存储器接口ppt课件

存储器是信息存放的载体，是计算机系统的重要组成部分。有了它，计算机才能有记忆功能，才能把要计算和处理的数据以及程序存入计算机，使计算机能脱离人的直接干预，自动地工作。本章讲述CPU与主存储器的连接,退出,第6章存储器接口,系统对存储器的要求,容量大,速度高,成本低采用分级的存储结构大的便宜,小的昂贵,三级存储器结构,本章内容,6.1半导体存储器的分类6.2存储器接口技术6.3虚拟存储器管理与IA-32微处理器的MMU单元高速缓冲存储器接口6.4应用举例,6.1半导体存储器的分类,半导体存储器从使用功能上来分，可分为：读写存储器RAM（RandomAccessMemory）又称为随机存取存储器；只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）两类。RAM主要用来存放各种现场的输入、输出数据，中间计算结果，与外存交换的信息和作堆栈用。它的存储单元的内容按需要既可以读出，也可以写入或改写。而ROM的信息在使用时是不能改变的，也即只能读出，不能写入故一般用来存放固定的程序，如微型机的管理、监控程序，汇编程序等，以及存放各种常数、函数表等。,RAM的种类在RAM中，又可以分为双极型（Bipolar）和MOSRAM两大类。1双极型RAM的特点（1）存取速度高。（2）以晶体管的触发器（F-FFlip-Flop）作为基本存储电路，故管子较多。（3）集成度较低（与MOS相比）。（4）功耗大。（5）成本高。所以，双极型RAM主要用在速度要求较高的微型机中或作为cache。,2MOSRAM用MOS器件构成的RAM，又可分为静态（Static）RAM（有时用SRAM表示）和动态（Dynamic）RAM（有时用DRAM表示）两种。（1）静态RAM的特点6管构成的触发器作为基本存储电路。集成度高于双极型，但低于动态RAM。不需要刷新，故可省去刷新电路。,功耗比双极型的低，但比动态RAM高。易于用电池作为后备电源（RAM的一个重大问题是当电源去掉后，RAM中的信息就会丢失。为了解决这个问题，就要求当交流电源掉电时，能自动地转换到一个用电池供电的低压后备电源，以保持RAM中的信息）。存取速度较动态RAM快。,（2）动态RAM的特点基本存储电路用单管线路组成（靠电容存储电荷）。集成度高。比静态RAM的功耗更低。价格比静态便宜。因动态存储器靠电容来存储信息，由于总是存在着泄漏电流，故需要定时刷新。典型的是要求每隔1ms刷新一遍。,ROM的种类1掩模ROM早期的ROM由半导体厂按照某种固定线路制造的，制造好以后就只能读不能改变。2可编程序的只读存储器PROM（ProgrammableROM）为了便于用户根据自己的需要来写ROM，就发展了一种PROM，可由用户对它进行编程，但这种ROM用户只能写一次。,3可擦去的可编程只读存储器EPROM（ErasablePROM）为了适应科研工作的需要，希望ROM能根据需要写，也希望能把已写上去的内容擦去，然后再写，能改写多次。EPROM就是这样的一种存储器。EPROM的写入速度较慢，而且需要一些额外条件，故使用时仍作为只读存储器来用。只读存储器电路比RAM简单，故而集成度更高，成本更低。而且有一重大优点，就是当电源去掉以后，它的信息是不丢失的。随着应用的发展，ROM也在不断发展，目前常用的还有电可擦除的可编程ROM及新一代可擦除ROM（闪烁存储器）等。,6.2存储器接口技术,解决存储器与CPU的连接问题在微型计算机中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，然后要发出相应的是读还是写的控制信号，最后才能在数据总线上进行信息交流。所以，存储器与CPU的连接，主要有以下三个部分：地址线的连接；数据线的连接；控制线的连接。,一.在连接中要考虑的问题有以下几个方面,（1）CPU总线的负载能力。（2）CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题。（3）存储器的地址分配和选片问题。（4）控制信号的连接。