微机原理与接口技术第6章-存储器课件

1、第6章 存储器本章要点了解存储器的基本概念、层次化结构和组织方式了解存储器的分类以及RAM、ROM和Flash的内部结构掌握半导体存储器的分类及其各自的特征重点掌握存储器与CPU的连接，存储器的位扩展、字扩展和位字扩展 了解Cache的三种组织方式、数据更新方法和Cache控制器的功能6.1 存储器概述6.1.1 存储器的分类1按用途分类微型计算机的存储器按照用途可以分为内部存储器和外部存储器两大类。2按存储介质分类 根据存储介质的材料不同存储器可分为磁性存储器、半导体存储器和光存储器等。其中常用的磁性存储器由软盘和硬盘，光存储器由光盘等。6.1.2 存储器的性能指标1.存储容量2. 存取速度

2、3. 可靠性4. 功耗5. 性能/价格比6.1.3存储系统的层次结构 一般由寄存器、高速缓冲存储器（Cache）、主存储器和辅助存储器等组成存储的层次结构，形成优势互补的存储器系统。如图6-1所示。6.2 半导体存储器6.2.1 半导体存储器的基本分类半导体存储器可分为随机存取存储器 (RAM) 和只读存储器(ROM)。 双极型RAM的主要特点是： 存取速度快对于射极耦合逻辑电路制作的RAM存取速度可达10ns，对于肖特基TTL逻辑电路制作的RAM存取速度可达25ns。 以晶体管触发器作为基本存储电路，管子较多，集成度较低。 功耗大，成本高。静态RAM的主要特点是： 静态RAM的集成度高于双极

3、型但低于动态RAM。 功耗低于双极型但高于动态RAM。 读写速度快，可用电池作为电源，不需要刷新。动态RAM的主要特点是： 集成度高，功耗低。 利用电容器存储信息，需要刷新电路。 成本低，被广泛用于微型计算机中。ROM是一种预先存入程序或数据且断电后信息不会丢失，工作时只能读出不能写入的存储器。ROM可分为掩膜式ROM、可编程PROM、可擦除EPROM和电可擦除EEPROM等几种类型。 6.2.2 半导体存储器的基本结构 半导体存储器的基本结构如图6-2所示。由图6-2可知半导体存储器由地址寄存器、地址译码电路、存储体、读写驱动器、数据寄存器和控制逻辑部件等部分组成。主存储器通过地址总线AB、

4、数据总线DB以及控制总线同CPU相连并实现数据交换。6.2.3 随机存取存储器RAM 随机存取存储器(RAM)是指既可以进行读操作又可以进行写操作的半导体存储器（常被称为读写存储器），其读写位置是任意的。根据存储芯片内部基本存储单元电路的结构和工作原理不同，RAM分为静态RAM即SRAM(static RAM)和动态RAM即DRAM(dynamic RAM)。1SRAM SRAM基本存储单元的结构静态RAM存储一位信息的单元电路可以用双极型器件构成，也可用MOS管构成。通常是由6个MOS管组成的双稳态触发器电路，可以用来存储一位信息“0”或者“1”，其内部结构如图6-3所示。 图6-3 六管静

5、态存储单元 SRAM芯片的结构 把一些基本存储单元电路集成在一个芯片上，就构成了SRAM芯片，典型的静态RAM芯片内部结构如图6-4所示。 常见的SRAM的芯片 常见的SRAM芯片有：6116 (2K8位)、6264 (8K8位) 和62256 (32K8位)等等，图6-5给出了6116、6264和62256芯片各引脚的功能。下面以6116 (2K8位)为例说明各参数的意义。 6116 芯片的存储容量为2K8=16384bits，排成128128的存储矩阵，构成2K个字，字长为8位，需要有11根地址线。其中7条行地址线A4A10，4条列地址线A0A3。把128列分成128/8=16组，即16列

