微型计算机存储系统.ppt

第六章 微型计算机存储系统,6.3 微机的存储器,6.2 与CPU的连接,存储器扩展,存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放数据和程序。 现代计算机的重要特征之一是把要运行的程序存放在存储器里。因而存储器是实现存储程序的必不可少的硬件，是计算机中必须具有的重要部件。,6.1 微机存储系统概述,对存储介质的基本要求，必须具有两个能够明显区分的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。存储器的存取速度取决于这种物理状态的改变速度。 对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。同时满足上述三种要求是困难的。,6.1.1 存储器的功能,计算机的存储器组织成层次结构主要是从速度、容量和成本来考虑的。沿着存储器层次结构（memory hierarchy）自顶向下，可发现每层存储器的成本在降低，容量也在变大，存取时间在变长。,高速缓冲存储器（Cache）：它用来存放主存中最活跃部分（正在运行的程序和正在使用的数据）的副本。 主存储器：简称为主存，用来存放计算机运行期间需要的程序与数据。 外存储器（External Memory）：也称辅助存储器或简称为辅存，它用来存放当前不参与运行的大量信息。,通常，处理器要访问的主存位置极有可能是刚被访问过的位置或其临近的位置，这就是程序访问的局部性原理。 这样，Cache（高速缓存）自动保存某些近期使用过的存储器中相应存储字的副本是有益的。如果Cache设计得合理，则大多数情况下处理器所需的存储器数据便已在Cache中。,6.1 微机存储系统概述,微机存储系统的分类：,随机存储器RAM（Random Access Memory）：存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，存取时间和存储单元的物理位置无关。 只读存储器ROM（Read Only Memory）：只能读出，不能写入的存储器。,静态存储器（SRAM）与动态存储器（DRAM）的基本概念 在SRAM （触发器），数据保存在一对反向门电路中，所以只要给它供电，其内部数据一直会保留。 DRAM（极间电容） 中的数值是以电荷量的形式保存在电容中，电容会漏电，所以它需要不断刷新来保持数值。 为实现对DRAM存储单元的刷新，需要定期读出该内容并且回写到原地址中去。,只读存储器ROM,掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改； PROM：允许一次编程，此后不可更改； EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程； EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写；,6.1 微机存储系统概述,微机存储系统的分类：,掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改； PROM：允许一次编程，此后不可更改； EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程； EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写；,6.1,主存的技术指标： 存储容量、存储速度和存储器带宽,6.1 微机存储系统概述,微机存储系统的分类：,闪存：长寿命 非易失性 存储器 是EEPROM的变种，能够快速擦写的EEPROM，与其区别主要是闪存能在字节水平 上进行删除和重写而不是整个芯片擦写。 被用来保存设置信息，电脑的BIOS（基本输入/输出程序） 数码相机,6.1 微机存储系统概述,微机存储系统的分类：,缓存是指临时文件交换区，电脑把最常用的文件从存储器里提出来临时放在缓存里，因为缓存往往使用的是RAM（断电即掉的非永久储存），所以在忙完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最快的是CPU上镶的L1和L2缓存，显卡的显存是给GPU用的缓存，硬盘上也有16M或者32M的缓存。千万不能把缓存理解成一个东西，它是一种处理方式的统称！,缓存的工作原理 （1）是当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，找到就立即读取并送给CPU处理； （2）没有找到，就用相对慢的速率从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中 总的来说，CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。,6.1,一、半导体存储器结构与技术指标,存储芯片的基本结构：,1K4,6.1,存储器与CPU的连接：,存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）是主存和CPU之间的接口。 MAR可以接受来自程序计数器的指令地址或来自地址形成部件的操作数地址，以确定要访问的单元 MDR是向主存写入数据或从主存读出数据的缓冲部件。MAR和MDR从功能上看属于主存，但在小型计算机、微型计算机中常放在CPU内。,6.1,存储单元的寻址：,最高有效位字节 最低有效位字节,X86系列的PC机采用小端方式,大端方式：是把一个字中的最高地址的字节放在最低地址 。字地址是高字节地址,小端方式：是把一个字中的最低地址的字节放在最低地址 。字地址是低字节地址,最高有效位字节 最低有效位字节,6.2 存储器扩展与CPU的连接,一、存储器扩展设计,位扩展、字扩展,单片存储芯片的容量往往是有限的，在实际使用时， 需要用若干个存储芯片构成一个存储系统， 以满足字长和容量的要求。