計(jì)算機(jī)組成原理存儲(chǔ)器

1、計(jì)算機(jī)組成原理，講座：嚴(yán)俊華存儲(chǔ)子系統(tǒng)，存儲(chǔ)子系統(tǒng)，主要知識(shí)點(diǎn)：掌握存儲(chǔ)的分類，存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，掌握存儲(chǔ)單元之間的關(guān)系，存儲(chǔ)容量，地址線和數(shù)據(jù)線3。掌握使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組作為主存儲(chǔ)器的方法，了解輔助存儲(chǔ)器的工作原理。掌握ache和虛擬存儲(chǔ)器的工作原理，重點(diǎn)是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，各種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，主存的組織方式(與中央處理器的連接方式)，緩存，虛擬內(nèi)存，難點(diǎn)：主存的組織方式，主存和虛擬內(nèi)存的工作原理，存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)：大容量，快速度，低成本，中央處理器，緩存，主存，外部存儲(chǔ)器，速度快，成本不能低；因此，在一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)中經(jīng)常使用幾個(gè)不同的存儲(chǔ)器來(lái)形成多級(jí)存儲(chǔ)系

2、統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)要求。主存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器)、輔助存儲(chǔ)器(外部存儲(chǔ)器)、高速緩存，它存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)并主要存儲(chǔ)當(dāng)前由中央處理器使用的程序和數(shù)據(jù)。速度快，容量有限，存儲(chǔ)大量備份程序和數(shù)據(jù)。速度慢，容量大，可在短時(shí)間內(nèi)多次存儲(chǔ)中央處理器使用的程序和數(shù)據(jù)。速度快，容量小，物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存主內(nèi)存-外部?jī)?nèi)存級(jí)別：增加容量中央處理器主內(nèi)存外部?jī)?nèi)存：為虛擬內(nèi)存提供條件虛擬內(nèi)存：使主內(nèi)存空間和部分外部?jī)?nèi)存空間成為邏輯地址空間。用戶使用邏輯地址空間來(lái)編程，操作系統(tǒng)執(zhí)行與程序調(diào)度、內(nèi)存空間分配、地址轉(zhuǎn)換等相關(guān)的工作。存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，按存儲(chǔ)機(jī)制分類的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器：使用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器存儲(chǔ)信息的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器；磁表

3、面存儲(chǔ)器利用電容存儲(chǔ)電荷來(lái)存儲(chǔ)信息：利用磁層上不同方向的磁化區(qū)域來(lái)表達(dá)信息，具有容量大、無(wú)損讀出、信息長(zhǎng)期存儲(chǔ)和速度慢等優(yōu)點(diǎn)。光盤(pán)存儲(chǔ)器利用光點(diǎn)的有無(wú)來(lái)指示信息、存儲(chǔ)器分類和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的存取方式：存儲(chǔ)器中的任何單元都可以根據(jù)地址進(jìn)行存取，存取時(shí)間與地址單元無(wú)關(guān)，內(nèi)存：MROM、可讀可寫(xiě)、只讀但不可寫(xiě)、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、用戶不能編程、用戶可以編程一次、可編程只讀存儲(chǔ)器、用戶可以編程多次、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀

4、存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器、可編程只讀存儲(chǔ)器存取時(shí)間與數(shù)據(jù)位置、等待操作、平均等待時(shí)間、讀/寫(xiě)操作、兩步操作、速度指數(shù)、(毫秒)、數(shù)據(jù)傳輸率、(字節(jié)/)、存儲(chǔ)器分類有關(guān)，當(dāng)直接存取存儲(chǔ)器(DM)被存取時(shí)，讀/寫(xiě)單元首先直接指向一個(gè)小區(qū)域，然后依次在該區(qū)域中搜索。存取時(shí)間與數(shù)據(jù)位置、三步操作、定位(尋道)操作、等待(旋轉(zhuǎn))操作、讀/寫(xiě)操作、速度指數(shù)、平均定位(尋道)時(shí)間、平均等待(旋轉(zhuǎn))時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率(位/秒)、存儲(chǔ)器分類、關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器有關(guān)：它是一種基于數(shù)據(jù)的特殊存儲(chǔ)器。當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，CAM可以自動(dòng)選擇一個(gè)

