微机原理第5章－存储器.ppt

微机原理与接口技术,北京航空航天大学电子信息工程学院,秦 红 磊 金天,第一节：计算机存储器系统 第二节：存储系统基本概念和性能指标 第三节：主要存储器介绍 第四节：存储器与CPU的连接,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,第一节：计算机存储器系统,全联映像方式,第一节：计算机存储器系统,直接映像方式,第一节：计算机存储器系统,第二节：存储系统基本概念和性能指标,第二节：存储系统基本概念和性能指标,第二节：存储系统基本概念和性能指标,X 地址 译码 器,存储单元矩阵 NXM （4096XI）,Y地址译码器,26,A11,A6,26,A11,A6,n个,输入 缓冲器,数据输入,DIN,写入 读出,输入 缓冲器,数据输出,DOUT,R/W读写输入,CS片选择,典型存储器的组成框图,第二节：存储系统基本概念和性能指标,衡量存储器的技术指标,存储器容量,存取速度,功耗和集成度,可靠性,存储带宽,第二节：存储系统基本概念和性能指标,1. 存储器容量,第二节：存储系统基本概念和性能指标,2. 存取速度,指访问（读/写）一次存储器所需要的时间。常用存储器的存取时间(Memory Access Time)和存储周期表示。,第二节：存储系统基本概念和性能指标,存储器容量与速度,第二节：存储系统基本概念和性能指标,3. 存取带宽,表示单位时间内传输数据容量的大小，表示吞吐数据的能力。存储器的带宽计算： B=FD/8 B表示带宽，F表示存储器时钟频率，D表示存储器数据总线位数。,第二节：存储系统基本概念和性能指标,3. 存取带宽,例如：PC-100的SDRAM带宽计算如下： 100MHz64bit/8=800MB/s 这个计算方法是针对仅靠上升沿信号传输数据的SDRAM而言的，对于上升沿和下降沿都传输数据的DDR来说计算方法有点变化，应该在最后乘2。 PCI带宽=33MHz32bit8 = 133MB/s AGP 1X总线的带宽=66MHz64bit8 = 528MB/s AGP 4X带宽=528MHz4 = 2.1GB/s。,第二节：存储系统基本概念和性能指标,4. 功耗和集成度,第二节：存储系统基本概念和性能指标,4. 功耗和集成度,新型FCRAM和DDR2 SDRAM的功耗比较,第二节：存储系统基本概念和性能指标,4. 功耗和集成度,5. 可靠性,第二节：存储系统基本概念和性能指标,85摄氏度 重写100万次 保存100年 125摄氏度 重写50万次 保存50年,第三节：存储系统的分类和原理,1. 历史,在电子管计算机时期(19461959)，计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时，主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型，通常按此对计算机进行分类。 到了晶体管计算机时期(19591964)，主存储器均采用磁心存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展，而且中、小型计算机，特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。 1964年，在集成电路计算机发展的同时，计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始出现固件子系统。,第三节：存储系统的分类和原理,1. 历史,“水银延迟线存储器”最早最早的计算机的内存，由研制ENIAC的工程师John W. Mauchly二战期间为军用雷达开发的一种存储装置,第三节：存储系统的分类和原理,1. 历史,1956年9月13日，IBM推出全球首款硬盘系统RAMAC 350，使用了50个24英寸盘片，总容量只有5MB,第三节：存储系统的分类和原理,1. 历史,IBM 硬盘50年发展历史,第三节：存储系统的分类和原理,1. 历史,2004年，希捷首次采用垂直磁记录方式，记录密度突破100Gbpsi,第三节：存储系统的分类和原理,2. 基本原理,第三节：存储系统的分类和原理,2. 基本原理,第三节：存储系统的分类和原理,3. 存储器的分类,第三节：存储系统的分类和原理,“水银延迟线存储器”最早最早的计算机的内存，由研制ENIAC的工程师John W. Mauchly二战期间为军用雷达开发的一种存储装置,第三节：存储系统的分类和原理,第三节：存储系统的分类和原理,3. 1 ROM,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.1 掩模式ROM,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.2 OTP-ROM,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.3 EPROM,Erasable Programmable Read-Only Memory 特点：芯片的上方有一个石英玻璃的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而将写入的信号擦去。