存储器(15-16)

1、1第第4 4章章 存储系统存储系统2本章主要内容 4.1、概述概述(微型机的存储系统、分类及其特点)4.2、典型芯片举例典型芯片举例(半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接)4.3、主存储器设计主存储器设计(存储器扩展技术)34.1 4.1 概概 述述 存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息机系统工作时所用的信息 程序和数据。程序和数据。内容：内容： 微型机的存储系统微型机的存储系统 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 存储器地址译码存储器地址译码41、微型机的存储系统微型机的存储系统微处理器CPU存储器I

2、/O接口I/O设备数据总线控制总线地址总线5两大类内存、外存 内存内存存放当前运行的程序和数据。存放当前运行的程序和数据。 特点特点：快，容量小，随机存取，快，容量小，随机存取，CPU可直接访问可直接访问。 通常由通常由半导体存储器半导体存储器构成构成 RAM、ROM 外存外存存放非当前使用的程序和数据。存放非当前使用的程序和数据。 特点特点：慢，容量大，顺序存取慢，容量大，顺序存取/块存取块存取。需调入内存后需调入内存后CPU才能访问才能访问。 通常由通常由磁、光存储器磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成构成，也可以由半导体存储器构成 磁盘、磁带磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM

3、、固态盘固态盘6 Cache存储系统存储系统 解决速度问题解决速度问题 虚拟存储系统虚拟存储系统 解决容量问题解决容量问题高速缓冲存储器高速缓冲存储器*主存储器主存储器主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器*(3)、微型机的存储系统、微型机的存储系统7(1)只读存储器只读存储器ROM(2)随机存取存储器随机存取存储器RAM2、半导体存储器的分类、半导体存储器的分类8(1)只读存储器只读存储器ROM 只读存储器只读存储器(Read Only Memory ROM) 用户在使用时只能读出其中信息，不用户在使用时只能读出其中信息，不能修改或写入新的信息，断电后，其信息不会消能修改或写入新的信息，断电后

4、，其信息不会消失。失。 存储单元中的信息由存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时一次制造厂在生产时一次性写入，称为性写入，称为掩膜掩膜ROM（Masked ROM）；）； PROM(Programmable ROM 可编程可编程ROM) PROM中的程序和数据是由用户自行写入的，中的程序和数据是由用户自行写入的，但一经写入，就无法更改，是一次性的但一经写入，就无法更改，是一次性的ROM；9 EPROM(Eraseble Programmable ROM 可擦除可编程可擦除可编程ROM) 可由用可由用户自行写入程序和数据，写入后的内容可户自行写入程序和数据，写入后的内容可用紫外线灯照射擦除，然后

5、可以重新写入用紫外线灯照射擦除，然后可以重新写入新的内容，可以多次擦除，多次使用。新的内容，可以多次擦除，多次使用。 E2PROM(Electrically Eraseble Programmable ROM 电可擦除可编程电可擦除可编程ROM) 可用电信号进行清除和改写的可用电信号进行清除和改写的存储器，使用方便。存储器，使用方便。10 随机存取存储器随机存取存储器(Random Access Memory) RAM的特点是存储器中的信息能的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样的。断电后，需要的时间基本

6、是一样的。断电后，RAM中的信中的信息即消失。息即消失。分为两类：分为两类： SRAM (Static RAM 静态静态RAM) SRAM是利用半导体触发器的两个稳定状态表示是利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和和“0”。只要电源不撤除，信息不会消失，。只要电源不撤除，信息不会消失，不需要刷新电路。不需要刷新电路。(2)随机存取存储器随机存取存储器RAM11DRAM (Dynamic RAM 动态动态RAM) DRAM是利用电容端电压的高低来表示是利用电容端电压的高低来表示“1”和和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一，为了弥补漏电需要定时刷新。一般微机系统中的内存采用般微机系统中的内存

