微机原理与接口技术第5章存储系统

1、2022-4-2912022-4-292v 5.1 概述概述v 5.2 半导体存储器半导体存储器v 5.3 半导体存储器与半导体存储器与CPU的连接方法的连接方法v 5.4 外存储器简介外存储器简介v 5.5 新型存储器技术新型存储器技术2022-4-293：计算机中存放：计算机中存放和和的各种存储设的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备备、控制部件及管理信息调度的设备(硬件硬件)和算法和算法(软件软件)所组成的系统。其中，所组成的系统。其中，是存储系统中是存储系统中的设备。的设备。：具有：具有的部件，由大量的的部件，由大量的(基本存储电路基本存储电路)组成，而记忆单元是用一种具有组成，

2、而记忆单元是用一种具有的物理器件来表示二进制数的的物理器件来表示二进制数的 和和 ，一，一个记忆单元能存储二进制数的个记忆单元能存储二进制数的1位。位。2022-4-294 半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器 随机存储器随机存储器 、 顺序存储器顺序存储器 、直接存取存储器、直接存取存储器 非永久性记忆存储器：断电后信息即消失非永久性记忆存储器：断电后信息即消失(如如RAM) 永久性记忆存储器：断电后仍能保存信息永久性记忆存储器：断电后仍能保存信息(如如ROM、硬盘硬盘) 寄存器、缓冲存储器寄存器、缓冲存储器(Cache)、主存储器、主存储器(内存

3、内存)、辅助存储器辅助存储器(外存外存)2022-4-295 用来存放用来存放CPU当前要运行的当前要运行的程序和数据，程序和数据，CPU可可直接直接用指令对内存进行读用指令对内存进行读/写；写；用来存放用来存放CPU当当前前暂时不用的暂时不用的程序和数据，程序和数据，CPU不能直接不能直接用指令对外用指令对外存进行读存进行读/写。写。 在在CPU和内存中间设置和内存中间设置是解决存取是解决存取速度的重要方法，它构成了高速缓存与内存间的一个速度的重要方法，它构成了高速缓存与内存间的一个存储层次。从存储层次。从CPU的角度看，它的角度看，它。2022-4-296 存储容量是指存储器可以容纳的存储

4、容量是指存储器可以容纳的二进制信息的总位数二进制信息的总位数（1）存储容量）存储容量=存储器单元数存储器单元数每单元二进制位数每单元二进制位数(或或寄存器位数寄存器位数)（2）换算关系：）换算关系： 1KB=210B=1024B 1MB=220B=1024KB 1GB=230B=1024MB 1TB=240B=1024GB微机系统存储器的性能指标很多，如存储容量、存微机系统存储器的性能指标很多，如存储容量、存取速度、存储器的可靠性、功耗、价格、性能价格比及取速度、存储器的可靠性、功耗、价格、性能价格比及电源种类等，但从功能和接口电路的角度来看，最重要电源种类等，但从功能和接口电路的角度来看，最

5、重要的性能指标是存储容量、存取速度、可靠性和性价比。的性能指标是存储容量、存取速度、可靠性和性价比。1EB=1024PB 1PB=1024TB 2022-4-297：从：从CPU发出有效的存储器地址到读发出有效的存储器地址到读出或写入数据完毕所经历的时间。时间越小，存储速出或写入数据完毕所经历的时间。时间越小，存储速度越快。如度越快。如DRAM：100ns200ns，SRAM：20ns40ns 。：连续启动两次独立的存储器读写操：连续启动两次独立的存储器读写操作所需的最小时间间隔。一般情况下，存取周期略大作所需的最小时间间隔。一般情况下，存取周期略大于存取时间。于存取时间。 用平均故障间隔时间

6、用平均故障间隔时间MTBF（Mean Time Between Failures）来衡量。）来衡量。MTBF越长，可靠性越高。越长，可靠性越高。2022-4-298性能主要包括性能主要包括存储器容量、存储周期存储器容量、存储周期和和可靠性可靠性三项三项内容。性价比是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，内容。性价比是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，对于不同的存储器有不同的要求：对对于不同的存储器有不同的要求：对外存外存，要，要求求容量大容量大，对，对缓存缓存，要求，要求速度非常快速度非常快，容量不一定，容量不一定大。大。2022-4-299 把各种不同把各种不同、和和的存的存储器按层次结构组成多

7、层存储器，并通过管理软储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。的程序和数据按层次分布在各种存储器中。2022-4-2910 CPU 高速缓存 主存储器 I/O 控制电路 高速缓存 辅存 磁盘 光盘 磁带 存储系统的多级层次结构 2022-4-2911CPU CPU 寄存器组寄存器组辅助存储器辅助存储器主存储器主存储器CacheCache速度速度快快慢慢容量容量小小大大价格价格高高低低2022-4-2912 半导体存储器由能够表示二进制数半导体存储器由能够表示二进制数“0”

8、和和“1”的、具有记忆功能的半导体器件组成。的、具有记忆功能的半导体器件组成。 能存放能存放1位二进制数位二进制数的半导体器件称为一个的半导体器件称为一个存储存储元元，若干存储元构成一个，若干存储元构成一个。2022-4-2913半导体存储器半导体存储器双极型双极型(常用作常用作高速缓存高速缓存)金属氧化物金属氧化物半导体型半导体型(常用作常用作内存内存)由于由于具有存取速度快、集成度高、体具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，它已被广泛地采积小、功耗低、应用方便等优点，它已被广泛地采用组成微型计算机的用组成微型计算机的。2022-4-2914RAM静态存储器（静态存储器（

