第6章存储器20150503

1、微型计算机原理与应用第6章 存储器微型计算机原理与应用除采用磁、光原理的辅存外，其它存储器主要都是采用半导体存储。本章介绍采用半导体存储器及其组成主存的方法CPU 寄存器寄存器CACHE主存（内存）主存（内存）辅存（外存）辅存（外存）1.1.存储器概述存储器概述微型计算机原理与应用(1)(1)半导体存储器的分类半导体存储器的分类按制造工艺分： 双极型：速度快速度快、集成度低、功耗大、价格高。一般用作Cache。 MOS型：速度慢、集成度高、功耗低功耗低，价格便宜。包括静态RAM、动态RAM、EPROM、EEPROM和Flash Memory等。按信息存储方式分 随机存取存储器RAM：可读可写可

2、读可写、断电丢失。 只读存储器ROM：正常只读、断电不丢失断电不丢失。微型计算机原理与应用半导体存储器的详细分类图示：半导体存储器的详细分类图示：半导体半导体存储器存储器只读存储器只读存储器 （ROMROM）随机存取存储器随机存取存储器（RAMRAM）静态静态RAMRAM（SRAMSRAM）动态动态RAMRAM（DRAMDRAM） 掩膜式掩膜式ROMROM一次性可编程一次性可编程ROMROM（PROMPROM） 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）电擦除可编程电擦除可编程ROMROM（EEPROMEEPROM）闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFl

3、ash Memory）双极型RAMMOSMOS型型RAMRAM微型计算机原理与应用读写存储器读写存储器RAMRAM组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失微型计算机原理与应用只读存储器只读存储器ROMROM序号序号名称名称特点特点1掩膜ROM信息制作在芯片中，不可更改2PROM允许一次编程，此后不可更改3EPROM用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程4EEPROM采用加电方法在线进行擦除和编程，可多次擦写5Flash Memory（闪存）能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除微型计算机

4、原理与应用存储容量存储容量：B、KB、MB、GB、TB(2) (2) 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标 存储器带宽：存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，位/秒。存取速度：存取速度：内存储器的存取速度一般用下面两个指标来描述。最大存取时间最大存取时间：接收到地址码开始到读出或写入数据为止 所需时间。一般为几十纳秒和几百纳秒。存取周期存取周期：接连续两次读（写）的最小时间间隔。 存取周期愈短，存取速度愈快。6 6项性能指标：存储容量、存取速度、存储器带宽、功耗、可项性能指标：存储容量、存取速度、存储器带宽、功耗、可 靠性和价格靠性和价格微型计算机原理与应用功耗：功耗：半导体存储

5、器的功耗包括“维持功耗”和“操作功耗”。 与计算机的和有直接的联系，与芯片的操作速度成正比，应在保证速度的情况下，减小功耗。可靠性：可靠性：可靠性一般是指存储器（焊接、插件板的接触、存储器模块的复杂性）电磁场、温度等因素变化。在出厂时经过全面测试保证有较高的可靠性。 平均无故障时间可达几千小时以上。价格：价格：与容量和速度有关，应选择性能/价格比适中的存储器件组成存储器(2) (2) 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标微型计算机原理与应用2.2.随机存取存储器随机存取存储器RAMRAMRAMRAM包括静态包括静态RAMRAM和动态和动态RAMRAM(1)(1)半导体存储器一般结构及组

6、成半导体存储器一般结构及组成微型计算机原理与应用(1)(1)半导体存储器一般结构及组成半导体存储器一般结构及组成存储矩阵存储矩阵 基本电路基本电路能够寄存二进制信息的电路能够寄存二进制信息的电路 存储体存储体基本电路的集合体，按阵列形式存放信息基本电路的集合体，按阵列形式存放信息 如：如：N N1, N1, N4, N4, N8 8地址译码器地址译码器 地址译码包括地址译码包括单译码单译码和和双译码双译码两种方式。两种方式。微型计算机原理与应用(1)(1)半导体存储器一般结构及组成半导体存储器一般结构及组成单译码方式单译码方式 : : 小容量字结构小容量字结构的存储矩阵。如： 25 X 4微型

7、计算机原理与应用(1)(1)半导体存储器一般结构及组成半导体存储器一般结构及组成双译码方式：双译码方式：大容量字结构大容量字结构的存储矩阵。如：16行16列微型计算机原理与应用(1)(1)半导体存储器一般结构及组成半导体存储器一般结构及组成存储器控制电路存储器控制电路 读写控制信号： ODOD( Output Disable ): 输出禁止引线端。 OEOE(Output Disable) :输出开放引线端。 R/WR/W（Read/Write）:读/写控制引线端。 WEWE: 写开放引线端，低电平有效时，数据总线上的数据被写入 被寻址的单元。三态双向缓冲器三态双向缓冲器 使组成半导体RAM的

