此例中數(shù)據(jù)字長(zhǎng)（32位）不等于存儲(chǔ)字長(zhǎng)（64位）。字節(jié)半字單字雙字存儲(chǔ)字64位（8個(gè)字節(jié)）不浪費(fèi)存儲(chǔ)器資源的存放方法現(xiàn)有一批數(shù)據(jù)，它們依次為：字節(jié)、半字、雙字、單字、半字、單字、字節(jié)、單字。4種不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)一個(gè)緊接著一個(gè)存放。優(yōu)點(diǎn)是不浪費(fèi)寶貴的主存資源，但存在的問(wèn)題是：當(dāng)訪問(wèn)的一個(gè)雙字、單字或半字跨越兩個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，存儲(chǔ)器的工作速度降低了一半，而且讀寫控制比較復(fù)雜。從存儲(chǔ)字的起始位置開始存放的方法無(wú)論要存放的是字節(jié)、半字、單字或雙字，都必須從存儲(chǔ)字的起始位置開始存放，而空余部分浪費(fèi)不用。

優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)論訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)、半字、單字或雙字都可以在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成，讀寫數(shù)據(jù)的控制比較簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)是：浪費(fèi)了寶貴的存儲(chǔ)器資源。存儲(chǔ)字64位（8個(gè)字節(jié)）從存儲(chǔ)字的起始位置開始存放存儲(chǔ)字64位（8個(gè)字節(jié)）0181624329172533210183111941220513216142271523263427283635293730313938邊界對(duì)齊的數(shù)據(jù)存放方法

此方法規(guī)定，雙字地址的最末3個(gè)二進(jìn)制位必須為000，單字地址的最末兩位必須為00，半字地址的最末一位必須為0。它能夠保證無(wú)論訪問(wèn)雙字、單字、半字或字節(jié)，都在一個(gè)存取周期內(nèi)完成，盡管存儲(chǔ)器資源仍然有浪費(fèi)。

主存儲(chǔ)器通常分為RAM和ROM兩大部分。RAM可讀可寫，ROM只能讀不能寫。5.3半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器存放一個(gè)二進(jìn)制位的物理器件稱為記憶單元，它是存儲(chǔ)器的最基本構(gòu)件，地址碼相同的多個(gè)記憶單元構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元。記憶單元可以由各種材料制成，但最常見的由MOS電路組成。RAM又可分為靜態(tài)RAM，即SRAM（StaticRAM）和動(dòng)態(tài)RAM，即DRAM（DynamicRAM）兩種。5.3.1RAM記憶單元電路1.6管SRAM記憶單元電路

SRAM記憶單元是用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)記憶信息的，從圖5-6中可以看出，T1～T6管構(gòu)成一個(gè)記憶單元的主體，能存放一位二進(jìn)制信息，其中：T1、T2

管構(gòu)成存儲(chǔ)信息的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；T3、T4管構(gòu)成門控電路，控制讀寫操作；T5、T6是T1、T2管的負(fù)載管。SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗也較大，所以一般用來(lái)組成高速緩沖存儲(chǔ)器和小容量主存系統(tǒng)。6管SRAM記憶單元電路圖5-66管SRAM記憶單元電路

2.4管DRAM記憶單元電路如果將前述6管SRAM記憶單元電路中的兩個(gè)負(fù)載管（T5、T6）去掉，便形成4管DRAM記憶單元電路。負(fù)載回路斷開后，保持狀態(tài)時(shí)沒有外加電源供電，因而T1、T2管不再構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以動(dòng)態(tài)MOS記憶單元是靠MOS電路中的柵極電容C1、C2來(lái)存儲(chǔ)信息的。DRAM集成度高，功耗小，但存取速度慢，一般用來(lái)組成大容量主存系統(tǒng)。4管DRAM記憶單元電路圖5-74管DRAM記憶單元電路3.單管DRAM記憶單元進(jìn)一步減少記憶單元中MOS管的數(shù)目可形成更簡(jiǎn)單的3管DRAM記憶單元或單管DRAM記憶單元。單管動(dòng)態(tài)記憶單元由一個(gè)MOS管T1和一個(gè)存儲(chǔ)電容C構(gòu)成。顯然，單管DRAM記憶單元與4管DRAM記憶單元比較，具有功耗更小、集成度更高的優(yōu)點(diǎn)。單管DRAM記憶單元電路圖5-8單管DRAM記憶單元電路1.刷新間隔為了維持DRAM記憶單元的存儲(chǔ)信息，每隔一定時(shí)間必須刷新。一般選定的最大刷新間隔為2ms或4ms甚至更大，也就是說(shuō)，應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，將全部存儲(chǔ)體刷新一遍。刷新和重寫（再生）是兩個(gè)完全不同的概念，切不可加以混淆。重寫是隨機(jī)的，某個(gè)存儲(chǔ)單元只有在破壞性讀出之后才需要重寫。而刷新是定時(shí)的，即使許多記憶單元長(zhǎng)期未被訪問(wèn)，若不及時(shí)補(bǔ)充電荷的話，信息也會(huì)丟失。重寫一般是按存儲(chǔ)單元進(jìn)行的，而刷新通常以存儲(chǔ)體矩陣中的一行為單位進(jìn)行的。5.3.2動(dòng)態(tài)RAM的刷新2.刷新方式

