第5章+主存储器.ppt

1、第5章 主存储器,存储器是计算机的重要组成部件，用来存放程序和数据。它是计算机的主要组成部分，反映了计算机的“记忆”功能。 图5-1显示了新型计算机系统中的存储器组织，越往上，存储器的速度越快，CPU的访问频度越高，每位的造价越高，系统的拥有量越小；越往下，其容量越大，每位的造价越低，速度也较低。CPU中的寄存器位于顶端，它的存取速度最快；向下依次是CPU内部的Cache、主板上的Cache，也称为外部Cache、主存储器、辅助存储器和大容量辅助存储器。,图5-1 微机存储系统的层次结构,5.1半导体存储器的分类及特点,5.1.1 半导体存储器的分类 1、按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储

2、器、光表面存储器； 2、按读写功能分：只读存储器ROM和可读写存储器RAM； 3、按信息的可保存性分类： 非永久性记忆存储器（断电后信息消失）：RAM 永久性记忆存储器（断电后信息仍保存）：ROM、磁表面或光表面存储器； 4、按在计算机系统中的作用分类：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器。,5 按存储原理分类 半导体存储器分为RAM和ROM两类，如图5-2所示。,图5-2 半导体存储器的分类,图5-3所示为存储器组成示意图。它由存储体、地址寄存器、地址译码驱动电路、读/写电路、数据寄存器和控制逻辑等组成。,地 址 寄 存,地 址 译 码,存储体,读 写 电 路,地 址 寄 存

3、,控制电路,AB,DB,OE WE CS,图5-3 半导体存储芯片的一般结构,5.1.2 半导体存储器的主要技术指标,1、存储容量：是指存储器可以存储的二进制信息量。 表示方法为： 存储容量 = 存储单元数每单元二进制位数 每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据。存储容量与地址、数据线个数有关： 芯片的存储容量存储单元数存储单元的位数2MN M：芯片的地址线根数，N：芯片的数据线根数,2、存取时间和存取周期：说明存储器工作速度。 存取时间：从存储器接收到寻址地址开始，到完成取出或存入数据为止所需的时间。 存取周期：连续两次独立的存储器存取操作所需的最

4、小时间间隔；略大于存取时间。 3、可靠性：指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。 4、其它指标：体积、功耗、工作温度范围、成本等。,存储器的结构 地址译码电路：分单译码结构、双译码结构 根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元。 双译码分X、Y轴排列方式，可简化芯片设计。,片选和读写控制逻辑：选中存储芯片，控制读写操作。 1)片选端CS或CE：有效时，可以对该芯片进行读写操作 2)输出OE：控制读操作。有效时，芯片内数据输出，该控制端对应系统的读控制线 3)写WE：控制写操作。有效时，数据进入芯片中，该控制端对应系统的写控制线,5.1.3半导体存储器的特点,.RAM的特点 RAM

5、随机存取存储器的存储单元中的信息可根据需要随时写入或者读出，但当RAM存储器芯片掉电时，存储单元中的信息将会丢失。是一种易失性存储器；但目前有些RAM 芯片，由于内部带有电池，断电后信息不会丢失，称为非易失性RAM。RAM 主要用来存放原始数据，中间结果或程序，也可外界交换信息。,静态RAM(Static Random Access Memory，SRAM)。 静态RAM 是以双稳态触发器作为基本的存储单元来保存信息的，每一个双稳态触发器存放一位二进制信息。其保存的信息在不断电的情况下，是不会被丢失的。该类芯片的优点是不需要动态刷新电路，速度快；缺点是与动态RAM 相比集成度低，功耗和价格高。

6、主要用于存储容量不大的微机系统中，如微机中的Cache 采用的就是SRAM。,动态RAM(Dynamic Random Access Memory，DRAM)。 动态RAM 的基本存储单元是单管动态存储电路，以极间分布电容来存放信息。电容有电荷为“1”信息，电容无电荷为“0”信息。由于是靠电容的充放电原理来存储电荷，因此如果不及时进行刷新，极间电容中的电荷会因漏电而逐渐丢失，一般信息保持的时间 为2ms 左右。因此DRAM 需定时刷新，且必须配备专门的刷新电路，保证至少在2ms 内对基本存储单元刷新一次。DRAM 集成度高，价格低，多用在存储量较大的系统中，如微机中的内存储器就是采用DRAM。