7、采用DRAM，配有刷，配有刷新电路，每隔新电路，每隔12ms刷新一次。刷新一次。12(1)存储容量存储容量(2)存储速度存储速度(3)可靠性可靠性3、存储器的性能指标存储器的性能指标13(1)存储容量存储容量 存储容量存储容量 是指一是指一块存储芯片上所能存块存储芯片上所能存储的二进制位数。储的二进制位数。 假设存储芯片的存假设存储芯片的存储单元数是储单元数是M， 一个一个存储单元所存储的信存储单元所存储的信息的位数是息的位数是N，则其存，则其存储容量为储容量为MN。1位1位1个存储单元1个存储单元设N设N8位8位即即一个字节）一个字节）存储芯片中的存储体存储芯片中的存储体共有M个共有M个存储

8、单元存储单元可编址可编址单元单元D7 D1D014例例1、已知单片、已知单片6116芯片的地址线是芯片的地址线是11位，位， 每个存储单元是每个存储单元是8位，求其存储容量位，求其存储容量?解解: 因为可编址范围因为可编址范围211 ，即，即M 211 ， 每个存储单元可存每个存储单元可存8位，即位，即N 8， 所以，所以， 6116的存储容量的存储容量 = 2118 = 210248 = 2K8 2KB15例例2、若要组成、若要组成64K字节的存储器，以下芯片字节的存储器，以下芯片各需几片各需几片?6116(2K8)4416(16K4)解解: (64K8) ( 2K8)=32(片片) (64

9、K8) ( 16K4)= 8 (片片)16区别：微机的最大内存容量和微机装机容量区别：微机的最大内存容量和微机装机容量 。 微机的最大内存容量微机的最大内存容量 由由CPU的地址总的地址总线决定。线决定。 如：如：PC486，地址总线是，地址总线是32位，位，则，内存容许最大容量是则，内存容许最大容量是232=4G； 实际的装机容量实际的装机容量 由实际使用的若干片由实际使用的若干片存储芯片组成的总存储容量。存储芯片组成的总存储容量。17 存储器的存取速度是影响计算机运算存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主要因素，用两个参数来衡量：速度的主要因素，用两个参数来衡量： 存取时间存取时间TA

10、（Access Time） 定义为启动一次存储器操作（读或写），定义为启动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经历的时间。到完成该操作所经历的时间。 存储周期存储周期TMC（Memory Cycle） 定义启动两次读（或写）存储器操作之间定义启动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间间隔。所需的最小时间间隔。(2)存储速度18存储器的可靠性用存储器的可靠性用MTBF来衡量。来衡量。 MTBF即即Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间，平均故障间隔时间，MBTF越长，表示可靠性越高。越长，表示可靠性越高。(3)可靠性可靠性194、存储器的基本结构存储器的基

11、本结构1、存储体、存储体 由多个基本存储单元由多个基本存储单元组成，容量即为组成，容量即为MN；2、地址寄存器（地址锁存器）、地址寄存器（地址锁存器） 锁存锁存CPU送来的地址信号；送来的地址信号；3、地址译码器、地址译码器 对地址信号进行对地址信号进行译码，选择存储体中要访问的译码，选择存储体中要访问的存储单元；存储单元；4、读、读/写驱动电路写驱动电路 包括读出放包括读出放大和写入电路；大和写入电路；5、数据缓冲器、数据缓冲器 芯片数据信号经芯片数据信号经双向三态门挂在数据总线上，双向三态门挂在数据总线上，未选中该片，呈高阻状态；未选中该片，呈高阻状态；6、读、读/写控制电路写控制电路 接

12、受来自接受来自CPU的片选信号、读的片选信号、读/写信号。写信号。（对（对ROM只读；对只读；对DRAM刷新信号）刷新信号）连数据总线地址寄存器地址译码器存储体数据缓冲器读/写驱动电路读/写控制电路连地址总线RD/WE CS连控制总线OE20“读读”操作工作过程操作工作过程（1）送地址）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；寄存器，并译码；（2）发出）发出“读读”命令命令 CPU通过控制总线将通过控制总线将“存存储器读储器读”信号送入读信号送入读/写控制电路；写控制电路；（3）从存储器读出数据）从存储器读出数据 读读/写控制电路根据写控制电路根据 “

