第4章 内部存储器

1、第4章 内部存储器本章主要讲述内部存储器的功能、组成、半导体存储器的工作原理，并简要介绍PC机中常用的内存类型和内存管理方面的知识。 内部存储器第第4章章 内部存储器内部存储器 本章介绍:1. 存储器与存储体系概述2 .主存储器3 .高速缓冲存储器4 .虚拟存储器5. PC系列机中的主存储器内部存储器4.1存储器与存储体系概述存储器与存储体系概述 存储系统是计算机的重要组成部分,用来存储微型计算机工作时使用的信息（程序和数据）的部件，正是因为有了存储器，计算机才有信息记忆功能。 一、存储器的分类：一、存储器的分类：1、按存储介质分类v半导体存储器v磁表面存储器v光存储器内部存储器2、按存取方式

2、分类、按存取方式分类v随机存储器（RAM）可随机读写，存取时间与存储单元的物理位置无关，由半导体材料制成，速度较快，适用于内存v只读存储器（ROM）只读，由半导体材料制成，速度较快，适用于内存v顺序存取存储器存取时间与存储单元的物理位置有关，顺序存取，速度慢，一般只能用于外存，作为磁盘的外援v直接存取存储器 不必对存储介质作完整的顺序搜索，直接定位存取，如光盘和磁盘内部存储器3、按信息的可保护性分类、按信息的可保护性分类v 易失性存储器v 非易失性存储器出现异常情况信息会丢失的存储器为易失性存储器，如RAM；断电后仍保持信息的存储器为非易失性存储器，如ROM，磁盘，光盘，存储器。内部存储器4、

3、按所处位置及功能分类、按所处位置及功能分类v 内部存储器（简称内存或主存）v 外部存储器（简称外存） 计算机工作时，一般先由只读存储器(ROM)中的引导程序启动系统，再从外存中读取系统程序和应用程序送到内存中运行。内部存储器二、微机存储系统的层次结构二、微机存储系统的层次结构 内部存储器三、内存的主要性能指标三、内存的主要性能指标主要技术指标包括:q存储容量：存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量。表示形式：存储单元数二进制位数/每个单元。q存取周期：存储器从接收读出命令到被读出信息稳定读出为止的时间间隔，称为取数时间；存储器的写入时间是指存储器接到地址信号随即接到数据信号、写控制信号到单元

4、被正确写入的时间间隔；两次独立的存取操作之间所需的最短时间称为存储周期。读出时间要大于写入时间。读出时间要大于写入时间。q价格q可靠性：可靠性指的是存储器在规定时间内无故障工作的情况，一般采用平均无故障时间间隔来衡量。用MTBF来表示，MTBF越长，表示存储器的可靠性越好。内部存储器4.2 主存储器（内存）主存储器（内存）内存的主要作用内存的主要作用 q暂时存放正在执行的程序、原始数据、中间结果和运算结果。q作为CPU运行程序的区域，配合CPU与外设打交道。内部存储器内存的分类内存的分类内部存储器内部存储器随机存储器RAM随机存储器RAM只读存储器ROM只读存储器ROM静态存储器SRAM静态存

5、储器SRAM动态存储器DRAM动态存储器DRAMPROMPROMEPROMEPROM内部存储器一、主存储器的组成一、主存储器的组成 主存储器由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑组成。 MAR是地址寄存器用来指定CPU要处理的记忆体地址的暂存器；MDR是数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。内部存储器地址接口电路地址接口电路地址译码结构：v 单译码结构内部存储器地址接口电路地址接口电路v双译码结构内部存储器例例1已知某存储器芯片规格为1KB8，试比较内部采用两种不同地址译码器方式时，使用译码驱动线的多少？解：地址输入线数目n=10，则：单译

6、码方式，地址译码驱动线数目=2n=210=1024.双译码方式，取X向、Y向各n/2=5位译码，X向(Y向)地址译码驱动线数目= 2n/2=25=32，因此：地址译码驱动线数目= 2n/2 +2n/2=25+25=64内部存储器二、二、 只读存储器只读存储器ROM 只读存储器ROM一旦有了信息，就不能轻易改变，也不会在掉电时丢失，它们在计算机系统中是只供读出的存储器。ROM器件有两个显著的优点： 结构简单，所以位密度比可读/写存储器高。 具有非易失性，所以可靠性高。 ROM可以分为4种： 1) 掩膜ROM 。2) 可编程的只读存储器PROM (Programmable Read Only Me

7、mory)。3) 可擦除可编程只读存储器EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)。 4) 可用电擦除的可编程只读存储器EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。内部存储器 掩膜掩膜ROM 这种这种ROM是由制造厂家利用一种掩膜技术写入程序的，掩膜是由制造厂家利用一种掩膜技术写入程序的，掩膜ROM制成制成后，用户不能修改，根据制造工艺可以将它们分为后，用户不能修改，根据制造工艺可以将它们分为MOS型和双极型两种。型和双极型两种。MOS型型ROM功耗小、速度慢，适用于

