计算机组成原理 主存和CPU连接与主存提速方案

主存与CPU的连接

译码器

线选法

译码器

线选法
n条地址线线-> n个选片信号，电路简单，但是地址空间不连续
低电平有效:
输入电压为0，有效
输入电压为1，无效

译码片选法

译码片选法
n条地址线线->$2^n$个选片信号，电路复杂，但是地址空间连续

总结

线选法	译码片选法
n条地址线线->n个选片信号	n条地址线线->$2^n$个选片信号
电路简单	电路复杂
地址空间不连续	地址空间可连续，可以增加逻辑设计

位拓展

位扩展:
假定手头只有若干 8Kx1位的SRAM芯片。首先需要使用2片该芯片，把这2片芯片连接为类似1片8Kx2位的芯片
可以看出，连接后存储单元数量不变，每个单元包含的位由1个变为2个，这种连接叫作存储器的位扩充。

位扩展
假定手头只有若干 8Kx1位的SRAM芯片首先需要使用8片该芯片，把这8片芯片连接为类似1片8Kx8位的芯片。

字拓展

字扩展:
假定手头只有若于 8Kx8位的SRAM芯片。首先需要使用2片该芯片，把这2片芯片连接为类似1片16Kx8位的芯片可以看出，连接后存储单元包含的位数不变，存储单元的数目增多。这种连接叫作地址(字)扩充。
线选法

片选法

字位同时拓展

主存提速方案

存储周期

RAM读周期

读操作时，必须保证片选信号为低电平，读写信号为高电平。
$t_{RC}$ （读周期时间）：指对芯片连续两次读操作之间的最小间隔时间。
$t_A$ (读出时间)：从给出有效地址后，经过译码电路、驱动电路的延迟，到读出所选单元内容，并经I/O电路延迟，直到数据在外部数据总线上稳定出现所需的时间。显然，读出时间小于读周期时间。
$t_{CO}$ (片选到数据输出稳定的时间)：数据能否送到外部数据总线上，不仅取决于地址，还取决于片选信号。因此，$t_{CO}$是从有效到数据稳定出现在外部数据总线上的时间。
$t_{CX}$（片选到数据输出有效时间）：从片选有效到数据开始出现在数据总线上的间隔时间。
$t_{OTD}$：片选无效后数据还需在数据总线上保持的时间。
$t_{OHA}$：地址失效后，数据线上的有效数据维持时间，以保证所读数据可靠。

RAM写周期

执行写操作时，必须保证片选信号为低电平，读写信号为低电平。
$t_W$（写入时间）：为保证数据可靠地写入，与同时有效的时间必须大于或等于$t_W$。
$t_{AW}$（滞后时间）：地址有效后，必须经过$t_{AW}$时间，WE/信号才能有效（低），否则可能产生写出错。
$t_{WR}$（写恢复时间）：WE/无效后，经tWR时间后地址才能改变，否则也可能错误地写入。
$t_{DW}$：写入数据必须在写无效之前tDW时间就送到数据总线上。
$t_{DH}$：WE/无效后，数据还要保持的时间。此刻地址线仍有效，$t_{WR}>t_{DH}$，以保证数据可靠写入。
$t_{WC}$（写周期时间）：表示连续两次写操作之间的最小时间间隔。$t_{WC}=t_{AW}+t_W+t_{WR}$。

存取时间
存取周期

双端口RAM

双口 RAM 是指一个特殊类型的RAM，它有两套完全独立的数据线、地址线和读 /写控制线。只要不同时访问同一个单元，两个独立的 CPU 可以同时对双口 RAM 进行随机访问。如果同时访问双端口RAM的同一个单元，由内部的控制电路决定哪个端口可以访问该单元。

注意
需要有两组完全独立的数据线、地址线、控制线。CPU、DRAM中也要有更复杂的控制电路

两个端口对同一主存操作有以下4种情况∶

1. 两个端口同时对不同的地址单元存取数据。
2. 两个端口同时对同一地址单元读出数据。
3. 两个端口同时对同一地址单元写入数据。
4. 两个端口同时对同一地址单元，一个写入数据，另一个读出数据。

解决方法∶ 置"忙"信号为0，由判断逻辑决定暂时关闭一个端口（即被延时），未被关闭的端口正常访问，被关闭的端口延长一个很短的时间段后再访问。

多模块存储器

传统存储器

多模块存储器
为提高访存速度，常采用多模块存储器，常用的有单体多字存储器和多体并行存储器。

单体多字存储器

单体多字系统的特点是存储器中只有一个存储体，每个存储单元存储 m 个字，总线宽度也为 m 个字。一次并行读出 m 个字，地址必须顺序排列并处于同一存储单元。
eg.单体四字存储器：每字W位，给定一个地址，可以在一个存取周期内读出4×W位指令或数据，使主存带宽提高到4倍

假设存取时间为r，恢复时间为3r那么存取周期为T=4r

特点

1. 每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m个字，一次并行读出m个字
2. 指令和数据在主存内必须是连续存放的

多模块多体并行存储器存储器

多体并行存储器由多体模块组成。每个模块都有相同的容量和存取速度，各模块都有独立的读写控制电路、地址寄存器和数据寄存器。它们既能并行工作，又能交叉工作。
多体并行存储器分为高位交叉编址（顺序方式）和低位交叉编址（交叉方式）两种。

高位交叉编址

高位地址表示体号，低位地址为体内地址。高位交叉编址方式下，总是把低位的体内地址送到由高位体号确定的模块内进行译码。访问一个连续主存块时，总是先在一个模块内访问，等到该模块访问完才转到下一个模块访问，CPU总是按顺序访问存储模块，存储模块不能被并行访问，因而不能提高存储器的吞叶率。

体号 体内地址

低位交叉编址

低位地址为体号，高位地址为体内地址。低位交叉编址方式下，总是把高位的体内地址送到由低位体号确定的模块内进行译码。程序连续存放在相邻模块中。 因此称采用此编址方式的存储器为交叉存储器。采用低位交叉编址后，可在不改变每个模块存取周期的前提下，采用流水线的方式并行存取，提高存储器的带宽。

体内地址 体号