9、SRAM）动态存储器（动态存储器（DRAM）半导体存储器半导体存储器随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）只读存储器（只读存储器（ROM）2022-4-2915ROM掩膜掩膜ROMPROM：可编程：可编程ROMEPROM：可擦除可编程：可擦除可编程ROME2PROM：电可擦除可编程：电可擦除可编程ROM2022-4-2916RAM也称读也称读/写存储器写存储器RAM，即，即在运行过程中在运行过程中能能。RAM中存放的信中存放的信息在关闭电源时会全部丢失，所以，息在关闭电源时会全部丢失，所以，RAM是是，只能用来，只能用来的输入的输入/输出输出、中间运算结果和用户中间运算结果和用户，也常用它来

10、，也常用它来或用作堆栈。通常人们所说的微机内存容量就或用作堆栈。通常人们所说的微机内存容量就是指是指RAM存储器的容量。存储器的容量。按照按照RAM存储器存储信息存储器存储信息，RAM可可分为分为静态静态RAM和和2022-4-2917u静态静态RAM(SRAM)其特点是：基本存储电路一般由其特点是：基本存储电路一般由MOS晶体管触晶体管触发器组成，每个触发器可存放发器组成，每个触发器可存放1位二进制的位二进制的0或或1。只要不断电，所存信息就不会丢失。因此只要不断电，所存信息就不会丢失。因此SRAM工作速度快，稳定可靠，不需要外加刷新电路。工作速度快，稳定可靠，不需要外加刷新电路。但它的基本

11、存储电路所需的晶体管多，集成度不但它的基本存储电路所需的晶体管多，集成度不易做的很高，功耗也较大。易做的很高，功耗也较大。一般用作计算机系统的一般用作计算机系统的Cache2022-4-2918由于由于DRAM是以是以MOS管栅极和衬底间的电容上的管栅极和衬底间的电容上的电荷来存储信息的，而电荷来存储信息的，而MOS管栅极上的电荷会因管栅极上的电荷会因漏电而泄放，所以存储单元中的信息只能保持若漏电而泄放，所以存储单元中的信息只能保持若干毫秒。为此，要求在干毫秒。为此，要求在13ms中周期性地刷新存中周期性地刷新存储单元，而储单元，而DRAM本身不具备刷新功能，必须附本身不具备刷新功能，必须附加

12、刷新电路。加刷新电路。DRAM的工作速度要的工作速度要比比SRAM慢慢得得多。多。u动态动态RAM(DRAM)一般用作计算机系统的一般用作计算机系统的2022-4-2919 只读存储器（只读存储器（ROM）是一种）是一种。在使用。在使用ROM时，其内部信时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、控程序、BIOS程序等。只要一接通电源，这些程序程序等。只要一接通电源，这些程序就能自动地运行。就能自动地运行。 根据根据ROM信息写入的方式，信息写入的方式，ROM可分为可分为4种：种：u掩膜型掩膜型ROM：其编程只能由器件制造厂在

13、生产时：其编程只能由器件制造厂在生产时定型，即一旦制作完毕，其内容就固定了，用户自己定型，即一旦制作完毕，其内容就固定了，用户自己无法操作编程。由于其使用可靠，大量生产成本很低无法操作编程。由于其使用可靠，大量生产成本很低所以当产品已被定型而大批量生产时可选择使用它。所以当产品已被定型而大批量生产时可选择使用它。2022-4-2920u可编程可编程ROM(PROM)：出厂时无信息，允许用户：出厂时无信息，允许用户根据需要编写其中的内容，但根据需要编写其中的内容，但只允许编程一次只允许编程一次。信息。信息一旦写入便永久固定，不能再改变。一旦写入便永久固定，不能再改变。 uEPROM：擦除信息时要

14、擦除信息时要从电路上取下从电路上取下，置于紫外，置于紫外线或线或X光下照射十几分钟，才能将芯片上的信息全部光下照射十几分钟，才能将芯片上的信息全部擦除，然后在擦除，然后在专用的编程器专用的编程器上将新的上将新的信息写入信息写入。uE2PROM：用特定的设备写入，用一定的通电方式用特定的设备写入，用一定的通电方式可擦除重写，擦除信息时，可擦除重写，擦除信息时，不需要不需要将芯片从电路板上将芯片从电路板上拔下拔下，而是直接用电信号进行擦除，对其编程也是在，而是直接用电信号进行擦除，对其编程也是在线操作，因此改写步骤简单。线操作，因此改写步骤简单。2022-4-2921半导体存储器半导体存储器随机存

15、取存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器只读存储器（ROM）双极型双极型RAMMOS型型RAM掩掩膜膜ROM可编程可编程ROM（PROM）可擦除可编程可擦除可编程ROM（EPROM）电可擦除可编程电可擦除可编程ROM（E2PROM）静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM（DRAM）2022-4-29222022-4-2923存存 储储 体体读读写写放放大大器器数数据据寄寄存存器器地址译码器地址译码器控制电路控制电路地址寄存器地址寄存器数据线数据线 OEWECS存储器的组成框图存储器的组成框图AB2022-4-2924一个基本存储单元一个基本存储单元可以存放可以存放1位二进制信息位二进制信息

