微机原理第5章

1、1第第5 5章章 存储器存储器系统系统2主要内容：主要内容：n存储器系统的概念存储器系统的概念n半导体存储器的分类及其特点半导体存储器的分类及其特点n半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接n存储器扩展技术存储器扩展技术n高速缓存高速缓存35.1 概概 述述主要内容：主要内容：n存储器系统及其主要技术指标存储器系统及其主要技术指标n半导体存储器的分类及特点半导体存储器的分类及特点n两类半导体存储器的主要区别两类半导体存储器的主要区别4一、存储器系统一、存储器系统51. 存储器系统的一般概念存储器系统的一般概念n将两个或两个以上将两个或两个以上速度、容量和

2、价格速度、容量和价格各不相同各不相同 的存储器用的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法硬件、软件或软硬件相结合的方法 连接起来连接起来n系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近 最大的存储器。最大的存储器。构成存储系统。构成存储系统。6存储器系统的一般概念存储器系统的一般概念 n存储器存储器是计算机系统的记忆设备，存放要执行是计算机系统的记忆设备，存放要执行的指令、处理的数据、运算结果及各种需要保的指令、处理的数据、运算结果及各种需要保存的信息。例如：内存、高速缓存、磁盘等。存的信息。例如：内存、高速缓存、磁盘等。n有两种操作：有两种操作：读、写。读、

3、写。72. 两种存储系统两种存储系统n在一般计算机中主要有两种存储系统：在一般计算机中主要有两种存储系统：Cache存储系统存储系统主存储器主存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器虚拟存储系统虚拟存储系统主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器8Cache存储系统存储系统n管理由硬件实现管理由硬件实现。n对程序员是透明的，对程序员是透明的，速度速度接近接近Cache的速度，的速度，容量容量为主存的容量为主存的容量.9Cache存储系统存储系统n目标：目标：提高存储速度提高存储速度cache主存cpu辅助硬件10虚拟存储系统虚拟存储系统 n 主存和辅存主存和辅存用用软件硬件软件硬件相结合的方相结合的方法

4、统一管理，对主存、辅存统一编法统一管理，对主存、辅存统一编址，形成一个址，形成一个虚拟地址空间虚拟地址空间（为用（为用户设计的一个逻辑地址空间）。户设计的一个逻辑地址空间）。11虚拟存储系统虚拟存储系统n对应用程序员是透明的。对应用程序员是透明的。n目标：目标：n扩大存储容量扩大存储容量主存辅存辅助软硬设备123. 主要性能指标主要性能指标n存储容量存储容量（S S）（字节、（字节、千字节、兆字节等）千字节、兆字节等）n存取时间存取时间（T T）（与系统（与系统命中率有关）命中率有关）n命中率（命中率（H H）211NNNH13主要性能指标主要性能指标nT=HT=H* *T T1 1+ +（1

5、-H1-H）* *T T2 2n访问效率（访问效率（e e）=T=T1 1/T/Tn单位容量价格（单位容量价格（C C）144. 微机中的存储器微机中的存储器 通用寄存器组及通用寄存器组及 指令、数据缓冲栈指令、数据缓冲栈高速缓存高速缓存主存储器主存储器联机外存储器联机外存储器脱机外存储器脱机外存储器片内存储部件片内存储部件内存储部件内存储部件外存储部件外存储部件15二、半导体存储器二、半导体存储器161. 半导体存储器半导体存储器n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”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。n能存放一位二进制

6、数的半导体器件称为能存放一位二进制数的半导体器件称为一个存一个存 储元。储元。n若干存储元构成一个若干存储元构成一个存储单元存储单元。17n内存内存是主机的组成部分，是主机的组成部分，CPU直接访问；直接访问；n外存外存是外部设备，是外部设备，CPU不能直接访问。不能直接访问。n内存内存容量小，速度快，价较高，一般关机信息容量小，速度快，价较高，一般关机信息消失。消失。n外存外存容量大，速度慢，价低，信息长期保存。容量大，速度慢，价低，信息长期保存。内存与外存内存与外存182. 内存储器的分类内存储器的分类n内存储器内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

7、）19随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）nRAM静态存储器（静态存储器（SRAM）动态存储器（动态存储器（DRAM）20只读存储器（只读存储器（ROM）n只读存储器只读存储器掩模掩模ROM一次性可写一次性可写ROMEPROMEEPROM213. 主要技术指标主要技术指标n存储容量存储容量n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n存取时间存取时间n实现一次读实现一次读/ /写所需要的时间写所需要的时间n存取周期存取周期n连续启动两次独立的存储器操作连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小所需间隔的最小时间时间n可靠性可靠性 平均故障间隔时间平均故障间隔时间 MT

