计算机组成原理-主存储器

概述

1、主存的基本组成：

2、主存和CPU之间的联系：

3、主存中存储单元地址的分配：

• 将高位字节的地址作为存储字的地址
• 将低位字节的地址作为存储字的地址

 

• 按字寻址：字是由若干个字节组成的单位，一根地址线指向一个字，其中为了定位到字中的字节位置，需要分出地址线用于指向字中的字节具体位置。（如果有4根地址线，按字寻址，字长为16位，16位就是2个字节，所以需要分出一根地址线，剩余三根地址线，能够指向2^3=8个字，对应的内存大小就是8*16b）
• 按字节寻址：一根地址线表示的状态与一个字节地址相对应，1根地址线对应2个字节地址，也就是2B，16b的内存大小

4、主存的技术指标：

1. 存储容量：主存存放二进制代码的总位数
2. 存储速度：存取时间（存储器的访问时间分为读出时间和写入时间），存取周期（连续两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔）
3. 存储器的带宽

半导体芯片简介

半导体存储芯片的基本结构

 

片选线：决定是对哪个存储芯片进行操作，可以用于拓展芯片：对一组芯片同一地址的数据线进行同时访问和操作：

读写控制线：表示对芯片做读操作还是写操作 

半导体存储芯片的译码驱动方式

（1）线选法：

地址译码器：枚举输入线的各种状态，如图输入4根线，能够表示16种状态，输出0-15的地址索引。其中只有一根线表示有效状态

缺点：容量大的芯片经过地址译码器后会产生大量地址线，不利于芯片集成

（2）重合法：

 

随机存取存储器（RAM）

静态RAM（SRAM）

基本电路：

T1~T4是双稳态触发器

动态RAM（DRAM）

基本电路：

用电容Cg是否有电标识0或1

使用动态RAM，地址译码器输出的信号线将会被分成读选择线和写选择线，是之前信号线数量的两倍

动态RAM刷新

因为电容容易漏电，所以要定期对每一行进行刷新；

分为集中刷新（存取周期为0.5微秒，以128*128矩阵举例）：

 

在刷新时不能与任何元器件进行通信，被称为死区。

这个集中刷新的死区为 0.5 微妙*128 = 64微妙，死时间率为 128/4000 = 3.2%

分散刷新（存取周期为1微秒，以128*128矩阵举例）：

每次读写操作过后立即执行刷新，将芯片读写周期延长为原来的两倍，但是没有死区

分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）：

对于128*128，每隔2毫秒/128 = 15.6微秒刷新一行。

对于每行来说，每隔刷新时间2毫秒就会被刷新一次，“死区”为每15.6微妙出现0.5微妙死区

如果将刷新安排在指令译码的阶段，就不会出现死区

只读存储器（ROM）

掩模ROM（MROM）

厂家写了信息在芯片内，用户不可进行修改

行列选择线交叉处有MOS管为“1”

行列选择线交叉处无MOS管为“0”

PROM（一次性编程）

EPROM（多次编程） 

N型沟道浮动栅MOS电路

D端加正电压形成浮动栅，S和D不导通为“0”

D端不加正电压不形成浮动栅，S和D导通为“1”

需要通过照射紫外线擦除编程记录

EEPROM（多次性编程）

电可擦写，局部擦写，全部擦写

FlashMemory（闪速型存储器）

存储器与CPU的连接

存储器容量的扩展

位扩展

eg：用2片1K*4位存储芯片组成1K*8位的存储器

使用同一根片选线链接两个芯片，使两个芯片能够同时工作

字扩展

用2片1K*8位存储芯片组成2K*8位的存储器

 

利用片选线作为芯片的第11根地址线，用于选择对哪个芯片进行操作

字、位扩展

用8片1K*4位存储芯片组成4K*8位的存储器 

CPU与存储器连接

1. 地址线的连接
2. 数据线的连接
3. 读/写命令线的连接
4. 片选线的连接
5. 芯片的选择

存储器的校验

合法代码集合

 1、{000，001，010，011，100，101，110，111}完全不能检错和纠错

2、{000，011，101，110}（1的个数必须是偶数），能够检测1位错，不能纠错

3、{000，111}（三倍冗余，用000表示0，111表示1），因为1位错的概率比多位错的概率大很多，所以能检1位错，纠1位错

4、{0000，1111}（四倍冗余）能检2位错，纠1位错

5、{00000，11111}（5倍冗余）能检2位错，纠2位错

编码的最小距离：任意两组合法代码之间二进制位数的最少差异（几倍冗余）

L - 1 = D + C（D>=C）

L-编码的最小距离，D-检测错误位数，C-纠正错误的位数

汉明码

汉明码是一种分组的奇偶校验

基本的分组奇偶校验：

校验位：对应编码范围种1的个数

汉明码的分组是一种非划分方式

第一组：xxxx1

第二组：xxx1x

第三组：xx1xx

第四组：x1xxx

eg：为0101配置偶校验汉明码，需要存储4位，我们可以用3位汉明码校验位来实现，

第一位校验码C1：位置2的0次方：第一位，处理的位置是二进制以1结尾的位置：1，3，5，7

第二位校验码C2：位置2的1次方：第二位，处理的位置是二进制XX1X的位置：2，3，6，7

第三位校验码C3：位置2的2次方：第四位，处理的位置是二进制X1XX的位置：4，5，6，7

将0101放入剩余位置：3，5，6，7

所以C1要使得1，3，5，7位的一的个数为偶数，故为0；C2为1，C3为0

最后的汉明码为0100101

eg：接收到按配偶原则配置的汉明码为0100111尝试纠错

汉明码C1，C2，C3为1，2，4位，为0，1，0

控制位置分别为：1，3，5，7；2，3，6，7；4，5，6，7（原理同上）

所以C1正确，C2错误，C3错误，所以最后结果因为C1是正确的XXX1的位置没错，假设只有一位错误的情况下，导致C2，C3均有错误的只有第6位，所以正确信息可能是0100101

提高访存速度的措施

采用高速器件；采用层次结构Cache—主存；

调整主存结构

单体多字系统

增加存储器的带宽，虽然每个单个存储字中存了多个机器字，单导致这多个机器字需要共同存取，可能导致一系列问题

多体并行系统

高位交叉，顺序编址

将地址的前两位作为存储体的编号，后续地址为存储体内地址，单个存储体由于局部性原理，可能被多次访问，而其他存储体可能在此期间一直处于空闲状态

地位交叉，各个体轮流编址 

 

图片来源于网络