第四章 微型计算机存储器系统.ppt

第四章微型计算机存储器系统 第一节存储器概述一 存储器的作用存储器是计算机系统中的记忆设备 用来存放计算机系统工作时用的信息 程序和数据 它是由一些能够表示二进制 0 1 的状态的物理器件组成 它们构成了一各个存储元 我们把存储元的总数称为存储器的存储容量 存储器有读操作和写操作两种基本操作 二 存储器分类1 按存取速度和在计算机系统中的地位分类 主存储器 速度较快 容量较小 价格较高 用于存储当前计算机运行所需要的程序和数据 可与CPU直接交换信息 习惯上称为主存 又称内存 辅存储器 速度较慢 容量较大 价格较低 用于存放计算机当前暂时不用的程序 数据或需要永久保持的 信息 辅存又称外存或海量存储器 2 按存储介质和作用机理分类 磁存储器 主要有磁芯 磁带 磁盘 磁泡和磁鼓 光存储器 只读式CD ROM 可擦写光盘 还有一种介于磁和光之间的存储设备叫磁光盘 MO盘 半导体存储器 当前计算机系统的主存主要用半导体存储器 3 按存取方式分类 微机内部 可读写存储器RAM 特点是存储器中的信息可读可写 半导体RAM断电后信息会全部丢失 易失性 只读存储器ROM 特点是存储器中信息只能读出 不能写入 关机后信息不会丢失 非易失性 微机外部 直接存取存储器DAM 如磁盘 光盘等 可直接对存储器中任何单元进行访问 存取时间与存储单元的物理位置无关 顺序存取存储器SAM 如磁带 对存储单元的访问是按顺序进行的 与存储单元的物理位置有关 三 存储器的性能指标1 存储器容量存储器容量是指存储器可以容纳的二进制信息总量 即存储信息的总位 Bit 数 设微机的地址线和数据线位数分别是p和q 则该存储器芯片的地址单元总数为2p 该存储器芯片的位容量为2p q 例如 存储器芯片6116 地址线有11根 数据线有8根 则该芯片的位容量是 位容量 211 8 2048 8 16384位存储器通常是以字节为单位编址的 一个字节有8位 所以有时也用字节容量表示存储器容量 例如上面讲的6116芯片的容量为2KB 记作2K 8 其中 1KB 1024B Byte 1024 8 8192位指存储器可容纳的二进制的信息量 以存储器中存储器地址寄存器MAR的编址数与存储字位数的乘积表示 例如 6264静态RAM芯片的容量为8K 8bit 即它有8k存储单元数据 动态RAM芯片NMC41257的容量256 1bit 存储器容量越大 则存储的信息越多 目前存储器芯片的容量越来越大 价格在不断地降低 这主要得益于大规模集成电路的发展 2 存取速度存储器的速度直接影响计算机的速度 存取速度可用存取时间和存储周期这两个时间参数来衡量 存取时间是指CPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读写操作 到该读写操作完成所经历的时间 这个时间越小 则存取速度越快 目前 高速缓冲存储器的存取时间已小于5ns 存储周期是连续 启动两次独立的存储器操作所需要的最小时间间隔 这个时间一般略大于存取时间 3 可靠性存储器的可靠性用MTBF MeanTimeBetweenFailures 平均故障间隔时间来衡量 MTBF越长 可靠性越高 内存储器常采用纠错编码技术来延长MTBF以提高可靠性 4 功耗功耗低的存储芯片构成的内存总功耗也会低 5 性能 价格比这是一个综合性指标 性能主要包括上述三项指标 存储容量 存储速度和可靠性 对不同用途的存储器有不同的要求 例如 有的存储器要求存储容量 则就以存储容量为主 有的存储器如高速缓冲器 则以存储速度为主 第二节半导体存储器 一 半导体存储器的特点分类1 半导体存储器的特点 速度快 存取时间可到ns级 集成度高 不仅存储单元所占的空间小 而且译码电路和缓冲寄存器 读出写入电路等都制作在同一芯片中 目前已达到单片1024Mb 相当于128M字节 非破坏性读出 即信息读出后存储单元中的信息还在 特别是静态RAM 