第6章存储器系统.

1、1第第6章章 存储器存储器系统系统 本章主要教学内容本章主要教学内容n半导体存储器的基础知识半导体存储器的基础知识n半导体存储器的基本结构、工作原理及半导体存储器的基本结构、工作原理及与与CPU的连接等内容的连接等内容n微机系统中的辅助存储器和新型存储器微机系统中的辅助存储器和新型存储器技术技术2第第6章章 存储器存储器系统系统本章教学目的及要求本章教学目的及要求n了解存储器的分类和层次结构了解存储器的分类和层次结构n掌握常用的掌握常用的RAM和和ROM基本结构、原基本结构、原理和特点理和特点n运用存储器与运用存储器与CPU进行连接和扩展进行连接和扩展n了解新型存储器技术的特性了解新型存储器技

2、术的特性36.1 存储器概述 n6.1.1 存储器的分类存储器的分类1. 按存储介质分类按存储介质分类 半导体存储器（双极型和半导体存储器（双极型和MOS型型 ）、磁表面存储器）、磁表面存储器和光表面存储器。和光表面存储器。2. 按读写功能分类按读写功能分类 只读存储器（只读存储器（ROM）和随机存取存储器（和随机存取存储器（RAM）。）。3. 按作用分类按作用分类 主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器（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存储器的常用性能指标1存储容量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。存储器可以存储的二进制信息

3、总量称为存储容量。用用字数字数位数位数表示，也可只用位数表示。如，某表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为动态存储器的容量为109位位/片。片。2存取速度存取速度（1）存取时间：启动一次存储器操作到完成该操）存取时间：启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间。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）存取周期：连续两次独立的存储器操作最小时间间隔。时间间隔。3价格价格存储器价格常用每位价格来衡量存储器价格常用每位价格来衡量。56.1.3 存储系统的存储系统的层次结构层次结构 目前，在计算机系统目前，在计算机系统中通常采用三级层次结中通常采用三级层次结构来构成存储系统

4、，主构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助主存储器和辅助存储器组成。存储器组成。如图如图6-1所示。所示。 CPU 主存储器主存储器 I/O 控制电路控制电路 高速缓高速缓 辅助存储器辅助存储器 磁盘磁盘 光盘光盘 磁带磁带 图图 6-1 存储系统的层次结存储系统的层次结构构 66.1.4 半导体存储器的结构半导体存储器的结构 半导体存储器分类半导体存储器分类双极型（双极型（两个背靠背两个背靠背PN结结晶体管）晶体管）MOS型型随机存储器随机存储器（RAM）只读存储器只读存储器（ROM）半导半导体存体存储器储器静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM

5、（DRAM） 掩膜式掩膜式ROM可编程可编程ROM（PROM）光可擦除光可擦除PROM（EPROM）电可擦除电可擦除PROM（E2PROM）闪速存储器闪速存储器（Flash Memory）（MOS：道金属一氧化物一半导体场效应管：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半导体存储器的结构：一般由：一般由地址译码器地址译码器、存储矩阵存储矩阵、读读/写控制逻辑写控制逻辑和和输入输入/输出控制电路输出控制电路等部分组成，其结等部分组成，其结构如图所示。构如图所示。86.1.4 半导体存储器的结构半导体存储器的结构 n1、地址译码器地址译码器单译码方式单译码方式9双译码方式双译码方式

6、大大减少线路数量大大减少线路数量106.1.4 半导体存储器的结构半导体存储器的结构 n2、读写控制逻辑、读写控制逻辑R/WR/W(OE/WE)(OE/WE)读写允许线读写允许线(RD/WR)(RD/WR)打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时打开数据通道，决定数据的传送方向和传送时刻。刻。CSCS片选线：片选线：选择存储器芯片。当选择存储器芯片。当CSCS信号无效，其他信号线不信号无效，其他信号线不起作用。起作用。116.1.4 半导体存储器的结构半导体存储器的结构 n3、存储矩阵，输入、存储矩阵，输入/输出控制电路输出控制电路存储矩阵存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。每个具有：由若

7、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，常用的唯一地址的单元可存储一位或者多位二进制数，常用的是是8位，对一个字节进行唯一编址，独立访问。位，对一个字节进行唯一编址，独立访问。输入输入/输出控制电路输出控制电路：三态双向缓冲器，以便和挂接到系统：三态双向缓冲器，以便和挂接到系统数据总线上。数据总线上。126.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM） 随机存取指通过指令可随机地对每个存储单元进行访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问，根据程序要求随时读/写，与存储单元地址无关。写，与存储单元地址无关。根据存储原理分为