8、各个存储芯片很方便地与系统数据总线相连接。微型计算机原理与应用2.2.随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM(2)(2)静态静态RAMRAM静态基本存储单元电路静态基本存储单元电路 基本单元电路多为静态存储器半导体双稳态触发器结构，NMOSCOMSTTLECL等制造工艺而成。 NMOSNMOS的静态的静态RAMRAM具有集成度高、功耗价格便宜等优点，其应用范围最为广泛； COMSCOMS的静态的静态RAMRAM则因其超低功耗的特点而具有独特的应用。微型计算机原理与应用NMOSNMOS静态基本存储电路静态基本存储电路可存储一个二进制位，由6个晶体管、字或行选线、D和D数据或位线组成。T1T4构

9、成一个双稳态触发器，T1 、T3为基本双稳态触发器、T2 、T4为负载管、T5、T6的栅极受地址译码信号（字或行选线）的控制。静止状态静止状态：有两种稳定的状态，T T1 1导通则导通则T T3 3截止，截止， T T3 3通则通则T T1 1截止截止。数据以电荷存放，可预先定义可预先定义T T1 1导通存放导通存放1 1，T T3 3导通存放导通存放0 0。读出操作读出操作：字选线为高电平,T5、T6栅极为高电平而导通,数据到位线,CPU采样数据总线取数据写入操作写入操作 : 字选线为高电平,T5、T6栅极为高电平而导通,数据到位线,存储到T1、T3微型计算机原理与应用T T3 3T T5

10、5：为 N沟增强型MOS,交叉偶合组成触发器T T2 2T T4 4：为P沟增强型MOS作为负载T T1 1T T6 6：为 N沟增强型控制门CMOSCMOS静态基本存储电路静态基本存储电路稳定状态：T3导通T5截止Q点为高电位反馈到T2T3Q点高电位被保持，反 之,T5导通T3截止，双稳态存放1或0。写入过程：字选线为高电平，T1和T6导通，写入1，位线D高电平；写 入0时，D线为低电平，字选线为低电平， T1和T6截止，隔 断，维持状态。微型计算机原理与应用静态静态RAMRAM的电路结构的电路结构 2 28 8x1x1 微型计算机原理与应用静态静态RAMRAM静态静态RAMRAM芯片举例芯

11、片举例 61166116高速静态高速静态CMOSCMOS随机存储器，容量为随机存储器，容量为2 211118 8 存取时间：存取时间：100ns100ns、150ns150ns、200ns200ns 功耗：空载功耗：空载100100微瓦、运行微瓦、运行150150毫瓦毫瓦 与与TTLTTL兼容，单一正兼容，单一正5 5伏电源伏电源 2424脚脚DIPDIP封装封装微型计算机原理与应用2.2.随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM(3)(3)动态动态RAMRAM动态基本存储电路动态基本存储电路 动态基本存储电路是利用MOS管的栅极和源极之间的寄生电容保存电荷的方式来存储信息的，有六管型、四管型

12、、三管型、单管型（集成度高被广泛采用）单管型（集成度高被广泛采用）电路基本组成：电路基本组成： 场效应管场效应管, ,电容存储电电容存储电荷荷, 2ms, 2ms刷新，当行选线为刷新，当行选线为高电平，高电平，Q Q1 1导通，导通，当列选线当列选线为高电平，为高电平， Q Q2 2导通，写入或导通，写入或读出。读出。操作过程自己看操作过程自己看行选线行选线列选线列选线Q Q1 1Q Q2 2C C1 1C C2 2微型计算机原理与应用动态存储器芯片举例动态存储器芯片举例16个引脚： 8根地址线A7A0 1根数据输入线DIN 1根数据输出线DOUT 行地址选通RAS* 列地址选通CAS* 读写

13、控制WE* 十5V电源VDD 地Css 未用引脚N/C21642164引脚图引脚图NCNCD DININWEWE* *RASRAS* *A A0 0A A2 2A A1 1GNDGNDV VSSSSCASCAS* *D DOUTOUTA A6 6A A3 3A A4 4A A5 5A A7 712345678161514131211109微型计算机原理与应用2164A2164A内部结构内部结构 微型计算机原理与应用存储容量为64K1。由4个128128的存储阵列组成。采用双译码方式，16位地址信息要分两次送入芯片内部分两次送入芯片内部。由于封装的限制，16位地址信息必须通过同一组引脚分两次接收

