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文檔簡介
第三章內(nèi)部存儲器
■馮?諾依曼結(jié)構(gòu)(馮?諾依曼計算機)
■存儲程序和程序控制
■控制器為中心
■現(xiàn)代計算機中,存儲器處于全機中心地位
-1計算機正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)均存放在存儲器
■(除暫存于CPU寄存器)
■CPU直接從存儲器取指令或存取數(shù)據(jù)
?2計算機系統(tǒng)中輸入輸出設(shè)備數(shù)量增多,數(shù)據(jù)傳送速度加快
■采用直接存儲器存?。―MA)技術(shù)和I/O通道技術(shù),在存儲
器與輸入輸出系統(tǒng)之間直接傳送數(shù)據(jù)
■3共享存儲器的多處理機
■利用存儲器存放共享數(shù)據(jù),實現(xiàn)處理機之間的通信,加
強存儲器作為全機中心的地位
1
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第三章內(nèi)部存儲器
■中央處理器由高速器件組成,指令的執(zhí)行速度基本上取決于
主存儲器的速度
-計算機解題能力的提高
■應(yīng)用范圍的日益廣泛
?系統(tǒng)軟件的日益豐富
■與主存儲器的技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)
占-m
F三
==
一S_
mH
5=三
-5二=
二=
5三=.==.
三;=
三
=二£s
-5三==
三
=三^
=二=
工
m污t=v4==.
n三=
三
三
第2
■鬲
>二~
彈砂"
爐
:=去
3兀C
■*.
,.i-3.
二
IlhiTI
2
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第三章內(nèi)部存儲器
?3」存儲器概述
■32SRAM存儲器
■33DRAM存儲器
■34只讀存儲器和閃速存儲器
,3.5并行存儲器
■36cache存儲器
3
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3.1存儲器概述
?3.L1存儲器分類
■3.1.2存儲器的分級結(jié)構(gòu)
■3.L3存儲器的技術(shù)指標
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■存儲位/存儲元存放一位二進制位的電路或材料單元
■存儲單元若干個存儲元組成一個存儲單元
?存儲器若干個存儲單元
■1.按存儲介質(zhì)分
■半導(dǎo)體存儲器:用半導(dǎo)體器件組成的存儲器
■磁表面存儲器:用磁性材料做成的存儲器
■2,按存取方式分
■隨機存儲器:任何存儲單元的內(nèi)容都能被隨機存取,且存
取時間和存儲單元的物理位置無關(guān)
■順序存儲器:只能按某種順序來存取,存取時間和存儲單
元的物理位置有關(guān)
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■3.按存儲內(nèi)容的可變性分
■只讀存儲器(ROM):存儲的內(nèi)容是固定不變的,只能讀出而
不能寫入的半導(dǎo)體存儲器
■隨機讀寫存儲器(RAM):既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲器
■BIOS(CMOS?):ROM^EPROM^E2PROM^FIashROM
.4按信息易失性分
■易《殍存儲器:斷電后信息即消失的存儲器
■非易失性存儲器:斷電后仍能保存信息的存儲器
■5,按系統(tǒng)中的作用分
■主存儲器
■輔助存儲器
■高速緩沖存儲器
■控制存儲器
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■對存儲器的要求是:容量大,速度快,(位)成本低
■為解決三者之間的矛盾,采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)
■即高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器
速度快容量小(位)成本高
▲
CPU寄存器
cache
虛存
主:存
磁盤cache
磁盤
磁帶光盤
慢大低
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■存儲器的用途和特點
名稱簡稱用途特點
存取速度快
高速緩沖存儲器cache高速存取指令和數(shù)據(jù)
存儲容量小
存放計算機運行期間存取速度較快
主存儲器主存
的大量程序和數(shù)據(jù)存儲容量不大
存放系統(tǒng)程序和大型存儲容量大
外存儲器外存
數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫位成本低