,位扩展：增加存储字长,6.2,位扩展：增加存储字长,16K1,16K1,16K1,6.2,字扩展：增加存储容量,6.2,位、字扩展：,6.2,二、存储器与CPU连接,合理选择芯片：,位、字扩展,芯片类型,数据线的连接：,地址线的连接：,控制线的连接：,位扩展,字扩展,地址译码,片选,读/写,控制访问,CPU的信号资源：,6.2,例6-1,设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用,作访存控制信号，用,现有下列存储芯片： RAM：1K8位、2K4位、4K8位 ROM：2K8位、4K8位，以及74138译码器和各种门电路（自定），画出CPU与存储器连接图。要求： （1）最大4K地址空间为系统程序区，与其相邻2K地址空间为用户程序区。 （2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？写出每片存储芯片的地址范围。 （3）详细画出存储芯片的片选逻辑。,作读写控制信号，,6.2,允许输出,允许写,6.2,地址空间分析：,ROM的4K空间对应的地址： A11 A7 A0 1111 1111 1111 0000 0000 0000,RAM的2K空间对应的地址： A10 A7 A0 111 1111 1111 000 0000 0000,6.2,选择ROM芯片为2K8位的两片，RAM芯片为2K4位的两片 ROM芯片1地址： 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000 0000 ROM芯片2地址： 1111 0111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 RAM芯片1、2地址：（位扩展） 1110 1111 1111 1111 1110 1000 0000 0000,6.2,CPU与存储器连接图：,6.2,例6-2,设CPU共有16条地址线，8条数据线，并用,作为访存控制信号，,作为读/写命令信号。,现有这些存储芯片：ROM（2K8位，4K4位，8K8位），RAM(1K4位，2K8位，4K8位)以及74LS138译码器和其他门电路（自选）。 （1）最小4K地址为系统程序区，409616383地址范围为用户程序区。 （2）指出选用的存储器芯片类型和数量。 （3）详细画出片选逻辑和CPU与存储器系统连接图。,6.2,分析：,系统程序区在最小4K地址，可用ROM存放，选择字扩展和位扩展都是2个芯片，这里我们用位扩展方式，选择2片4KX4的ROM芯片。,其地址空间为：,A11 A7 A0 0000 0000 0000 1111 1111 1111,6.2,用户程序区用RAM，地址范围为409616383，即紧邻ROM地址的12K地址空间，选择3片4KX8的RAM，每片地址范围如下：,A11 A7 A0 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111,6.2,综合分析ROM 和RAM的每组芯片空间： 其片内空间都是4K，用低12位地址A11-A0作为片内寻址；每个芯片的A14-A12分别为：000、001、010、011，采用138译码器译码的输入，译码输出的Y0#、Y1#、Y2#、Y3#作为4组芯片的片选信号，A15和 MREQ#作为138译码器的使能控制信号，连接相应的 R/W#到芯片 。,6.2,CPU与存储器连接图:,6.3 微机的存储器,8086/8088的内存采用20位地址寻址， 寻址空间可达1MB。,后来推出的80286、386、486和Pentium系列机的内存逐渐扩大，从16MB到4GB和64GB，为了保持向上兼容，内存配置和结构形成了一定的规则。,6.3,80486的内存配置：,6.3,8086的20条地址线访问范围为1MB空间，是用户编程常访问的区域，DOS编程管理局限在640KB内存空间；对于1MB以上的存储器是扩展内存区域，用符合扩展内存管理规范的程序使用这些区域，Windows突破DOS的主存局限，实施对用户透明的内存管理，采用虚拟内存策略，用户编程和程序运行不受物理内存的限制。,对于16位数据总线的CPU，要求能够对任何16位和8位存储单元访问。,6.3,8086系统16位存储器的存储分体连接 ：,6.3,A0和BHE#的不同组合对存储体的选择,6.3,例6-3,设CPU共有20条地址线，16条数据线，并用,作为访存控制信号，,作为读/写命令信号。,现有存储芯片：ROM（64KX8位，32KX8位，32KX16位），RAM(64KX8位，32KX8位，32KX16位)以及74LS138译码器和其他门电路（自选）。请回答： （1）CPU按字节和字访问存储器的地址范围各是多少？ （2）CPU按字节访问时，分偶体和奇体，且最大64KB为系统程序区，与其相邻的64KB为用户程序区。请写出每个存储芯片的二进制地址。 （3）详细画出片选逻辑和CPU与上述地址范围存储器系统的连接图。,CPU通过A0和,控制按字节或字访存。,6.3,解答：,（1）20位地址线，按字节寻址的地址范围是01MB，按字访问的范围是0512KB。 （2）为满足按字和按字节两种访问方式，选用8位的芯片，又有区分偶体和奇体的需要。所以选择2片32KX8位的芯片分别构成系统程序区和用户程序区。它们对应的地址如下： A19 A15 A11 A7 A0 1111 1111 1111 1111 1111 ；64KX8位的ROM区 1111 0000 0000 0000 0000 ；2片32KX8位分别提供偶体 ；和奇体 A19 A15 A11 A7 A0 1110 1111 1111 1111 1111 ；64KX8位的RAM区 1110 0000 0000 0000 0000 ；2片32KX8位分别提供偶体 ；和奇体,6.3,（3）片选逻辑是设计的重点和难点。,每个存储体的访问选择靠A16、,作为138译码器的输入，组合输出信号形成各个芯片的片选逻辑。,和A0，,A16区分ROM、RAM;,BHE#和A0的组合控制偶体、奇体 的访问;,详见教材P120的表6-3,6.3,CPU与存储器芯片的连接图,习 题 六,1. 某微机的寻址范围为64KB，接有8片8KB的存储芯片，存储芯片的片选信号为CS(低电平有效)，试回答下列问题。 （1）画出选片译码逻辑电路（可选用74LS