《数字电路cha》PPT课件.ppt

1、计算机结构与逻辑设计,第五章 存储器,目录,主存储器 只读存储器 其他存储器 存储器的层次化体系与管理 虚拟存储器的概念,存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码 （地址码 ），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一个“字” ）。,存储器类别,半导体存储器 随机操作存储器（RAM） SRAM DRAM 只读存储器（ROM） 固定ROM 可编程ROM：PROM，EPROM，EEPROM，Flash-ROM 其它存储器 磁表面存储器 光学存储器

2、,按存储器件分类,存储器类别,主存储器 半导体存储器 辅助存储器 磁表面存储器 光学存储器,按用途分类,计算机对存储器的要求,容量大 速度高 成本低 主要计算机存储器： 内存、硬盘、软盘、光盘、U盘等,内存,硬盘,磁盘与光盘,移动存储,5.1 主存储器,存储器的基本结构,线性译码器,基本静态存储单元,双向译码方式与相应的静态RAM基本存储单元,存储器的容量扩展,静态RAM的概念及其读写过程,动态RAM的基本存储单元,主存储器的基本结构,字与字长（Word） 存储矩阵（Matrix） 存储地址（Address） 读写操作（Access） 位与字节（Bit/Byte）,存储矩阵,读/写 控制,读/

3、写放大器,A0,An-1,W0,W2n-1,B0,B1,Bm-1,存储器的基本结构,MAR和MDR,随机存取存储器,2n个字,每字m位,存储器地址寄存器,存储器缓冲寄存器,n位,m位,线性译码器,一维存储矩阵静态RAM,基本静态存储单元,S：选择信号 W：写控制信号 I：输入信号 O：输出信号,单向（一维）译码方式和双向（二维）译码方式,例 2561位,二维存储矩阵RAM及其静态基本存储单元,二维矩阵存储矩阵示意图,存储器的容量及其扩展,存储器的存储容量 n位地址、m位字长： 存储器的容量扩展 字扩展 位扩展 字位扩展,字扩展,各片RAM对应的数据线联接在一起； 低位地址线也并联接起来，而高位

4、的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的片选控制端。,位扩展,把所有的地址线，R/W,CS连接在一起，数据线并列使用, 每一片的I/O端作为整个存储器的一位。,例1：存储容量为5124， 8K8和256K1的SRAM各有多少根地址线和数据线？,例2：要扩展为8K8的RAM，需要几片5124的RAM？,例3：2114是1K4的SRAM 1）要用多少片2114芯片组成4K8的SRAM？ 2） 4K8的SRAM需要多少地址线？ 3）扩展是否还需要其它芯片？,A1 D1 A0 D0 R/W CS,上图为42集成存储单元,试将其扩展为84的存储器。,此处是D1和D0，不是Di和Do现

5、在的存储器的输入端和输出端是公共的，即所谓I/O端。,方法：先进行位扩展，构成 44再进行字扩展，构成84 （或相反）,位扩展地址、控制端并联， 输出端分别输出,字扩展地址、R/W端并联， 输出端分别并联 用高位地址控制片选端,A2,先字扩展（4282），再位扩展,两片电路，如片选（地址）相同，输出分开位扩展 片选（地址）不同，输出并联字扩展,D3D2,错误情况：,将84做成了162,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,D1 D0,42,162,只作了字扩展,未做位扩展,A1 D

6、1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,D3D2D1D0,42,84,1位地址码变成了2位地址码,A3A2=01时选中左边,A3A2=10时选中右边,然则A3A2=00或11时，二片皆不工作,电路无输出.,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,D3D2D1D0,1,A3,A3=0时D1D0有输出D3D2无输出,而A3=1时D1D0无输出D3D2有输出，输出并非4位，且不相同,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1