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■主存儲器的性能指標
指標含義表現(xiàn)單位
字數(shù)
存儲容量一個存儲器可容納的存儲單元總數(shù)存儲空間的大小
字節(jié)數(shù)
發(fā)出讀(寫)操作命令到該操作完成,
存取時間數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的一次存儲主存的速度ns
器操作所經(jīng)歷的時間
連續(xù)啟動兩次操作所需間隔的最小
存儲周期主存的速度ns
時間
位/秒
存儲器帶寬單位時間里存儲器所存取的信息量數(shù)據(jù)傳輸速率
字節(jié)/秒
■字WORD
■字節(jié)Byte字節(jié)/秒Byte/sB/s
■位bit位/秒bit/sb/s
字節(jié)B或KB或MB或GB或TB
千字節(jié)1KB=21OB=1O24B
百萬字節(jié)1MB=21OKB=22OB
十億字節(jié)1GB=21OMB=22OKB=23OB
萬億字節(jié)lTB=210GB=220MB=230KB=240B
ls=1000mslms=JLISl|ns=1000nslns=10-9s
IOOO9
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■可靠性
■通常用平均無故障時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)
來裝在
■MTBF指連續(xù)兩次故障之間的平均時間間隔
■MTBF越長,意味著主存的可靠性越高
■半導(dǎo)體存儲器由于采用大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu),對電磁場及
溫度等變化的抗干擾性較強,可靠性較高,平均故障時間
為幾千小時以上
■功耗
■半導(dǎo)體存儲器的功耗包括“維持功耗”和“操作功耗”
■在保證速度的前提下應(yīng)盡可能地減小功耗,特別是要減小
“維持功耗”
■
■指南一片若干平方毫米的芯片上能集成多少個存儲位
■每個存儲位存儲一個二進制位,所以集成度常表示為位/片
■典型產(chǎn)品的集成度有1K位/片、4K位/片、16K位/片、64K
位/片、256K位/片等
■超大規(guī)模集成電路存儲器的集成度達128M位/片,…,
1Gbit/片10
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DDR
■SDRAM(SynchronousDynamicRandomAccessMemory)同步
動態(tài)隨機存儲器一
■DIMM(DualIn-lineMemoryModule):雙面引腳
M
■DDR(DoubleDataRate):雙數(shù)據(jù)速率
uunj-TJTT_n_nL_r
■PC1600DDR200Corefrequency=100MHzClod<Freq=100MHzDataFreq=100MHz
■PC2100DDR266
.PC2600DDR333
.PC3200DDR400
DDRI
■mTLT^LTJT_TLT
■DDR:2bitprefetchCorefrequency=100MHzClockFreq=100MHzDataFreq=200MHz
#ofPre-fetch
Int.DataBusDQport
DDRII
njiTLErnnm
Corefrequency=100MHzClod<Freq=200MHzDataFreq=400MHz
Memory
DataBus
Cell
Array
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DDR333的帶寬
■外頻=333/2(MHz)=166MHz
■DDR在訪問周期的上升下降沿各發(fā)送一次數(shù)據(jù)
■位寬=64bit
■帶寬=(333/2)MHz*2*64bit/(8bit/Byte)
=2600MB/s
=2.6GB/s
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測驗:求DDR400的帶寬
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第三章內(nèi)部存儲器
?3」存儲器概述
■3.2SRAM存儲器
■33DRAM存儲器
■3.4只讀存儲器和閃速存儲器
?3.5并行存儲器
■36cache存儲器
■0和1的世界
■數(shù)據(jù)的表示——機器碼---------加減運算-------運算器
■裝入----------運算的準備------運算的方法——電路
■第二章
■數(shù)據(jù)——人類世界的表示
■運算器----處理
?存儲?