如果组成1K8位，可以采用10241位的片子，也可采用2564的片子,如图所示。,CPU总线的负载能力,采用MOS存储器时，主要是电容负载，负载小，CPU与存储器可直接连接。对于较大的系统，CPU负载能力不足时，需要缓冲器或驱动器以提高总线的负载能力。地址线和控制线是单向的，采用单向驱动器（74LS244，8282），数据线是双向的，采用双向驱动器（74LS245，8287),存储芯片的选择,芯片的选择直接影响接口设计一般应根据存储器的存放对象、总体性能、芯片类型和特征综合考虑主存要兼顾速度、容量和价格还要考虑存储器的多种类型,二存储器地址译码方法,确保CPU对所有存储单元实现正确寻址，是设计存储系统的核心内容因一个存储器系统总是由多个存储芯片构成，故存储器的地址译码分为片选控制译码和片内地址译码两部分片选信号由高位地址译码产生；片内地址由低位地址译码产生,片选控制的译码方法,线选法全译码法部分译码法混合译码法,线选法,用高位地址线直接作为存储芯片的片选信号，每一根地址线选通一个存储芯片，低位地址直接连接，如图：,A0A9,A10A11A12A13,地址分配,线选法的优点是简单缺点是存储器地址分布不连续,全译码法,高位地址经译码器译码后产生各芯片的片选信号，低位地址直接连接存储芯片，如图：,地址分配,芯片1：000000000000000000111111111111B即0000H1FFFH芯片2：001000000000000001111111111111B即2000H3FFFH芯片3：010000000000000010111111111111B即4000H5FFFH芯片4：011000000000000011111111111111B即6000H7FFFH芯片5：100000000000000100111111111111B即8000H9FFFH芯片6：101000000000000101111111111111B即A000HBFFFH芯片7：110000000000000110111111111111B即C000HDFFFH芯片8：111000000000000111111111111111B即E000HFFFFH,存储器的地址连续且唯一，无地址间断和地址重复,部分译码法,将高位地址中的一部分进行译码，产生片选信号，用于不需要全部地址空间的寻址情况，而采用线选法不够用。例如：当CPU的地址总线为16位，存储器用4片容量为8KB的芯片组成时。,3-8译码器,8KB(1)CS,8KB(2)CS,8KB(3)CS,A0A12,A14A13,8KB(4)CS,A15不参加译码,混合译码法,将线选法和部分译码法相结合的一种译码方法,3-8译码器,2KB(1)CS,2KB(2)CS,2KB(9)CS,A0A10,2KB(10)CS,2KB(8)CS,A11A12A13,A14A15,1,1,三.由多个存储芯片组成的存储器,组成1K8位的存储器：可以采用10241位的片子，也可采用2564的片子,如图所示：,在上图中，每一片是10241，故其地址线为10条，满足整个存储体容量的要求。每一片相应于一位（只有一条数据线），故只要把它们分别接到数据总线上的相应位即可。对片子没有选片要求，如片子有选片输入端（CS或CE），可把它们直接接至IO/M。,在上图的电路中，每一片为2564，故片上的地址为256（8条地址线）。因此，总的存储体容量1K就要分成四部分（或称为页），所以，用地址总线上的A0A7直接与各个片的地址输入端相连，可寻址256，即实现页内寻址；由A8、A9经过译码输出四条线，代表1K的不同的四个部分（四个页），即0256为第一页；256511为第二页；512767为第三页；7681023为第四页，实现页的寻址。因为每一片上的数据为4位（4条数据线），用2片可组成一页，故有四条页寻址线，每一条同时接两片。一页内两片的数据线，一个接到数据总线的D0D3，另一个接到D4D7。而各页的数据线就得并联。,若用Intel21141K4位的片子，构成一个2KRAM系统，其连接如图所示。,通常的微型机系统的内存储器中，总有相当容量的ROM，它们的地址必须与RAM一起考虑，分别给它们一定的地址分配。