7、 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,D3D2D1D0,42,84,与前面一样的错误,每一组用2只存储器只相当于一只存储器,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,A1 D1 A0 D0 R/W CS,D3D2D1D0,42,16k字节 64k字节,字扩展,8k1,8k8,位扩展,静态随机操作存储器（SRAM）,以R-S触发器为核心 在保证电源和没有新内容写入操作时，状态能永久保持 优点：速度快、操作简单 缺点：功耗大、集成度低、成本高,一维矩阵的静态基本存储单元,SRAM读周期工作波形

8、时序,SRAM写周期工作波形时序,SRAM的特点,(1) 非破坏性的读出,(2) 速度较快: 与CPU一样都是用门或触发器等逻辑器件构成的,其延迟时间与CPU在同一数量级,(3) 功耗大: 构成它的触发器中的MOS管任何情况下总有一个是导通的,那么电源和地之间总有电流流过,因此功耗大,妨碍了集成度提高,(4) 所用管子数目多: 制作时占用硅片面积较大,影响集成,且成本高,动态随机操作存储器（DRAM）,以电容为储能核心 MOS晶体管负责电容充放电回路的通断 存储信号有漏电问题，需要定时刷新（Refreshing） 信号读出有破坏性，需要补充再生（Regeneration）,DRAM与SRAM的

9、主要区别是DRAM的存储元不能长期保持信息（尽管电源不变）,单管存储单元,DRAM工作波形时序,DRAM工作逻辑图,SRAM和DRAM比较,DRAM之所以称之为动态，是因为DRAM在储存数据时，利用的是MOS管的栅极电容存储电荷的原理，实际操作时，一直在重复着充放电的过程，因此会产生时间的延迟 SRAM一般采用6个MOS管来储存1个位元，不需要反复充电，所以速度会比较快，因此称之为静态，即表示只要电源不断，SRAM的数据就不会丢失,SRAM和DRAM的比较,只读存储器ROM,固定ROM,可编程ROM,EPROM （erasable PROM（紫外线擦除）,E2PROM（electrically

10、 EPROM）,反熔丝,只读存储器是存放固定程序信息的器件，它的信息是在制造时或用专门的写入装置写入的。这种器件在正常工作时只能读出而不能写入信息，即使切断电源，器件中的信息也不会消失。,只读存储器（ROM）,只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速地修改或重新写入数据。 优点：电路结构简单，断电后数据不会丢失 缺点：只适用于那些存储固定数据的场合,ROM基本结构,非易失性 过去只能读出、不能写入 现在写入机制不断完善 分两大类 固定ROM 可编程ROM,固定ROM,字线,位线,掩模工艺 一次性制造 成本低 设计风险高,1,2,3,4,5,6,7,8,给出任意一个地址码，译码器与之

11、对应的字线变为高电平，进而从位线上便可输出四位数字量。,图中存储器的内容 如左表,掩膜ROM,又称固定ROM，生产厂利用掩膜技术把信息写入存储器中。按使用的器件可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM三种类型。在这里主要介绍二极管掩膜ROM。,（1）ROM电路的结构, 存储矩阵,存储单元可以用二极管、双极型三极管或MOS管构成。, 地址译码器, 输出缓冲器,输出缓冲器的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。,（2）ROM电路的工作原理,0 1 0 1,0 0,0 1,1 0 1 1,可编程只读存储器（PROM）,一次编程RO

12、M EPROM EEPROM即E2PROM Flash ROM,一次编程ROM（PROM）,（1）熔丝工艺,（2）反熔丝工艺,有一种可编程序的 ROM ，在出厂时全部存储 “1”，用户可根据需要将某些单元改写为 “0”,然而只能改写一次，称其为 PROM。,若将熔丝烧断，该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。,EPROM工艺,FAMOS(Floating-gate Avalanche-injection MOS),EPROM的另外一种广泛使用的存储器。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生

13、的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。,4. E2PROM,E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存储器，又可写为EEPROM。其主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。,ROM的应用举例,1. 用于存储固定的专用程序,2. 利用ROM可实现查表或码制变换等功能,查表功能 查某个角度的三角函数,把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为 “造表”