8、BF 表示表示 n功耗功耗225.2 5.2 随机存取存储器随机存取存储器掌握：掌握：nSRAM与与DRAM的主要特点的主要特点n几种常用存储器芯片及其与系统的连接几种常用存储器芯片及其与系统的连接n存储器扩展技术存储器扩展技术23一、静态存储器一、静态存储器SRAM241. SRAM的特点的特点n存储元由双稳电路构成，存储信息存储元由双稳电路构成，存储信息稳定。稳定。nP199 图图5-3p199252. 典型典型SRAM芯片芯片掌握：掌握： n主要引脚功能主要引脚功能n工作时序工作时序n与系统的连接使用与系统的连接使用26典型典型SRAM芯片芯片SRAM 6264：n容量：容量：8K X

9、8bn外部引线图外部引线图 P200外部引外部引276264芯片的主要引线芯片的主要引线n地址线：地址线：A0-A12；n数据线：数据线：D0-D7；n输出允许信号：输出允许信号：OE；n写允许信号：写允许信号：WE；n选片信号：选片信号：CS1，CS2。286264的工作过程（了解）的工作过程（了解）n读操作读操作 图图5-6n写操作写操作 图图 5-5 工作时序工作时序293. 8088总线信号总线信号8 80 08 88 8总总线线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、AEN存储器存储器输入输入/输出输出RD、WR304. 6264芯片与系统的连接芯片与系统的连接D

10、0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMR译码译码电路电路高位地高位地址信号址信号D0D7SRAM 62648088总线总线+5V31 6264芯片与系统的连接芯片与系统的连接 n地址范围满足用户的要求。高位地地址范围满足用户的要求。高位地址决定地址范围。址决定地址范围。325. 存储器编址存储器编址低位地址（片内地址）低位地址（片内地址）高位地址（选片地址）高位地址（选片地址）33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346264芯片的编址芯片的编址片首地址片首地址A19A12A0A19A12A00 0 0 0

11、 0 0 0 0 0 0 0 0 0X X X X X X XX X X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1片尾地址片尾地址356. 译码电路译码电路n将输入的将输入的一组高位地址信号通过变换一组高位地址信号通过变换，产，产 生一个有效的输出信号，用于选中某一个生一个有效的输出信号，用于选中某一个 存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在 内存中的内存中的地址范围地址范围。n将输入的一组二进制编码变换为一个特定将输入的一组二进制编码变换为一个特定 的输出信号。的输出信号。连接到片选端连接到片选端 。36译码电路译码电路 基本逻辑门

12、电路基本逻辑门电路专用译码器专用译码器37译码方式译码方式n全地址译码全地址译码n部分地址译码部分地址译码38全地址译码全地址译码n用全部的高位地址信号作为译码信号用全部的高位地址信号作为译码信号，使，使 得存储器芯片的每一个单元都占据得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一个唯 一的内存地址。一的内存地址。39n1. 什么是存储器？存储器系统？什么是存储器？存储器系统？n2. 存储器的两个基本操作是什么。存储器的两个基本操作是什么。n3. 微机中有那两种存储器系统微机中有那两种存储器系统?n4. 内存和外存性能上有什么特点？内存和外存性能上有什么特点？问题（问题（1）40全地址译码例全地址译码

13、例A19A18A17A16A15A14A13& 1CS11SRAM 6264CS2+5V01111000416264芯片全地址译码例芯片全地址译码例片首地址片首地址A19A12A0A19A12A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 01 1 1 1 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1片尾地址片尾地址该该6264芯片的地址范围芯片的地址范围 = F0000HF1FFFH42全地址译码例（全地址译码例（1）n若已知某若已知某SRAM 6264芯片在内存中的地址为：芯片在内存中的地址为： 3E000H3FFFFHn试画出将该芯片

14、连接到系统的译码电路。试画出将该芯片连接到系统的译码电路。nP203 图图 5-7 图图 5-843全地址译码例（全地址译码例（2）n设计步骤：设计步骤：n写出地址范围的二进制表示；写出地址范围的二进制表示；n确定各高位地址状态；确定各高位地址状态；n设计译码器。设计译码器。片首地址片首地址A19A12A0A19A12A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1片尾地址片尾地址44全地址译码例（全地址译码例（3）A19A18A17A16A15A14A13& 1CS1高位地址：

15、高位地址：0011111SRAM 6264CS2+5V0011111045部分地址译码部分地址译码n用用部分高位地址信号部分高位地址信号（而不是全部）作为译码（而不是全部）作为译码 信号，使得被选中得存储器芯片信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同占有几组不同 的地址范围。的地址范围。n下例使用高下例使用高5位地址作为译码信号，从而使被位地址作为译码信号，从而使被 选中芯片的每个单元都占有两个地址，即这两选中芯片的每个单元都占有两个地址，即这两 个地址都指向同一个单元。个地址都指向同一个单元。46部分地址译码例一部分地址译码例一两组地址：两组地址： F0000H F1FFFH B0000H