16、，其内部具有其内部具有两个稳定两个稳定的且的且相对独立相对独立的的状态状态0和和1，并能够在外部对其进行识别和改变。不同，并能够在外部对其进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器的类型不同。存储器的类型不同。2022-4-2925 它是用来存储信息的模块，是由许多它是用来存储信息的模块，是由许多按一按一定定而成的而成的。由于。由于ASCII码和汉字内码都码和汉字内码都是按是按8或或16位来制定的，所以，通常把位来制定的，所以，通常把件作件作为一个整体来对待，即一个为一个整体来对待，即一个。 从使用的角度来考虑，半导体存储器芯片有两种

17、结构：从使用的角度来考虑，半导体存储器芯片有两种结构：把存储单元的把存储单元的8位制造在一个芯片中，选中位制造在一个芯片中，选中某一存储单元时，该存储单元的某一存储单元时，该存储单元的8位信息同时从一个芯位信息同时从一个芯片读出或写入。片读出或写入。把多个存储单元的同一位或把多个存储单元的同一位或某几位制造在一个芯片中。某几位制造在一个芯片中。2022-4-2926其功能是根据输入的地址编码，选中芯片内某个特其功能是根据输入的地址编码，选中芯片内某个特定的单元。定的单元。地址译码有两种工作方式：地址译码有两种工作方式：线选译码线选译码方式方式-将地址编码的全部位用一个译码器将地址编码的全部位用

18、一个译码器进行译码。进行译码。双译码双译码方式方式-将地址编码分为两部分，用两个译码将地址编码分为两部分，用两个译码器器( (行译码器与列译码器行译码器与列译码器) )分别进行译码，这样可大分别进行译码，这样可大大简化芯片的设计。大简化芯片的设计。2022-4-2927译码器译码器单元单元单元单元单元单元A0A1 A9单元单元121024线选译码结构线选译码结构.2022-4-2928行行译译码码32行行32列列构成构成1024个单元个单元列译码列译码 和和 I / O控制控制A0A1A2A3A41231321232数据输入数据输入数据输出数据输出R / WCEA9A8A7A6A52022-4

19、-2929片选信号片选信号用以实现用以实现芯片的选择芯片的选择。对于一个芯片。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读读/写操作。片选信号一般由地址译码器的输出写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而及一些控制信号来形成，而读读/写控制写控制电路则用电路则用来控制对芯片的读来控制对芯片的读/写操作。写操作。2022-4-2930数据线是数据线是的，其位数与芯片可读出或写入的，其位数与芯片可读出或写入的数据位数有关，数据线的位数与容量有关。的数据位数有关，数据线的位数与容量有关。地址线是地址线是的，其位数与芯片容量有关。

20、地的，其位数与芯片容量有关。地址线和数据线共同决定了存储芯片的容量。例址线和数据线共同决定了存储芯片的容量。例如，地址线如，地址线10根，数据线根，数据线8根，则芯片容量为根，则芯片容量为210*8=1 KB2022-4-2931I/O读写电路位于系统数据总线与被选中的存读写电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出和写入，储单元之间，用来控制信息的读出和写入，必要时，还可包含对必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处信号的驱动及放大处理功能。理功能。对不同类型的存储系统，有时，还需要一些特对不同类型的存储系统，有时，还需要一些特殊的外围电路，如动态殊的外围电路，如动态R

21、AM中的预充电及刷新中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储系统的重要组成操作控制电路等，这也是存储系统的重要组成部分。部分。2022-4-2932 存储单元个数存储单元个数每单元的二进制数位数每单元的二进制数位数 实现一次读实现一次读/ /写所需要的时间写所需要的时间连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间时间对环境温度与电磁场变化的抗干扰能力。对环境温度与电磁场变化的抗干扰能力。2022-4-2933基本存储电路是指存储一位二进制数的电路，基本存储电路是指存储一位二进制数的电路，又称单元电路，是组成存储器的基础和核心。又称单元电路，是组成存

22、储器的基础和核心。 X地址选择地址选择 Y地址选择地址选择 T8B T7A T6 T5 T2 T1 T4 T3VCC所有存储元所有存储元共用此电路共用此电路I/O I/OT1、T2为工作管，为工作管， T3、T4是负载管，是负载管，T5、T6、 T7、T8是控制管是控制管。该电路有两种稳定状该电路有两种稳定状态：态：T T1 1截止，截止，T T2 2导通为导通为状态状态“1 1”；T T2 2截止，截止，T T1 1导通为状态导通为状态“0 0”。2022-4-2934，只要电源存在内容就不会丢失。，只要电源存在内容就不会丢失。由于基本存储电路由六个由于基本存储电路由六个MOS管组成，管组成

23、，。由于由于T1、T2中必有一个管子导通，中必有一个管子导通，。高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache memory）用它组成。）用它组成。简单的计算机应用系统用简单的计算机应用系统用SRAM作存储器。电路结构作存储器。电路结构 简单。简单。 2、SRAM的结构特点的结构特点2022-4-29353、典型、典型SRAM芯片芯片静态静态RAM Intel 2114引脚图引脚图123456789A6A5A4A3A0A1A2CSGNDVccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE18171615141312111021142114静态静态RAM Intel 6116引脚图引脚图A7A6A