14、。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。,码制变换 把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。,3.实现逻辑函数,例 :试用ROM实现下列各函数：,RAM和ROM之比较,计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。 磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息EPROM。,磁表面存储器,优点： 存储容量大，位价格低； 记录介质可

15、以重复使用； 记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档； 非破坏性读出，读出时不需要再生信息 。 缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。,磁表面存储器,磁表面存储器,写电流,磁环磁化,磁环缺口处形成漏磁场,磁层小区域磁化,撤去写电流，剩磁仍存在,写入信息,磁层在磁头下高速运动,磁通不断变化,读线圈感应电势,放大整形处理,磁化元的磁力线通过磁头形成闭合磁通回路,读出信息,磁头与磁表面存储器磁层之间的相对运动,非归零码的读出波形,（a） 归零码 （b） 归偏码 （c） 非归零码,非归零码的读出技术,归零码与归偏码的读出波形,磁表面存储器的特点,（1）非破坏性读出,（2）非易失

16、性存储、可重复使用,（3）记录密度高，容量大，价格/位低,（4） 存取速度慢，机械结构复杂,光学存储原理与光学存储器,激光穿孔代替机械穿孔 存储密度高、信息保存时间长 成本不断下降 可写/可擦除光盘（CD-R/CD-RW）已推广,1.类型： a. 只读光盘存储器,如，CD-ROM b. 只写一次型光盘存储器，如，CD-R c. 可擦除型光盘存储器，如，MO、PC,2 . 存储原理,利用激光束在记录表面上存储信息:将激光束聚焦成1m左右的微小光点，使能量高度集中，在记录介质上产生物理或化学变化而存储信息。读出时，激光束在介质上扫描，根据反射光的变化判断记录的数据。,写入方式:,(1) 形变 ：只

17、读型和只写一次写入情况。,(2) 相变（PC）： 可擦除型,(3) 磁光（MO）存储：可擦除型,存储介质为吸光能力很强、熔点较低的金属薄膜。激光照射能形成凹坑。,有些光存储介质在激光照射下，晶体结构会发生变化。从晶态变为非晶态。,擦除时，用较长时间、光度稍弱些的光脉冲使它恢复原状。,存储介质是易于垂直磁化的磁性薄膜。利用激光照射降低介质的娇顽力。在弱磁场下，使磁化翻转。,擦除时，外加与写入相反的磁场，使它恢复原状。,存储器的层次化体系,解决存储器速度与成本之间的矛盾,超高速缓存与主存之间的数据交换,Cache能高速向CPU提供指令和数据，加快程序的执行速度,超高速缓存数据调回主存原则 先进先出

18、原则（FIFO） 最少使用者先出（Least Recently Used）,命中率与平均访问时间,Cache的命中率H：,Cache完成存取的总次数,主存完成存取的总次数,Cache/主存 系统的平均访问时间Tav ：,访问效率e：,存储器管理系统,存储器由CPU以外的独立硬件电路完成 存储器管理单元（Memory Management Unit -MMU）,虚拟存储器的概念,编码方式不同 交换数据 地址不同,假想的容量极大的存储器 地址方式与主存相同 程序调用虚拟地址（逻辑地址） 存储器管理单元映射实际地址（物理地址）,虚拟存储器的概念,常用数据调用方式 段式调用 Segment 页式调用 Page 段页式调用,段式调用,段指针存入段寄存器,实地址的形成,将程序中每一个功能独立的模块作为一段,页式调用,虚页号,页内偏移,20,12,虚地址：32位,实页号,页内偏移,9,12,实地址：21位,虚页号,实页号,20,9,查表输入,页表,21,将虚存与主存划分成大小相等的字块,分别称为虚页(或页面)和实页(或页框).将虚页和实页之间的地址对应关系用也表来表示.,按内容访问存储器（CAM）,1,0,1,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,0,1,