,四.DRAM与CPU的连接,CPU,DRAM,刷新地址计数器,地址多路开关,定时发生器,仲裁电路,刷新定时器,读/写,RAS,CAS,WR,地址,地址总线,连接说明,地址多路开关:分时送入行地址和列地址刷新定时器:定时提供刷新信号刷新地址计数器:提供刷新的地址.每刷新一行,计数器自动加1仲裁电路:当来自CPU的访问存储器请求和来自刷新请求同时到达时,做出裁定定时发生器:提供行地址选通信号,列地址选通信号和写允许信号,6.4虚拟存储器管理与IA-32微处理器的MMU单元,虚拟存储器概念虚拟存储管理技术，使一个进程的逻辑地址空间远大于实际的主存空间时，仍能正常地运行进程。要正确地了解虚拟存储器的概念，首先要分清进程运行时访问的地址空间和主存的实际地址空间。目标程序中指令和数据放置的位置，称为相对地址或逻辑地址，它不同于CPU能直接访问的主存的物理地址空间。前者是逻辑上的而非物理上的存储空间，而后者是程序在执行时实际存放其指令和数据的物理空间。,在虚存管理中，把一个进程访问的地址称为“虚拟地址（逻辑地址）”，而处理机可直接访问的主存地址称为“实地址（物理地址）”。把一个进程可访问的虚拟地址的集合称为“虚拟地址空间”，而把一个计算机所实际配置的主存称为“实地址空间（物理地址空间）”。为了使进程能运行，就必须把虚地址空间中的指令和数据放入到主存的实地址空间中去，建立虚地址与实地址的映射关系，也就是要由虚拟地址转换到物理地址。这种转换由虚存管理中的动态地址映射机制来实现。,实际上，程序只需要有一部分在主存中就可以正确地执行，只需要把最近要用到的那部分程序和数据装入主存，以后要用到别的部分时，把那部分调入，而把不用的部分调出主存。这种调入和调出工作是由具有虚拟存储器功能的操作系统实现的。,IntelIA-32结构微处理器的存储管理单元IA-32结构微处理器芯片上，就提供了段页式的存储管理机制，为现代操作系统的请页式虚存管理提供了直接支持。IA-32结构微处理器的存储管理机制分为两部分：段机制和页机制。段机制把虚拟地址（逻辑地址）转换为线性地址；页机制则把由段机制产生的线性地址转换为物理地址。若不启用分页机制（CR0的PG=0），则线性地址即为物理地址；若启用分页机制（CR0的PG1），线性地址要通过分页机制的转换才变为物理地址。,线性地址空间中的页，是通过页表映射到物理页的。页表本身是存放在物理地址空间中的。页表可以看作为一个具有220物理地址的数组，所以线性地址与物理地址之间的映射，可以简化为对数组的查找。在IA-32结构微处理器的段机制中，用全局描述符表（gdt）和局部描述符表（ldt），来实现虚拟地址的寻址。,6.5应用举例-之一,1.要求：某8位微机有地址总线16根，双向数据总线8根，控制总线有MREQ(允许访问)，读写信号R/W，试用SRAM芯片2114为该机设计一个8KB的存储器，并画出连接图。2.分析：2114芯片为1KX4位，则构造一个8K的存储器共需16片2114，每两片组成1KB，分8组；每个芯片的片内寻址需要10根地址线，可使用低10位A9A0；片选信号由74LS138译码器产生，可在MREQ控制下由A12A10产生；读写信号直接与芯片连接。3.实现连接的框图为：,应用举例-之二,地址译码电路的设计步骤：根据选通中实际存储容量，确定存储器在整个寻址空间中的位置；根据所选用的存储芯片的容量，画出地址分配图或列出地址分配表根据地址分配图或地址列表确定译码方法并画出相应的地址位图选用合适的器件，画出译码电路图,应用举例-之二,某微机系统地址总线为16位，实际存储器容量为16KB，ROM区和RAM区各占8KB，其中，ROM区采用容量为2KB的EPROM芯片，RAM区采用容量为1KB的静态RAM芯片，试设计该存储器的地址译码电路。,设计步骤,由16位地址总线知系统的寻址空间为64KB，假定实际存储器占用最低16KB的存储空间，即地址空间为：00000H3FFFH，其中00000H1FFFH为EPROM区；20000H3FFFH为RAM区。画出地址分配图,地址位图,片选控制译码电路图,T