The memory intellectual point

4. Memory

4.2.1 Overview

Main memory specifications :

• Storage capacity: binary code can be stored in the total number of bits
  storage capacity of the storage unit number = x storage word length
  , for example: 32-bit memory word length = 4 bytes, the storage capacity = 4 * 32 = 128MB

• Storage speed

  • Storage time
    • Readout time: receiving a valid memory address from the start, all the time effective to produce the desired output
    • Writing time: receiving a valid memory address from the start, all of the write data to the selected time unit required
  • Storage period: two independent minimum interval required for the operation of the memory (memory cycle greater than the stored time)

• Memory bandwidth

4.2.2 Introduction to the semiconductor memory chip

Address lines: an input-equivalent to the house number, address lines are two, house number 2, may represent (0-99) 10 ² -headed,
decoding drive: the address bus an address signal sent to the corresponding translated a memory cell select signal, the signal for reading and writing with the write circuit and the
chip select line:
the CS: chip select signal
CE: chip enable signal
to read and write control lines:
the WE high write-read low :( )
OE :( allowed to read) WE (write enable)

The semiconductor memory chip decoding drive mode :

Address lines: 10, four data lines, chip capacity: 2 ¹⁰ X = 4K bits. 4

• Route selection method
  
  A0, A1, A2, A3, there are four address lines, 2 ^{. 4} the root (16) address line, a data line, the figure is 16 X 1-byte memory chip method selected from the line structure of FIG.

Problems :

Assumed that the memory 1M * 8 of 20 address lines, there are two ²⁰ -th power, that is, one million lines, memory, hard to integrate such a high, then the new method came. . . .

• Re legitimate
  line selected from the memory unit is arranged to process the one-dimensional array, the coincidence method is a two-dimensional array of memory cells arranged
  
  Difference: 20 address lines, x direction 10, there are 2 ¹⁰ (1K bars), y direction 10, there 2 ¹⁰ (1K bar), a total of 2k lines, select lines than the above method 1M line, saving much

4.2.3 Random Access Memory (RAM)

Static RAM

Save 0 and 1 principle: the use of information stored in the flip-flop works

Usually there is an output terminal and two input terminals ( "+", "-" end of each of a), when the input terminal "+" end with a trigger signal, the output terminal no matter what the original state, are immediately goes high and it has been a steady output high. If and when the input of the "-" end there is a trigger signal, the output end no matter what the original state will immediately goes low, and has been stable output low. This is bistable circuit.

Read:

1. select signal to travel, open T5, T6
2. column select signal is given to open the T7, T8
3. read select valid
4. A stored in the data through the transistor T6, the bit line to A, while also guiding T8 pass, send a signal to continue down the read select effective, Dout, the readout signal

Writes:

0. Din supplied to the data terminal
1. The select signal to travel, open T5, T6
2. column select signal is given to open the T7, T8
3. choose a valid write, open the Din line
4. Left Din (negated) -> the T7 -> T5-> A '
5. The right-Din-> T8-> T6-> A

Dynamic RAM

保存0与1的原理：DRAM使用电容存储，电荷维持1~2ms,所以必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。 关机就会丢失数据。

高电容表示存1
低电容表示存0

三管式动态RAM

T1,T2 ,T3三个MOS管
T4:预充电管

读操作

1.T4管放置预充电信号，读数据线达到高电平Vdd
2.读数据线打开T2
3.如果极间电容Cg原存“1”（高电荷），T1导通，因为T2,T1导通后接地，读数据线电平降为（低电荷）读出“0”
4.如果极间电容Cg原存“0”（低电荷），T1截止，读数据线电平不变 读出“1”
5.读出线因为电平改变，读出信息与原信息相反

写操作

1.写数据线有效 T3管导通
2.如果写入数据为1，写数据线为高电平，通过T3向Cg进行充电，Cg中保存1
3.如果写入数据为0，写数据线为低电平，通过T3向Cg进行放电，Cg中保存0
4.写入信息与输入信息完全相同

单管动态RAM

读操作

1.字线上的高电平使T打开，
2.如果Cs上保存“1”为高电荷，经过T管在数据线上产生高电流，可以视为读出“1”
3.如果Cs上保存“0”为高电荷，经过T管在数据线上产生低电流，可以视为读出“0”

写操作

1.子线为高电平使T管导通，
2.如果写入“1”，数据线为高电平，经过T管对Cs充电，使其存“1”
3.如果写入“0”，数据线为低电平，经过T管对Cs放电，使其无电荷存“0”