7、,非易失性RAM (Non Volative Random Access Memory，NVRAM) 非易失性RAM 是由SRAM 和EEPROM 共同构成的存储器。正常运行时与SRAM 功能相同，用SRAM 保存信息；在系统掉电或电源故障发生瞬间，SRAM 中的信息被写到EEPROM 中，以保证信息不丢失。,.只读存储器(Read only Memory，ROM) ROM 在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作。断电后ROM 中的信息不会消失，具有非易失性。ROM 通常用来存放固定不变的程序、汉字字 型库、字符及图形符号等。随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不

8、同的种类，如掩膜型只读存储器MROM、可编程的只读存储器PROM，可擦除可编程的只读存储器EPROM 和EEPROM 等，近年来发展起来的快擦型存储器(F1ash Memory)具有EEPROM 的特点。ROM 的集程度高于RAM，且价格较低。,掩模只读存储器(Masked Read only Memory，MROM)。 MROM 是利用掩模工艺制造的，一旦做好，其中的信息便不能更改，因此只适用于存储成熟的固定程序和数据。在大量生产时，成本很低。 可编程只读存储器(Programmable Read only Memory，ROM)。 PROM 在出厂时，存储内容全为1(或者全为0)，没有存放

9、程序或数据，允许用户进行一次性编程，信息一旦写入不能更改。用户可以根据自己的需要，用通用或专用的编程器写入程序或数据。,可擦除可编程只读存储器 (Erasible Programmable Read only Memory，EPROM)。 EPROM 的信息可通过紫外线来擦除，可允许用户多次写入多次擦除。其擦除的方法为紫外线照射，时间为20min 以上。EPROM 多用于系统实验阶段或需要改写程序和数据的场合。 电可擦除可编程只读存储器 (Electric Erasible Programmable Read only Memory，EEPROM)。 EEPROM 既具有ROM 的非易失性，又

10、具备类似RAM 的功能，是一种可用电气方法在线擦除和多次编程写入的只读存储器。目前，大多数EEPROM 芯片内部都备有升压电路。因此，只需提供单电源，便可进行读、擦除/写操作，为数字系统的设计和在线调试提供了极大的方便。,快擦型存储器(F1ash Memory) F1ash Memory 也称为闪速存储器。它可以用电气方法整片或分块擦除和写入，不能按字擦除。其特点是既具有RAM 易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点，又有ROM断电后信息不丢失等优点。F1ash 芯片从结构上可分为串行传输和并行传输两大类。串行传输F1ash 能节约空间和成本，但存储容量小，速度慢；并行传输F1ash 速度快

11、、容量大。由于F1ash Memory 具有擦写速度快、低功耗、容量大、成本低等特点，因此得到了广泛应用。,5.2 随机存取存储器RAM,RAM 从制造工艺上可分为两种类型：双极型RAM 和MOS型RAM。双极型RAM 的特点是速度快，但集成度低，功耗大，价格高，主要用于小容量的高速存储器。MOS 型RAM 的特点是集成度高，功耗小，价格低，但速度较双极型RAM 慢，多用于大容量存储器。微机中广泛使用的是MOS 型RAM。MOS 型RAM 分为静态RAM 与动态RAM 两类。,5.2.1 静态RAM 静态RAM 的基本存储单元 静态RAM 的基本存储单元是由6 个MOS 管构成的双稳态触发器组

12、成，如图5.3 所示。双稳态触发器构成了信息的基本存储单元。,SRAM 的芯片有不同的规格，常用的有2101(256B4 位)、2102(1KB1 位)、2114(1KB4位)、4118(1KB8 位)、6116(2KB8 位)、6264(8KB8 位)和62256(32KB8 位)等。随着大规模集成电路的发展，SRAM 的集成度也在不断增大。下面以SRAM 芯片6264 为例，介绍静态RAM 的基本外部特性及工作过程。,6264 芯片是28脚封装，可分为地址、数据和控制引脚3 种类型。 (1) A0A12：13 根地址信号线。一个存储芯片上地址线的多少决定了该芯片有多少个存储单元。13 根地

13、址信号线上的地址信号编码最大为213，即8192(8KB)个。也就是说，芯片13根地址线上的信号经过芯片的内部译码，可以决定选中6264 芯片上8KB 个存储单元中的哪一个。在与系统连接时，这13 根地址线通常接到系统地址总线的低13 位上，以便CPU能够寻址芯片上的每个单元。,(2) D0D7：8 根双向数据线。对SRAM 芯片来讲，数据线的根数决定了芯片上每个存储单元的二进制位数，8 根数据线说明6264 芯片的每个存储单元中可存储8位二进制数，即每个存储单元有8 位。使用时，这8根数据线与系统的数据总线相连。当CPU 存取芯片上的某个存储单元时，读出和写入的数据都通过这8 根数据线传送。

