第6章存储器系统

1、PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： 范文下载： LOGO第第6 6章章 存储器系统存储器系统v概述概述v读写存储器读写存储器RAMv只读存储器只读存储器ROMv高速缓冲存储器高速缓冲存储器v存储器的结构存储器的结构及扩展及扩展v辅助存储器辅助存储器5.15.1概述概述 存储器是计算机存储器是计算机( (包括微机包括微机) )硬件系统的重要组成部分，有了硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有存储器，计算机才具有“记忆记忆”功能，才能把程序及数据的代功能，才

2、能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。息处理的功能。 存储器存储器是许多存储单元的集合，用来存放当前运行的程序和数据是许多存储单元的集合，用来存放当前运行的程序和数据。 存储器系统存储器系统则是计算机系统中各种用途的存储器件如：内存、高则是计算机系统中各种用途的存储器件如：内存、高 速缓冲存储器、磁盘、光盘等的统称。速缓冲存储器、磁盘、光盘等的统称。对存储器的基本操作有两种对存储器的基本操作有两种: : 读读指从内存中取出信息，但不破坏原有存储单元中的内指从内存中取出信息，但不破坏原有存储单元

3、中的内容。容。 写写指将信息存入存储单元中，用现有入的信息替代原有指将信息存入存储单元中，用现有入的信息替代原有的内容。的内容。依据冯诺依曼原理，所有的程序必须在执行前必须先要调入内依据冯诺依曼原理，所有的程序必须在执行前必须先要调入内存中才能进行执行。因此存中才能进行执行。因此 ，CPUCPU执行程序时是从内存中取指令执行程序时是从内存中取指令和数据的；和数据的；1、存储器系统的分类、存储器系统的分类按存储介质分类按存储介质分类磁芯存储器磁芯存储器半导体存储器半导体存储器光盘存储器光盘存储器按存取方式分类按存取方式分类随机存储器随机存储器(内存和硬盘内存和硬盘)顺序存储器顺序存储器(磁带磁带

4、)按存储器的读按存储器的读/写写功能分类功能分类随机存储器随机存储器(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)按在计算机种的按在计算机种的作用分类作用分类主存储器（内存）主存储器（内存）辅助存储器（外存）辅助存储器（外存）高速缓冲存储器高速缓冲存储器半导体存半导体存储器储器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROMCPU寄存器组cache内部存储器（SRAM DRAM）辅助存储器（HDD CD-ROM FlOPPY）CPUCPU芯片中芯片中片内片外主机系主机系统中统中外部设外部设备中备中2、存储器系统的层次、存储器系统的层次速度容量3. 内存储器的

5、结构内存储器的结构地址译码驱动读写放大电路.存储体逻辑控制线路n位地址总线X位数据总线通常微型计算机系统的内存都是半导体存储器通常微型计算机系统的内存都是半导体存储器。由存储体、地址寄存器、地址译码。由存储体、地址寄存器、地址译码电路、数据寄存器、读写电路、逻辑控制电路组成。电路、数据寄存器、读写电路、逻辑控制电路组成。数据寄存器地址寄存器地址寄存器：存放从地址总线上接收来的地址码，与地址译码器相连；地址寄存器：存放从地址总线上接收来的地址码，与地址译码器相连；地址译码电路：接收地址码，产生地址译码信号，选中存储体中的某个存储单元；地址译码电路：接收地址码，产生地址译码信号，选中存储体中的某个

6、存储单元；数据寄存器：是数据寄存器：是CPU向内存写数据或从内存读数据的缓冲部件；向内存写数据或从内存读数据的缓冲部件；读写电路：连接存储单元与数据寄存器；读写电路：连接存储单元与数据寄存器；每个存储体都是由若干个存储单元组成的，存储单元组成存储矩阵，如下所示。 . . 行 1行 2行 M列 1列 2列 3列 N内存单元内存单元a)a)存储体存储体存储器地址线位数n，存储单元数为N，他们之间的关系为N=2n。存储器片段存储器片段单个内存单元D0D1D2D3D4D5D6D710001101每个内存单元能存储每个内存单元能存储8个个Bit（二进制位（二进制位）每一个存储位都是由类似触发器的具有记忆

7、功能的电路组成。触发器触发器-Trigger寄存器寄存器-Register存储器存储器-Memroy与非门基本与非门基本RSRS触发器触发器&QRQSb b) )数据在内存中的表示数据在内存中的表示 计算机中常用的数据是字节（Byte），除此之外还有字（word），双字（Double Word），四字（Quad Word）等。1Byte= 1Byte= 8 8BitBit1Word= 2Byte=16Bit1Word= 2Byte=16Bit1Double Word= 2Word=4Byte=32Bit1Double Word= 2Word=4Byte=32Bit1Quad Word=