■第三章
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3.2隨機讀寫存儲器
■32/基本的靜態(tài)存儲元陣列
■322基本的SRAM邏輯結(jié)構(gòu)
?3.2.3讀/寫周期
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■電工-阻容電路計算某點電位
■電子技術(shù)-晶體管,發(fā)射極、集電極、基極
■數(shù)字電路、數(shù)字邏輯-0、1;高電平、低電平;導(dǎo)通(電阻->0)、截止(電阻->00)
■T5、T6、T7、T8四個控制管等效于開關(guān),四個開關(guān)都接通后才可讀寫
■讀-檢測,被動,檢測電路等效于萬用表、電阻,差動檢測
■寫一灌、貓高龜彳立拉A點電位,主而
■Tl、T2相互抬高或拉低,雙穩(wěn);A高B低/A低B高,互補;I/O、1/0#為1、0或0、1,互補6
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寫操作,讀操作
■寫T
■通過X、Y線開啟T5、T6、TAT8四個控制管
■在I/O線上輸入高電位,在正線上輸入低電位
■把高、低電位分別加在A,B點
■使T1管截止,T2管導(dǎo)通
■將寫入存儲元
■寫W
■通過X、Y線開啟T5、T6、T7>T8四個控制管
■在i/o線上輸入低電位,在176■線上輸入高電位
■把低、高電位分別加在A,B點
■使T1管導(dǎo)通,T2管截止
■將"0”信息寫入了存儲元
■讀操作
■通過X、Y線開啟T5、T6、T7、T8四個控制管_
-A,B鳴的電位分別通過位線D與6送到I/O與I/O
■I/O與I/O線接一個差動讀出放大器,從其電流方向可以判知
所存信息是”1“還是“0”17
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3.2.2基本的SRAM邏輯結(jié)構(gòu)
■一個SRAM存儲器
■存儲體、讀寫(I/O)電路、地址譯碼(X、Y)電路和控制電路
<--------------輸出驅(qū)動
輸出
輸入
讀/寫片選
A6A7Al1
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1存儲體
-一個基本存儲元電路只能存儲一個二進制位
■將基本的存儲元電路有規(guī)則地組織起來,就是存儲體
?存儲體有不同的組織形式
-各個字的同一位組織在一個芯片
■各個字的4位組織在一個芯片,如21141K*4
■各個字的8位組織在一個芯片,如61162K*8
■如上頁圖
?存儲體將4096個字的同一位組織在一個芯片
■4096通常排列成矩陣形式,如64*64,由行選、列選線選
中所需的單元
?16個片子組成4096*16的存儲器
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2地址譯碼器
■單譯碼方式
■適用于小容量存儲器中,只有一個譯碼器
■地址數(shù)2人n,字(行,X)線數(shù)2人n,歹U(位,Y)不作選擇
A地
址
A譯
A碼
器
A
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2地址譯碼器
■雙譯碼方式
■地址譯碼器分成X、Y兩個,可減少選擇線的數(shù)目
■地址數(shù)2人(AX+AY),字(行,AX)線數(shù)2人AX,位(歹U,AY)線
數(shù)"AY
AO
Al
A2
A3
A4
A5
A6A7A8A9A1OAl1
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■3驅(qū)動器
■雙譯碼結(jié)構(gòu)中,在譯碼器輸出后加驅(qū)動器,驅(qū)動掛在各條X
方向選擇線上的所有存儲元電路
■4I/O電路
■處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間,控制被選中的單元讀
出或?qū)懭?,放大信?/p>
■5片選
■在地址選擇時,首先要選片,只有當(dāng)片選信號有效時,此片
所連的地址線才有效
■6輸出驅(qū)動電路
■將幾個芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)來擴展存儲器的容量
■讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)都通過三態(tài)輸出緩沖器連接雙向的數(shù)
據(jù)總線
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■2114-1024*4(1K*4)的存儲器
■4096個基本存儲單元,排成64*64(64*16*4)的矩陣
