第6章存储器系统.

1第6章存储器系统本章主要教学内容半导体存储器的基础知识半导体存储器的基本结构、工作原理及与CPU的连接等内容微机系统中的辅助存储器和新型存储器技术2第6章存储器系统本章教学目的及要求了解存储器的分类和层次结构掌握常用的RAM和ROM基本结构、原理和特点运用存储器与CPU进行连接和扩展了解新型存储器技术的特性36.1存储器概述6.1.1存储器的分类1.按存储介质分类半导体存储器（双极型和MOS型）、磁表面存储器和光表面存储器。2.按读写功能分类只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）。3.按作用分类主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器（Cache）46.1.2存储器的常用性能指标1．存储容量存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。用字数×位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为109位/片。2．存取速度（1）存取时间：启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间。（2）存取周期：连续两次独立的存储器操作最小时间间隔。3．价格存储器价格常用每位价格来衡量。56.1.3存储系统的层次结构目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成。如图6-1所示。CPU主存储器I/O控制电路高速缓存辅助存储器磁盘光盘磁带图6-1存储系统的层次结构66.1.4半导体存储器的结构半导体存储器分类双极型（两个背靠背PN结晶体管）MOS型随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）半导体存储器静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM可编程ROM（PROM）光可擦除PROM（EPROM）电可擦除PROM（E2PROM）闪速存储器（FlashMemory）（MOS：道金属一氧化物一半导体场效应管）7半导体存储器的结构：一般由地址译码器、存储矩阵、读/写控制逻辑和输入/输出控制电路等部分组成，其结构如图所示。存储矩阵地址译码器三态双向缓冲器读写控制逻辑.........A0A1An-1D0...D1Dm-1CEOER/W86.1.4半导体存储器的结构1、地址译码器存储单元存储单元存储单元译码器A1A0A2A3A4A5...0163...单译码方式9行译码列译码A1A0A2A3A4A5.....................017017共64个单元双译码方式–大大减少线路数量106.1.4半导体存储器的结构2、读写控制逻辑R/W(OE/WE)读写允许线(RD/WR)打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。CS片选线：选择存储器芯片。当CS信号无效，其他信号线不起作用。116.1.4半导体存储器的结构3、存储矩阵，输入/输出控制电路存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。每个具有唯一地址的单元可存储一位或者多位二进制数，常用的是8位，对一个字节进行唯一编址，独立访问。输入/输出控制电路：三态双向缓冲器，以便和挂接到系统数据总线上。126.2随机存取存储器（RAM）随机存取指通过指令可随机地对每个存储单元进行访问，根据程序要求随时读/写，与存储单元地址无关。根据存储原理分为静态RAM和动态RAM。6.2.1静态RAM（SRAM）1．基本存储电路图6-5六管静态RAM存储电路选择线VccT1T2T3T4T5T6ABI/OI/O双稳态触发器136.2随机存取存储器（RAM）6.2.1静态RAM（SRAM）2．SRAM的结构16x1位142．SRAM的结构2048字节，128x16个单元，每单元8位1234567891011122423222120191817161514136116A4GNDA7A6A2A5A3A1A0D1D0D2VCCA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D3行译码输入数据控制列I/O列译码A3A0D7D0控制逻辑A10A4128×128存储矩阵CSWEOE输出数据控制156.2.2动态RAM（DRAM）1．基本存储电路DRAM存储信息基本电路可采用单管、三管和四管电路。单管电路由于集成度高，功耗小，应用越来越多，如图6-8所示，由一只MOS管和一个电容C组成。刷新放大器数据输入/输入线C行选择信号列选择信号T图6-8单管动态基本存储电路162．DRAM的刷新专门安排的存储器刷新操作不同于存储器读/写操作，主要表现在如下几点：（1）刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。（2）DRAM基本存储电路可按行同时刷新，刷新时只需要行地址，不需要列地址。（3）刷新操作时存储器芯片数据线呈高阻状态，即片内数据线与外部数据线完全隔离。173．DRAM举例（64K×1位）128读出放大器1/2（1/128列译码器）1/128行译码器1/128行译码器128读出放大器1/2（1/128列译码器）128读出放大器128读出放大器1/4I/O门行时钟缓冲器列时钟缓冲器数据输入缓冲区DINDOUTVDDVSS输出缓冲器写允许时钟缓冲器8位地址锁存器WE列选通CAS行选通RASA0A4A5A6A7A3A2A1128128存储矩阵×128128存储矩阵×128128存储矩阵×128128存储矩阵×16位地址，行和列时分多路复用64个存储单元，每单元1位186.3只读存储器（ROM）ROM是一种工作时只能读出不能写入的存储器。使用ROM时，其内部信息不能改变，一般只存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。