13、读读”信号和片选信号选中存储体中的某一存储信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，从该单元读出数据，送到数据缓存器。再单元，从该单元读出数据，送到数据缓存器。再经过数据总线送到经过数据总线送到CPU。21“写写”操作工作过程操作工作过程（1）送地址）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；寄存器，并译码；（2）发出）发出“写写”命令命令 CPU通过控制总线将通过控制总线将“写写”信号送入读信号送入读/写控制电路；写控制电路；（3）写入数据到存储器）写入数据到存储器 读读/写控制电路根据写控制电路根据 “写写”信号和片选信号选中存储体中的某一存储信号和

14、片选信号选中存储体中的某一存储单元，将数据总线上的数据，送到数据缓存器，单元，将数据总线上的数据，送到数据缓存器，再写入到选中的存储单元。再写入到选中的存储单元。224.2、典型存储器芯片及地址译码、典型存储器芯片及地址译码D0D7A0A12WEOECS1A0A12MEMWMEMR译码译码电路电路高位地址信号D0D7 1. 译码电路译码电路23 译码：译码： 将输入的一组二进制编码变换为一个将输入的一组二进制编码变换为一个特定的控制信号，即：将输入的一组高位地址信特定的控制信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的控制信号，用于号通过变换，产生一个有效的控制信号，用于选选中中某

15、一个存储器芯片，从而确定该存储器芯片在某一个存储器芯片，从而确定该存储器芯片在内存中的地址范围。内存中的地址范围。24存储器译码有三种方法：存储器译码有三种方法： 全译码法全译码法 部分译码法部分译码法 线选法线选法25全地址译码全地址译码 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，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址。唯一的内存地址。存储器存储器芯片芯片译译码码器器低位地址低位地址高位地址高位地址全全部部地地址址片选信号片选信号26全地址译码举例全地址译码举例例例 若将若将 6264芯片的地址范围按排为：芯片的地址范

16、围按排为：F0000HF1FFFH，设计地址译，设计地址译码电路。码电路。 11110000000 11110001111A19A18A17A16A15A14A13&1CS1A12A0D7D0高位地址高位地址线全部参线全部参加译码加译码6264A12-A0D7-D0OEWE27部分地址译码部分地址译码 用用部分高位地址部分高位地址信号（而不是全部）通过译信号（而不是全部）通过译码电路形成片选信号。码电路形成片选信号。 被选中得存储器芯片将占有几组不同的地址被选中得存储器芯片将占有几组不同的地址范围。芯片每个存储单元地址不唯一。范围。芯片每个存储单元地址不唯一。 28部分地址译码举例部分地址译码

17、举例同一物理存储器占用两组地址：同一物理存储器占用两组地址： F0000HF1FFFH B0000HB1FFFH A18不参与译码不参与译码A19A17A16A15A14A13&1到6264CS129再例再例.IBM PC/XT 与SRAM6116的连接,见书P214,图4.31。与非门30选择使用选择使用74LS138译码器构成译码电路译码器构成译码电路 Y0 G1 Y1G2 A Y2G2 B Y 3Y4A Y 5B Y 6C Y 7片选信号输出译码允许信号地址信号（接到不同的存储体上）74LS138逻辑图：3174LS138的真值表：（注意：输出低电平有效）的真值表：（注意：输出低电平有效

18、）可以看出，当译码允许信号有效时，可以看出，当译码允许信号有效时，Yi是输入是输入A、B、C的的函数，即函数，即 Y=f(A,B,C)11111111X X X 其 他 值011111111 1 1 1 0 0101111111 1 0 1 0 0110111111 0 1 1 0 0111011111 0 0 1 0 0111101110 1 1 1 0 0111110110 1 0 1 0 0111111010 0 1 1 0 0111111100 0 0 1 0 0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0C B AG1 G2A G2B32应用举例应用举例:D0D7A0A12WEOECS1CS2A

19、0A12MEMWMEMRD0D7G1G2AG2BCBA&A19A14A13A17A16A15+5VY0下图中A18不参与译码，故6264的地址范围为：6264332. 典型芯片典型芯片(1)、静态数据存储器（、静态数据存储器（SRAM） 有两种操作：读操作和写操作。有两种操作：读操作和写操作。 常用的常用的SRAM有：有： 6116（2Kx8) 211X8bit 6232 (4KX8) 212X8bit 6264 (8KX8) 213X8bit 62128(16KX8) 214X8bit 62256 (32KX8) 215X8bit适用于较小系统。适用于较小系统。 这类存储器，数据线为这类存储

