微机原理－存储器

微机原理－存储器第1页/共90页第五章存储器（Memory）第一节：计算机存储器系统第二节：存储系统基本概念和性能指标第三节：主要存储器介绍

第四节：存储器与CPU的连接第2页/共90页第一节：计算机存储器系统第3页/共90页第一节：计算机存储器系统第4页/共90页第一节：计算机存储器系统第5页/共90页第一节：计算机存储器系统第6页/共90页第一节：计算机存储器系统第7页/共90页第一节：计算机存储器系统第8页/共90页第一节：计算机存储器系统第9页/共90页第一节：计算机存储器系统第10页/共90页第一节：计算机存储器系统第11页/共90页全联映像方式第一节：计算机存储器系统第12页/共90页直接映像方式第一节：计算机存储器系统第13页/共90页第14页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标第15页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标第16页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标X地址译码器存储单元矩阵

NXM

（4096XI）Y地址译码器26A11A626A11A6n个输入缓冲器数据输入DIN写入读出输入缓冲器数据输出DOUTR/W读写输入CS片选择典型存储器的组成框图第17页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标衡量存储器的技术指标存储器容量存取速度功耗和集成度可靠性存储带宽第18页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标1.存储器容量第19页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标2.存取速度指访问（读/写）一次存储器所需要的时间。常用存储器的存取时间(MemoryAccessTime)和存储周期表示。第20页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标存储器容量与速度

第21页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标3.存取带宽表示单位时间内传输数据容量的大小，表示吞吐数据的能力。存储器的带宽计算：B=F×D/8

B表示带宽，F表示存储器时钟频率，D表示存储器数据总线位数。第22页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标3.存取带宽例如：PC-100的SDRAM带宽计算如下：100MHz×64bit/8=800MB/s这个计算方法是针对仅靠上升沿信号传输数据的SDRAM而言的，对于上升沿和下降沿都传输数据的DDR来说计算方法有点变化，应该在最后乘2。PCI带宽=33MHz×32bit／8=133MB/sAGP1X总线的带宽=66MHz×64bit／8=528MB/s

AGP4X带宽=528MHz×4=2.1GB/s。第23页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标

4.功耗和集成度第24页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标

4.功耗和集成度新型FCRAM和DDR2SDRAM的功耗比较第25页/共90页第二节：存储系统基本概念和性能指标

4.功耗和集成度第26页/共90页5.可靠性第二节：存储系统基本概念和性能指标85摄氏度重写100万次保存100年125摄氏度重写50万次保存50年第27页/共90页第三节：存储系统的分类和原理1.历史在电子管计算机时期(1946～1959)，计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时，主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型，通常按此对计算机进行分类。

到了晶体管计算机时期(1959～1964)，主存储器均采用磁心存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展，而且中、小型计算机，特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。

1964年，在集成电路计算机发展的同时，计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始出现固件子系统。第28页/共90页第三节：存储系统的分类和原理1.历史“水银延迟线存储器”最早最早的计算机的内存，由研制ENIAC的工程师JohnW.Mauchly二战期间为军用雷达开发的一种存储装置第29页/共90页第三节：存储系统的分类和原理1.历史1956年9月13日，IBM推出全球首款硬盘系统RAMAC350，使用了50个24英寸盘片，总容量只有5MB第30页/共90页第三节：存储系统的分类和原理1.历史IBM硬盘50年发展历史第31页/共90页第三节：存储系统的分类和原理1.历史2004年，希捷首次采用垂直磁记录方式，记录密度突破100Gbpsi

第32页/共90页第三节：存储系统的分类和原理2.基本原理第33页/共90页第三节：存储系统的分类和原理2.基本原理第34页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.存储器的分类第35页/共90页第三节：存储系统的分类和原理“水银延迟线存储器”最早最早的计算机的内存，由研制ENIAC的工程师JohnW.Mauchly二战期间为军用雷达开发的一种存储装置第36页/共90页第三节：存储系统的分类和原理第37页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1ROM第38页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.1掩模式ROM第39页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.2OTP-ROM第40页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.3EPROMErasableProgrammableRead-OnlyMemory特点：芯片的上方有一个石英玻璃的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而将写入的信号擦去。第41页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.4EPROM第42页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.5E2PROM电可擦除可编程的ROM（E2PROM）ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory

应用特性：（1）对硬件电路没有特殊要求，编程简单。（2）采用＋5V电源擦写的E2PROM，通常不需要设置单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除。（3）E2PROM器件大多是并行总线传输的第43页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.1.6E2PROM第44页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.2.随机存取存储器RAM