8、 4Word=8 Byte=64Bit1Quad Word= 4Word=8 Byte=64Bit 每个计算机内存单元只能存储一个字节，对于大于每个计算机内存单元只能存储一个字节，对于大于8bit的数据如的数据如何在内存中存放呢？何在内存中存放呢？2072H3CH508BH3344AC08H20000H20001H20002H20003H20004H20005H20006H20007H20008H20009H2000AH3CH72H20H8BH50H08H33H44HACH物理地址物理地址物理地址物理地址20000H20001H20003H20005H4、半导体存储器系统的性能指标、半导体存储

9、器系统的性能指标(1)存储容量存储容量 指指 存储器所能存放的二进制数的总位数（存储器所能存放的二进制数的总位数（Bit）。通）。通常在计算机中对数据操作的基本单位为字节（常在计算机中对数据操作的基本单位为字节（Byte）,所所以，习惯上也用字节个数表示存储容量。以，习惯上也用字节个数表示存储容量。1Byte8Bit1K1024Byte1M1024KByte1G1024MByte1T1024GByte1P1024TByte 通常计算机系统主存储器的最大容量却决于计算机的体系通常计算机系统主存储器的最大容量却决于计算机的体系结构和指令的寻址方式。以结构和指令的寻址方式。以8086系统为例，其系统

10、为例，其CPU的地址总的地址总线条数为线条数为20条，所能寻址的最大内存单元个数为条，所能寻址的最大内存单元个数为1MB，故主，故主存储器理论容量的最大值取决于存储器理论容量的最大值取决于CPU的地址总线条数。的地址总线条数。 但同时，主存储器的实际最大容量一般不等于理论最大容量，以pentium 4CPU为例，其地址总线条数为36条，理论主存储器容量为236B ，但实际中达不到。(1)存储容量存储容量(2)存储速度存储速度存取时间存取时间（TA) 指从启动一次存储器操作（读/写）到完成该操作所需的时间。存取周期（存取周期（TMC） 连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。内存的存取周

11、期一般为60ns120ns，常见的内存条上标-6，-7，-8，-12就表示其存取周期为60ns，70ns。其数值越小，速度越高。(3)可靠性可靠性 存储器任意读写不发生错误的几率，通常用平均无故障间隔时间时间MTBF（Mean Time Between Failures）表示。该数值越大，表明存储器出现故障的时间间隔越长，可靠性越高。(4)功耗功耗 一般指内存的热功耗TDP（Thermal Dissipation of Power）。DDR3 2133MHZ 一般在150W250W之间。5.2随机读写存储器随机读写存储器RAM 随机读写存储器RAM（Random Access Memeory）

12、在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读写操作,是计算机系统的主要存储部件，也就是我们常说的内存。特点l存储单元的内容既可以读出也可以写入。l存储单元的内容在断电后全部丢失，无法恢复。l对任意单元的内容 的读写所需的时间与单元所处的位置无关。 根据存储电路的工作原理不同，RAM可以分为静态RAM和动态RAM。RAM特点特点1、静态随机存储器、静态随机存储器SRAM (Static RAM) SRAM其存储电路是以其存储电路是以双稳态触发器双稳态触发器为基础为基础，只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路，只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路。SRAM的主要性能是：存

13、取速度快、功耗较大、的主要性能是：存取速度快、功耗较大、容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（Cache）。）。T1，T2是工作管T3，T4是负载管T5，T6， T7，T8，是控制管VCCT3T1T4T2X地址选择线ABD0D0T5T6T7T8(I/O)I/O接Y地址选择线 用X ，Y地址选择线的高电平，控制T5，T6， T7，T8的导通和截至，从而实现将I/O端的数据保存值T1，T2管。 所有的存储单元T7，T8组成的电路。SRAM基本基本存储电路存储电路由6个MOS管组成SRAM的特点的特点存储信息稳定，只要不断电，没有读写操作，保存的信息恒定

14、。读写操作速度快，接近的速度。集成度低，价格昂贵，一般用做的高速缓冲存储器（）。典型典型SRAM芯片芯片存储容量为：8KX8位D0-D7：8条数据引脚A0-A12：13条地址引脚A71A62A53A44A35A26A17A08D09D110D211GND1224232221201918171615VCCA8A9WEOEA10CS1D7D6D5D4D3NCA12131428272625A11CS26116存储容量：8KX8位62128存储容量16KX8位62256存储容量32KX8位 内存单元个数内存单元个数P与地址总与地址总线条数线条数N有如下关系：有如下关系：2NP=SRAM6264SRAM