14、，因此，在芯片内部有一个能保存8位地址信息的地址锁存器地址锁存器。1/4I/OI/O门电路门电路：由行、列地址信号的最高位控制,选择1个存储矩阵。行、列时钟缓冲器行、列时钟缓冲器：协调行、列地址的选通信号。写允许时钟缓冲器写允许时钟缓冲器：控制芯片的数据传送方向。128128读出放大器读出放大器：与4个128128存储阵列相对应，共有4个128读出放大器，它们能接收由行地址选通的4128个存储单元的信息，经放大后，再写回原存储单元，是的重要部分。1/1281/128行、列译码器行、列译码器： 分别用来接收7位的行、列地址，经译码后，从128128个存储单元中选择一个存储单元，以便对其进行读/写

15、操作。动态存储器芯片举例动态存储器芯片举例2164A2164A微型计算机原理与应用 CPU利用刷新周期进行刷新操作，刷新周期往往与读/写周期相等，一般在2毫秒内完成一次刷新。 刷新按行进行，列无效，7位行地址在行选通信号的控制下，对4个阵列中的同一行进行刷新，即读出、放大再写入，128次后全部存储单元刷新完毕。动态存储器动态存储器的刷新方式的刷新方式根据刷新周期时间的不同，通常有根据刷新周期时间的不同，通常有三种刷新方式三种刷新方式：定时集中刷新方式定时集中刷新方式：定时集中刷新，不能读写操作，形成一段死时间。非同步的刷新方式非同步的刷新方式：每隔一定时间进行一次刷新，刷新周期与读写周期冲突时

16、，延长读写周期同步刷新方式同步刷新方式：在每个指令周期中利用CPU不进行读写的期间进行刷新操作。微型计算机原理与应用 Z80采用同步刷新，内部R寄存器提供刷新的行地址信息当系统不采用动态存储器时，R作为通用寄存器 一款由zilog公司制造的微处理器微处理器，与英特尔公司出产的8080微处理器的代码兼容。同步刷新方式实例同步刷新方式实例 微型计算机原理与应用(4)RAM(4)RAM存储容量的扩展方法存储容量的扩展方法- -位扩展位扩展64Kx64Kx1 1扩充为扩充为64Kx64Kx8 8 多个位扩充存储芯片的数据线应连接于系统数据总线的不同位数，这些芯片被看作是一个整体，称为“芯片组”。微型计

17、算机原理与应用片选端片选端D D7 7D D0 0A A1919A A1010A A9 9A A0 0A A9 9A A0 0D D7 7D D0 0CECE1K1K8 8（1 1）A A9 9A A0 0D D7 7D D0 0CECE译码器译码器00000000010000000001000000000000000000001K1K8 8（2 2）1K1Kx8x8扩充为扩充为2 2x8x8 字扩展RAM存储容量时，应使用高位地址线经过译码器译码使得同一时刻只有其中一片存储芯片被选中。(4)RAM(4)RAM存储容量的扩展方法存储容量的扩展方法- -字扩展字扩展微型计算机原理与应用 使用存储

18、器容量的扩展方法将存储芯片按一定的结构设计出满足容量要求的RAM存储器，就可以使其与CPU连接而形成计算机的RAM存储器子系统。CPU与静态RAM的存储器连接时主要需要解决数据总线数据总线、地址总线地址总线和控制总线控制总线的连接问题。 下面是存储器容量扩展（包括字扩展和位扩展）包括字扩展和位扩展）的几种不同连接方法。(4)RAM(4)RAM存储器与存储器与CPUCPU的连接的连接 微型计算机原理与应用 用用21142114（1K1K4 4）芯片组成）芯片组成4K4K8RAMRAM线选译码线选译码结构结构微型计算机原理与应用 用用21142114（1K1K4 4）芯片组成）芯片组成4K4K8R

19、AMRAM部分译码部分译码结构结构微型计算机原理与应用 用用21142114（1K1K4 4）芯片组成）芯片组成4K4K8RAMRAM全部译码全部译码结构结构微型计算机原理与应用3.3.只读存储器只读存储器ROMROM(1)(1)只读存储器的结构只读存储器的结构.专用仪器设备写入，对简单程序可以用人工方式写入。专用仪器设备写入，对简单程序可以用人工方式写入。对对ROMROM信息的写入过程称为对信息的写入过程称为对ROMROM进行编程。进行编程。(2)(2)只读存储器分类：只读存储器分类：掩膜式ROM现场编程ROM（PROM）可改写的PROM（EPROM、EEPROM）微型计算机原理与应用掩膜式

