主存储器部件的组成及设计

### 主存储器部件的组成及设计 #### 一、主存储器概述 ##### 1.1 主存储器的两个重要技术指标 主存储器作为计算机系统的重要组成部分，其性能直接影响着整个系统的运行效率。衡量主存储器性能的主要有两个技术指标： - **读写速度**：读写速度反映了主存储器在单位时间内能够执行读写操作的次数，常以存储周期（即连续两次独立的存储器操作间的时间间隔）来表示。存储周期越短，意味着存储器的读写速度越快。 - **存储容量**：存储容量是指主存储器能够存储的数据总量，通常用字节数或字数来表示。随着技术的发展，现代主存储器的容量已经达到了GB甚至TB级别。 ##### 1.2 主存储器与CPU及外围设备的连接 主存储器与CPU以及其他外围设备之间的连接主要是通过三种类型的总线来实现： - **地址总线**：用于指定要访问的存储单元地址。地址总线的位数决定了主存储器的最大可寻址空间。例如，如果地址总线有20位，则主存储器的最大寻址能力为\(2^{20}\)个存储单元，即大约1MB的空间。 - **数据总线**：用于在CPU和其他部件之间传输数据。数据总线的宽度决定了每次可以传输的数据量，比如8位、16位、32位等。 - **控制总线**：用于传输控制信号，指示总线的工作模式以及当前操作的状态。控制总线中的信号包括但不限于读/写控制信号、地址选通信号等。 #### 二、主存储器的分类及其特点 根据不同的标准，主存储器可以分为多种类型： - **按信息保存时间的长短**：可分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。 - **ROM**：一旦写入信息后便不能更改，主要用于存放固定的程序和数据。 - **RAM**：既可以读也可以写，是计算机运行过程中临时存储数据的地方。 - **按生产工艺的不同**：可分为静态存储器(SRAM)和动态存储器(DRAM)。 - **SRAM**：利用触发器原理来保存信息，具有速度快、无需刷新等特点，但成本较高，主要用于高速缓存等需要快速访问的场合。 - **DRAM**：利用电容器的充放电现象来存储信息，需要定期刷新以保持数据不丢失。虽然读写速度相对较慢，但由于其集成度高、成本低的特点，广泛应用于主存储器。 ##### 2.1 静态存储器(SRAM)与动态存储器(DRAM)的主要性能比较 | | SRAM | DRAM | |-------|------|------| | 存储信息方式 | 触发器 | 电容 | | 是否需要刷新 | 不需要 | 需要 | | 地址输入方式 | 同时送 | 分两次送 | | 运行速度 | 快 | 慢 | | 集成度 | 低 | 高 | | 发热量 | 大 | 小 | | 成本 | 高 | 低 | #### 三、动态存储器的记忆原理和读写过程 动态存储器（DRAM）是一种基于电容存储原理的存储器。每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成。信息存储在电容器中，通过电荷的有无来表示数据的1或0。 ##### 3.1 动态存储器的组成 动态存储器的基本组成单元是一个MOS管和一个寄生电容(CS)。信息通过这个寄生电容存储起来。 - **写操作**：字线被激活至高电平时，MOS管导通。如果要写入1，则数据线置为低电平，电容将被电源充电；如果要写入0，则数据线置为高电平，如果电容之前有电荷，则会放电，表示存储了0。 - **读操作**：首先使数据线置为高电平，然后字线被激活至高电平。如果电容存储了电荷，则电容会放电，数据线的电压会下降；如果没有存储电荷，则数据线电压不变。通过检测数据线上的电压变化即可判断读出的是1还是0。 ##### 3.2 特点 - **破坏性读出**：读操作会导致电容原有的电荷丢失，因此需要在读取之后立即进行写操作以恢复数据，这一过程被称为预充电。 - **定期刷新**：由于电容存在自然漏电现象，需要定期对DRAM存储单元进行刷新操作以维持存储信息的准确性。 #### 四、教学计算机的内存储器组成与设计 在教学计算机的设计中，内存储器通常采用静态存储器芯片来实现，主要包括ROM区域和RAM区域。 ##### 4.1 地址总线 地址总线由地址寄存器驱动，负责传递地址信息。在教学计算机中，地址总线的位数为16位，这意味着最大寻址空间为\(2^{16}\)个地址，即64KB。 ##### 4.2 控制总线 控制总线包括多种控制信号，用于指示总线的工作周期类型，例如内存读写周期(MMW/MMR)、外设读写周期(IOW/IOR)等。 ##### 4.3 数据总线 数据总线分为内部数据总线(IB)和外部数据总线(DB)两部分。在教学计算机中，数据总线的宽度通常为16位，用于完成各功能部件之间的数据交换。 ##### 4.4 字位扩展 为了实现更大的存储容量，可以通过字位扩展的方式来增加存储器的字长。在教学计算机中，ROM和RAM区域分别采用了74LS2716 ROM和74LS6116 RAM芯片，通过字位扩展实现了16位字长的存储器。 #### 五、总结 通过对主存储器部件的组成及设计的详细介绍，我们可以了解到主存储器作为计算机系统中不可或缺的一部分，其设计不仅涉及复杂的硬件结构，还需要考虑到与CPU以及其他外围设备之间的高效协调。通过合理的总线设计和高效的存储管理策略，可以显著提高计算机系统的整体性能。未来，随着新材料和新技术的应用，主存储器的性能还将得到进一步提升。