⑴集中刷新方式在允許的最大刷新間隔（如2ms）內(nèi)，按照存儲(chǔ)芯片容量的大小集中安排若干個(gè)刷新周期，刷新時(shí)停止讀寫操作。

刷新時(shí)間=存儲(chǔ)矩陣行數(shù)×刷新周期這里刷新周期是指刷新一行所需要的時(shí)間，由于刷新過(guò)程就是“假讀”的過(guò)程，所以刷新周期就等于存取周期。2.刷新方式（續(xù)）對(duì)具有1024個(gè)記憶單元（32×32的存儲(chǔ)矩陣）的存儲(chǔ)芯片進(jìn)行刷新，刷新是按行進(jìn)行的，且每刷新一行占用一個(gè)存取周期，所以共需32個(gè)周期以完成全部記憶單元的刷新。假設(shè)存取周期為500ns（0.5

s），從0～3967個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行讀寫操作或保持，而從3968～3999這最后32個(gè)周期集中安排刷新操作。圖5-9集中刷新方式示意圖刷新間隔（2ms）讀寫操作刷新013967396839993968個(gè)周期（1984μs）32個(gè)周期（16μs）……2.刷新方式（續(xù)）集中刷新方式的優(yōu)點(diǎn)是讀寫操作時(shí)不受刷新工作的影響，因此系統(tǒng)的存取速度比較高。主要缺點(diǎn)是在集中刷新期間必須停止讀寫，這一段時(shí)間稱為“死區(qū)”，而且存儲(chǔ)容量越大，死區(qū)就越長(zhǎng)。2.刷新方式（續(xù)）

⑵分散刷新方式分散刷新是指把刷新操作分散到每個(gè)存取周期內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)系統(tǒng)的存取周期被分為兩部分，前一部分時(shí)間進(jìn)行讀寫操作或保持，后一部分時(shí)間進(jìn)行刷新操作。在一個(gè)系統(tǒng)存取周期內(nèi)刷新存儲(chǔ)矩陣中的一行。這種刷新方式增加了系統(tǒng)的存取周期，如存儲(chǔ)芯片的存取周期為0.5

s，則系統(tǒng)的存取周期應(yīng)為1

s。我們?nèi)砸郧笆龅?2×32矩陣為例，整個(gè)存儲(chǔ)芯片刷新一遍需要32

s。圖5-10分散刷新方式示意圖刷新間隔（32μs）周期0周期1周期31讀寫讀寫讀寫刷新刷新刷新…2.刷新方式（續(xù)）這種刷新方式?jīng)]有死區(qū)，但是，它也有很明顯的缺點(diǎn)，第一是加長(zhǎng)了系統(tǒng)的存取周期，降低了整機(jī)的速度；第二是刷新過(guò)于頻繁（本例中每32

s就重復(fù)刷新一遍），尤其是當(dāng)存儲(chǔ)容量比較小的情況下，沒有充分利用所允許的最大刷新間隔（2ms）。522.刷新方式（續(xù)）⑶異步刷新方式這種刷新方式是前兩種方式的結(jié)合，它充分利用了最大刷新間隔時(shí)間，把刷新操作平均分配到整個(gè)最大刷新間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，故有：

相鄰兩行的刷新間隔=最大刷新間隔時(shí)間÷行數(shù)對(duì)于32×32矩陣，在2ms內(nèi)需要將32行刷新一遍，所以相鄰兩行的刷新時(shí)間間隔=2ms÷32=62.5