20、器，数据线为8条，容量不同地址线不同。条，容量不同地址线不同。容量与地址线的关系为容量与地址线的关系为2n x8bit，n为地址线根数。每个地为地址线根数。每个地址单元存储址单元存储8为二进制信息。只要不掉电，信息会稳定保为二进制信息。只要不掉电，信息会稳定保持，不需要刷新。持，不需要刷新。34SRAM芯片芯片HM 6116(简简称称6116） 11条地址线，条地址线，8位位数据线，数据线，3条控制线，条控制线，两条电源线，单片存两条电源线，单片存储容量储容量2K8 。35(2)、动态随机存储器、动态随机存储器DRAM 特点：特点：DRAM是靠是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息的，由于电路中

21、的栅极电容来存储信息的，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新）容不丢失（称为动态刷新），所以动态，所以动态RAM需要设置刷需要设置刷新电路，相应外围电路就较为复杂。新电路，相应外围电路就较为复杂。刷新定时间隔一般为几微秒几毫秒刷新定时间隔一般为几微秒几毫秒。DRAM的特点是集成度高的特点是集成度高（存储容量大，可达（存储容量大，可达1Gbit/片片以上），以上），功耗低，但速度慢功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。左右），需要刷新。DRAM在微机中应用非常广泛，如微机中的内存条（主在微机中应用非常广泛

22、，如微机中的内存条（主存）、显卡上的显示存储器几乎都是用存）、显卡上的显示存储器几乎都是用DRAM制造的。制造的。36典型典型DRAM芯片芯片2164A 2164A (64KX1) 216X1bit8条地址线，条地址线，2位数据线位数据线(输出和输出和输入），输入），3条控制线，两条电条控制线，两条电源线，单片存储容量源线，单片存储容量64K1 。 地址线采用分时复用，地址线采用分时复用，由由CAS（列选通）和（列选通）和RAS（行选通），从而实现（行选通），从而实现16位位地址线，地址线，M216 64K。 地址线的数量仅为同等容地址线的数量仅为同等容量量SRAM芯片的一半芯片的一半。216

23、4A0A7GNDDinDoutVccCASRASWE10001 0 0 0列地址37主要引线主要引线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，地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在它们分别在RAS和和CAS有效期间被锁存在地址锁有效期间被锁存在地址锁存器中。存器中。 DIN： 数据输入数据输入DOUT：数据输出数据输出WE=0 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38(3) 典型典型EPROMEPROM 2764 (8KX8) 213X8

24、bit 其引脚与其引脚与SRAM 6264完全兼容。完全兼容。 地址信号：地址信号：A0 A12 数据信号：数据信号：D0 D7 输出信号：输出信号：OE 片选信号：片选信号：CS 编程脉冲输入：编程脉冲输入：PGM39(4) 典型典型E2PROM芯片芯片2864A 8K8bit芯片芯片 13根地址线（根地址线（A0 A12） 8位数据线（位数据线（D0 D7） 输出允许信号（输出允许信号（OE） 写允许信号（写允许信号（WE） 选片信号（选片信号（CE） 状态输出端（状态输出端（READY/BUSY）40E2PROM的应用的应用 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

25、，但每写入一个字节都需判断但每写入一个字节都需判断READY/BUSY 端的状态，仅当该端为高电平时才可写端的状态，仅当该端为高电平时才可写 入下一个字节。入下一个字节。41(5)、闪速、闪速E2PROM 特点：特点： 通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的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，而非用引脚的信号来控制芯片的工作。工作方式，而非用引脚的信号来控制芯片的工作。 应用应用 便携式闪存硬盘便携式闪存硬盘(6)、串行、串行E2PROM I2CEEPROM 24C01/24C02/24C04 93C46/93C56/93C66 424.3、 存储器扩展技术存储器扩