20、掩膜式ROMROM（ROMROM） ROM结构简单，价格便宜。存储器不需要加电来保持数据，因为在芯片芯片里数据是以“硬连线硬连线”方式形成的。数据只能在制造期间由生产厂家用光刻工艺光刻工艺把程序代码 “烧”到芯片里。三种类型的三种类型的ROMROM结构图结构图一个一个ROMROM单元的照片单元的照片（左边是放大（左边是放大10001000倍，倍，边是放大边是放大1120011200倍的）倍的） 微型计算机原理与应用现场编程现场编程ROMROM （PROMPROM） PROM在出厂时未存储任何信息，使用时用户可根据需要自行写入信息，但信息只能写入一次，一旦写入变不可更改。 产品类型为双极型，速度

21、快，功耗大。基本存储电路有熔丝型和PN击穿型两种。读数时间范围4090ns，有些ECL产品读数时间可降低到20ns。熔丝型熔丝型PROMPROM基本存储电路基本存储电路 PNPN结击穿型结击穿型PROMPROM基本存储电路基本存储电路 微型计算机原理与应用可改写的可改写的PROMPROM（EPROMEPROM） 顶部开有一个圆形的石英窗口一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息。 一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程，编程后，应该贴上不透光封条。出厂时，每个基本存储单元都是信息1，编程就是将某些单元写入信息0。 擦除信息的方法：在紫外线下照射在紫外线下照射515515分钟分钟。可改写的

22、可改写的PROMPROM（EEPROMEEPROM） EEPROM指的是“电可擦除可编程只读存储器”。它的最大优点最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。有四种工作方式：读有四种工作方式：读方式、写方式、字节擦除方式和整体擦除方式方式、写方式、字节擦除方式和整体擦除方式，包括并行EEPROM 和串行EEPROM 两种。EEPROM不能取代RAM的原因是工艺复杂， 耗费门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数比较低。 Flash MemoryFlash Memory（闪存）：能够快速擦写的（闪存）：能够快速擦写的EEPROMEEPROM。

23、微型计算机原理与应用存储容量为2K824个引脚： 11根地址线A10A0 8根数据线DO7DO0 片选/编程CE*/PGM 读写OE* 编程电压VPP(3)(3)典型典型PROMPROM芯片芯片存储容量为8K828个引脚： 13根地址线A12A0EPROM2764EPROM2716微型计算机原理与应用EPROMEPROM芯片芯片27642764单片容量8K8，读出时间200至500ns，与27128、27256兼容。8 8种工作方式种工作方式： 待用方式待用方式：未用，CE为1;读出方式读出方式： CE和OE同时有效读出禁止读出禁止： OE无效编程写入编程写入：VPP接21至25伏电源，OE无

24、效，带地址和数据有效，由PGM送入宽505ms的TTL负脉冲。编程校验编程校验：编程状态下读出， VPP接21至25伏电源， CE和OE同时有效读读IntelIntel标识标识： VCC VPP 均为+5伏，PGM+12伏， CE和OE同时有效，读出两个字节，低字节为制造厂商编码，高字节为器件编码IntelIntel编程编程：对每一个要写入的存储单元，在地址、数据就绪的前提下，向PGM重复送1ms的编程负脉冲，每送一个脉冲即进行一次检验。若读出写入相同，说明数据已经写入，可进一步加以巩固。微型计算机原理与应用EPROMEPROM芯片芯片2864A2864A2828系列的系列的E2PROM E2

25、PROM 芯片带芯片带有查询端有查询端RDY/BUSYRDY/BUSY 8K8K8 8存储容量为8K828个引脚： 13根地址线A12A0 8根数据线I/O7I/O0 片选CE* 读写OE*、WE*微型计算机原理与应用EPROMEPROM芯片芯片2864A2864A +5V供电，维持电流60mA，最大工作电流160mA，读出时间250ns。页写入与查询的做法：页写入与查询的做法： 当启动写入后，应以（3至20）微秒/B的速度，连续向有关地址写入16个字节的数据，其中，页内字节由A3至A0确定，页地址由A12至A4确定，整个芯片有512个页。 如果芯片在规定的20微秒的窗口时间内，用户不再进行写

26、入，则芯片将会自动把页缓冲器内的数据转存到指定的存储单元，这个过程称为页存储，在页存储期间芯片将不再接收外部数据。CPU可以通过读出最后一个字节来查询写入是否完成，若读出数据的最高位与写入前相反，说明写入还没完成，否则，写入已经完成。微型计算机原理与应用4.4.高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache 简称缓存，是位于CPU与主存间的一种容量较小但速度很高的存储器。缓存采用采用SRAMSRAM。 在在CPUCPU内部通常设有一级或二级缓存内部通常设有一级或二级缓存CacheCache，在主板上设有片外，在主板上设有片外CacheCache。 缓存主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速