5、未使用的空單元進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，CAM同時(shí)將所有存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)與給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并標(biāo)記合格的數(shù)據(jù)。比較是同時(shí)進(jìn)行的，因此讀取速度比基于地址的讀寫(xiě)速度快。主存儲(chǔ)器分類，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀和可寫(xiě)，只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器：通常是只讀的，不會(huì)在電源故障時(shí)丟失，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器要求組件具有以下存儲(chǔ)器特征：有兩種穩(wěn)定狀態(tài)；在外部信號(hào)的激勵(lì)下，這兩種穩(wěn)定狀態(tài)可以無(wú)限期地相互轉(zhuǎn)換；在外部信號(hào)的激勵(lì)下，可以讀出兩種穩(wěn)定狀態(tài)；儲(chǔ)存可靠。半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件可分為兩類：靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，只要電源通電，它就能保持兩種穩(wěn)定狀態(tài)之一。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：除了電源，它必須定期動(dòng)態(tài)

6、刷新，否則信息會(huì)丟失。只讀存儲(chǔ)器，屏蔽模型只讀存儲(chǔ)器MROM可編程只讀存儲(chǔ)器PROM電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM閃存，1，存儲(chǔ)器，1。掩碼模型只讀存儲(chǔ)器MROM表示0和1，有或沒(méi)有組件。當(dāng)MROM芯片離開(kāi)工廠時(shí)，它已經(jīng)寫(xiě)入了信息，在需求很大且不需要重寫(xiě)的情況下無(wú)法重寫(xiě)。只讀存儲(chǔ)器，2。當(dāng)可編程只讀存儲(chǔ)器PROM離開(kāi)工廠時(shí)，其內(nèi)容全部為1。用戶可以用一個(gè)特殊的可編程只讀存儲(chǔ)器寫(xiě)入器來(lái)寫(xiě)入信息。一旦被寫(xiě)入，它就不能被重寫(xiě)(也就是說(shuō)，它只能被寫(xiě)入一次)，所以它也被稱為一次性可編程只讀存儲(chǔ)器。熔絲型可編程只讀存儲(chǔ)器，3。eprom:可擦除可編程ROM紫外EPROM(紫外可擦除可編程rom)紫外

7、擦除(有一個(gè)應(yīng)時(shí)窗，重寫(xiě)時(shí)應(yīng)置于一定波長(zhǎng)的紫外燈下，照射一定時(shí)間后全部擦除，EPROM有兩個(gè)問(wèn)題： A。紫外燈擦除時(shí)間長(zhǎng)。它只能作為一個(gè)整體被擦除，但不能重寫(xiě)單個(gè)單元或位，只讀存儲(chǔ)器。4.當(dāng)電可擦只讀存儲(chǔ)器在線時(shí)，它可以被一個(gè)特殊的高壓寫(xiě)入器擦除幾次。支持?jǐn)?shù)據(jù)塊擦除5。閃存E2PROM，又稱閃存，是在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電可擦可編程非易失性存儲(chǔ)器。特點(diǎn)：高密度/非易失性/讀取/在線重寫(xiě)；它具有隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，可以代替軟盤(pán)和硬盤(pán)。擦除次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次以上。讀取時(shí)間小于10納秒。內(nèi)存性能指數(shù)，訪問(wèn)時(shí)間：內(nèi)存從內(nèi)存接收讀或?qū)懙刂泛妥x(寫(xiě))信息所需的時(shí)間。存取周期時(shí)間：指

8、連續(xù)開(kāi)始兩次獨(dú)立的內(nèi)存操作(例如，兩次連續(xù)讀取)所需的最短時(shí)間。也稱為訪問(wèn)總線寬度，即一次可以訪問(wèn)的數(shù)據(jù)位或字節(jié)數(shù)。內(nèi)存帶寬：也稱為數(shù)據(jù)傳輸速率，它每秒鐘從內(nèi)存中讀取信息，通常以字節(jié)/秒表示。帶寬BM:是指每秒訪問(wèn)的二進(jìn)制位數(shù)。如果調(diào)制解調(diào)器=500納秒，功率=16位，調(diào)制解調(diào)器=16/0.5=32兆位/秒，有必要改進(jìn)調(diào)制解調(diào)器：以便調(diào)制解調(diào)器使功率增加存儲(chǔ)體。內(nèi)存性能指數(shù)，容量：指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的能力，即二進(jìn)制信息的最大數(shù)量。B或B表示信息的可靠保存、非易失性和可替換的主動(dòng)存儲(chǔ)器：例如，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只能通過(guò)電源來(lái)存儲(chǔ)信息。被動(dòng)存儲(chǔ)器：斷電后，磁盤(pán)和磁帶等輔助存儲(chǔ)器中的信息不會(huì)丟失。非易失性：