■需10根地址線尋址
■X譯碼器輸出64根選擇線,分別選擇1-64行
■Y譯碼器輸出16根選擇線,分別選擇1-16列控制各列的位線
控制門
弓版圖
?8
47
國6%
A1
A5-AB
A1
①4為
A1
Ai3I/Q
A1
A2I/Q
Ai
A1I/Q
cs0IQ
GNDWE
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A
A3
A4行'Vcc
5
A選64x64存儲矩陣GND
A6(64x16x4)
A7擇
8
I/O1-0-
輸入列電路
I/O2-0-I/O
數(shù)據(jù)列選擇―
I/O3-0-^控制
I/O4-o->--
雙向數(shù)據(jù)總線
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■與CPU連接時,CPU的控制信號與存儲器的讀、寫周期之間的
配合問題非常重要
■讀寫過程:地址A--命令C--數(shù)據(jù)D
■讀周期
■讀周期與讀出時間是兩個不同的概念
■讀出時間
■從給出有效地址到外部數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定地出現(xiàn)所讀出的
數(shù)據(jù)信息所經(jīng)歷的時間
■讀周期時間
■存儲芯片進行兩次連續(xù)讀操作時所必須間隔的時間
■讀周期時間>=讀出時間
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SRAM讀周期
Ti
T3
地址有效CPU周期(時鐘)地址失效
-------£RC--------
*
AXX
片選失效
,co
CS
/,OHA
DOUT<>
tex一rOTD一
-讀周期數(shù)據(jù)有效一L數(shù)據(jù)穩(wěn)定
tRC讀過程:
-讀出時間
1)給出地址
tco-片選到數(shù)據(jù)輸出延遲
2)給出片選和讀命令
tex-片選到輸出有效
3)保存讀出內(nèi)容
toTD-從斷開片選到輸出變?yōu)槿龖B(tài)
4)CS復(fù)位
toHA-地址改變后的維持時間
地址撤銷
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SRAM寫周期
DOUT>-----------------------------------------------
*-tDW->ltDH-
DIN-----------------------------------------------------------<>
寫過程:
twc-寫周期1)給出地址
tw-寫數(shù)據(jù)時間2)給出片選
-地址有效滯后時間(保證地址在寫前先穩(wěn)定)
3)給出寫命令
t\/VR-寫恢復(fù)時間(保證地址在寫后保持一段時間)
4)給出數(shù)據(jù)
tg/v-寫信號有效到輸出三態(tài)的時間
tDW-數(shù)據(jù)有效時間5)CS復(fù)位
tDH-寫信號無效后數(shù)據(jù)保持時間6)地址撤銷
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(數(shù)據(jù)在寫后保持一段時間適應(yīng)器件延遲)tigerFebruary2010
例1
■下圖是某SRAM的寫入時序圖。其中R/W是讀/寫命令控制線,
當(dāng)R/W線為低電平時(寫有效),存儲器按給定地址把數(shù)據(jù)線
上的數(shù)據(jù)寫入存儲器。
■請指出下圖寫入時序中的錯誤,并畫出正確的寫入時序圖。
地址飛X②X~/
數(shù)據(jù)④x⑤
CS\/一
R/W
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解
■寫入查儲器的時序信號必須同步
■當(dāng)R/邁線為有效信號時,地址線和數(shù)據(jù)線的電平須是穩(wěn)定的
■當(dāng)R/W線達到低電平時,數(shù)據(jù)立即被存儲,如果數(shù)據(jù)線改變
了數(shù)直,存儲器將存儲新的數(shù)據(jù)⑤
■當(dāng)R/W線處于低電平時地址線如果發(fā)生了變化,數(shù)據(jù)將存儲
到新的地址②或③
■正確的寫入時序見下圖
地址
數(shù)據(jù)
CS
R/W
■在西和R/W均有效時,地址線和數(shù)據(jù)線上的數(shù)值須是穩(wěn)定的
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第三章內(nèi)部存儲器
■3.1存儲器概述
■32SRAM存儲器
■33DRAM存儲器
■34只讀存儲器和閃速存儲器
,3.5并行存儲器
■36cache存儲器