ROM特点是非易失性，所存储的信息一经写入就可长久保存，不受电源断电的影响。按存储单元结构和生产工艺的不同，ROM可分为：掩膜ROM可编程PROM光可擦除EPROM电可擦除E2PROM闪速存储器196.3.1掩膜ROM掩膜ROM存储的信息是在制造过程中写入的。图6-10所示为一个简单的4×4位MOS管掩膜ROM，采用单译码结构，两位地址线A1、A0译码后可译出4种状态，输出4条行选择线，分别选中4个单元，每个单元有4个二进制位，有4条列选择线输出。地址译码器A1A0VCC单元0单元3单元2单元1D3D0D1D2图6-10掩膜ROM示意图206.3.2可编程PROM为便于用户根据需要决定ROM中所存储信息，出现可编程只读存储器PROM。由用户在使用前一次性写入信息，写入后只能读出，不能修改。6.3.3光可擦除EPROM(紫外线)这种存储器利用编程器写入后，信息可长久保持。当其内容需要变更时，可利用擦除器将其所存储信息擦除，使各单元内容复原为FFH，再根据需要利用EPROM编程器编程。6.3.4电可擦除E2PROM能在应用系统中进行在线读写，即用加电的方式来实现芯片擦除和重新写入，在断电情况下芯片所保存的数据信息也不会丢失。6.3.5闪速存储器具有RAM的易读易写、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。216.4存储器的扩展与寻址要组成一个大容量定字长的存储器模块，通常需要几片或几十片存储器采用一定的连接方式在字向和位向两方面进行扩展。数据总线来自译码A9～A0地址总线CS21141K×4I/OCS21141K×4I/OD0D76.4.1位扩展芯片中每个单元位数不能满足系统要求，需在位向上进行扩展。目的：1024×8位RAM每片2114：1024×4位，有10根地址线和4根数据线。地址线宽度够即寻址1024个单元数据线宽度不够，只有4位进行[拼装]，拓展数据宽度22位扩展特点：①存储芯片的地址线，片选信号线及控制信号线均并联②数据线按数据位的高低顺序分别连到数据总线上(数据线拼装)236.4.2字扩展字扩展是芯片每个单元数据位数可满足系统要求，但存储容量(单元总数)不够，需要在字向上扩展。用16K×8芯片组成64K×8的存储器字扩展如图。16K×8CEWE16K×8CEWE16K×8CEWE16K×8CEWE2/4译码器A15A14A0A13~WED0D7~1203图6-13字扩展示意图24字扩展特点：①存储器芯片的地址线、数据线、读、写控制信号线均并联②片选信号线是各自独立被选中的256.4.3字位扩展芯片单元数和数据位数都不能满足存储器的要求，要在字、位两个方向上扩展。如采用2114（1K×4位）组成2K×8位RAM，字、位进行同时扩展。CS21141KxI/OCS21141Kx4I/OD0D7CS21141Kx4I/OCS21141Kx4I/O数据总线1（组1）（组2）A10A9～A0地址总线A104266.4.4存储器的寻址1.线选法简单微机系统存储容量不大，存储器芯片数也不多，可用单根地址线作为片选信号，每个存储芯片或每个I/O端口只用一根地址线选通。2.全译码片选法将低位地址总线直接连至各芯片的地址线，余下高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片片选信号。3.局部译码片选法只对部分高位地址总线译码产生片选信号，剩余高位线或空或直接用做其他芯片片选信号。是介于全译码片选法和线选法间的寻址方法。276.5存储器与微处理器的连接6.5.1连接时应注意的问题1.CPU总线的带负载能力(加接缓冲器或总线驱动器)2.存储器与CPU之间的速度匹配（Tw时钟）3.存储器组织、地址分配和译码（一般涉及到多片存储芯片的地址安排和连接，片选信号的产生办法等）6.5.2典型CPU与存储器的连接1．8086与ROM的连接2．8086与SRAM的连接288086与ROM的连接地址译码器1M/IO2732O7-0A11-0OECECS2732A11-0O7-0CEOERDA11-A0D15-D8D7-D0组成ROM:两片4Kx8位按照位扩展连接成4Kx16位存储器，这种连接方法只能按字访问298086与SRAM的连接组成RAM:四片1Kx4位按照位扩展连接成1Kx16位存储器，A0和BHE单独的信号提供使得可以按字节或字访问CSRDA9-A0A0BHEWRA9-A0D7-D02142WEODCS1CS2A9-A0WED15-D82142ODCS1CS2306.6辅助存储器6.6.1硬盘存储器及其接口1.硬盘分类：分为固定磁头磁盘机、活动磁头固定盘片磁盘机和活动磁头可换盘片磁盘机等三类。2.温彻斯特技术：将硬盘盘片、读写磁头、小车、导轨、主轴及控制电路等组装在一起，制成一个密封式不可拆卸的整体的技术。具有防尘性能好、工作可靠，对使用环境要求不高的突出优点。3.硬盘驱动器4.硬盘控制器5.硬盘驱动器接口：IDE、EIDE和SCSI等。316.6辅助存储器6.6.2光盘存储器及其接口1.概述2.光盘存储器的种类只读型光盘（CD-ROM）只写一次型光盘（WORM）可擦写型光盘3.光盘驱动器326.7新型存储器技术6.7.1多体交叉存储器6.7.2高速缓冲存储器（Cache）1.工作原理基于程序访问的局部性原理。2.基本结构全相联Cache直接映像Cache组相联Cache3.替换算法336.7.3虚拟存储器1.虚拟存储器的概念2.页式虚拟存储器3.段式虚拟存储器4.段页式虚拟存储器34本章小结半导体存储器按存取方式分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。CPU和存储器的连接包括存储器地址的分配和译码、存储器容量的扩充与寻址、典型CPU与存储器芯片的连接技术等。存储器系统按层次结构组合使用，“Cache-主存”层次用于弥补主存与CPU的速度差距，“主存-辅存”层次用来弥补主存和辅存之间的容量差距。微机常用辅助存储器包括硬盘和光盘存储器。要理解闪速存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器等新型存储器技术。35本章内容到此结束谢谢各位!