27、度不匹配的矛盾。 在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（缓存+内存）就变成了既有缓存的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。微型计算机原理与应用 (1)CacheCache存储器原理存储器原理 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理程序的局部性原理。研究结果表明：在任一给定的时间间隔内，对不同的地址区域其访问概率是不同的，有的区域高，有的区域低。访问概率随着离当前指令的远近而变化，离当前指令越近，概率也越高。 根据局部性原理，把主存中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取时首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取，若没有

28、则再从主存中读取，同时送往CPU和Cache。若CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为命中命中，Hit），则可以大大提高系统性能。微型计算机原理与应用 (1)CacheCache存储器组织存储器组织地址映像地址映像 定义：为了把信息放到Cache与存储器中，必须应用某种函数吧主存地址映像到Cache，叫做地址映像。 地址映像包括直接映像、全相联映像和组相联映像。微型计算机原理与应用直接映像直接映像 主存中的每一页只能复制到某一个固定的Cache页中，可以同时复制16页。规律：主存共2048页按顺序分为128组，每组16页，分别与Cache的16页直接映像，即第0、16、32等页只

29、能映像到Cache的第0页第1、17、33等页只能映像到Cache的第1页。 在Cache方面，为每一页设立一个7 7位的位的CacheCache标志标志。如果现在Cache第0页复制的是主存中第16页的内容，其标记段为1，表示它现在与主存第1组相对应。 直接映像方式比较容易实现，但不够灵活，有可能使Cache存储空间得不到充分利用。微型计算机原理与应用全相联映像全相联映像 主存中的每一页可映像到Cache中的任一页。访问主存时，给出的20位地址分为两部分：高11位为主存页号，低9位为页内地址。Cache中每页的标记为11位，表示它所映像的主存页号（21024页之一）。 优点优点：映像关系比较

30、灵活。 缺点缺点：不能直接从主存地址码中提取Cache页号，需与Cache标记逐个比较，速度较慢，不太实用。微型计算机原理与应用组相联映像组相联映像 折衷方案，主存与主存与CacheCache都分组都分组，主存中一个组内的页数与Cache中的分组数相同。如果Cache只有一组，就是全映像方式，如果Cache分为16组，每组只有一页，就是直接映像。 可根据设计目标选取一个折衷方案。如：主存分为256组，每组8页；Cache分为8组，每组2页。规律：主存的第0、8、16等共256页，均映像到Cache的第0组，但可以映像到改组内的第0页或第1页。 访问内存时，2020位主存地址分为位主存地址分为4

31、 4部分部分，高7位连同1位Cache组内页号共8位，称为主存页标记，即主存的组号；Cache组号3位，可选择8组之一。低9位为页内地址。 Cache为每一页设有8位标记，填写所复制的主存页的组号，访问主存时，根据中间两段共4位找到Cache页，判断是否命中。微型计算机原理与应用替换算法替换算法先进先出算法（先进先出算法（FIFOFIFO） 方法简单，容易实现，系统开销小，但不一定合理。 近期最少使用算法（近期最少使用算法（LRULRU） 需随时记录Cache存储器中各个字块的使用情况，平均命中率比FIFO算法高，加大分组容量能提高命中率，使用较多，但算法比FIFO复杂。 随机替换法（随机替换

32、法（RAND )RAND ) 不考虑使用情况，在组内随机选择一页来替换。性能比根据使用情况的算法差。后来将指令Cache和数据Cache分开称为两个独立的Cache。 Pentium 处理器刚推出时，片内Cache只有8KB+8KB，于是推出了二级Cache方案，片内L1，片外L2。Pentium IIPentium II开始片内包括两级开始片内包括两级CacheCache（L1L1和和L2L2），），此时主板上已不再设第三级Cache。微型计算机原理与应用5.5.存储器系统与存储器系统与CPUCPU系统连接实例系统连接实例(1) EPROMEPROM、RAMRAM子系统与子系统与CPUCPU主系统的连接主系统的连接这是本章的重点内容SRAM、EPROM与CPU的连接译码方法同样适合I/O端口微型计算机原理与应用EPROMEPROM、RAMRAM组成的组成的8 8位存储器子系统位存储器子系统 微型计算机原理与应用(2) 8086CPU8086CPU的最小模式与静态的最小模式与静态RAMRAM的连接的连接 微型计算机原理与应用存储器的地址分配和片选问题：存储器的地址分配和片选问题： 通常在微