读出后不需要再生 信息的易失性 对RAM 即断电后信息丢失 信息的挥发性 对DRAM 即存储的信息过一定时间要丢失 所以要周期地再生 刷新 功耗低 特别是CMOS存储器 体积小 价格在不断地下降 2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类如图9 1所示 主要分为两大RAM和只读存储器ROM RAM分为静态RAM SRAM 和动态RAM DRAM 两种 目前计算机内的主存储器都是DRAM 它的集成度高 功耗很低 缺点是需要再生 SRAM是非挥发的 所以不需要再生 但集成度比DRAM要低 计算机中的高速缓冲存储器大多用SRAM 现在有一些新的RAM 如组合RAM IRAM 将刷新电路与DRAM集成在一起 非易失RAM NVRAM 实际上是由SRAM和EEPROM共同构成 正常情况下 它和一般SRAM一样 而在系统掉电瞬间它把SRAM中的信 Flash存储器 息保存在EEPROM中 从而使信息不丢失 只读存储器ROM的特点是用户在使用时只能读出其中的信息 不能修改和写入信息 近几年出现了一中新的存储器叫Flash存储器 闪烁存储器 这是一种电可擦除的非易失性只读存储器 我们将在后面详细介绍 二 半导体存储器的组成半导体存储器组成的框图如图9 2所示 它一般由存储体 地址选择电路 输入输出电路和控制电路组成 1 存储体存储体是存储1和0信息的电路实体 它由许多个存储单元组成 每个存储单元一般由若干位 8位 组成 每一位需要一个存储元件 每个存储单元有一个编号 称为地址 存储器的地址用一组二进制数表示 其地址线的根数n与存储单元的数量N之间的关系为 2n N 四 只读存储器ROM 一 只读存储器的结构及特点1 特点ROM中存储的信息是固定的 非易失性的 在工作时只能读不能写 2 结构地址译码器N 4矩阵N 8输出缓冲器 二 典型ROM存储芯片的结构与特点 1 Intel2316EROM是2K 8位NMOSROM 数据的读出时间为450ns 2 Intel2716UVEPROM是N沟FAMOS器件 2K 8位 容量为16K位 3 Intel2816EEPROM是2K 8位 24个管脚 排列与2716完全一样 三 典型ROM芯片的使用EPROM是一种可以檫去重写的只读存储器 通常用紫外线对其窗口进行照射 即可把所存储的内容擦去 之后 又可以用电的方法对其重新编程 写入新的内容 一旦写入 其内容可以长期保存 即使去掉电源电压 也不会影响到它存储的内容 这里以典型的2764EPROM为例来讲解 2764EPROM的引线2764是一块8K 8bit的EPROM芯片 只要我们在连接上稍加注意 它的引线与前面提到RAM芯片6264是可以兼容的 有28条引线 A0 A1213条地址信号 可以决定8K个单元 D0 D78条数据线 说明该芯片的每个单元存放一个字节 在使用中 它们与总线的的数据线相连接 CE为输入信号 当它有效时 能选中该芯片 故称为片选信号 OE是输出允许信号 当OE为低时 芯片中的数据可由D0 D7输出 PGM为编程脉冲输入端 当对EPROM编程时由此加入编程脉冲 读时PGM为12 2764EPROM的使用将其内容读出 其过程与RAM的读出十分类似 即送要读出的地址 然后 使CE和OE均有效 则在芯片的D0 D7上就可以输出要读出的数据 3 2764的编程标准编程擦除编程快速编程 五 闪存 FlashMemory 闪存的编程速度快 掉电后内容信息不丢失 典型芯片28F040 它有19根地址线和8根数据线 其容量为512K 8bit 引脚图如5 33所示 2 工作过程28F040和EEPROM芯片一样也有3种工作方式 即数据读出 编程写入和擦除 3 闪存的应用主要用来构成存储卡 来替代软磁盘 六 高速缓冲存储器 1 高速缓存CACHE用途设置在CPU和主存储器之间 完成高速与CPU交换信息 尽量避免CPU不必要地多次直接访问慢速的主存储器 