9、斷電時(shí)信息不會(huì)丟失結(jié)論：評(píng)估存儲(chǔ)器的三個(gè)基本指標(biāo)：容量、成本、存取速度、主存儲(chǔ)器的組成、半導(dǎo)體存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)芯片的主要部分用于存儲(chǔ)信息。地址解碼電路根據(jù)輸入的地址碼選擇芯片中的特定存儲(chǔ)單元，讀寫(xiě)控制邏輯選擇存儲(chǔ)芯片來(lái)控制讀寫(xiě)操作和存儲(chǔ)體。每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的地址。能夠存儲(chǔ)1位(位芯片結(jié)構(gòu))或多位(字芯片結(jié)構(gòu))二進(jìn)制數(shù)據(jù)的芯片的存儲(chǔ)容量與地址和數(shù)據(jù)線的數(shù)量有關(guān)：芯片的存儲(chǔ)容量為2MN，存儲(chǔ)單元的數(shù)量為m，芯片的地址線的數(shù)量為n，芯片的數(shù)據(jù)線的數(shù)量為23，存儲(chǔ)體為，單元地址，000 001.存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)體、地址線：決定存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的數(shù)據(jù)線：通過(guò)一次訪問(wèn)存儲(chǔ)器獲得的數(shù)據(jù)位的數(shù)量，

10、地址解碼電路，1。解碼器：將每個(gè)輸入二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出高電平和低電平信號(hào)，地址解碼電路，25。解碼輸出在高電平有效，而解碼輸出在低電平有效。地址解碼電路，2-4個(gè)解碼器，y0y1y2y3、a1a0en、引腳功能圖，1。解碼器：地址解碼結(jié)構(gòu)，單解碼結(jié)構(gòu)，雙解碼結(jié)構(gòu)，雙解碼可以簡(jiǎn)化解碼結(jié)構(gòu)，主要用于芯片設(shè)計(jì)，芯片選擇和讀寫(xiě)控制邏輯，芯片選擇終端。當(dāng)有效時(shí)，輸出芯片中的數(shù)據(jù)，控制端對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的讀控制線寫(xiě)WE*控制寫(xiě)操作。當(dāng)有效時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片中控制端對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的寫(xiě)控制線、主存組織和主存組織，主要包括：M的邏輯設(shè)計(jì)、M的刷新、主存與中央處理器的連接、主存的驗(yàn)證、主存組織、主存設(shè)計(jì)的一般原則：主存與

11、中央處理器的連接：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線；駕駛能力；存儲(chǔ)器芯片類型選擇；內(nèi)存芯片和中央處理器之間的時(shí)序；存儲(chǔ)器的地址分配以及用于芯片選擇和解碼的行和列選擇信號(hào)的產(chǎn)生；主記憶組織；存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線；存儲(chǔ)芯片的地址線；芯片選擇端存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)控制線；位擴(kuò)展方法用于數(shù)據(jù)線的連接字?jǐn)U展方法用于地址線的連接字同時(shí)擴(kuò)展方法，主存儲(chǔ)器組織，1。位擴(kuò)展法當(dāng)芯片容量與主存容量相同，但位數(shù)不足時(shí)，稱為位擴(kuò)展。位擴(kuò)展法的要點(diǎn)：“位的并行連接”:每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線與CPU數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)的位應(yīng)拼接在一起，并共享一個(gè)芯片選擇信號(hào)。例1:八個(gè)8K*1芯片構(gòu)成8K*8存儲(chǔ)器，位擴(kuò)展法構(gòu)成1K*16存儲(chǔ)器；示例2:四個(gè)1K*4 21

12、14芯片構(gòu)成1K*16存儲(chǔ)器。主存組織，2。字?jǐn)U展模式當(dāng)芯片的字長(zhǎng)與主存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)相同，但容量不足時(shí)，需要用幾個(gè)存儲(chǔ)芯片組成一個(gè)容量較大的存儲(chǔ)器，這叫字?jǐn)U展。字?jǐn)U展法的要點(diǎn)：每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線與CPU數(shù)據(jù)線的相應(yīng)位串聯(lián)，每個(gè)芯片的芯片選擇線應(yīng)分開(kāi)，并與CPU地址總線的高位地址解碼的芯片選擇信號(hào)連接。示例3:使用英特爾2114(1K*4)芯片形成4K*4存儲(chǔ)器。1.計(jì)算分析：2114規(guī)格為1K*4，有10條芯片地址線(A9A0)、4條數(shù)據(jù)線、12條系統(tǒng)地址線(A11A10為芯片線選擇)和4條數(shù)據(jù)線。A11A 10 A9 A8 A7a 6 A5A 4A 3A 1A 0 0 0 0 0 1 0 1 0