15、6264引脚分布图引脚分布图例：1k单元的内存，需10根地址线，5根行译码，5根列译码。姨妈后排列成2 的5次方（32）行选择线和32条列选择线，可以选中2的10次方（1024）个单元中的如何一个2、动态随机存储器、动态随机存储器DRAM (Dynamic RAM) DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。专用电路定期进行刷新。DRAM的主要性能的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。地用作内存

16、贮器的芯片。字选择线（地址选择线）字选择线（地址选择线）位线位线D（数据线）（数据线）T1存储存储电容电容C分布分布电容电容CD原理： 字选择线为高电平时，T1管导通，位线D上的数据（电荷）从T1流过，存储到C上，T1截止后，电荷就保存在C上，实现数据保存，同样电荷可以从C上流出。 根据位线D上有无电流就可知道存储的信息是“1”或者“0”。单管动态存储元的电路单管动态存储元的电路单管动态存储元的电路单管动态存储元的电路字选择线（地址选择线）字选择线（地址选择线）位线位线D（数据线）（数据线）T1存储存储电容电容C分布分布电容电容CDl由于DRAM依靠电容存储电荷表示信息的，存储电容存储电容C

17、C存在泄漏，时间长了，信息丢失；l位线上存在分布电容分布电容，电荷在转移过程中存在损失，导致表示的信息发生变化。 上述因素导致存储的信息不稳定，为了保持存储的信息不发生变化，在每次操作后都要对其上面的电荷进行周期性刷新。 刷新（Refresh）：即将DRAM中存放的每一位信息读出并重新写入的过程。（原来内容为“1”的补充电荷，原来为“0”的保持不变）。 DRAM中的刷新由器上的硬件电路完成，用户无需干预。刷新（Refresh）DRAM的特点的特点存储信息不稳定，需要定期刷新。与SARAM相比读写操作速度慢。集成度高，价格便宜，一般用作系统的主存储器-内存。 SDRAM-Synchronous

18、DRAM的缩写，中文就是同步动态存储器的意思。SDRAM只能在信号的上升沿进行数据传输。 DDR-Double Data Rate DRAM与SDRM存储器工作原理基本相同，只不过DDR在时钟脉冲的上升和下降沿均读取数据。之后的第二，三，四代DDR（Double Data Rate）内存则采用数据读写速率作为命名标准，并且在前面加上表示其DDR代数的符号。DDR2，DDR3，DDR5。典型典型DRAM芯片芯片常见的典型的DRAM芯片2164CASRASWEA7A0VDDVSS地址信号输入端列地址选通行地址选通写允许5V地12345678NCDINWERASA0A2A1VDD1615141312

19、11109DOUTCASVSSA6A3A4A5A7引引脚脚功功能能 2164的容量为64KX1bit，即有64k个存储单元，每个存储单元只能保存1bit位。行地址译码电路列地址译码电路08K1018K5.3 只读存储器ROM 只读存储器只读存储器(Read Only Memory-ROM)(Read Only Memory-ROM)：内容内容只可读出不可写入，最大优点是所存信息可长期只可读出不可写入，最大优点是所存信息可长期保存，断电时，保存，断电时，ROMROM中的信息不会消失。主要用中的信息不会消失。主要用于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装

20、入程序。入程序。1 1、掩膜、掩膜ROMROMROMROM存储器通常按其编程工艺划分类型存储器通常按其编程工艺划分类型: : 利用最后一道掩膜工艺控制基本存储利用最后一道掩膜工艺控制基本存储电路的晶体管是否工作（导通或者截止）电路的晶体管是否工作（导通或者截止），以达到预先写入信息的目的。，以达到预先写入信息的目的。A1A0地址译码D3D0D1D2地 址字选线字输出A1A0WD3D2D1D000W0011101W1101010W2110111W30011存储体特点特点:信息写入后永远不能改变;信息保存稳定,长久,但不能修改.是一种可擦除、可编程的ROM，通常擦除的方法有紫外线擦除 Ultrav

21、iolet 。擦除窗口擦除窗口3 3、EEPROM- EEPROM- （Electrically Erasable Programmable ROMElectrically Erasable Programmable ROM）-E-E2 2 PROMPROM 电可擦除可编程只读存储器，采用电擦除，因此可以在线编程和擦除，应用比EPROM方便，灵活。但一般只能按字节擦除和改写。4 4、快闪存储器、快闪存储器(FLASH Memory)(FLASH Memory) 快闪存储器的编程和擦除机理都与EEPROM相似，其结构比EEPROM更加简单，存储容量可以做得更大，可以按页大小进行擦除、改写。优点：