16、B1FFFHA19A17A16A15A14A13&16264CS1111000高位地址：高位地址： 1110001011000，111100047部分地址译码例一部分地址译码例一A18没有参加译码没有参加译码48应用举例二应用举例二n将将SRAM 6264芯片与系统连接，使其芯片与系统连接，使其地址范围为：地址范围为：38000H39FFFH。n使用使用74LS138译码器构成译码电路译码器构成译码电路。49存储器芯片与系统连接例存储器芯片与系统连接例n由题知地址范围：由题知地址范围： 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1高位地址高位地址A19A12A

17、050应用举例应用举例D0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMRD0D7A19G1G2AG2BCBA&A18A14A13A17A16A15VCCY051地址译码例地址译码例 例例 51 用用 6116（2KX8)构成构成4KB的存储器。的存储器。用用LS138做译码器。地址范围是做译码器。地址范围是78000H78FFFH. 例例 52用用8258（256KX8）构成）构成1MB的存储器。采用的存储器。采用74LS138做译码器。做译码器。52二、动态随机存储器二、动态随机存储器DRAM531. DRAM的特点的特点n存储元主要由存储元主要由电容电容构成；。构成；

18、。n单管动态存储元单管动态存储元 。图。图 515 P207n由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息不稳定，故不稳定，故DRAM芯片需要定时芯片需要定时刷新刷新。542. 典型典型DRAM芯片芯片2164An2164A：64K1bitn采用行地址和列地址来确定一个单元；采用行地址和列地址来确定一个单元；n行列地址分时传送，行列地址分时传送， 共用一组地址信号线；共用一组地址信号线；n地址信号线的数量仅地址信号线的数量仅 为同等容量为同等容量SRAM芯芯 片的一半。片的一半。55主要引线主要引线n 行地址选通信号行地址选通信号。用于锁存行地址；。用于锁存行地

19、址；n 列地址选通信号列地址选通信号。n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。nDIN： 数据输入数据输入nDOUT：数据输出数据输出WE=0WE=1n WE：写允许信号写允许信号RAS：CAS：数据写入数据写入数据读出数据读出56工作原理工作原理n数据读出；数据读出； 图图 5-17n数据写入；图数据写入；图 5-18n刷新刷新工作时序工作时序57刷新刷新n将存放于每位中的信息读出将存放于每位中的信息读出 再照原样写入原单元的过。再照原样写入原单元的过。 刷新刷

20、新 583. 2164A在系统中的连接在系统中的连接与系统连接图与系统连接图图 5-20LS158为二选一的选择器，为二选一的选择器，LS245为驱动器为驱动器59三、存储器扩展技术三、存储器扩展技术601. 存储器扩展存储器扩展n 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各存储器芯片在整个内存中占据不同的地址范 围；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扩展单元

21、单元扩展扩展字长字长612. 存储器扩展方法存储器扩展方法n位扩展位扩展n字扩展字扩展n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既扩展字长也扩展单元数既扩展字长也扩展单元数62（1）位扩展）位扩展n构成内存的存储器构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元芯片的字长小于内存单元 的字长时的字长时需进行位扩展。需进行位扩展。n位扩展：位扩展：每单元字长的扩展。每单元字长的扩展。63位扩展例位扩展例n用用8片片2164A芯片构成芯片构成64KB存储器。（存储器。（64KX1）LS158A0A7A8A152164A2164A2164ADBABD0D1D70000HFFFFH.64位扩展方法：

22、位扩展方法：n将每片的将每片的地址线、控制线并联地址线、控制线并联，数据线分数据线分 别引出。别引出。n位扩展特点：位扩展特点：n存储器的单元数不变，位数增加存储器的单元数不变，位数增加。65（2）字扩展）字扩展n地址空间的扩展地址空间的扩展n芯片每个单元中的字长满足，但芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足单元数不满足。n扩展原则：扩展原则：n每个芯片的每个芯片的地址线、数据线、控制线并联。地址线、数据线、控制线并联。n片选端片选端分别引出，以使每个芯片有不同的地址范围。分别引出，以使每个芯片有不同的地址范围。66A0A10DBABD0D7A0A10R/WCS2K8D0D7A0A102K8

23、D0D7D0D7A0A10CS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67字扩展例字扩展例 例例5-4n用两片用两片64K8位的位的SRAM芯片构成容量为芯片构成容量为128KB的存储器的存储器n两芯片的地址范围分别为：两芯片的地址范围分别为：n20000H2FFFFHn30000H3FFFFH 68字扩展例字扩展例 例例5-4G1G2AG2BCBAY2Y3&MEMRMEMWA19A18A17A1674LS138高位地址：高位地址：n 芯片芯片1： 0 0 1 0n 芯片芯片2： 0 0 1 1A19A18A17A16芯片芯片1芯片芯片269（3）字位扩展）字