24、5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D3123456789101112611661162423222120191817161514132022-4-29362114芯片的主要引脚功能如下：芯片的主要引脚功能如下： A0A9：10根地址信号输入引脚。根地址信号输入引脚。 WE：读：读/写控制信号输入引脚，当写控制信号输入引脚，当WE为为时，使输入三时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路被选被选中的存储单元；中的存储单元；从所选中的存储单元从所选中的存储单元读出读出信息送到数据信息送到

25、数据总线。总线。 I/O1 I/O4 ：4根数据输入根数据输入/输出信号引脚。输出信号引脚。 CS:低电平有效，通常接地址译码器的输出端。低电平有效，通常接地址译码器的输出端。 VCC：+5V电源。电源。 GND：地。：地。2022-4-2937刷新放大器刷新放大器T行选择线行选择线列选择线列选择线C数据输入数据输入/输出线输出线2022-4-2938Intel 2164AIntel 2164A引脚图引脚图NCDinWERASA0A1A2VDDVssCASDoutA6A3A4A5A7123456781615141312111092164A2164A周期性地对动态存储器进行读出、放大、再周期性地

26、对动态存储器进行读出、放大、再写回。写回。 2022-4-2939主要引脚功能：主要引脚功能： RAS：行地址选通信号，用于锁存行地址。：行地址选通信号，用于锁存行地址。 CAS：列地址选通信号。：列地址选通信号。地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在分别在RAS和和CAS有效期间被锁存在锁存器中。有效期间被锁存在锁存器中。 DIN： 数据输入数据输入 DOUT：数据输出：数据输出WE=O 数据写入数据写入WE=1 数据读出数据读出 WE：写允许信号：写允许信号A0 A7 ：地址线输入引脚，用来分时接收：地址线输入引脚，用来分时接收CPU送来

27、的送来的8位行、列地址。位行、列地址。VDD :电源电源 +5V ，VSS：地：地 N/C :未用引脚未用引脚2022-4-2940只读存储器（只读存储器（ROM）是一种）是一种信息的存储器。在使用信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序等。只要一变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序等。只要一接通电源，这些程序就能自动地运行。接通电源，这些程序就能自动地运行。 根据根据ROM信息写入的方式，信息写入的方式，ROM可分为可分为4种：种：掩膜型掩膜型ROM：信息由芯片生产厂家写入，用户无法修改。：信息由芯片生产厂家写入，

28、用户无法修改。PROM：出厂时无信息，用户采用专用设备写入。一旦写出厂时无信息，用户采用专用设备写入。一旦写入，就不能再修改。入，就不能再修改。EPROM：用户可用特定设备写入，可用紫外光照将其内用户可用特定设备写入，可用紫外光照将其内容擦除，再重新写入。容擦除，再重新写入。E2PROM：用特定的设备写入，用一定的通电方式可擦除用特定的设备写入，用一定的通电方式可擦除重写。重写。2022-4-2941掩膜掩膜ROM在制造时设计掩模版，用其来控制存储内容，在制造时设计掩模版，用其来控制存储内容，在出厂时已完全固定下来，用户使用时无法更改。在出厂时已完全固定下来，用户使用时无法更改。由于其使由于其

29、使用可靠，大量生产成本很低，所以当产品已被定型而大批量用可靠，大量生产成本很低，所以当产品已被定型而大批量生产时可选择使用它。生产时可选择使用它。D2D1D0VccD3单元单元0（0101）字字地地址址译译码码器器字线字线1字线字线2字线字线3字线字线4单元单元1（1101）单元单元2（1010）单元单元3（0100）A1A02022-4-29422022-4-2943PROM存储矩阵内所存储矩阵内所有字线与位线的交叉处均有字线与位线的交叉处均连接有二极管或三级管，连接有二极管或三级管，即出厂时，存储单元的内即出厂时，存储单元的内容是全容是全“1”（或全（或全“0”），），使用时，用户根据自己

30、的使用时，用户根据自己的需要，将某些位的内容改需要，将某些位的内容改写（烧断熔丝）即可，但写（烧断熔丝）即可，但只能改写一次只能改写一次。PROM基本存储电路基本存储电路字字线线Vcc位线位线熔丝熔丝2022-4-2944SiO2浮栅浮栅P+P+DSN衬底衬底+ + + + EPROM基本存储电路基本存储电路EPROM芯片的顶部有一芯片的顶部有一个圆形的石英窗口，通过个圆形的石英窗口，通过紫外线的照射可将片内所紫外线的照射可将片内所有存储信息擦除，根据需有存储信息擦除，根据需要可利用要可利用EPROM的专用的专用编程器对其编程写入，写编程器对其编程写入，写入后的信息可长久保持，入后的信息可长久

31、保持， EPROM芯片可反复使用。芯片可反复使用。 2022-4-2945 EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一定芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一定 波长、一定光强的紫外线透过窗口照射时，所有存储波长、一定光强的紫外线透过窗口照射时，所有存储 电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢 复初态。复初态。 一般照射一般照射2030分钟后，读出各单元的内容均为分钟后，读出各单元的内容均为FFH， 说明说明EPROM中内容已被擦除。中内容已被擦除。 EPROM虽然可以多次编程，具有较好的灵活性，但在虽然可以多次编程，具有较好的灵活性，但在整