6、，每一组共用一个列地址，需要4根列地址线用来选中一个字节。6116芯片共有8根数据线，一次可完成8位二进制数的读或写操作。 2DRAM DRAM的基本存储单元的结构 在结构上DRAM与SRAM一样，都是由许多基本存储单元按行和列排列组成矩阵。最简单的动态RAM的基本存储单元是一个MOS管和一个电容器组成，如图6-6所示。3其他RAMEDO RAM（Extend Data Out）即扩展数据输出内存，在90年代中后期广泛地用于80486和奔腾级微型计算机中。SDRAM（Synchronous Dynamic RAM）即同步动态随即存储器，广泛用于Pentium微型计算机中。DDR（Double

7、Data Rate）即双倍数据传输速率。DDR2是DDR的改进型，它在一个时钟周期内传输数据的次数达到四次，相同时间内的数据传输量再次加倍，这使得DDR2成为比DDR更快速的内存。4. 存储器的工作时序 CPU对存储器的操作由存储器读和存储器写两种，对动态存储器而言还包括刷新操作。CPU启动一次存储器读操作时，先将地址信息通过地址线送入 MAR，然后发出读命令。MAR中的地址信息经地址译码器译码后选中对应的存储单元，并通过读/写驱动器把该存储单元的数据送MDR，再通过数据总线送至CPU。写操作与读操作相似，只是数据传送的方向相反。存储器写操作时序如图6-7所示，各信号的前后关系为： CPU送地

8、址码到地址总线上； 存储器的地址译码器对该地址码进行译码，选中相应单元； 要写入的数据由CPU送到数据总线上； CPU发写信号把数据总线上的数据写入相应的存储单元。 6.2.4 只读存储器ROM1.掩膜型ROM 2可编程只读存储器PROM3可擦除可编程只读存储器EPROM4电可擦除的可编程只读存储器EEPROM6.2.5 存储器的扩展一块存储芯片的容量远远不能满足微型计算机系统的需要，常常需要把若干块存储芯片连接成一个整体，作为微型计算机系统的存储器，这就需要对存储芯片进行扩展。存储器的扩展包括位扩展、字扩展和字位扩展三种形式。1位扩展 存储器位扩展的目的是保持每个芯片的总存储单元数不变，把几

9、个芯片“并联”在一起，使每个单元存储的位数增加，达到满足实际需要的目的。图6-8是使用2 片4K8 位的存储芯片组成4K16的存储模块的示意图。 图6-8 存储器的位扩展2字扩展 存储器字扩展的目的是保持每个芯片的存储单元位数不变，把几个芯片“串联”在一起，使存储单元个数增加，达到满足实际需要的目的。图6-9是使用2 片4K8 位的存储芯片组成4K8的存储模块的示意图。 图6-9 存储器的字扩展3字位扩展在实际应用中，往往是存储芯片的存储单元数和一个存储单元中的位数都不能满足需要，这样既要进行位扩展又要进行字扩展，才能满足存储容量的需求。一般是先按照位扩展的方法进行位扩展，然后再按照字扩展的方

10、法进行字扩展，就可以达到实际需求。6.2.6 CPU与存储器的连接 CPU与存储器的连接包括地址线、数据线和控制线的连接三个部分。1.CPU与存储器的连接CPU与存储器的连接需要考虑以下几个问题： CPU总线的负载能力 CPU的时序和存储器存取速度之间的配合 存储器的地址分配和片选 控制信号的连接2地址译码器常用的地址译码器是74LS138，如图6-10所示。该地址译码器由6个输入端和8个输出端，其中E3、和为启动信号，只有当E3=100时，该芯片才能工作，C、B和A为信号输入端，为输出端，低电平有效。输入信号与输出信号的对应关系如表6-1所示。图6-10 地址译码器74LS138 3译码方式