22、价格便宜，集成度高；可电擦除可重写；缺点：只能整片擦除，不能逐字节擦除。FLASH Memory+USB总线总线=U盘盘又称快闪存储器，简称闪存EPROM 2764EPROM 2764引脚分布图引脚分布图A71A62A53A44A35A26A17A08D09D110D211GND1224232221201918171615VCCA8A9PGMOEA10CED7D6D5D4D3VppA12131428272625A11NC典型典型EPROM芯片芯片 左图为EPROM 2764 的引脚分布图，其引脚与6264基本上对应，这样便于调试程序使用。 2764 的存储容量为8KX8Bit。 CE：（ Ch

23、ip Enable），片选信号，低电平有效。低电平时2764处于工作方式。OE：（ Output Enable），输出允许信号，低电平有效。低电平时将选中存储单元的数据输出到D0-D7上。 Vpp：编程电压输入端，编程时在该端加上高电压，不同厂家产品编程电压不同。 Intel 2716：2K8位，Intel 2732：4K8位 Intel 27128，27256 容量分别为： 16K8位， 32K8位5.4 高速缓冲存储器 高速缓冲存储器高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近CPU的速度。1、高速缓冲存储器产生

24、的背景、高速缓冲存储器产生的背景CPUCPU的速度越来越快，内存容量越来越大。但二者速度差异加大。的速度越来越快，内存容量越来越大。但二者速度差异加大。CPU速度：速度：10nsCPU 与内存的速度不匹配，严重制约了系统的性能。CPUCache主主 存存DBDBDB用用SRAM制作制作2、高速缓冲存储器产生的条件、高速缓冲存储器产生的条件程序的局部性原理u空间局部性：空间局部性：一个一个进程进程所访问的各项，其地址彼此很接近所访问的各项，其地址彼此很接近.u时间局部性：时间局部性：最近的访问项可能在不久的将来再次被访问最近的访问项可能在不久的将来再次被访问内存片段内存片段程 序程 序 1 1程

25、序程序2 2 是一个正在执行的程序；计算机中正在运行的程序实例；可以分是一个正在执行的程序；计算机中正在运行的程序实例；可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体。配给处理器并由处理器执行的一个实体。进程进程CPUCache主主 存存DBDBDB3、高速缓冲存储器的原理、高速缓冲存储器的原理命中：命中： CPU访问存储器时，CPU首先在Cache中查找相应的程序，若找到则称命中(HIT);若要访问的内容不在Cache中，则称此次访问未命中（miss）。主存贮器（内存主存贮器（内存）高速缓冲存储器高速缓冲存储器 Cache 小，命中率低，cache过大，成本急剧增加，命中率不升反降。一般系统中一般

26、系统中cache与主存的比与主存的比例推荐为：例推荐为：1:128。命中的几率越高，程序运行的速度越快，机器的性能越好。是不是是不是CacheCache越大越好呢？越大越好呢？4、高速缓冲存储器的分级、高速缓冲存储器的分级CPUL1cache内存L2cache一级Cache：容量一般为8KB6KB二级Cache：容量一般为128KB2MB指令Cache和数据Cache Cache分级结构的主要优势在于，对于一个典型的一级缓存系统的80的内存申请都发生在CPU内部，只有20的内存申请是与外部内存打交道。而这20的外部内存申请中的80又与二级缓存打交道。因此，只有4的内存申请定向到DRAM中。Ca

27、che分级结构的主要优势分级结构的主要优势80%16%4% 目前，PC系统的发展趋势之一是CPU主频越做越高，系统架构越做越先进，而主存DRAM的结构和存取时间改进较慢。 因此，Cache技术愈显重要，在PC系统中Cache越做越大。广大用户已把Cache做为评价和选购PC系统的一个重要指标。发展趋势发展趋势5.5 存储器与存储器与CPU的连接及扩展的连接及扩展5.5.1存储器与CPU接口的一般问题存储芯片的选用和地址分配(1) 确定整机存储容量。(2) 整机存储容量在整个存储空间的位置。(3) 选用存储器芯片的类型和数量。(4) 划分RAM、ROM区，地址分配，画出地址分配图。一个概念：片选