8、静态根据存储原理分为静态RAM和动态和动态RAM。6.2.1 6.2.1 静态静态RAMRAM（SRAMSRAM）n1基本存储电路基本存储电路 图图 6-5 六管静态六管静态 RAM 存储电路存储电路 选择线选择线VccT1T2T3T4T5T6ABI/OI/O双稳态触发器双稳态触发器136.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）6.2.1 静态静态RAM（SRAM）2SRAM的结构的结构16x1位142SRAM的结构n2048字节，128x16个单元，每单元8位156.2.2 动态动态RAM（DRAM）n n1基本存储电路基本存储电路n DRAM存储信息基存储信息基本电路可采用本电路可采

9、用单管单管、三管三管和和四管四管电路。单电路。单管电路由于集成度高，管电路由于集成度高，功耗小，应用越来越功耗小，应用越来越多，如图多，如图6-8所示，所示，由一只由一只 MOS 管和一管和一个电容个电容 C 组成。组成。 刷新刷新放大器放大器数据输入数据输入/输入线输入线C行选择信号行选择信号列选择信号列选择信号T 图图 6-8 单管动态基本存储单管动态基本存储电路电路 16n2DRAM的刷新的刷新n专门安排的存储器刷新操作不同于存储器读专门安排的存储器刷新操作不同于存储器读/写写操作，主要表现在如下几点：操作，主要表现在如下几点：n（1）刷新地址通常由刷新地址计数器产生，）刷新地址通常由刷

10、新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。而不是由地址总线提供。n（2）DRAM基本存储电路可按行同时刷新，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。刷新时只需要行地址，不需要列地址。n（3）刷新操作时存储器芯片数据线呈高阻状）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。态，即片内数据线与外部数据线完全隔离。173DRAM举例（举例（64K 1位）位）64个存储单元，每单元个存储单元，每单元1位位186.3 只读存储器（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。使是一种工作时只能读出不能写入的存储器。使用用ROM时，其内部信

11、息不能改变，一般只存放固定程时，其内部信息不能改变，一般只存放固定程序，如监控程序、序，如监控程序、BIOS程序等。程序等。ROM特点是非易失特点是非易失性，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。断电的影响。 按存储单元结构和生产工艺的不同，按存储单元结构和生产工艺的不同，ROM可分为：可分为：l掩膜掩膜ROMl可编程可编程PROMl光可擦除光可擦除EPROMl电可擦除电可擦除E2PROMl闪速存储器闪速存储器196.3.1 掩膜掩膜ROM掩膜掩膜ROM存储的信息存储的信息是在是在制造过程制造过程中写入的。中写入的。 图图6-10所

12、示为一个简单的所示为一个简单的44位位MOS管掩膜管掩膜ROM，采用单译码结构，两位地采用单译码结构，两位地址线址线A1、A0译码后可译出译码后可译出4种状态，输出种状态，输出4条行选择条行选择线，分别选中线，分别选中4个单元，每个单元，每个单元有个单元有4个二进制位，有个二进制位，有4条列选择线输出。条列选择线输出。 地地址址译译码码器器A1A0VCC单元单元0单元单元3单元单元2单元单元1D3D0D1D2 图图 6-10 掩膜掩膜 ROM 示意图示意图 206.3.2 可编程可编程PROM为便于用户根据需要决定为便于用户根据需要决定ROM中所存储信息，出现可编程中所存储信息，出现可编程只读

13、存储器只读存储器PROM。由用户在使用前一次性写入信息，写入。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。后只能读出，不能修改。6.3.3 光可擦除光可擦除EPROM(紫外线紫外线)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内容复原为FFH，再根据需要利用再根据需要利用EPROM编程器编程。编程器编程。 6.3.4 电可擦除电可擦除E2PROM能在应用系统中进行在线读写，即用加电的方式来实现能在应用系统中进行

14、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。也不会丢失。 6.3.5 闪速存储器闪速存储器具有具有RAM的易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点的易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点，又有，又有ROM断电后信息不丢失等优点。断电后信息不丢失等优点。 216.4 存储器的扩展与寻址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几十片存储器采用一定的连接方式在字向和位

15、向两方面进行扩展。扩展。 6.4.1 位扩展位扩展芯片中每个单元位数不能满足系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。统要求，需在位向上进行扩展。目的目的： 10248位位RAM每片每片2114：10244位，位，有有10根地址线和根地址线和4根数据线。根数据线。地址线宽度够即寻址地址线宽度够即寻址1024个单元个单元数据线宽度不够，只有数据线宽度不够，只有4位位进行进行拼装拼装，拓展数据宽度，拓展数据宽度22位扩展特点位扩展特点： 存储芯片的存储芯片的地址线地址线，片选信号线片选信号线及及控制信号线控制信号线均并联均并联 数据线数据线按数据位的高低顺序分别连到数据总线上按数据