8、一般微机系统；而双极型则速度功耗小、速度慢，适用于一般微机系统；而双极型则速度快、功耗大，适用于速度较高的计算机系统。快、功耗大，适用于速度较高的计算机系统。 掩模式掩模式ROM适用于成批生产的定型产品。适用于成批生产的定型产品。 地址译码器A0A1D3D1（a) MOS型ROMVCC地址译码器（b) 双极型ROMA0A1D0D2VCCD3D1D0D2字线1字线2字线3字线400011011内部存储器一次可编程一次可编程ROM(PROM) PROM虽然可由用户编程，但只能有一次写入的机会，一旦编程之后，就如掩模式ROM一样，其内容不能再改变。 PROMPROM存储器过作原理存储器过作原理的是在

9、每个存放数据的结点上加上一个熔断丝（相当于通常电工上的保险丝）,这样该器件在出厂时每个单元内容全部为1,如果希望某一单元存放数据0,只须将该结点对应的熔断丝烧断即可。 由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂；其次，由于可编程的部分是由熔断丝构成的，这就决定了该器一旦将内容写错，其芯片将只能报废。一旦将内容写错，其芯片将只能报废。 应用于单片机控制的仪器仪表、设备或系统中。应用于单片机控制的仪器仪表、设备或系统中。内部存储器可擦除的可编程只读存储器（可擦除的可编程只读存储器（EPROM） EPROM可由用户重复多次编程。适合于系统开发时使用。可擦洗的PROM有两种： 一种用紫外光擦洗

10、，称为UVEPROM，简称EPROM； 另一种是用电的方法擦洗，称为EEPROM或EAPROM。 UVEPROM擦洗时，将整个芯片原存的全部信息都擦去，而对EEPROM可擦去其中的一部分信息。 由于UVEPROM价格便宜，擦洗方便，目前得到更普遍的应用。内部存储器紫外光可擦除紫外光可擦除EPROM EPROM （UVEPROM） 紫外光可擦除EPROM存储电路是利用浮栅 MOS管构成的，又称 FAMOS管（即浮栅雪崩注入MOS管），其构造如图所示。 内部存储器电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器EEPROMEEPROM 电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器EEPROM:EEPROM: 是在EP

11、ROM的基础上开发出现的，其可以在加电的情况下擦除存储器的全部或某一部分内容，然后在电路上直接改写其擦除过的单元内容。 EEPROM的内部电路与EPROM电路类似，但其结构进行了一些调整，在浮栅上增加了一个遂道二极管，在编程时可以使电荷通过它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流向漏极，它不需要紫外光激发放电，即擦除和编程只须加电就可以完成了，且写入的电流很小。 内部存储器三、随机存储器三、随机存储器RAM静态静态RAMRAM（SRAMSRAM）动态动态RAMRAM（DRAMDRAM）区别：区别：静态静态RAMRAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态态RAMRAM是

12、靠是靠MOSMOS电路中的栅极电容来记忆信息的。电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给与补充，由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给与补充，所以动态所以动态RAMRAM需要设置刷新电路。但动态需要设置刷新电路。但动态RAMRAM比静比静态态RAMRAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAMRAM，而，而高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）则使用静态）则使用静态RAMRAM。内部存储器三、随机存储器三、随机存储器RAM静态静态RAMRAM（S

13、RAMSRAM）工作原理）工作原理 静态RAM基本存储电路在静态存储器器件中，一位由6只晶体管组成， 称为一个存储元，如图所示： T1和T2构成触发器，T3和T4分别作为T1和T2的负载电阻。 T1截止而T2导通时的状态称为“1”。相反的状态称为“0”。 读出时读出时 : 置选择线为高电平， 使T5和T6导通，从读/写线输 出原存的信息。 写入时写入时: 写入数据使读/写线 呈相应电平。ABT1T2T3T4T5选择线I/OI/OVccT6内部存储器静态静态RAM的结构的结构 静态RAM芯片内部是由多个基本存储电路组成的，所有基本单元排列成m行乘n列的存储矩阵。芯片容量为单元数与数据线位数之乘积

14、。 内部存储器 动态动态RAM 动态RAM电路为单管动态存储电路，DRAM存放信息靠的是电容器C，电容器C有电荷时，为逻辑“1”，没电荷时，为逻辑“0”。但由于任何电容器都存在漏电，因此，当电容器C存有电荷时，过一段时间由于电容器的放电导致电荷流失，信息也就丢失。解决的办法是每隔一定时间(一般2ms)就要刷新一次，使原来处于逻辑电平“ 1”的电容器的电荷又得到补充，而原来处于电平“ 0”的电容器仍保持“ 0”。 动态动态RAM的工作原理的工作原理T刷新放大器数据输入输出线行选择信号列选择信号C内部存储器 动态动态RAM的结构的结构 刷新计数器刷新多路器A0A6数据输入 数据输出刷新时钟刷新多路