s，即每隔62.5

s安排一個(gè)刷新周期。在刷新時(shí)封鎖讀寫。2.刷新方式（續(xù)）圖5-11異步刷新方式示意圖

異步刷新方式雖然也有死區(qū)，但比集中刷新方式的死區(qū)小得多，僅為0.5

s。這樣可以避免使CPU連續(xù)等待過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，而且減少了刷新次數(shù)，是比較實(shí)用的一種刷新方式。刷新間隔（2ms）讀寫讀寫讀寫刷新刷新刷新…62μs0.5μs62.5μs62.5μs為了控制刷新，往往需要增加刷新控制電路。刷新控制電路的主要任務(wù)是解決刷新和CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器之間的矛盾。通常，當(dāng)刷新請(qǐng)求和訪存請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行刷新操作。也有些DRAM芯片本身具有自動(dòng)刷新功能，即刷新控制電路在芯片內(nèi)部。3.刷新控制⑴刷新對(duì)CPU是透明的。⑵每一行中各記憶單元同時(shí)被刷新，故刷新操作時(shí)僅需要行地址，不需要列地址。⑶刷新操作類似于讀出操作，但不需要信息輸出。另外，刷新時(shí)不需要加片選信號(hào)，即整個(gè)存儲(chǔ)器中的所有芯片同時(shí)被刷新。⑷因?yàn)樗行酒瑫r(shí)被刷新，所以在考慮刷新問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)從單個(gè)芯片的存儲(chǔ)容量著手，而不是從整個(gè)存儲(chǔ)器的容量著手。DRAM的刷新要注意的問(wèn)題1.RAM芯片RAM芯片通過(guò)地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與外部連接。地址線是單向輸入的，其數(shù)目與芯片容量有關(guān)。如容量為1024×4時(shí)，地址線有10根；容量為64K×1時(shí)，地址線有16根。數(shù)據(jù)線是雙向的，既可輸入，也可輸出，其數(shù)目與數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)。如1024×4的芯片，數(shù)據(jù)線有4根；64K×1的芯片，數(shù)據(jù)線只有1根。控制線主要有讀寫控制線和片選線兩種，讀寫控制線用來(lái)控制芯片是進(jìn)行讀操作還是寫操作的，片選線用來(lái)決定該芯片是否被選中。5.3.3RAM芯片分析由于DRAM芯片集成度高，容量大，為了減少芯片引腳數(shù)量，DRAM芯片把地址線分成相等的兩部分，分兩次從相同的引腳送入。兩次輸入的地址分別稱為行地址和列地址，行地址由行地址選通信號(hào)送入存儲(chǔ)芯片，列地址由列地址選通信號(hào)送入存儲(chǔ)芯片。由于采用了地址復(fù)用技術(shù)，因此，DRAM芯片每增加一條地址線，實(shí)際上是增加了兩位地址，也即增加了4倍的容量。1.RAM芯片（續(xù)）⑴單譯碼方式單譯碼方式又稱字選法，所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器是字結(jié)構(gòu)的。容量為M個(gè)字的存儲(chǔ)器（M個(gè)字，每字b位），排列成M行×b列的矩陣，矩陣的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)字，有一條公用的選擇線wi，稱為字線。地址譯碼器集中在水平方向，K位地址線可譯碼變成2K條字線，M=2K。字線選中某個(gè)字長(zhǎng)為b位的存儲(chǔ)單元，經(jīng)過(guò)b根位線可讀出或?qū)懭隻位存儲(chǔ)信息。2.地址譯碼方式字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM圖5-12字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM

圖5-12中有25×8=256個(gè)記憶單元，排列成32個(gè)字，每個(gè)字長(zhǎng)8位。有5條地址線，經(jīng)過(guò)譯碼產(chǎn)生32條字線w0～w31。某一字線被選中時(shí)，同一行中的各位b0～b7就都被選中，由讀寫電路對(duì)各位實(shí)施讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

字結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是使用的外圍電路多，成本昂貴。更嚴(yán)重的是，當(dāng)字?jǐn)?shù)大大超過(guò)位數(shù)時(shí)，存儲(chǔ)體會(huì)形成縱向很長(zhǎng)而橫向很窄的不合理結(jié)構(gòu)，所以這種方式只適用于容量不大的存儲(chǔ)器。字結(jié)構(gòu)、單譯碼方式RAM⑵雙譯碼方式