从而提高计算机系统的运行效率 2 高速缓存CACHE实现原理 把CPU最近最可能用到的少量信息 数据或指令 从主存复制到Cache中 当CPU下次再用到这些信息时 它就不必访问慢速的主存 而直接从快速的Cache中得到 从而提高了速度 是基于程序和数据访问的局部性 通过 命中 和 未命中 来实现 所以 命中率 很关键 系统最少需要多少寻址线 3 概述微机系统中内存储器的构建 3 高速缓存与主存的存取一致性 1 贯穿读出式 lookthrouth CPU Cache 主存储器 2 旁路读出式 lookaside CPU Cache 主存储器 3 写穿式 writethrough CPU Cache 主存 4 回写式 Writeback CPU Cache 主存 写入 更新 4 评价CACHE性能的关键指标 要有足够高的命中率 从Cache中查找到CPU所需的信息称为击中 当CPU需用主存中的数据时 多数情况下可以直接从CACHE中得到 尽量少读主存储器 CPU从Cache中取到有效信息的次数与CPU访问缓存的总次数的比率称为命中率 命中率的高低取决于Cache的容量大小 所运行的程序 Cache的控制算法及Cache的组织结构 命中率越高 正确获取数据的可能性就越大 如果命中率是92 可以理解为CPU在访问存储器时 用92 的时间与Cache交换数据 8 的时间与主存交换数据 Cache的容量要选的合适 在合适的范围内它与主存之间保持一定的映射关系 一般情况下 为1 128 即256K的cache可映射32M内存 521K可映射64M内存 系统的平均速度 Cache存取速度 命中率 RAM存取速度 1 命中率 P226 5 CACHE存储器实用中的几个问题 Cache存储器的重要技术指标是它的命中率 影响Cache命中率的因素有 1 Cache的容量与命中率的关系虽然容量大一些好 但CACHE容量达到一定大小之后 再增加其容量对命中率的提高并不明显 2 CacheLineSize CACHE每次与内存交换信息的单位量 与命中率的关系 每次交换信息的单位量适中 不是以一个字为单位 而是以几个字 称为Cache行容量 通常为4 32个字节 在主存与Cache之间实现信息传送 三 存储器芯片的连接1 位扩充和字节扩充存储器芯片可以是1位 4位和8位的结构 而存储器系统都是以字节编址的 一个大的存储器系统是由很多芯片组成的 这些芯片采用位并联来进行位扩充 采用地址串联进行字节扩充 例如 用256 4位的芯片构成1KB的存储器 如图9 29所示 因为每块芯片只有4位 所以要进行位扩充 图中采用两块并联方法组成8位 一个字节 每块芯片只有256个存储单元 所以要进行字节扩充 图中采用地址串联方法组成1024个存储单元 1KB 图中采用部分译码法 只用A8 A9两根地址线译码产生四根片选线 每根 对应的地址范围分别为0 255 256 511 512 767和768 1023 A9以上的地址线固定为0 例如 用64K 1位RAM构成256KB的存储器系统 问 需要多少个RAM芯片 设系统地址线有20位 采用全译码 则需要多少位地址作为片外地址译码 片内地址多少位 解 需要芯片数 位扩充数 字节扩充数 本题中位扩充数 8 1 8字节扩充数 256 64 4所以需要芯片数 8 4 32 片 片内地址16位 片外地址 20 16 4位 第四节微机的存储器 一 微机存储器的空间分布IntelCPU芯片的存储空间 8088 8086只有20根地址线 可寻址1MB空间 表9 12是IBMPC XT存储器空间分布 地址00000 BFFFFH共768KBRAM存储区 地址C0000H FFFFFH共256KBROM区 80386地址线有32条 可寻址4GB物理地址空间 实际内存容量为4MB或8MB 图9 30是一个80386微机系统4MB 内存分布图 其中低端640KB为基本内存 从A00