微处理器系统结构与嵌入式系统-第五章-存储器

微处理器系统结构与嵌入式系统设计第五章存储器系统5.1存储器件的分类5.2半导体存储芯片5.3存储系统的层次结构

存储系统的分层管理

地址映射技术

3.

现代计算机的多级存储体系

5.4主存储器设计技术

存储芯片选型存储芯片的组织形式地址译码技术

存储器接口设计决定芯片片选信号的实现两级译码；全译码、部分译码、线译码；固定、可变存储介质(存储原理)、读写策略(存取方式)容量扩展；基本结构（RAM、ROM）、性能指标并行、多端口、联想（改善主存的访问速度和吞吐量）2023/2/42/545.1.1不同的存储原理双极型：

MOS型掩膜ROM一次性可编程PROM紫外线可擦除EPROM电可擦除E2PROM快闪存储器FLASH易失性存储器非易失性存储器静态SRAM动态DRAM存取速度快，但集成度低，一般用于大型计算机或高速微机的Cache；速度较快，集成度较低，一般用于对速度要求高、而容量不大的场合（Cache）集成度较高但存取速度较低，一般用于需较大容量的场合（主存）。半导体存储器磁介质存储器磁带、软磁盘、硬磁盘（DA、RAID）光介质存储器只读型、一次写入型、多次写入型2023/2/43/545.1.2不同的读写策略数据访问方式并行存储器(ParallelMemory)串行存储器

(SerialMemory)数据存取顺序随机存取（直接存取）可按地址随机访问；访问时间与地址无关；顺序存取

(先进先出)FIFO、队列(queue)堆栈存储先进后出(FILO)/后进先出(LIFO)；向下生成和向上生成；实栈顶SS、堆栈指针SP；2023/2/44/54堆栈的生成方式2023/2/45/54堆栈建立与操作示例堆栈段起始地址栈底及初始栈顶（a）向下生成堆栈的建立及初始化（b）入栈操作（实栈顶）（c）出栈操作（实栈顶）

地址存储单元10200H10202H10204H10206H10208H1020AH1020CH……10230H0011

SS1020SP初值

0030栈顶PUSHAX1234PUSHBX1AB110200H10202H10204H10206H10208H……1022CH1022EH10230H0011

SS1020SP0030栈底堆栈段起始地址12341AB1002E002CPOPAXPOPBX10200H10202H10204H10206H10208H……1022CH1AB11022EH123410230H0011

SS1020

SP002C(栈底)堆栈段起始地址002E0030

1AB1

12346/422023/2/46/545.2.1静态RAM的六管基本存储单元集成度低，但速度快，价格高，常用做Cache。T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T4为负载管。如A点为数据D，则B点为数据/D。T1T2ABT3T4+5VT5T6行选择线有效（高电平）时，A、B处的数据信息通过门控管T5和T6送至C、D点。行选择线CD列选择线T7T8I/OI/O列选择线有效（高电平）时，C、D处的数据信息通过门控管T7和T8送至芯片的数据引脚I/O。2023/2/47/54动态RAM的单管基本存储单元集成度高，但速度较慢，价格低，一般用作主存。行选择线T1B存储电容CA列选择线T2I/O电容上存有电荷时，表示存储数据A为逻辑1；行选择线有效时，数据通过T1送至B处；列选择线有效时，数据通过T2送至芯片的数据引脚I/O；为防止存储电容C放电导致数据丢失，必须定时进行刷新；动态刷新时行选择线有效，而列选择线无效。（刷新是逐行进行的。）刷新放大器2023/2/48/54读写控制逻辑R/WCE数据缓冲器（三态双向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…RAM芯片的组成与结构（一）该RAM芯片外部共有地址线L根，数据线N根；该类芯片内部采用单译码（字译码）方式，基本存储单元排列成M*N的长方矩阵，且有M=2L的关系成立；字线0字线M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址译码器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位线0位线N-1存储芯片容量标为“M*N”（bit）D0DN-1地址线数据线控制线2023/2/49/54RAM芯片的组成与结构（二）该RAM芯片外部共有地址线2n根，数据线1根；该类芯片内部一般采用双译码（复合译码、重合选择）方式，基本存储单元排列成N*N的正方矩阵，且有M=22n=N2

的关系成立；0,00,N-1N-1,0N-1,N-1………D0D0DN-1DN-1…Y0YN-1Y地址译码器Y地址寄存器……AnAn+1A2n-1X地址译码器X0X1XN-1……A0A1An-1X地址寄存器…DD数据缓冲器（三态双向）D0读写控制存储芯片容量标为“M*1”（bit）数据线控制线地址线2023/2/410/54静态RAM芯片的引脚特性从三总线的角度看：1.地址线数目A、数据线数目D与芯片容量（M×N）直接相关：2A=MD=N2.控制信号应包括：片选信号和读/写信号所以，6264容量：