28、和字选一个存储器有多片存储芯片组成，每个芯片有若干个存储单元，为保证读写操作时CPU能唯一选址，必须进行两级选址。片选：用地址总线的高位经译码器译码产生片选信号，用该信号选择指定的存储器芯片字选：用地址总线的低位直接输入到芯片的地址引脚，经芯片内的地址译码器译码选中指定单元l通常CPU总线的负载能力是一个TTL器件或20个MOS器件。l一般小型系统中，CPU可直接与存储器芯片相连。l较大系统中，当总线负载数超过限定时应加接驱动器。l地址线、控制线时是单向的，故采用单向驱动器，如74LS244，Intel8282等；而数据线是双向传动的，故采用双向驱动器，如74LS245、Intel8286/8

29、287等。2. 2. CPUCPU总线的负载能力总线的负载能力l 选用存储芯片时，必须考虑它的存取速度和CPU速度的匹配问题，即速度配合（或者时序匹配）。l 为了使CPU能与不同速度的存储器相连接，常用的方法是使用“等待申请”信号。该方法是在CPU设计时设置一条“等待申请”输入线。3. 3. 存储器与存储器与CPUCPU之间的之间的速度速度配合配合4、控制信号的配合与连接 存储器的WE、OE、CS等与CPU的RD、WR等相连，不同的存储器和CPU其控制信号也不完全相同。这些控制信号只有正确连接到存储芯片的相应控制端才能实现控制。5.5.2 存储器扩展技术 存储器是计算机系统的核心部件，对于系统

30、的存储器是计算机系统的核心部件，对于系统的性能有着重要影响，因此我们总性能有着重要影响，因此我们总希望存储器越大希望存储器越大越好越好。 但受制造工艺、价格成本等因素的影响，但受制造工艺、价格成本等因素的影响，单单个的存储器芯片不可能做的很大个的存储器芯片不可能做的很大，因而这就涉及，因而这就涉及到对存储器容量进行扩展。到对存储器容量进行扩展。通常对存储器的扩展包含两个方面的基本内容：通常对存储器的扩展包含两个方面的基本内容：1）存储器的字扩展（增加存储单元个数）存储器的字扩展（增加存储单元个数） 例例5-15-1：用：用Intel6116(2KIntel6116(2K8)8)组成组成10K1

31、0K8 8位的存储器系统。求所需位的存储器系统。求所需61166116的个数。的个数。.单个单个61166116芯片芯片10K10K个存个存储单元储单元6116611661161251.扩展的基本内容扩展的基本内容CSA11A12A13A14A15D0D7A0A10（3）（4）（5）RAM2KB（1）（2）CSCSCSCSCSA11A12A13A14A15D0D7A0A10（3）（4）（5）RAM2KB（1）（2）CSCSCSCSRAM2KBRAM2KBRAM2KBRAM2KB此芯片地址空间的分配此芯片地址空间的分配 方法称为方法称为-线选法线选法2KB (1)2KB (2)2KB (8)译译

32、码码器器CSY0Y1Y7A0-A10地址总线地址总线数据总线数据总线D0-D7A13-A11.例例5-2 5-2 用用8 8片片Intel6116(2KIntel6116(2K8)8)组成组成16K16K8 8位的存储器系统。位的存储器系统。CSCS上述芯片地址空间的分配上述芯片地址空间的分配 方法称为方法称为部分地址译码法部分地址译码法2）存储器的位扩展（）存储器的位扩展（增加存储单元位数增加存储单元位数）例例5-3 5-3 用用16K16K1bit1bit芯片组成芯片组成16K16K8bit8bit的存储器的存储器。1X1bit存储单元的个数相同，但位数不足，故要利用其位数扩展成8位。用8

33、片相同的芯片在位方向上并联起来1X8bitD0D1DnD7A0A13地地址址译译码码器器Cs.共共8个个16K*1bit3）存储器的字位扩展（）存储器的字位扩展（在字向和位向都要扩展在字向和位向都要扩展）例例5-4 5-4 用用2K2K4bit4bit芯片组成芯片组成16K16K8bit8bit的存储器的存储器。共共2列（位扩展）列（位扩展）u共需要共需要8X2=168X2=16个芯片个芯片u实际中该种扩展同样需要考实际中该种扩展同样需要考虑地址空间的分配。虑地址空间的分配。2K2K4bit4bit共共8行行（字扩展）（字扩展）u 为了满足位的宽度需要使用两为了满足位的宽度需要使用两个个2KX4bit2KX4bit的芯片进行位扩展。的芯片进行位扩展。u 为了满足存储容量的长度需为了满足存储容量的长度需要使