32、个芯片中即使只有一个二进制位需要修改，也必须将整个芯片中即使只有一个二进制位需要修改，也必须将芯片从机器芯片从机器(或板卡或板卡)上拔下来利用紫外线光源擦除后重上拔下来利用紫外线光源擦除后重写，因而给实际使用带来不便。写，因而给实际使用带来不便。2022-4-2946E2PROM是一种可用电擦除和编程的只读存储是一种可用电擦除和编程的只读存储器，既可以像器，既可以像RAM一样随机地进行在线改写，又可一样随机地进行在线改写，又可以像以像ROM一样在掉电的情况下非易失地保存数据，一样在掉电的情况下非易失地保存数据，其擦写次数可达其擦写次数可达1万次以上，数据可保存万次以上，数据可保存10年以上，年

33、以上，可作为系统中可靠保存数据的存储器，故可作为系统中可靠保存数据的存储器，故E2PROM比比EPROM具有更大的优越性。具有更大的优越性。 2022-4-2947Flash Memory兼有兼有ROM和和RAM的性能和高密度的性能和高密度性，具有可靠的非易失性、快速电擦除性，其制造成性，具有可靠的非易失性、快速电擦除性，其制造成本低、功耗低、可重复使用，可以擦写百万次以上。本低、功耗低、可重复使用，可以擦写百万次以上。 闪存也称快擦写存储器，有人也简称之闪存也称快擦写存储器，有人也简称之Flash。从。从基本工作原理上看，闪存属于基本工作原理上看，闪存属于ROM型存储器，但型存储器，但由于它

34、又可以随时改写其中的信息，所以从功能由于它又可以随时改写其中的信息，所以从功能上看，它又相当于随机存储器上看，它又相当于随机存储器RAM。从这个意义。从这个意义上说，传统的上说，传统的ROM与与RAM的界限和区别在闪存上的界限和区别在闪存上已不明显。已不明显。2022-4-2948 (1) 闪存的主要特点闪存的主要特点 可按字节、区块或页面快速进行擦除和编可按字节、区块或页面快速进行擦除和编程操作，也可按整片进行擦除和编程，其页面程操作，也可按整片进行擦除和编程，其页面访问速度可达几十至访问速度可达几十至200ns； 片内设有命令寄存器和状态寄存器，因而片内设有命令寄存器和状态寄存器，因而具有

35、内部编程控制逻辑，当进行擦除和编程写具有内部编程控制逻辑，当进行擦除和编程写入时，可由内部逻辑控制操作；入时，可由内部逻辑控制操作；2022-4-2949 采用命令方式可以使闪存进入各种不同的工作方式，采用命令方式可以使闪存进入各种不同的工作方式，例如整片擦除、按页擦除、整片编程、分页编程、字例如整片擦除、按页擦除、整片编程、分页编程、字节编程、进入备用方式、读识别码等；节编程、进入备用方式、读识别码等； 可进行在线擦除与编程，擦除和编程写入均无需把可进行在线擦除与编程，擦除和编程写入均无需把芯片取下；芯片取下； 某些产品可自行产生编程电压某些产品可自行产生编程电压(VPP)，因而只用，因而只

36、用VCC供电，在通常的工作状态下即可实现编程操作；供电，在通常的工作状态下即可实现编程操作； 可实现很高的信息存储密度。可实现很高的信息存储密度。2022-4-29502022-4-2951自编程序，用于工业控制或电器中自编程序，用于工业控制或电器中 PROM用于产品试制阶段试编程序用于产品试制阶段试编程序 EPROMIC卡上存储信息卡上存储信息 E2PROM固态盘、固态盘、IC卡卡 Flash Memory固化程序、微程序控制器固化程序、微程序控制器 ROM主存储器主存储器 DRAMCacheSRAM应应 用用存储器存储器2022-4-29525.2.7 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Ca

37、che)微型计算机系统的微型计算机系统的内存内存通常采用通常采用动态动态RAM构成，构成，具有价格低、容量大的特点，但由于具有价格低、容量大的特点，但由于DRAM采用采用MOS管电容的充放电原理来表示与存储信息，其管电容的充放电原理来表示与存储信息，其存取速度相对于存取速度相对于CPU的信息处理速度来说较低。导的信息处理速度来说较低。导致两者速度不匹配，致两者速度不匹配，慢速存储器慢速存储器限制了限制了高速高速CPU的的性能，影响了微机系统的运行速度。性能，影响了微机系统的运行速度。2022-4-2953 CPU与主存之间在执行速度上存在较大差异；与主存之间在执行速度上存在较大差异； 高速存储

38、器芯片的价格较高；高速存储器芯片的价格较高； 程序的局部性原理程序的局部性原理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一个进程所访问的各项，其地址彼此很接近一个进程所访问的各项，其地址彼此很接近2022-4-2954 访问内存时，访问内存时，CPU首先访问首先访问Cache，找到则，找到则“命中命中”， 否则为否则为“不命中不命中”。 命中率影响系统的平均存取速度。命中率影响系统的平均存取速度。 Cache与内存的空间比一般为：与内存的空间比一般为：1 1282022-4-2955 将当前将当前的的和和通过一定的通过一定的替换机制从主存替换机制从主存到到中，