1）RAM也称读写存储器，对该存储器内部的任何一个存储单元，既可以读出（取），也可以写入（存）；

2）存取用的时间与存储单元所在的物理地址无关；

3）主要用作主存，也可作为高速缓存使用；通常说的内存容量均指RAM容量。4）一般RAM芯片掉电时信息将丢失，目前有内带电池芯片，掉电后信息不丢失的RAM，称为非易失性RAM（NVRAM）。5）微机中大量使用MOS型（按制造工艺分成MOS型和双极型）RAM芯片。

6）按集成电路内部结构不同，RAM又可以分为静态RAM和动态RAM。第45页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.2.1静态RAM(SRAM)典型的静态RAM芯片：6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、62256（32KB×8位）、628128（128KB×8位）等。第46页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.2.2动态RAM(DRAM)第47页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.3非易失RAM从1972年到现在，半导体存储器在RAM中占有绝对统治的地位，它与CPU同步发展，半节距从250nm缩小到90nm，单片容量从1KB提升到32MB，存储密度提高了几千万倍近十年来对非易失性存储器的研究工作取得了长足的进步，其中最突出的成就是闪存的应用。在一些对速度要求不是特别高的系统中，内存和外存已经合而为一，统一使用闪存了。不过，因为闪存只是在擦除数据时放电速度很快，而在写入数据时需要一个较长的充电时间，想提升其存取速度是很困难的，因此在主流的电脑中闪存还只能充当外存的角色。第48页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.3非易失RAM-Flash第49页/共90页第三节：存储系统的分类和原理闪存的原理3.3非易失RAM–

Flash第50页/共90页第三节：存储系统的分类和原理Samsung32Gb闪存芯片3.3非易失RAM-Flash第51页/共90页第三节：存储系统的分类和原理同样作为非易失性存储器的MRAM速度为25ns，PCM的速度最快，为5ns（200MHz）。MRAM是靠磁场翻转来实现0和1的转换，理论上速度可与SRAM相匹敌，且没有读写寿命的限制。但是，由于工艺上一直未能突破尺寸和存储密度上的约束，目前单颗MRAM芯片的容量最多也只有512KB。PCM也是依靠材料的特性变化以记录数字信息，记忆原理与光盘刻录相似。PCM的核心是一小片特殊材质合金，可以在两种结构之间改变，不同的结构有不同的电阻，要改变PCM的状态，也是透过电力加热核心然后停止加热，藉由快速停止或缓慢停止加热，将会导致PCM进入无定形（amorphous）或水晶（crystalline）两种状态。3.3非易失RAM-MRAM第52页/共90页第三节：存储系统的分类和原理

MRAM

comparedwithDRAM3.3非易失RAM-MRAM第53页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.3非易失RAM-MRAM第54页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.3非易失RAM第55页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器第56页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器第57页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器光驱工作原理第58页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器RAID存储器（廉价磁盘冗余阵列）：基本思想是用多个小的磁盘存储器，通过合理的分布数据，支持多个磁盘同时进行访问，从而改善磁盘存储器的性能。RAID是RedundantArrayofIndependentDisk的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列。冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加州大学伯克利分校提出。初衷是为了将较廉价的多个小磁盘进行组合来替代价格昂贵的大容量磁盘，希望单个磁盘损坏后不会影响到其它磁盘的继续使用，使数据更加的安全。RAID作为一种廉价的磁盘冗余阵列，能够提供一个独立的大型存储设备解决方案。在提高硬盘容量的同时，还能够充分提高硬盘的速度，使数据更加安全，更加易于磁盘的管理。第59页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器光驱工作原理第60页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器主要技术：

1．分块技术：把数据分块写到阵列中的磁盘上；

2．交叉技术：对分布式的数据采用交叉式进行读写，提高访问速度；

3．重聚技术：对多个磁盘空间重新编址，数据按照编址后的空间存放；第61页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器第62页/共90页第三节：存储系统的分类和原理3.4其它存储器第63页/共90页第64页/共90页存储器芯片与CPU的连接方式，是指与CPU总线相关的信号线的连接，控制总线由芯片类型决定。

(1)根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构

(2)根据CPU外部地址总线的位数与存储器的容量 确定主存储器芯片连接原则

(3）8位数据总线CPU与存储器接口第四节：存储器与CPU的链接第65页/共90页读写存储器RAM（2114芯片）①2114的引脚和逻辑符号如下图示：

A0~A9I/O1~I/O42114写允许WE片选CS(1)根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构第四节：存储器与CPU的链接第66页/共90页A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片选译码•

••••地址总线数据总线控制总线(1)根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构第四节：存储器与CPU的链接第67页/共90页读写存储器RAM（6116芯片）A10~A0I/O0~I/O76116写使能WE输出使能OE片选CS6116存储芯片为2K8位,8088CPU数据总线是8位的,2K容量的存储器用一片6116实现。