动态RAM刷新

刷新实质：先将原存信息读出，再有刷新放大器形成原信息并且重新写入的再生过程
与行地址有关

1)集中刷新

2)分散刷新

3)异步刷新

4.2.5 存储器与cpu的连接

1.存储容量的扩展

存储芯片容量有限，必须将若干存储芯片连在一起才能组成足够容量的存储器，通常有：

1. 位扩展
2. 字扩展
3. 字 位同时扩展

位扩展：
2片1K x 4位 存储芯片怎么组成1k x 8位的存储芯片？

字扩展：
2片1K x 8位 存储芯片怎么组2k x 8位的存储芯片？
1k=2¹⁰
2k=2¹¹

同时扩展：
8片1K x 4位 存储芯片怎么组成4k x 8位的存储芯片？

2.存储器与cpu的连接

1）地址线的连接
cpu的地址线比存储芯片的地址线多，通常是将cpu地址线的低位与存储芯片的地址线连接，高位扩充使用
2）数据线的连接
3）读写命令线的连接
高电平读 低电平写
4）片选线的连接（关键）
如果cpu没有访问存储器访问了I/O，来自CPU的片选有效信号MREQ为高电平，表示不要求存储器工作
5）合理选择存储芯片
ROM存放系统程序
RAM存放用户信息

4.2.6存储器的校验

设欲检测的二进制代码为n位，为使其具有纠错能力，需要添加K位检测位，组成n+k位的代码，检测位数K 应该满足 2^k>= n+ k +1
检测位编号为：1 2 4 8 … 2^k-1
c1 检测的小组包含1 3 5 7 9 11 。。。位
c2 检测的小组包含2 3 6 7 10 11 14 15 。。。位
c4 检测的小组包含4 5 6 7 12 13 14 15 。。。位

4.2.6提高访存速度的措施

存储器模块数为：n，存取周期为：T 总线传输周期：t 已知低位交叉的存储器，连续读取n个字所需要的时间t1为： T +(n-1)t
已知高位交叉的存储器，连续读取n个字所需要的时间t2为： nT

单体多字系统：
适用于程序和数据在存储体内是连续存放的情况。在一个存取周期内，从同一地址取出多条指令，然后再逐条将指令送至CPU执行，这样增大了存储器的带宽，提高了单体存储器的速度。这里的单体应该就是一个模块，但是每次可以读取多个字，可以和多体进行比较。
多体并行系统
有多个模块，每个模块有相同的容量以及存取速度，各模块各自都有独立的地址寄存器（MAR），数据寄存器（MDR），地址译码，驱动电路和读写电路，他们能够并行工作，同时也能交叉工作（什么是交叉工作？），但是并行读出的数据在总线上需要分时传送。
地址分为体号与体内地址。
对于高位交叉编址的多体存储器而言，程序按体内地址顺序存放，他们在每一个模块中的地址是连续的，有利于存储器的扩充。高位地址表示体号，低位地址表示体内地址。

对于低位交叉编址的多体存储器而言，程序连续存放在相邻体中（又有交叉存储之称），低位地址表示体号，高位地址表示体内地址。这种编址方式又称为模M编址，其中M为模块数。
每个模块的存取周期是不变的，但是CPU交叉访问各体，使得这几个存储体的读/写过程重叠进行。

对于低位交叉的存储器，连续读取n个字所需的时间为T+（n-1）t，
对于高位交叉的存储器，连续读取n个字所需的时间为nT，

4.3高速缓冲存储器

背景：I/o设备向主存请求的级别高于cpu访存，出现了cpu等待I/o设备访存的现象，致使cpu空等一段时间，降低了工作效率；cache的出现让cpu可以不直接访问主存，而与高速cache交换信息
程序访问的局部性：cpu从主存中存取指令的数据，只对主存局部区域地址访问，这是由于指令和数据在主存内都是连续存放的，使得cpu在执行程序中，访存具有相对局部性，这就称为程序访问的局部性；
公式：

• 一：h:命中率，Nc访问cache总命中次数，Nm访问主存的总次数
  h = Nc / Nc + Nm
• 二：ta = Cache -主存系统的平均访问时间
  tc为：命中时的cache访问时间，tm为未命中时的主存访问时间，1-h:未命中率
  ta = h tc + (1-h) tm
• Three e: access efficiency
  tc: cache hit access time
  ta: Cache - the average access time of main memory system
  e = tc / ta * 100%

4.32.cache - main memory address mapping