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3.3DRAM存儲器
■332DRAM存儲位元的記憶原理
■332DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)
?3.3,3讀/寫周期、刷新周期
■334存儲器容量的擴充
■&&&3.3.5高級的DRAM結(jié)構(gòu)
■&&&3.3.6DRAM主存讀/寫的正確性校驗
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■1、四管動態(tài)存儲元:寫操作、讀操作、刷新操作
Q
.載管
fee:制管
!作管
E制管
6二z
丁3,丁4->丁9,T10
6+2—>4+2+2
D
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2,單管動態(tài)存儲元
行選擇信號
數(shù)據(jù)線T
行(字)選擇
工c
刷新
放大器
oT
列選擇信號
T
數(shù)據(jù)輸入/輸出線
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單管DRAM的存儲矩陣
行選o
行選I
刷
刷
新
新
放
放
大
大
器
器
行選w-1
-I——
緩沖器
列選列選0
DINDOUTR/W
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讀操作
■行選擇線為高電平,使存儲電路中的T1管導(dǎo)通,于是,使連
在每一列上的刷新放大器讀取電容C上的電壓值
■刷新放大器的靈敏度很高,放大倍數(shù)很大,并且能將從電
容上讀得的電壓值折合為邏輯“0”或者邏輯“1”
■列地址(較高位地址)產(chǎn)生列選擇信號,有了列選擇信號,所選
中行上的基本存儲電路才受到驅(qū)動,從而可以輸出信息
■在讀出過程中,選中行上的所有基本存儲電路中的電容都受
到打擾,因此為破壞性讀出
■為在讀出之后,仍能保存所容納的信息,刷新放大器對這些
電容上的電壓值讀取之后又立即進行重寫
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■寫操作
■行選擇線為“1”;T1管處于可導(dǎo)通的狀態(tài)
■如果列選擇信號也為“1”則此基本存儲電路被選中
■于是由數(shù)據(jù)輸入/輸出線送來的信息通過刷新放大器和T1管
送到電容C
■刷新
■雖然進行一次讀/寫操作實際上也進行了刷新
■由于讀/寫操作本身是隨機的,并不能保證所有的RAM單元
都在2ms中可以通過正常的讀/寫操作來刷新
■專門安排了存儲器刷新周期完成對動態(tài)RAM的刷新
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DRAM的電氣特征
■集成度高,功耗低
■具有易失性,必須刷新
■破壞性讀出,必須讀后重寫
■讀后重寫,刷新均經(jīng)由刷新放大器進行
■刷新時只提供行地址,由各列所擁有的刷新放大器,對選中
行全部存儲元整行進行讀后重寫(再生)
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3.DRAM存儲芯片實例
2116-16KX1214二16K矩陣128x128
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3.3.2DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)
■圖3.71MX4位DRAM芯片
Vcc--------1241—地行
10存儲陣列
223譯1024x1024
冷碼
D2一34Mx422D3x4位
WE―?421K-CAS
RAS—?520-OE
12.......1024
NC-?619-A9
A10一a718-A81
DRAM2
列
列
A0—?817—A7地址
器
鎖
譯
Al-?916—A6存輸入/輸出緩沖器
碼與讀出放大器
A2-1015-A5Q
A3-
1114-A41024
Vcc--------1213■——地
CAS____________________i_____
RAS-----------------i-----------------R-/W----E
(a)管腳圖(b)邏輯結(jié)構(gòu)圖
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■與SRAM不同的是
-1增加了行地址鎖存器和列地址鎖存器
■由于DRAM存儲器容量很大,地址線寬度相應(yīng)要增加,這
勢必增加芯片地址線的管腳數(shù)目。采取的辦法是分時傳
送地址碼
■若地址總線寬度為10位,先傳送地址碼A0?A9,由行選
通信號RAS打入到行地址鎖存器;然后傳送地址碼A10?
