哈工大计算机组成原理课程
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大纲：

存储器

概述

1. 分类

（1）按存储介质分：

• 半导体存储器：一般用作主存；断电容易丢失（有的不易丢失）
• 磁存储器
  • 磁表面存储器：用作辅存；不易丢失
  • 磁芯存储器
• 光盘存储器

（2）按存取方式：

• 随机访问：存取时间和物理地址无关
  • 随机存储器：程序执行过程中可读可写
  • 只读存储器：程序执行过程中只读
• 串行访问：存取时间和物理地址有关
  • 顺序存取存储器：磁带
  • 直接存取存储器：磁盘

（3）按作用分：

• 主存
  • RAM
    • 静态RAM
    • 动态RAM
  • ROM
    • MROM
    • PROM
    • EPROM
    • EEPROM
• 闪存（Flash Memory）
• 缓存（Cache）
• 辅存（磁盘、磁带、光盘）

2. 存储器的层次结构

CPU中的存储器是寄存器，速度很快、容量小，做运算时存储数据
缓存解决CPU与主存速度差异，有一部分在CPU中，还有一部分在CPU外面

• 主存——辅存层次解决容量问题，软硬件结合实现，被称为虚拟存储器，使用虚地址，是逻辑地址
• 缓存——主存层次解决速度问题，由硬件实现，对使用人员透明，称为主存储器，使用实地址，是物理地址
  

主存储器

1. 概述

1. 主存结构：除了存储体、MAR、MDR之外，还有译码器、读写电路、控制电路
   译码器将传来的地址转换为存储体中对应的地址
   控制电路来控制读写电路是读操作还是写操作

2. 主存中的存储单元的地址的分配

3. 主存的技术指标
   存取周期 > 存取时间
   

2. 半导体存储芯片

1. 半导体存储芯片的基本结构

• 主存中的MAR、MDR一般集成到CPU中
• 地址线连着译码器，还有片选线用来选择当前传来的地址对应着存储体中哪一组芯片
  

片选线CS或CE，当它为低电平时有效
读写控制线一根WE，低电平为写，也可以两根OE和WE

片选线：每8个存储芯片为一组，共有4组，每一组连接着片选线
第一组地址范围：0~16K-1…地址65536传来时，它对应着第四组芯片，所有第四组芯片的片选信号为低电平，可以同时选中第四组芯片

2. 译码方式

• 地址线都为0时，译码之后对应的第0个线的芯片被选中；为01时，译码之后就是第1个线
• 但是16太少了，当线数量很大时，1M*8就是1M根线，太密集，于是有了重合法
  

采用行地址和列地址分别译码，两个方向同时选中的信号会被输出

3. RAM

1. 静态RAM（SRAM）

SRAM基本电路

• 保存0、1的原理：虚线框中的晶体管T1~T4构成一个触发器，触发器两个状态表示0和1，触发器的原端A保存这个存储元的数据（0或者1），它的非端A撇保存相反的数据。
• 触发器两端各有一个行开关，选中这一行的芯片时，每个元件的行开关都会打开，数据从原端经过T6开关到达位线再到T8开关，在到达数据线完成读操作。T5开关也是打开的，但是T5到T7后经过左边的写放大器会被拦截，所以非端数据不会输送出去。
• T7、T8是列开关，是一列元件共享的，列地址选中某一列时，这一列的两个列开关就会打开
  

写操作时，数据从右边的写放大器写入到原端，从左边的写放大器经过非运算取反之后写如非端，保证原端、非端数据相反

2. SRAM芯片举例
   10根地址线，4根数据线，容量1K4
   4根数据线，所以一次要读取或写如4位数据
   把它设计成64行64列，分成4组，每一组各连一条数据线
   行地址为0时选中第0行，列地址为0时，选中每一组的第0列，这样每次选中4位数据进行操作
   
   

2. 动态RAM（DRAM）

• DRAM存储0、1采用电容，有电表示1，没电表示0，通过读写控制线对电容进行充放电
• DRAM有两种实现方式：
  • 三管
  • 单管

三管读操作：
1. 首先会有一个预充电信号使得T4导通，VDD这条线会通过T4使得读数据线上的信号为高电平表示1
2. 读操作时，读选择线被选中，是高电平，T2倍导通
3. 当电容为低电平保存的是0时，T1不导通，数据线读的数据是1
4. 当电容为高电平保存的是1时，T1导通，数据线读的数据是1，这时读数据线上的高电平通过T2、T1进行放电变成低电平，读出的数据变成0
5. 读出的数据与存储的数据相反，读出时需要非运算

三管写操作：
1. 写选择线选中，T3导通
2. 写数据线输入1，高电平通过T3向电容充电，保存的就是1
3. 写数据线输入0，写数据线为低电平，电容通过T3放电，保存的就是0

单管：
1. 子线就是控制线，当这个元件被选中时，子线会有电流，T会被导通
2. 电容有电时，通过T会将数据线变为高电平，传输的就是1
3. 写数据时，数据线有电，通过T向电容充电；数据线没电，电容通过T放电，电容保存的就是0

三管动态RAM举例：
需要注意的是每一列都有一个刷新放大器，这是因为电容会漏电，所以需要动态刷新：原来保存几还让它保存几

4. 动态RAM刷新

电容会漏电，需要刷新。以行为单位， 每次刷新一行，每一列各有一个刷新放大器

• 集中刷新
• 分散刷新
• 异步刷新

集中刷新：
假设刷新周期为2ms，存取周期为0.5us，就是每隔2ms要将芯片的全部电容刷新一遍，128行就需要128个周期（刷新一行需要一个存取周期），集中刷新会把刷新时间集中起来，其余时间用来读写操作，剩下的128周期用来刷新，死区时间为128*0.5=64us
在64us的死区时间里，无法进行读写操作

分散刷新：
每完成一次读写操作就伴随着刷新某一行
存取周期 = 读写周期 * 2，前半个存取周期完成读写，后半个进行刷新
128行经过128个存取周期就刷新一个遍，刷新周期为128us，2ms内共有2000/128 = 15.6个，后面继续刷新，2ms之后会完成15次刷新
虽然没有死区，但刷新得过于频繁，造成性能下降，存取周期变长

异步刷新：
每隔2ms全部刷新一次，128行每次刷新一行，将2ms分为128份，每份15.6us，每15.6us完成某一行的刷新
每一份是集中刷新，整体是分散刷新
最后会有0.5us的死区时间，可以将每次刷新放到译码阶段消除死区

5. SRAM和DRAM比较

SRAM采用触发器，结构较复杂，引脚多，集成度低，但速度快，价格高
DRAM采用电容，结构较为简单，引脚少，集成度高，但速度慢，价格低

6. ROM

ROM一般保存系统程序、参数等
只读存储器ROM发展历程

1. 最开始由厂家写好，用户不能修改——MROM
2. 用户可以写1次——PROM
3. 用户可以写多次——EPROM
4. 用户可以写多次，可以电擦除——EEPROM
   

分类

• MROM：根据行列选择性交叉处有无MOS管决定存储1或0
• PROM：可以写一次，写操作时，电流会将熔丝烧断，根据熔丝是否断决定存储0或1，断了之后不能复原，所以只能写一次
• EPROM：可写多次，紫外线擦除，比较麻烦。便宜，集成度高
• EEPROM：写多次，电擦除，局部、全部擦除
• Flash Memory（闪存）：U盘，比EEPROM快，具备RAM功能