雙譯碼方式又稱為重合法。通常是把K位地址線分成接近相等的兩段，一段用于水平方向作X地址線，供X地址譯碼器譯碼；一段用于垂直方向作Y地址線，供Y地址譯碼器譯碼。X和Y兩個(gè)方向的選擇線在存儲(chǔ)體內(nèi)部的每個(gè)記憶單元上交叉，以選擇相應(yīng)的記憶單元。2.地址譯碼方式（續(xù)）雙譯碼方式對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)芯片結(jié)構(gòu)可以是位結(jié)構(gòu)的，也可以是字段結(jié)構(gòu)的。對(duì)于位結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)芯片，容量為M×1，把M個(gè)記憶單元排列成存儲(chǔ)矩陣（盡可能排列成方陣）。2.地址譯碼方式（續(xù)）位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM圖5-13位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM圖5-13結(jié)構(gòu)是4096×1，排列成64×64的矩陣。地址碼共12位，X方向和Y方向各6位。若要組成一個(gè)M字×b位的存儲(chǔ)器，就需要把b片M×1的存儲(chǔ)芯片并列連接起來(lái)，即在Z方向上重疊b個(gè)芯片。位結(jié)構(gòu)、雙譯碼方式RAM⑴SRAM讀寫時(shí)序讀周期表示對(duì)該芯片進(jìn)行兩次連續(xù)讀操作的最小間隔時(shí)間。在此期間，地址輸入信息不允許改變，片選信號(hào)在地址有效之后變?yōu)橛行В剐酒贿x中，最后在數(shù)據(jù)線上得到讀出的信號(hào)。寫允許信號(hào)在讀周期中保持高電平。圖5-14(a)靜態(tài)RAM的讀時(shí)序3.RAM的讀寫時(shí)序?qū)懼芷谂c讀周期相似，但除了要加地址和片選信號(hào)外，還要加一個(gè)低電平有效的寫入脈沖，并提供寫入數(shù)據(jù)。圖5-14(b)靜態(tài)RAM的寫時(shí)序3.RAM的讀寫時(shí)序（續(xù)）⑵DRAM讀寫時(shí)序在讀周期中，行地址必須在有效之前有效，列地址也必須在有效之前有效，且在到來(lái)之前，必須為高電平，并保持到脈沖結(jié)束之后。在寫周期中，當(dāng)有效之后，輸入的數(shù)據(jù)必須保持到變?yōu)榈碗娖街?。在、和全部有效時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入存儲(chǔ)器。3.RAM的讀寫時(shí)序（續(xù)）動(dòng)態(tài)RAM的讀寫時(shí)序圖圖5-15動(dòng)態(tài)RAM的讀寫時(shí)序圖1.ROM的類型⑴掩膜式ROM（MROM）

它的內(nèi)容是由半導(dǎo)體制造廠按用戶提出的要求在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中直接寫入的，寫入之后任何人都無(wú)法改變其內(nèi)容。

MROM的優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，集成度高，形成批量之后價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是：用戶對(duì)制造廠的依賴性過(guò)大，靈活性差。5.3.4半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器（ROM）

⑵一次可編程ROM（PROM）

PROM允許用戶利用專門的設(shè)備（編程器）寫入自己的程序，但一旦寫入后，其內(nèi)容將無(wú)法改變。PROM產(chǎn)品出廠時(shí)，所有記憶單元均制成“0”（或制成“1”），用戶根據(jù)需要可自行將其中某些記憶單元改為“1”（或改為“0”）。雙極型PROM有兩種結(jié)構(gòu)，一種是熔絲燒斷型，另一種是PN結(jié)擊穿型，由于它們的寫入都是不可逆的，所以只能進(jìn)行一次性寫入。

1.ROM的類型（續(xù)）⑶可擦除可編程ROM（EPROM）EPROM不僅可以由用戶利用編程器寫入信息，而且可以對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行多次改寫。EPROM出廠時(shí)，存儲(chǔ)內(nèi)容為全“1”，用戶可以根據(jù)需要將其中某些記憶單元改為“0”。當(dāng)需要更新存儲(chǔ)內(nèi)容時(shí)可以將原存儲(chǔ)內(nèi)容擦除（恢復(fù)全“1”），以便再寫入新的內(nèi)容。

EPROM又可分為兩種：紫外線擦除（UVEPROM）和電擦除（EEPROM）。

1.ROM的類型（續(xù)）UVEPROM需用紫外線燈制作的擦抹器照射存儲(chǔ)器芯片上的透明窗口，使芯片中原存內(nèi)容被擦除。由于是用紫外線燈進(jìn)行擦除，所以只能對(duì)整個(gè)芯片擦除，而不能對(duì)芯片中個(gè)別需要改寫的存儲(chǔ)單元單獨(dú)擦除。

EEPROM是采用電氣方法來(lái)進(jìn)行擦除的，在聯(lián)機(jī)條件下既可以用字擦除方式擦除，也可以用數(shù)據(jù)塊擦除方式擦除。以字擦除方式操作時(shí)，能夠只擦除被選中的那個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容；以數(shù)據(jù)塊擦除方式操作時(shí)，可擦除數(shù)據(jù)塊內(nèi)所有單元的內(nèi)容。

1.ROM的類型（續(xù)）⑷閃速存儲(chǔ)器

閃速存儲(chǔ)器（flashmemory）的主要特點(diǎn)是：既可在不加電的情況下長(zhǎng)期保存信息，又能在線進(jìn)行快速擦除與重寫，兼?zhèn)淞薊EPROM和RAM的優(yōu)點(diǎn)。

閃存有NOR型和NAND型兩種，NORFlash需要很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行