39、中，CPU在取指令或读在取指令或读取操作数时，同时对取操作数时，同时对Cache和主存进行访问，如果和主存进行访问，如果Cache命中，则终止对主存的访问，直接从命中，则终止对主存的访问，直接从Cache中中将指令或数据送到将指令或数据送到CPU处理。由于处理。由于Cache的速度比主的速度比主存快得多，因此，存快得多，因此， Cache的使用大大提高了的使用大大提高了CPU读读取指令或数据的速度。所有这一切都是由操作系统取指令或数据的速度。所有这一切都是由操作系统完成的。完成的。2022-4-2956Cache的工作原理的工作原理CPUCache主主 存存DBDBDB命中命中存在存在不命中不

40、命中2022-4-2957Cache的分级体系结构的分级体系结构 系统中的二级系统中的二级Cache 速度和存储速度和存储容量兼备容量兼备提高存取速度提高存取速度CPU L1CacheL2Cache主主 存存内存内存提供存储容量提供存储容量2022-4-2958贯穿读出式贯穿读出式旁路读出式旁路读出式写穿式写穿式回写式回写式2022-4-2959CPUCache主主 存存n CPU 对主存所有对主存所有都首都首，在在 Cache中查找。中查找。n 若若命中，切断命中，切断CPU对主存的请求，并将数据送出；对主存的请求，并将数据送出；n 如果不命中，则将数据请求传给主存如果不命中，则将数据请求传

41、给主存。2022-4-2960旁路读出式旁路读出式 CPU向向Cache和主存和主存数据数据。 命中命中，则，则Cache将数据回送给将数据回送给CPU，并同时中断并同时中断CPU对主存的请求；对主存的请求； 若不命中，则若不命中，则Cache不做任何动作，由不做任何动作，由CPU直接访问直接访问主存主存。CPUCache主主 存存2022-4-296161 从从CPU发出的写信号送发出的写信号送Cache的同时也写入主存。的同时也写入主存。CPUCache主主 存存2022-4-2962回写式回写式 数据一般只写到数据一般只写到Cache，当，当Cache中的数据中的数据被再次更新时，将原更

42、新的数据写入主存相被再次更新时，将原更新的数据写入主存相应单元，并接受新的数据。应单元，并接受新的数据。CPUCache主主 存存更新更新写入写入2022-4-2963Cache的分级体系结构的分级体系结构 一级一级Cache：容量一般为容量一般为8KB-64KB 一级一级Cache集成在集成在CPU片内。片内。L1 Cache分为分为指指令令Cache和和数据数据Cache。使指令和数据的访问互。使指令和数据的访问互不影响。指令不影响。指令Cache用于存放预取的指令。数用于存放预取的指令。数据据Cache中存放指令的操作数。中存放指令的操作数。 二级二级Cache：容量一般为容量一般为12

43、8KB-2MB 在在Pentium之后的微处理器芯片上都配置了二之后的微处理器芯片上都配置了二级级Cache，其工作频率与，其工作频率与CPU内核的频率相同。内核的频率相同。 2022-4-2964uCache可以提高可以提高CPU访问存储器时的存取速度，减少访问存储器时的存取速度，减少处理器的等待时间，使程序员能使用一个处理器的等待时间，使程序员能使用一个而而的存储器。的存储器。 Cache的优点的优点uCache的的几乎能够几乎能够进行进行，所，所以微机系统的存取速度可以大大提高。以微机系统的存取速度可以大大提高。uCache的的相对主存来说并相对主存来说并，所以整，所以整个存储器系统的个

44、存储器系统的。2022-4-2965n用多片存储芯片构成一个需要的内存空间；用多片存储芯片构成一个需要的内存空间；n各存储器芯片在整个内存中占据不同的地址范围；各存储器芯片在整个内存中占据不同的地址范围；n任一时刻仅有一片（或一组）被选中。任一时刻仅有一片（或一组）被选中。n存储器芯片的存储容量等于：存储器芯片的存储容量等于： 单元数单元数每单元的位数每单元的位数字节数字节数字长字长扩展单元扩展单元扩展字长扩展字长5.3.1存储器容量的扩展存储器容量的扩展2022-4-2966存储器容量扩展方法存储器容量扩展方法 位扩展位扩展 字扩展字扩展 字位扩展字位扩展扩展字长扩展字长扩展单元数扩展单元数

45、既扩展字长也扩展单元数既扩展字长也扩展单元数2022-4-29671 位扩展位扩展 存储器芯片的字长小于存储器系统的字长存储器芯片的字长小于存储器系统的字长时时需进行位扩展。需进行位扩展。 位扩展：每单元位扩展：每单元的扩展。的扩展。2022-4-2968位扩展方法位扩展方法 将每片的地址线、控制线并联，将每片的地址线、控制线并联， 位扩展特点：位扩展特点： 存储器的存储器的，。2022-4-2969用位扩展法扩展存储器用位扩展法扩展存储器4K1CSWEDA4K1CSWEDA4K1CSWEDAD0D1D7A0A11CSWE2022-4-2970位扩展示意图位扩展示意图 用用8片片2164A芯片