26、展技术位扩展位扩展扩展每个存储单元的位数。扩展每个存储单元的位数。字扩展字扩展扩展存储单元的个数。扩展存储单元的个数。字位扩展字位扩展二者的综合。二者的综合。 用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。有一片（或一组）被选中。43位扩展例位扩展例例、用例、用8片片2164A芯片构成芯片构成64KB（64Kx8bit）存储器。）存储器。2164A: 64K x 1，需，需8片构成片构成64K x 8（64KB）LS138A16A192164A216

27、4A2164ADBABD0D1D7A0A7/ A8A15译码输出读写信号A0A19D0D7A0A7/ A8A1544归纳位扩展方法：归纳位扩展方法： 将每片的地址线并联、控制线并联、片选将每片的地址线并联、控制线并联、片选线并联，数据线分别引出。线并联，数据线分别引出。 位扩展特点：位扩展特点： 地址空间不扩展，位数扩展。地址空间不扩展，位数扩展。 各片存储器的地址空间相同。各片存储器的地址空间相同。 再例再例. 见书见书P217 图图4.33，IBM PC/XT RAM子系统，内存条是由子系统，内存条是由36片片2164分分4组构成组构成256KB45字扩展字扩展 地址空间的扩展。适用于芯片

28、每个单元中地址空间的扩展。适用于芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足情况。的字长满足，但单元数不满足情况。 扩展原则：扩展原则： 每个芯片的地址线并联、数据线并联、控每个芯片的地址线并联、数据线并联、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。个芯片占据不同的地址范围。46例例. 选用选用6116芯片和芯片和2732芯片构成芯片构成8KBRAM和和8KBROM存储系统。存储系统。 需需4片片6116和和2片片2732，进行字扩展。，进行字扩展。4748再例再例. 见书见书P216 图图4.32 ,IBM PC/XT ROM子子系统。系

29、统。49字位扩展字位扩展根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；数； 进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展以满足容量要求。以满足容量要求。 若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为LK，要构成容，要构成容量为量为M N的存储器，需要的芯片数为：的存储器，需要的芯片数为： （M / L） （N / K）504.4 8088系统中存储器的连接方法系统中存储器的连接方法存储器与存储器与8088系统总线的连接的要点：系统总线的连接的要点： 存储器的地址范围？存储器的地址范围？ 根据要求的地址范围可确定用哪几根地址线进行片选

30、，哪几根根据要求的地址范围可确定用哪几根地址线进行片选，哪几根地址线做片内寻址以及如何进行片选译码。地址线做片内寻址以及如何进行片选译码。 系统总线上与存储器有关的信号线有哪些？系统总线上与存储器有关的信号线有哪些？ 熟悉与存储器有关的总线信号和存储芯片引脚的功能。熟悉与存储器有关的总线信号和存储芯片引脚的功能。 译码电路的构成（译码器的连接方法）译码电路的构成（译码器的连接方法） 系统地址空间一般比存储芯片的容量大（即总线中的地址线数系统地址空间一般比存储芯片的容量大（即总线中的地址线数多于存储芯片的地址线数），物理内存实际只占用系统地址空多于存储芯片的地址线数），物理内存实际只占用系统地址

31、空间的一小块区域。把物理内存分配到系统地址空间的哪一块区间的一小块区域。把物理内存分配到系统地址空间的哪一块区域，取决于如何进行地址译码。域，取决于如何进行地址译码。51 8088系统中存储器连接涉及到的总线信号包括：系统中存储器连接涉及到的总线信号包括： 地址线地址线A19-A0 数据线数据线D7-D0 存储器读信号存储器读信号MEMR（RD 、M/IO） 存储器写信号存储器写信号MEMW（WR 、M/IO ） 需要考虑的存储芯片引脚需要考虑的存储芯片引脚 地址线地址线An-1-A0：接系统地址总线的：接系统地址总线的An-1-A0 数据线数据线D7-D0：接系统数据总线的：接系统数据总线的D7-D0 片选信号片选信号CS (CE) (可能有多根可能有多根)：接地址译码器的片选：接地址译码器的片选输出输出 输出允许输出允许OE(有时也称为