①6116的引脚图如下(1)根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构第四节：存储器与CPU的链接第68页/共90页A19A18A16A17A15A13A14A12WRIO/MRDCPU&111A11=074LS3074LS24574LS326116WEOECSMEMRMEMWD7~D0ADIRD7~D0BGA10~A0D7~D0•••存储地址为：A0000～A07FFH采用门电路译码②6116与8088CPU的连接1010000074LS245存储器写DIR=1,A→B存储器读DIR=0,B→A第69页/共90页

数据总线驱动器

74LS245

（8位双向三态总线驱动器）

引脚图真值表存储器写=0,则=1,DIR=1,A→B存储器读=1,即=0,DIR=0,B→A第70页/共90页

只读存储器ROM（2716）

2716存储芯片为2K8位的,8088CPU数据总线是8位的，2K容量的存储器用一片2716实现。①其引脚图如下:2716A10~A0D7~D0OE

CE/PGMVCC=5V

VPP{使用5V编程+25V第71页/共90页111111y0y7存储器地址： FC000~FC7FFHFC800~FCFFFH …FF800~FFFFFH第72页/共90页(2)根据CPU外部地址总线的位数与存储器的容量确定主存储器芯片连接原则确定好电路结构后，存储器芯片选择应尽量选用容量相同的芯片。连接原则：

芯片的地址线与CPU的低地址总线相连，以确定存储器片内地址，剩下的高位地址通过译码产生片选控制信号。

①根据系统对存储器分配情况可以选择不同的译码方式：线选全译码

②常用的译码器有以下三种与非门译码器

3－8译码器（74LS138）

PLD可编程译码器第73页/共90页①译码方式线选（地址有重叠区）

PC总线A12~A08K8CSCSCSA13A14A15第74页/共90页

全译码（地址无重叠区）

PC总线A12~A0CSCS译码。。。A13A14A15第75页/共90页

3－8译码器（74LS138）使能输入选择输入G1G2AG2BCBAY0~Y7输出100000Y0=0其余为1100001Y1=0其余为1100010Y2=0其余为1100011Y3=0其余为1100100Y4=0其余为1100101Y5=0其余为1100110Y6=0其余为1100111Y7=0其余为1②常用的译码器第76页/共90页3－8译码器应用举例存储器地址为：2000H~23FFH，2400H~27FFHA0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片选译码•

••••片选译码74LS138第77页/共90页线选方式实现

有些地址线不参加译码,电路简单,但地址不唯一,有重叠,存储器容量小时可采用。

例如：系统RAM为2K的情况下,为了区分不同的两个1K,可用A15～A10中任一位来控制片选端。有32K的地址重叠区例用A11来控制。有32K的地址重叠区。如下图示11后1K前1KIO/MA11

XXXX，0000，0000，0000XXXX，0111，1111，1111XXXX，1000，0000，0000XXXX，1111，1111，1111第78页/共90页（3）8位数据总线CPU与存储器接口8088/80188CPU的数据总线是8位。在最小方式下，与存储器的接口要考虑三方面问题：数据总线可以直连；必须对地址总线进行译码以选择存储单元；必须使用8088、80188提供的、、IO/

控制信号去控制存储器系统。最大模式与最小模式主要区别在于： IO/与形成；IO/与产生；、信号均由8288总线控制器产生。第79页/共90页8088与EPROM2732接口8088与EPROM2732接口如下图所示，由图可见，8片2732组成32K×8bit的8088EPROM物理地址空间，译码器寻址范围为0F8000H~0FFFFFH，构成内存高32KB存储空间。对于PC系统机，0FFFF0H是8088的冷启动（COLD-START）地址，并且在该处安排一条JMP指令，该指令转到0F8000H，继续执行程序。第80页/共90页8088与EPROM2732接口第81页/共90页第82页/共90页附加：大小字节顺序

字节序（Endianness）又称端序，尾序字节序是指存放多字节数据的字节的顺序，用于解决通信双方交流的信息单元（比特、字节、字、双字等等）应该以什么样的顺序进行传送Little-Endian主要用在目前的PC的CPU中Big-Endian主要用在目前的Mac机器中（Power系列）第83页/共90页附加：大小字节顺序

由来来源于JonathanSwift在1726年写的讽刺小说“Gulliver’sTravels”（《格利佛游记》）。描述Gulliver畅游小人国时碰到了如下的一个场景小人国里的小人有一次因为对水煮蛋该从大的一端（Big-End）剥开还是小的一端（Little-End）剥开的争论而引发了一场战争形成了两支截然对立的队伍：支持从Big-End剥开的人Blefuscu