16、位的高低顺序分别连到数据总线上( (数据线拼装数据线拼装) ) 236.4.2 字扩展字扩展 字扩展是芯片每个单元字扩展是芯片每个单元数据位数数据位数可满足系统要求，可满足系统要求，但但存储容量存储容量(单元总数单元总数)不够，需要在字向上扩展。用不够，需要在字向上扩展。用16K8芯片组成芯片组成64K8的存储器字扩展如图。的存储器字扩展如图。图图6-13 字扩展示意图字扩展示意图24字扩展特点字扩展特点： 存储器芯片的存储器芯片的地址线地址线、数据线数据线、读、写控制信号线读、写控制信号线均均并联并联 片选信号线片选信号线是各自独立被选中的是各自独立被选中的256.4.6.4.3 3 字位扩

17、展字位扩展 芯片芯片单元数单元数和和数据位数数据位数都不能满足存储器的要求，要都不能满足存储器的要求，要在字、位两个方向上扩展。如采用在字、位两个方向上扩展。如采用2114（1K4位）组位）组成成2K8位位RAM，字、位进行，字、位进行同时同时扩展。扩展。266.4.6.4.4 4 存储器的寻址存储器的寻址1. 1. 线选法线选法 简单微机系统存储容量不大，存储器芯片数也不多，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端口只用端口只用一根地址线选通一根地址线选通。 2. 2. 全译码片选法全译

18、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，位地址总线全部参加译码，译码译码输出作为各芯片输出作为各芯片片选片选信号信号。3. 3. 局部译码片选法局部译码片选法 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。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存储器与微处理器的连接 6.5.1 6.5.1 连接时应注意的问题连接时应注意的问

19、题 1. 1. CPUCPU总线的带负载能力总线的带负载能力( (加接缓冲器或总线驱动器加接缓冲器或总线驱动器) )2. 2. 存储器与存储器与CPUCPU之间的速度匹配之间的速度匹配（TwTw时钟）时钟） 3. 3. 存储器组织、地址分配和译码存储器组织、地址分配和译码（一般涉及到多片存储芯片（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）的地址安排和连接，片选信号的产生办法等） 6.5.2 6.5.2 典型典型CPUCPU与存储器的连接与存储器的连接 1 180868086与与ROMROM的连接的连接2 280868086与与SRAMSRAM的连接的连接288086与ROM

20、的连接地址地址译码译码器器1M/IO 2732O7-0A11-0OECECS 2732A11-0O7-0CEOERDA11-A0D15-D8D7-D0组成组成ROM:两片两片4Kx8位按位按照照位扩展位扩展连接连接成成4Kx16位存位存储器，这种连储器，这种连接方法只能按接方法只能按字访问字访问298086与SRAM的连接组成组成RAM:四片四片1Kx4位按位按照照位扩展位扩展连接连接成成1Kx16位存位存储器，储器，A0和和BHE单独的信单独的信号提供使得可号提供使得可以按字节或字以按字节或字访问访问CSRDA9-A0A0BHEWRA9-A0D7-D02142WEODCS1CS2A9-A0W

21、ED15-D82142ODCS1CS2306.6 辅助存储器辅助存储器6.6.6.6.1 1 硬盘存储器及其接口硬盘存储器及其接口1. 1. 硬盘分类：硬盘分类：分为固定磁头磁盘机、活动磁头固定盘片分为固定磁头磁盘机、活动磁头固定盘片磁盘机和磁盘机和活动磁头可换盘片磁盘机等三类。活动磁头可换盘片磁盘机等三类。 2. 2. 温彻斯特技术：温彻斯特技术：将硬盘盘片、读写磁头、小车、导轨、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。使用环境要求不高的突出优点。3. 3. 硬盘驱动器硬盘驱动器 4. 4. 硬盘控制器硬盘控制器 5. 5. 硬盘驱动器接口：硬盘驱动器接口：IDEIDE、EIDEEIDE和和SCSISCSI等。等。 316.6 辅助存储器辅助存储器6.6.6.6.2 2 光盘存储器及其接口光盘存储器及其接口 1. 1. 概述概述 2. 2. 光盘存储器的种类光盘存储器的种类l只读型光盘（只读型光盘（CD-ROM）l只写一次型光盘（只写一次型光盘（WORMWORM）l可擦写型光盘可擦写型光盘3. 3. 光盘驱动器光盘驱动器 326.