11、根据片外地址线与地址译码器的连接不同，译码可分为线性译码、全译码和部分译码三种方式。6.3 辅助存储器 在微型计算机系统中常用的辅助存储器，即外存储器，主要有硬盘、软盘、磁带、CD-ROM及U盘等。与内存相比，外存储器的容量大，存取速度慢，信息能够长期保存。外存储器作为数据和程序的存储设备是微型计算机系统中不可缺少的一部分。6.3.1 硬盘存储器1硬盘的结构和工作原理硬盘又称为硬磁盘。微型计算机系统中配置的硬盘均为固定盘片结构，由封装在铸铝腔体中的磁头、磁盘组件与控制电路组成。这种结构的硬盘又称为温彻斯特磁盘，简称温盘。2硬盘与主机的接口标准最常用的硬盘接口标准有IDE（又称ATA）和SCSI

12、 两种，它们定义了外存储器（如硬盘、光盘等）和主机的物理接口。其中IDE接口又分为并行接口（P-ATA）和串行接口（S-ATA）两种。3硬盘的性能指标 转速 平均寻道时间 数据传输率 缓冲区大小 硬盘表面温度6.3.2 光盘存储器光盘存储器是使用光学方式进行信息读写的存储器。根据读写方式不同可分为只读光盘、一次写入多次读出光盘和可擦写光盘。6.4 新型存储器技术6.4.1 闪速存储器 用闪速存储器制作的外部存储体被称为USB存储盘或闪存盘或U（优）盘，是一种移动存储产品，可用于存储任何格式的数据文件，采用USB接口与主机相连。1闪速存储器的特点 可靠性高，信息不易丢失性。 擦写灵活性，实现了大

13、规模电擦除。 读写速度快，存储大容量，成本低。2闪速存储器的分类按擦除和使用的方式，闪速存储器有三种类型： 整体型：擦除和重写是按整体进行的。 块结构型：将存储器分为大小相等的块，每块都可以独立进行擦除和重写。 带自举块型：在块的基础上，用自举块增加自举功能，自举块受信号控制，只有自举块开放时，才能进行擦除和重写，自举块被锁定时，只能读不能写。3闪速存储器工作原理以TMS287040芯片为例简单介绍闪存的工作原理。图6-11 MS28F040的引脚（1）TMS28F040的引脚及结构（2）工作过程（3）闪速存储器的应用6.4.2 高速缓冲存储器 高速缓冲存储器是介于CPU和主存之间的存储体，存

14、储容量较小，一般在数KB到数MB，存取速度是主存的510倍，其内容是主存的部分副本，主要用来存放指令和数据。如图6-12所示。 图6-12 Cache与主存间的逻辑关系按照主存和Cache之间的映像关系，Cache有三种组织方式。即：全相联方式：主存中的一个区块可以映像到Cache中任何地方（随机性，灵活，查询速度慢）。直接映像方式：主存中的一个区块可以映像到Cache中一个对应地方（如12/8的余数）。组相联方式：主存中的一个区块可以映像到Cache中对应组中的任何区块中（如12/4的余数）。数据更新时两类不一致性问题解决方法： 数据丢失问题：Cache中数据已更新，而内存中的数据未更新。解

15、决方法： 通写式(write through) ：在更改Cache中数据时， Cache控制器立即把数据写入内存。 缓冲通写式(buffered write through)：先写入缓冲器，在CPU进入下一个操作时，再写入内存。 回写式(write back) ：区块中设置一更新位，当Cache中数据要更新且更新位为1时，先写内存再更新。 数据过时问题:当多个主设备的Cache中某一区块对应一个主存区数据时，会发生其中一个Cache更新主存的数据，使其它Cache中数据过时的问题。解决方法： 总线监视法 ：Cache控制器监视地址总线，如发现某Cache把自己也有的数据块更改时，自动使自己的数据无效。 硬件监视法 ：通过外加电路，使Cache能观察到主存已影响区所有读写。 划出不可高速缓存存储区法 ：主存中一个区块不能映像到多个Cache中。 Cache清除法 ：当Cache写主存时，就清楚其它Cache中数据。3. 新的融合型存储器 作为闪存后继技术的新型存储器,当前开发中的MRAM(磁阻RAM),OUM(相变