13、 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1、000 - 3FF 1K、400 - 7FF 1K、800 - BFF 1K、C00-FFF 1K、2。芯片選擇和地址分析：用字?jǐn)U展法構(gòu)成4K*4存儲(chǔ)器。例4: 64K8位內(nèi)存連接圖由16K8位芯片的字?jǐn)U展法組成。分析：應(yīng)使用四個(gè)芯片，四個(gè)芯片的數(shù)據(jù)端應(yīng)與數(shù)據(jù)總線D0D7相連；地址總線的低位地址A0A13與每個(gè)芯片的14位地址端子相連；兩位高位地址A14和A15通過(guò)解碼器與四個(gè)芯片選擇端相連，通過(guò)字?jǐn)U展法形成64K8存儲(chǔ)空間。主存儲(chǔ)器的主存儲(chǔ)器組織和邏輯設(shè)計(jì)需要解決：芯片選擇地址分配和芯片選擇邏輯信號(hào)線之

14、間的連接示例5:通過(guò)使用2114(1K4)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片形成4K8容量的存儲(chǔ)器。地址總線A15A0、雙向數(shù)據(jù)總線D7D0、讀/寫(xiě)信號(hào)線R/W.給出了芯片地址分配和芯片選擇的邏輯，并繪制了M框圖和主存組織。碼片的數(shù)量是通過(guò)擴(kuò)展比特?cái)?shù)，然后擴(kuò)展單元數(shù)，然后擴(kuò)展比特?cái)?shù)來(lái)計(jì)算的。兩個(gè)1k4、1k8、四個(gè)1k8、4k8、8、四個(gè)1k4、4k4、兩個(gè)4k4、4k8，主存儲(chǔ)器組織，地址分配芯片內(nèi)部的尋址系統(tǒng)(二次解碼)，芯片外部的地址分配和芯片選擇邏輯，為芯片分配哪些地址以找到芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)單元，以及哪些地址形成芯片選擇邏輯以找到芯片，存儲(chǔ)器空間分配：4KB存儲(chǔ)器占據(jù)16位地址空間(64KB)中的任

15、何連續(xù)間隔。需要12位地址：4kb，a15a12a11a10a9a0，a11a0，0000，任意值，0011，0111，1011，0100，1000，1100，1111，芯片選擇，芯片地址，分配給芯片的低位地址，形成芯片選擇的高位地址芯片選擇信號(hào)芯片選擇邏輯，1k，1k，1k，9a0，a9a0，a9a0，cs0，CS1(2)擴(kuò)展單元的數(shù)量，(3)連接控制線以形成芯片選擇邏輯電路。假設(shè)內(nèi)存芯片和地址解碼器的引腳如圖所示，試著回答以下問(wèn)題：(1)如果需要形成一個(gè)8K8內(nèi)存，需要多少芯片？?jī)?nèi)存占用一個(gè)連續(xù)的地址空間，起始地址為E1000H。如果采用全地址解碼法，試著畫(huà)出內(nèi)存系統(tǒng)和中央處理器之間的電路

16、連接圖。(2)嘗試寫(xiě)出每個(gè)內(nèi)存芯片的地址空間。主存組織，主存組織，工作：設(shè)計(jì)一個(gè)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其中只讀存儲(chǔ)器區(qū)域?yàn)?KB，選擇只讀存儲(chǔ)器芯片(4KB位/片)；內(nèi)存區(qū)域?yàn)?KB，選擇內(nèi)存芯片(2KB/芯片和1K4位/芯片)。地址總線A15A0、雙向數(shù)據(jù)總線D7D0、讀/寫(xiě)線讀寫(xiě).要求：給出芯片地址分配和芯片選擇的邏輯公式，并繪制M邏輯框圖(各芯片信號(hào)線與芯片選擇邏輯電路的連接，芯片選擇信號(hào)在低電平有效)。作業(yè)：內(nèi)存由8K*8位只讀存儲(chǔ)器芯片和8K*4位隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片組成，按字節(jié)尋址。臨時(shí)內(nèi)存地址為2000H7FFFH，只讀存儲(chǔ)器地址為C0000HFH。要求：計(jì)算需要多少芯片？繪制內(nèi)存及其與中央處理器連接的設(shè)計(jì)框圖。計(jì)算每個(gè)芯片的地址范圍。動(dòng)態(tài)m:電荷定期添加到電容器的主存儲(chǔ)器組織、主存儲(chǔ)器組織、刷新定義和原因定義。原因：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器依靠電容充電來(lái)存儲(chǔ)信息。平時(shí)沒(méi)有電源，電容充電時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)放電，所以需要定期給電容充電，保持信息不變。注意刷新和重寫(xiě)的區(qū)別、主存組織、動(dòng)態(tài)M的最大刷新間隔：在此期間，所有動(dòng)態(tài)單元必須刷新一次。