15、控制2116存储器数据总线 地址总线行/列多路器RA0 RA6A6 A6 A7 A13 MA0 MA6RAS CAS R/W内部存储器四、大容量存储器的组织四、大容量存储器的组织4K8存储器的存储空间：内部存储器1、存储器的字长扩展、存储器的字长扩展现有4K2的芯片，如何组成容量为4K8的存储器?内部存储器例例2使用64K1的DRAM芯片要组成64K8的存储器需要几片？内部存储器2、存储器的单元扩展、存储器的单元扩展现有1K8的芯片，如何组成容量为4K8的存储器?内部存储器例例3使用4K8的SRAM芯片要组成64K8的存储器需要几片？内部存储器3、存储器的综合扩展、存储器的综合扩展现有2K4的

16、芯片，如何组成容量为8K8的存储器?内部存储器例例4使用4K2的SRAM芯片要组成64K8的存储器需要几片？内部存储器例例5用2K4位的存贮芯片组成6K8位的存储器，需用几片？内部存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器内部存储器一、一、Cache工作原理工作原理主要依据主要依据程序执行的局部性特点程序执行的局部性特点 内部存储器二、二、Cache工作过程工作过程CPU主存主存地址寄存器MA替 换控制部件主存-Cache地址变换机 构Cache地址寄存器Cache存储器地址总线数据总线不命中命中单字宽多字宽内部存储器三、地址映象三、地址映象1、直接映象直接映象 每个主存块映象到Cache中的

17、一个指定块的方式称为直接映象。在直接映象方式下，主存中某一特定存储块只可调入Cache中的一个指定位置，如果主存中另一个存储块也要调入该位置，则将发生冲突。 将主存块地址对Cache的块号取模，即可得到Cache中的块地址，这相当于将主存的空间按Cache的大小进行分区，每区内相同的块号映象到Cache中相同的块的位置。Cache主 存第 0 块第 1 块2N-1块2N块2N+1-1块第 0 块第 1 块2N-1块.第1区第2区内部存储器2、全相联映象、全相联映象它允许主存中的每一个字块映象到Cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧字块，当

18、访问一个块中的数据时，块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较以确定是否命中。在数据块调入时，存在着一个比较复杂的替换策略问题，即决定将数据块调入Cache中什么位置，将Cache中哪一块数据调出到主存。Cache第 0 块第 1 块2N-1块.主 存第 0 块第 1 块2M-1块.内部存储器3、组相联映象、组相联映象内部存储器4、替换策略、替换策略先进先出(FIFO)策略 FIFO（First In First Out）策略总是把一组中最先调入Cache存储器的字块替换出去，它不需要随时记录各个字块的使用情况，所以实现容易，开销小。但其缺点是可能把一些需要经常使用的程序（如循环程序）

19、块也作为最早进入Cache的块而被替换出去。 近期最少使用(LRU)策略LRU (Least Recently Used) 策略是把一组中近期最少使用的字块替换出去，这种替换策略需随时记录Cache存储器中各个字块的使用情况，以便确定哪个字块是近期最少使用的字块。LRU替换策略的平均命中率比FIFO要高，并且当分组容量加大时，能提高该替换策略的命中率。 内部存储器4.4 虚拟存储器虚拟存储器一、主存-辅存层次内部存储器二、虚拟存储器的基本概念二、虚拟存储器的基本概念 虚拟存储器是指用磁盘的存储空间来弥补主存空间的不足，使得程序人员能够使用比主存实际空间更大的存储空间来编写和运行程序。内部存储器

20、虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器内部存储器三、段式虚拟存储器三、段式虚拟存储器 段是程序模块化设计的结果，即把程序中逻辑上相对独立的部分设计为不同的段, 再经过连接程序连接成更大的程序。 此时用段作为信息调入主存的单位是合适的，以段为单位分配与管理主存储器被称为段式存储管理。 段式管理有利于按段实现信息共享，问题是易造成主存中出现不好使用的碎块，会影响主存储器的利用效率。内部存储器段表内容及其管理段号段号 段内地址段内地址+逻辑地址逻辑地址段始地址段始地址 段长段长 装入位装入位段段表表主存实际地址主存实际地址段表基地址段表基地址内部存储器四、页式虚拟存储器四、页式虚拟存储器 页式存储管理是把虚拟空间和主存空间都分成大小相同的页，并以页为单位进行虚存与主