,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.4 EPROM,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.5 E2PROM,电可擦除可编程的ROM（E2PROM） Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory 应用特性： （1）对硬件电路没有特殊要求，编程简单。 （2）采用5V电源擦写的E2PROM，通常不需要设置单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除。 （3）E2PROM器件大多是并行总线传输的,第三节：存储系统的分类和原理,3.1.6 E2PROM,第三节：存储系统的分类和原理,3.2. 随机存取存储器 RAM,1） RAM也称读写存储器，对该存储器内部的任何一个存储单元，既可以读出（取），也可以写入（存）； 2）存取用的时间与存储单元所在的物理地址无关； 3）主要用作主存，也可作为高速缓存使用； 通常说的内存容量均指RAM容量。 4）一般RAM芯片掉电时信息将丢失，目前有内带电池芯片，掉电后信息不丢失的RAM，称为非易失性RAM（NVRAM）。 5）微机中大量使用MOS型（按制造工艺分成MOS型和双极型）RAM芯片。 6）按集成电路内部结构不同，RAM又可以分为静态RAM和动态RAM。,第三节：存储系统的分类和原理,3.2.1 静态 RAM (SRAM),典型的静态RAM芯片：6116（2KB8位）、6264（8KB8位）、62256（32KB8位）、628128（128KB8位）等。,第三节：存储系统的分类和原理,3.2.2 动态 RAM (DRAM),第三节：存储系统的分类和原理,3.3 非易失RAM,从1972年到现在，半导体存储器在RAM中占有绝对统治的地位，它与CPU同步发展，半节距从250nm缩小到90nm，单片容量从1KB提升到32MB，存储密度提高了几千万倍 近十年来对非易失性存储器的研究工作取得了长足的进步，其中最突出的成就是闪存的应用。在一些对速度要求不是特别高的系统中，内存和外存已经合而为一，统一使用闪存了。不过，因为闪存只是在擦除数据时放电速度很快，而在写入数据时需要一个较长的充电时间，想提升其存取速度是很困难的，因此在主流的电脑中闪存还只能充当外存的角色。,第三节：存储系统的分类和原理,3.3 非易失RAM - Flash,第三节：存储系统的分类和原理,闪存的原理,3.3 非易失RAM Flash,第三节：存储系统的分类和原理,Samsung 32Gb闪存芯片,3.3 非易失RAM - Flash,第三节：存储系统的分类和原理,同样作为非易失性存储器的MRAM速度为25ns，PCM的速度最快，为5ns（200MHz）。MRAM是靠磁场翻转来实现0和1的转换，理论上速度可与SRAM相匹敌，且没有读写寿命的限制。但是，由于工艺上一直未能突破尺寸和存储密度上的约束，目前单颗MRAM芯片的容量最多也只有512KB。PCM也是依靠材料的特性变化以记录数字信息，记忆原理与光盘刻录相似。PCM的核心是一小片特殊材质合金，可以在两种结构之间改变，不同的结构有不同的电阻，要改变PCM的状态，也是透过电力加热核心然后停止加热，藉由快速停止或缓慢停止加热，将会导致PCM进入无定形（amorphous）或水晶（crystalline）两种状态。,3.3 非易失RAM - MRAM,第三节：存储系统的分类和原理,MRAM compared with DRAM,3.3 非易失RAM - MRAM,第三节：存储系统的分类和原理,3.3 非易失RAM - MRAM,第三节：存储系统的分类和原理,3.3 非易失RAM,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,光驱工作原理,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,RAID存储器（廉价磁盘冗余阵列）：基本思想是用多个小的磁盘存储器，通过合理的分布数据，支持多个磁盘同时进行访问，从而改善磁盘存储器的性能。RAID是RedundantArrayofIndependentDisk的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列。冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加州大学伯克利分校提出。初衷是为了将较廉价的多个小磁盘进行组合来替代价格昂贵的大容量磁盘，希望单个磁盘损坏后不会影响到其它磁盘的继续使用，使数据更加的安全。RAID作为一种廉价的磁盘冗余阵列，能够提供一个独立的大型存储设备解决方案。在提高硬盘容量的同时，还能够充分提高硬盘的速度，使数据更加安全，更加易于磁盘的管理。,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,光驱工作原理,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,主要技术： 1分块技术：把数据分块写到阵列中的磁盘上； 2交叉技术：对分布式的数据采用交叉式进行读写，提高访问速度； 3重聚技术：对多个磁盘空间重新编址，数据按照编址后的空间存放；,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,第三节：存储系统的分类和原理,3.4 其它存储器,存储器芯片与CPU的连接方式，是指与CPU总线相关的信号线的连接，控制总线由芯片类型决定。 (1) 根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构 (2) 根据CPU外部地址总线的位数与存储器的容量 确定主存储器芯片连接原则 (3） 8位数据总线CPU与存储器接口,第四节：存储器与CPU的链接, 读写存储器RAM（2114芯片）, 2114的引脚和逻辑符号如下图示：,A0 A9,I/O1 I/O4,2114,写允许 WE,片选 CS,(1) 根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构,第四节：存储器与CPU的链接,(1) 根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构,第四节：存储器与CPU的链接, 读写存储器RAM（ 6116芯片 ）,6116存储芯片为2K 8位,8088 CPU数据总线是8位的, 2K容量的存储器用一片6116实现。 6116的引脚图如下,(1) 根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构,第四节：存储器与CPU的链接,A19,A18,A16,A17,A15,A13,A14,A12,WR,IO/M,RD,CPU,&,1,1,1,A11=0,74LS30,74LS245,74LS32,6116,WE,OE,CS,MEMR,MEMW,D7 D0,A,DIR,D7 D0,B,G,A10 A0,D7 D0,存储地址为： A0000A07FFH,采用门电路译码, 6116与8088CPU的连接,1 0 1 0 0 0 0 0,74LS245 存储器写 DIR=1,AB 存储器读 DIR=0,BA, 只读存储器ROM（ 2716）,2716存储芯片为2K 8位的,8088 CPU数据总线是8位的，2K容量的存储器用一片2716实现。 其引脚图如下:,1 1 1 1 1 1,y0,y7,存储器地址： FC000FC7FFH FC800FCFFFH FF800FFFFFH,(2) 根据CPU外部地址总线的位数与 存储器的容量确定主存储器芯片连接原则,确定好电路结构后，存储器芯片选择应尽量选用容量相同的芯片。 连接原则： 芯片的地址线与CPU的低地址总线相连，以确定存储器片内地址，剩下的高位地址通过译码产生片选控制信号。,根据系统对存储器分配情况可以选择不同的译码方式： 线选 全译码 常用的译码器有以下三种 与非门译码器 38译码器（74LS138） PLD可编程译码器, 译码方式,线选（地址有重叠区）,全译码（地址无重叠区）,38译码器（74LS138）,常用的译码器,38译码器应用举例,存储器地址为：2000H23FFH， 2400H27FFH,片 选 译 码,74LS138,线选方式实现 有些地址线不参加译码,电路简单,但地址不唯一,有重叠,存储器容量小时可采用。 例如：系统RAM为2K的情况下,为了区分不同的两个1K,可用A15A10中任一位来控制片选端。有32K的地址重叠区例用A11来控制。有32K的地址重叠区。如下图示,XXXX ，0 000，0000，0000 XXXX，0 111，1111，1111,XXXX，1 000，0000，0000 XXXX，1 111，1111，1111,（3）8位数据总线CPU与存储器接口,8088/80188CPU的数据总线是8位。 在最小方式下，与存储器的接口要考虑三方面问题： 数据总线可以直连； 必须对地址总线进行译码以选择存储单元； 必须使用8088、80188提供的 、 、IO/ 控制信号去控制存储器系统。 最大模式与最小模式主要区别在于： IO/ 与 形成 ； IO/ 与 产生 ； 、 信号均由8288总线控制器产生。,8088与EPROM 2732接口,8088与EPROM 2732接口如下图所示， 由图可见， 8片2732组成32K8bit的8088 EPROM物理地址空间，译码器寻址范围为0F8000H 0FFFFFH，构成内存高32KB存储空间。 对于PC系统机， 0FFFF0H是8088的冷启动（COLD-START）地址，并且在该处安排一条JMP指令，该指令转到0F8000H，继续执行程序。,8088与EPROM 2732接口,附加：大小字节顺序,字节序（Endianness） 又称端序，尾序 字节序是指存放多字节数据的字节的顺序，用于解决通信双方交流的信息单元（比特、字节、字、双字等等）应该以什么样的顺序进行传送 Little-Endian 主要用在目前的PC的CPU中 Big-Endian 主要用在目前的Mac机器中（Power系列）,附加：大小字节顺序,由来 来源于Jonathan Swift在1726年写的讽刺小说 “Gullivers Travels”（格利佛游记）。描述Gulliver畅游小人国时碰到了如下的一个场景 小人国里的小人有一次因为对水煮蛋该从大的一端（Big-End）剥开还是小的一端（Little-End）剥开的争论而引发了一场战争 形成了两支截然对立的队伍： 支持从Big-End剥开的人Blefuscu就称作Big-Endians 支持从Little-End剥开的人Lilliput就称作Little-Endians 后缀ian表明的就是支持某种观点的人,附加：大小字节