14、 (3) 控制线： OE：输出允许信号。只有当OE为低电平时，CPU 才能从芯片中读出数据。 WE 写允许信号。当WE 为低电平时，允许数据写入芯片。当WE 为高电平，OE为低电平时，允许数据从芯片中读出。, CS1 ,CS2 片选控制端。仅当CS1 =“0”， CS2 =“1”时芯片才被选中，才能对本芯片进行读写操作。 NC 空脚。,表5-1 6264芯片工作方式选择表,5.2.2 动态存储器DRAM 动态RAM 是利用MOS管栅极分布电容的充放电来保存信息的，具有集成度高、功耗小，价格低等特点，微机内存储器几乎毫无例外地都是由DRAM 组成。但由于电容存在漏电现象，存储的数据(电荷)不能长

15、久保存，因此需要专门的动态刷新电路，定期给电容补充电荷，以避免存储数据的丢失。 常见的动态RAM 存储单元有4 管、3 管和单管3 种。,5.3 只读存储器(ROM) 只读存储器(ROM)的信息在运行时是不能被改变的，只能读出，不能写入。突然掉电后信息不丢失，具有非易失性，故常用来存放一些固定程序及数据常数，如监控程序、IBM PC 中的BIOS 程序等。ROM 比RAM 的集成度高，成本低，在不断地发展变化中，ROM器件出现了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM 等各种不同类型。,5.3.1 掩模ROM 掩模ROM 的信息是在芯片制造时由厂家写入的，一旦成为产品，其信息是无法修改的

16、。因此，掩模ROM 在出厂时内部存储的数据就已经“固化”在里边了。当产量较少时，掩模ROM 的成本很高，但如果是批量生产则相当便宜。所以掩模ROM 总是用来存放不需要修改的程序或数据。,5.3.2 可编程ROM(PROM) 掩模ROM 存储单元的信息在出厂时就已经固定下来了，用户无法修改，给使用者带来了不便。PROM 可解决这个矛盾。PROM 是一种允许用户编程一次的ROM，其存储单元通常用二极管或晶体管实现。PROM 在出厂时，其存储单元的内容为全1 或全0，用户可以根据自己的需要，在通用或专用的编程器上将某些单元改写为0 或者1。,图所示为一种熔丝式PROM 结构示意图，它是采用双极型晶体

17、管作存储单元，管子的发射极上连接了可熔性金属丝，也称为“熔丝式”PROM。出厂时，管子将位线与字选线连通，所有熔丝都是接通的，表示存有0信息。如要使某些单元改写为1，只需通过编程，给这些单元通以足够大的电流将熔丝烧断即可。这个写入的过程称之为固化程序。熔丝烧断后不能恢复，因此，PROM 只能进行一次编程。,5.3.3 可擦除可编程ROM(EPROM) 虽然PROM可以实现一次编程，但在很多应用场合，需要对程序进行多次修改，这就要求存储芯片能多次重复擦除重复编程。EPROM 是广泛应用的可擦除可重写的只读存储器。在其芯片的顶部开有一个石英玻璃的窗口，当内容需要改变时，可通过紫外线擦除器对窗口照射

18、1520min(视具体型号而异)后，擦除原有信息，使存储单元的内容恢复为初始状态FFH，从而擦除了写入的信息。之后，用专门的编程器(或称烧写器)把程序重新写入。编程后，应在其照射窗口贴上不透光封条，以避免存储电路中的电荷在日光照射下缓慢泄露，使信息能长期保存。EPROM 通常用于系统的开发阶段，由于它可擦除，故可反复使用。,5.3.4 电可擦除可编程ROM(EEPROM) EPROM 的优点是芯片可多次重复编程，但编程时必须把芯片从电路板上取下，用专门的编程器进行编程，并且是对整块芯片编程，不能以字节为单位擦写。这在实际使用时很不方便，所以在很多情况下需要使用EEPROM。EEPROM与EPR

19、OM 不同，在擦除和编程写入时，不需要从系统中取下，直接可用电气方式在线编程和擦除；并且是按字节进行编程和擦除。,5.4 新型存储器,5.4.1 Flash 存储器(Flash Memory) Flash Memory是一种新型的半导体存储器。和EEPROM相比，Flash Memory可实现大规模快速电擦除，编程速度快，断电后具有可靠的非易失性等特点。Flash 存储器可重复使用，可以被擦除和重新编程几十万次而不会失效。 在数据需要经常更新的可重复编程应用中，这一性能是非常重要的。它特别适合作固态磁盘驱动器；或以低成本和高可靠性替代电池支持的静态RAM。由于便携式系统既要求低功耗、小尺寸和耐