46、构成芯片构成64K8存储器。存储器。LS158A0A7A8A152164A2164A2164ADBABD0D1D70000HFFFFH.64K12022-4-2971A15A064K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CE64K1位位I/OWE CED7D6D5D4D3D2D1D0读读/写写片选片选位数的扩展：位数的扩展：地址线、片选线及读地址线、片选线及读/ /写信号线并联，数据线写信号线并联，数据线单独引出。单独引出。2022-4-2972

47、存储器工作时，各芯片同时进行相同的操作。存储器工作时，各芯片同时进行相同的操作。在这种方式中，对存储芯片实际上没有选片在这种方式中，对存储芯片实际上没有选片的要求，只进行数据位数的扩展，而整个存的要求，只进行数据位数的扩展，而整个存储器的字数储器的字数(存储单元数存储单元数)与单个存储芯片的与单个存储芯片的字数是相同的字数是相同的(如本例中两者均为如本例中两者均为64K)。 在这种连接方式下，在这种连接方式下，地址线的负载数等于芯地址线的负载数等于芯片数，而数据线的负载数为片数，而数据线的负载数为1。2022-4-2973 芯片每个单元中的芯片每个单元中的字长满足字长满足，但，但存储单元数不满

48、足。存储单元数不满足。利用这种方法进行存储器扩展时，只在字的方向上进利用这种方法进行存储器扩展时，只在字的方向上进行扩充，而存储器的位数不变。整个存储器的位数等行扩充，而存储器的位数不变。整个存储器的位数等于单个存储芯片的位数。这种方法将存储器的地址分于单个存储芯片的位数。这种方法将存储器的地址分成两部分，成两部分，低位地址部分低位地址部分接到各存储芯片作为芯片的接到各存储芯片作为芯片的片内地址片内地址，高位地址部分高位地址部分经过片选译码器译码后送到经过片选译码器译码后送到各存储芯片的各存储芯片的片选输入端片选输入端；各存储芯片的数据线中的；各存储芯片的数据线中的对应位连接在一起。对应位连接

49、在一起。2 字扩展字扩展2022-4-2974用字扩展法扩展存储器用字扩展法扩展存储器2Kx8CSWE2Kx8CSWE2Kx8CSWED0D1D7A0A13WEA11A13D0D1D7D0D1D7D0D1D7Y0Y73-8译码器A0A10高位地高位地址址低位地址低位地址2022-4-2975A0A10DBABD0D7A0A10R/WCS2K8D0D7A0A102K8D0D7D0D7A0A10CS译译码码器器Y0Y1高高位位地地址址R/W字扩展示意图字扩展示意图2022-4-2976RDWEA13A0单元个数的扩展：单元个数的扩展：地址线、读写信地址线、读写信号线和数据线并联号线和数据线并联,

50、,片选线单独引出片选线单独引出地地址址译译码码器器Y3Y2Y1Y0BAA15A14D7D0WECERDP016K8位位WECERDP116K8位位WECERDP216K8位位WECERDP316K8位位2022-4-2977D7D0RDWEA13A0地地址址译译码码Y3Y2Y1Y0BAA15A14WECERDP016K8位位WECERDP116K8位位WECERDP216K8位位WECERDP316K8位位 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0P0P1P2P30 00 11 01 10 0 （0000H ）1 1 1 1 1

51、 1 1 1 1 1 1 1 1 （3FFFH）0 0 （4000H ）1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 （7FFFH）0 0 （8000H ）1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 （BFFFH）0 0 （C000H ）1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 （FFFFH）2022-4-2978 采用采用字位扩展法字位扩展法，就是既在位方向上进行扩，就是既在位方向上进行扩展，又在字方向上进行扩展，如下图所示。展，又在字方向上进行扩展，如下图所示。 图中的扩展方法是选用图中的扩展方法是选用8片片2K1位的存储位的存储芯片构成芯片构成2K8位的存储组位的

52、存储组(位扩展位扩展)，再用，再用8个这样的存储组构成个这样的存储组构成16K8位的存储器位的存储器(字字扩展扩展)，整个存储器共计用了，整个存储器共计用了64片片2K1位位的存储芯片。的存储芯片。3 字位扩展字位扩展2022-4-2979用字位扩展法扩展存储器用字位扩展法扩展存储器CSD72K8D72K8(2K1)8CSWED0D1D7A0 A13WEA11 A13D0D1Y0Y73-8译 码 器A0 A10CSD72K8D72K8(2K1)8CSWED0D1CSD72K8D72K8(2K1)8CSWED0D12022-4-2980WECERDP316K4位位WECERDP216K4位位WE

53、CERDP116K4位位WECERDP016K4位位RDWEA13A0地地址址译译码码器器Y3Y2Y1Y0BAA15A14D7D4D3D0WECERDP016K4位位WECERDP116K4位位WECERDP216K4位位WECERDP316K4位位分析：用分析：用16K4位的存储器芯片组成位的存储器芯片组成64K8位的存位的存储器，需多少片这样的芯片？如何连接？储器，需多少片这样的芯片？如何连接？分析：分析：64K 16K =4 (片片/组组)字扩展：字扩展：8位位 4位位 =2 (片片)位扩展：位扩展：64K 8位位16K 4位位= 8 (片片)2022-4-29815.3.2 CPU与主