A19,由列選通信號CAS打入到列地址鎖存器。芯片內(nèi)部
兩部分合起來,地址線寬度達20位,存儲容量為1MX4位
-2增加了刷新計數(shù)器和相應(yīng)的控制電路
■DRAM讀出后必須刷新,而未讀寫的存儲元也要定期按行
刷新,刷新計數(shù)器的長度等于行地址鎖存器
■刷新操作與讀/寫操作是交替進行的,通過2選1多路開關(guān)
來提供刷新行地址或正常讀/寫的行地址
40
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■RAS>頁與地址的關(guān)系
■(1)先由強將行地址送入行地址鎖存器,再由CA5將列地址
送入列地址鎖存器。因此,CAS滯后于破的時間必須要超
過芝色定L
■(2)麗和無正、負電平的寬度應(yīng)大于規(guī)定值,以保證芯片
內(nèi)部正常工作
■(3)行、列地址相而AS而AS的下降沿(負跳變)應(yīng)滿足有足
夠的地址建立時間和地址保持時間,以確定行、列地址能準
確寫入芯片
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DRAM時序⑵
?讀周期_
■2116的讀周H叢喳脈沖變低(有效)到下一次變低
■媽序巴RAS和CAS的下降沿之間的時間必須滿足要求
■遠和箜的高低電平寬度有限制
■RAS和CAS變低與行、列地址的保持時間有要求
■幽的輸出保持時間有限制
■WE信號為高
■寫周期——
■要求數(shù)據(jù)在選通信號(CAS信號與WE信號較晚出現(xiàn)者)有效前
儂定之間內(nèi)有效,同時保持規(guī)定的時間
■WE信號為低
42
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1DRAM讀周期
■行地址有效-行地址選通-列地址有效一列地址選通-數(shù)據(jù)
輸出f行選通、列選通及地址撤銷
CYC
RASRAS
CAS
CAS
4ASRAH-ASC
/
ADD、______/
RCSRCH
WE
RAC
DOH
CAC
<;>
Dout
(a)讀周期
RAS#下降即鎖入行地址,CAS#下降即鎖入列地址
提前量一保證在動作前先穩(wěn)定
保持量一在動作后保持一段時間適應(yīng)器件延遲
圖3.12動態(tài)存儲器2116的讀寫周期43
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2DRAM寫周期
■行地址有效-行地址選通-WE#有效-列地址、數(shù)據(jù)有效->
列地址選通-數(shù)據(jù)輸入f行選通、列選通及地址撤銷
圖3.12動態(tài)存儲器2116的讀寫周期
44
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3刷新周期
■刷新周怛2116每2ms刷新一次
刷新時,RAS為低,而一為高,且云的寬度必須大于t^s。
另外,刷新地址必須在南有效前有效,并要保持一段時間
(83頁圖3.13)
在每次讀或?qū)懼芷跁r,由7位行地址所選史的整行的存儲元被
刷新。因此,每2ms內(nèi)必須完成128個RAS刷新周期
■注:在刷新周期,必須斷開存儲器的輸出
■另外,為了控制刷新,往往要求一些外部電路
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3刷新周期
■刷新周期
■RASonly:刷新行地址有效fRAS有效一刷新行地址和RAS撤銷
■CASbeforRAS:CAS有效fRAS有效fCAS撤卒肖fRAS撤至肖
-hidden:(在訪存周期中)RAS撤銷fRAS有效
(a)只用RAS*的刷新
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3刷新周期
■刷新周期
■RASonly:刷新行地址有效->RAS有效->刷新行地址和RAS撤銷
■CASbeforRAS:CAS有效->RAS有效.CAS撤銷fRAS撤銷
■hidden:(在訪存周期中)RAS撤銷fRAS有效
(b)CAS*在RAS*之前的刷新
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3刷新周期
■刷新周期
■RASonly:刷新行地址有效fRAS有效-?刷新行地址和RAS撤銷
■CASbeforRAS:CAS有效fRAS有效.CAS撤銷fRAS撤銷
-hidden:(在訪存周期中)RAS撤銷->RAS有效
(C)隱含式刷新
圖3-14動態(tài)存儲器的刷新周期
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4.DRAM的刷新
■(1)DRAM的刷新
■不管是哪一種動態(tài)RAM,都是利用電容存儲電荷的原理來
保存信息
■由于電容會逐漸放電,所以,對動態(tài)RAM必須不斷進行讀
出和再寫入,以使泄漏的電荷得到補充
?動態(tài)MOS存儲器采用“讀出”方式進行刷新
■先將原存信息讀出,再由刷新放大器形成原信息并重新
寫入
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4.DRAM的刷新
■(2)刷新周期
■從上一次對整個存儲器刷新結(jié)束到下一次對整個存儲器全
部刷新一遍為止,這一段時間間隔叫刷新周期
■一般為2ms,4ms,8ms
■(3)刷新方式
■常用的刷新方式有三種:集中式、分散式、異步式
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集中式刷新
■整個刷新間隔內(nèi),前一段時間重復(fù)進行讀/寫周期或維持周期
■等到需要進行刷新操作時,便暫停讀/寫或維持周期,而逐行
刷新整個存儲器
■適用于高速存儲器
38713872
39I99°
上
地址127
序號讀/寫維持------------——刷新
刷新間隔(2ms)
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