24、位扩展n设计过程：设计过程：n根据内存容量及芯片容量确定所需存储根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数芯片数；n进行进行位扩展位扩展以满足字长要求；以满足字长要求；内存模块内存模块 。n进行进行字扩展字扩展以满足容量要求。以满足容量要求。n若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为L LK K，要构成容量为要构成容量为M M N N的存的存储器，需要的芯片数为：储器，需要的芯片数为： （M / L） （N / K）70字位扩展例字位扩展例n例例 5-5n用用32Kb芯片构成芯片构成256KB的内存。的内存。 要要8个内存模块。个内存模块。715.35.3 只读存储器只读存储器（ROMROM

25、）掩模掩模ROM一次性可写一次性可写ROM : PROM可读写可读写ROM分分 类类EPROMEEPROM（紫外线擦除）紫外线擦除）（电擦除）电擦除）72一、一、EPROM731. 特点特点n可多次编程写入；可多次编程写入；n掉电后内容不丢失；掉电后内容不丢失；n内容的擦除需用内容的擦除需用紫外线擦除器紫外线擦除器。742. EPROM 2764n8K8bit芯片芯片 图图 5-26n地址信号：地址信号：A0 A12n数据信号：数据信号：D0 D7n输出信号：输出信号：OEn片选信号：片选信号：CEn编程脉冲输入：编程脉冲输入：PGMn其引脚与其引脚与SRAM 6264完全兼容完全兼容.752

26、764的工作方式的工作方式数据读出数据读出编程写入编程写入擦除擦除标准编程方式标准编程方式快速编程方式快速编程方式编程写入：编程写入：每出现一个编程负脉冲就写入一个字节数据每出现一个编程负脉冲就写入一个字节数据76二、二、EEPROM771. 特点特点n可在线编程写入；可在线编程写入；n掉电后内容不丢失；掉电后内容不丢失；n电可擦除电可擦除。782. 典型典型EEPROM芯片芯片98C64An8K8bit芯片；芯片；n13根地址线（根地址线（A0 A12）；n8位数据线（位数据线（D0 D7）；）；n输出允许信号（输出允许信号（OE）；）；n写允许信号（写允许信号（WE）；）；n选片信号（选片

27、信号（CE）；）；n状态输出端（状态输出端（READY / BUSY）。793. 工作方式工作方式n数据读出数据读出n编程写入编程写入n擦除擦除字节写入：每一次字节写入：每一次BUSY正脉冲写正脉冲写 入一个字节入一个字节自动页写入：每一次自动页写入：每一次BUSY正脉冲写正脉冲写 入一页（入一页（1 32字节）字节）字节擦除：一次擦除一个字节字节擦除：一次擦除一个字节片擦除：一次擦除整片片擦除：一次擦除整片80擦除擦除 向单元写向单元写FFH814. EEPROM的应用的应用n可通过编写程序实现对芯片的读写；可通过编写程序实现对芯片的读写；n每写入一个字节都需判断每写入一个字节都需判断REA

28、DY / BUSY 端的状态，仅当该端为端的状态，仅当该端为高电平时才可写高电平时才可写 入下一个字节，或一页数据。入下一个字节，或一页数据。n P219 例例5-6P219例例82四、闪速四、闪速EEPROM特点：特点：n通过向内部控制寄存器写入命令的方法通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式。来控制芯片的工作方式。83工作方式工作方式数据读出数据读出编程写入：编程写入：擦擦 除除读单元内容读单元内容读内部状态寄存器内容读内部状态寄存器内容读芯片的厂家及器件标记读芯片的厂家及器件标记数据写入，写软件保护数据写入，写软件保护字节擦除，块擦除，片擦除字节擦除，块擦除，片擦除擦除挂

29、起擦除挂起845.45.4 高速缓存（高速缓存（Cache)Cache)了解：了解：nCache的基本概念；的基本概念；n基本工作原理；基本工作原理；n命中率；命中率；nCache的分级体系结构的分级体系结构85一、Cache的基本概念的基本概念n设置设置Cache的理由：的理由：nCPU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；n高速存储器芯片的价格较高；高速存储器芯片的价格较高；n设置设置Cache的条件：的条件：n程序的局部性原理程序的局部性原理n时间局部性：时间局部性：n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n空间局部

30、性空间局部性：n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86二、二、Cache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命中87Cache的命中率的命中率n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”。n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存储器系统的平均存取速度存储器系统的平均存取速度= Cache存取速度存取速度命中率命中率+RAM存取速度存取速度不命中率不命中率nCache与内存的空间比一般为：与内存的空间比一般为：1 12888三三、Cache的读写操作的读写操作读操作读操作写操作写操作贯穿读出