20、久性，又要求保持高性能和功能的完整，因而该技术的固有优势就十分明显。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性。,5.4.2 多端口读写存储器 双端口RAM 双端口RAM有两个数据端口，可以分别进行数据的输入和输出。其中一个端口可以直接由CPU存取，另一个段口可独立的被其他部件经DMA通道存取。双端口数据存取可同时进行，各数据的访问带来了方便，多用于需要有高速共享数据缓冲器的系统。两个端口都具有可独立存取的RAM功能，在系统中作为双CPU的公共全局存储器、多机系统的通信缓冲器、DSP系统、高速磁盘控制器等。,2. FIFO存储器 先进先出(FIFO)存储器，具有输入和输出两个相对独立的端

21、口。当存储器为非存储器满载状态时，输入端允许高速突发数据从输入端口存入，直至满载。只要存储器中有数据，就允许将最先写入的内容依次经输出端口输出。常用于高速通信系统、图像处理系统、数据采集系统等。 3. MPRAM存储器 在特殊应用系统，还需应用三端口RAM、四端口RAM，统称为MPRAM。多用于处理机系统的共享存储器。,5.5 主存储器系统设计,5.5.1 存储器芯片的选择 主存储器包括RAM和ROM，设计时根据需要、用途和性价比选用合适的存储器芯片类型和容量。然后根据CPU读写周期对速度的要求，确定所选存储器芯片类型是否满足速度要求。 1. 存储器芯片类型的选择 对于存储容量较小的专用设备中

22、，应选用静态RAM芯片。这样可以节省刷新电路，使专用设备中计算机的硬件设计更简单。而在对存储器容量需要较大的系统中，应选用集成度较高的动态RAM芯片，可减少芯片数量和体积，并降低成本。,2. 存储器芯片容量的选择 不同型号的存储器芯片容量不同，应根据计算机系统对存储容量的需要合理地选择存储器芯片，其原则是应用较少数量的芯片构成存储器系统，并考虑总成本和硬件设计的简单性。 3.存储器芯片速度的选择 根据CPU读写速度选择合理的存储器芯片的存取速度。既保证系统的可靠运行，又提高了系统的性价化。 4. 存储器芯片功耗的选择 功耗的选择根据计算机系统的应用条件，设备的散热环境等因素决定。相同指标，功耗

23、愈小价格愈高。,5.5.2 存储芯片与 CPU的连接,1. 地址线、数据线、控制线的连接 存储器芯片与CPU的连接就是与地址线、数据线、控制线的连接。当CPU执行一条访问主存储器的指令时，首先CPU经地址总线向存储器发出要访问存储器单元的地址信息，确定某地址单元有效。接着根据CPU是对地址单元进行读操作还是写操作的指令功能，CPU经控制总线向存储器发出控制信息。最后CPU与存储器某地址单元间经数据总线交换数据信息。,2. CPU 总线的负载能力 CPU 的总线驱动能力是有限的，8086/8088 微处理器输出线的直流负载能力一般为5个TTL 或10 个CMOS 逻辑器件。现在的存储器一般都为M

24、OS 电路，直流负载很小，故在小型系统中，CPU可以直接与存储器相连。而在较大的系统中，由于CPU 的接口电路较多，存储芯片容量较大，此时不仅要考虑直流负载，还要考虑交流负载(主要是电容负载)，若CPU 的负载能力不能满足要求，则用缓冲器输出所来带的负载也要考虑。对单向传送的地址和控制总线，可采用三态锁存器和三态单向驱动器等来加以锁存和驱动，对双向传送的数据总线，可以采用三态双向驱动器来加以驱动。,3. CPU 时序和存储器存取速度之间的配合 CPU在对存储器读或写操作时，是有固定时序的，CPU在发出地址和读写控制信号后，存储器必须在规定时间内读出或写入数据。存储器的读取速度必须满足CPU 的

25、时序要求，否则要考虑加入等待周期TW，甚至是更换存储器芯片。,5.5.3 存储器的寻址方式 当CPU 对存储单元进行访问时，发出的地址信号要实现两种选择，首先是对存储器芯片的选择，使相关芯片的片选端有效，称为片选；之后在选中的芯片内部再选择某一存储单元， 称为字选。片选信号和字选信号均由CPU 发出的地址信号经译码电路产生。而选择内部存储单元的字选信号则是CPU 的低位地址线经存储器芯片的内部译码电路产生，这部分译码电路不需用户设计。而片选信号是由CPU 的高位地址线经外部译码器译码产生，通常所说的译码电路也是用来产生片选信号的。片选信号的产生方法通常有线选法、部分译码法和全译码法3 种。,1. 线选法 线选法是指用CPU 地址总线中剩余的