54、存储器的连接与主存储器的连接 存储器芯片容量不同，其地址线数也不同，存储器芯片容量不同，其地址线数也不同，CPU的的地址线数往往比存储器芯片的地址线数多。存储器芯地址线数往往比存储器芯片的地址线数多。存储器芯片的地址线通常与片的地址线通常与相连，寻址相连，寻址时这部分地址的译码是在存储器芯片内部完成的，成时这部分地址的译码是在存储器芯片内部完成的，成为片内部译码。为片内部译码。或在存储器扩充或在存储器扩充时使用或当作片选信号使用。时使用或当作片选信号使用。 CPU的数据线数与存储器芯片的数据线数也不一定的数据线数与存储器芯片的数据线数也不一定相等，此时必须对存储器芯片相等，此时必须对存储器芯片

55、，使其数据位数与，使其数据位数与CPU的数据线数相等。的数据线数相等。2022-4-2982 CPU的读的读/写控制线一般可直接与存储器的读写控制线一般可直接与存储器的读/写控制端相连，通常写控制端相连，通常。 线的连接是线的连接是CPU与存储器芯片与存储器芯片，存储器由许多存储芯片组成，哪一片被，存储器由许多存储芯片组成，哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选控制端是否选中完全取决于该存储芯片的片选控制端是否能接收来自能接收来自CPU的片选有效信号。的片选有效信号。2022-4-2983存储器地址存储器地址片选地址片选地址片内地址片内地址高位地址高位地址低位地址低位地址内存地址内存地址5.3

56、.3 CPU与存储器连接要解决的关键问题与存储器连接要解决的关键问题2022-4-2984 (1) 线选法线选法 线选法是将地址总线的线选法是将地址总线的直接作为直接作为接至各存储芯片的片选输接至各存储芯片的片选输入端，用入端，用实现实现。 下图给出了一个采用线选法实现片选控制的下图给出了一个采用线选法实现片选控制的示例原理图。示例原理图。2022-4-2985线选法实现片选控制示例线选法实现片选控制示例_CS_CSA17A0(片内地址片内地址)A19A18地地址址总总线线2022-4-2986 必须注意的是：必须注意的是： A19和和A18不能同时为不能同时为0，否则，否则，将会同时选中两个

57、存储芯片，造成访问存储器操将会同时选中两个存储芯片，造成访问存储器操作错误作错误。 即在采用线选方式的存储系统中，软件上必须保即在采用线选方式的存储系统中，软件上必须保证在存储器寻址时片选线中证在存储器寻址时片选线中(例如例如定义为逻辑定义为逻辑“0”)，而，而。否则，将导致存储器操作的差错。否则，将导致存储器操作的差错。2022-4-2987线选方式的地址空间分布线选方式的地址空间分布A19 A18 A17 A00 0 0 01 0 1 11 0 0 00 1 1 11 1 0 00 0 1 10 1 0 01 1 1 1不能使用（不能使用（256K）存储芯片存储芯片I 地址空间地址空间(2

58、56K)存储芯片存储芯片II 地址空间地址空间(256K)不能使用（不能使用（256K）2022-4-2988方法：方法：用某一扩展位用某一扩展位直接作为片选信号。直接作为片选信号。优点：优点：无译码电路，线无译码电路，线路简单，成本低。路简单，成本低。缺点：缺点：有地址重叠现象有地址重叠现象,浪浪费大量的存储空间。费大量的存储空间。我们称一个存储单元有多个地址与其对应的现我们称一个存储单元有多个地址与其对应的现象为象为“地址重叠地址重叠”。2022-4-2989(2) 全译码法全译码法 全译码方式就是除了将地址总线的低位地址直接全译码方式就是除了将地址总线的低位地址直接连至各存储芯片的地址线

59、外，将连至各存储芯片的地址线外，将，译码输出作为各存储芯片的，译码输出作为各存储芯片的片选信号。片选信号。 采用全译码方式的采用全译码方式的存储器中每一存储单元存储器中每一存储单元都有唯一确定的地址。都有唯一确定的地址。译码电路比较复杂译码电路比较复杂(相对于部分译码相对于部分译码)。2022-4-2990方法：方法：低位地址线作片内字低位地址线作片内字选；高位扩展线全部选；高位扩展线全部参加译码。参加译码。缺点：需加译码电路缺点：需加译码电路优点：无地址重叠现象，地优点：无地址重叠现象，地址空间唯一性。址空间唯一性。2022-4-2991 A2 A1 A0 Yi 0 0 0 0 0 1 0

60、1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 10Y74LS-138是常用的是常用的3-8译码器译码器图6.67Y片选控制片选控制译码逻辑译码逻辑011011 101110常用译码器有双常用译码器有双2-4译码器、译码器、3-8译码和译码和4-16译码器等。译码器等。2022-4-2992(3) 部分译码法部分译码法 所谓部分译码方式就是只选用所谓部分译码方式就是只选用(而不是全部而不是全部)进行译码，以产生进行译码，以产生各个存储器芯片的各个存储器芯片的。 它的它的是片选译码电路比较简单，是片选译码电路比较简单，是存是存 储空间中存在地址重叠区，会造成系统储空间中存在地址重叠区，会