213×8＝8K×8可见6264为RAM芯片711/422023/2/411/54产品出厂时存的全是1，用户可一次性写入，即把某些1改为0。但只能一次编程。

存储单元多采用熔丝－低熔点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。编程时VCC和字线电压提高可编程只读存储器PROM2023/2/412/54紫外线可擦除ROM(UVEPROM)擦除：用紫外线或X射线擦除。需20~30分钟。缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速度低。

浮栅上电荷可长期保存在125℃环境温度下，70%的电荷能保存10年以上。2023/2/413/54写入（写0）擦除（写1）读出

特点：擦除和写入均利用隧道效应。浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。电可擦除的ROM(EEPROM)2023/2/414/54快闪存储器(FlashMemory)

（1）写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10s。

（2）擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接12V脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。

（3）读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。2023/2/415/54半导体存储芯片的主要技术指标存储容量存取速度功耗可靠性工作电源电压、工作温度范围、可编程存储器的编程次数、成本

注意存储器的容量以字节（B）为单位，而存储芯片的容量以位（b）为单位。

即存取时间，以ns为单位，也可用存取时间Ta、存取周期Tm和存储器带宽Bm等表示。可用平均故障间隔时间来衡量以mW/芯片或µW/单元为单位2023/2/416/54存储容量单位1kilobyteKB=1000(103)Byte1megabyteMB=1000000(106)Byte1gigabyteGB=1000000000(109)Byte1terabyteTB=1000000000000(1012)Byte1petabytePB=1000000000000000(1015)Byte1exabyteEB=1000000000000000000(1018)Byte1zettabyteZB=1000000000000000000000(1021)Byte1yottabyteYB=1000000000000000000000000(1024)Byte1nonabyteNB=1000000000000000000000000000(1027)Byte1doggabyteDB=1000000000000000000000000000000(1030)Byte

23.32=10210220230……2023/2/417/54存储器是计算机的核心部件之一。如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。现代计算机系统通常把不同容量、不同速度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。存储器结构5.3存储器分层结构设计目标整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn二.操作策略映像规则：用于确定一个新的块（页）被调入本级存储器时应放在什么位置上。查找规则：用于确定需要的块（页）是否存在本级存储器中以及如何查找。替换规则：用于确定本级存储器不命中且已满时应替换哪一块（页）。写规则：用于确定写数据时应进行的操作。2023/2/419/54分段与分页技术分段存储器的分段管理；由多个寄存器表示访问的实际地址；逻辑地址（段基址：段内偏移）物理地址；分页

虚拟存储器的分页管理；页号与页内地址结合表示访问的实际地址；逻辑地址（页基址：页内偏移）物理地址；2023/2/420/54存储器的地址映射

地址映射也叫地址重定位，指将用户程序中的逻辑地址，转换为运行时机器可直接寻址的物理地址。有效地址、虚拟地址分页技术页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关；页长由系统确定，大小固定，用户不可见；页面只能以页大小的整倍数地址开始，页一般不能共享；分段技术

段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构所决定；段长由用户确定（用户可见），大小不固定；

段可从任意地址开始，段内连续编址，段间不一定连续；2023/2/421/54虚拟地址———————>物理地址MMU地址映射表程序空间、逻辑地址空间实存空间、硬件地址空间分页映射分页技术：页的大小固定；虚拟地址到物理地址；分段技术：

段的大小可变；逻辑地址到物理地址；现代计算机的四级存储结构：寄存器＋Cache＋主存＋辅存CPU内部高速电子线路(如触发器)一级：在CPU内部二级：在CPU外部一般为静态随机存储器SRAM。一般为半导体存储器，也称为短期存储器；解决读写速度问题；包括磁盘（中期存储器）、磁带、光盘（长期存储）等；解决存储容量问题；其中：cache-主存结构解决高速度与低成本的矛盾；主存-辅存结构利用虚拟存储器解决大容量与低成本的矛盾；2023/2/424/54现代计算机中的多级存储器体系结构寄存器组特点：读写速度快但数量较少；其数量、长度以及使用方法会影响指令集的设计。组成：一组彼此独立的Reg，或小规模半导体存储器。RISC：设置较多Reg，并依靠编译器来使其使用最大化。Cache高速小容量(几十千到几兆字节)；借助硬件管理对程序员透明；命中率与失效率；主（内）存编址方式：字节编址信息存放方式：大/小端系统、对齐方式辅（外）存信息以文件(file)的形式存放，按块为单位进行存取。虚拟存储技术2023/2/427/54Cache技术和虚拟存储器技术相同点：以存储器访问的局部性为基础；采用的调度策略类似；对用户都是透明的；不同点：划分的信息块的长度不同；Cache技术由硬件实现，而虚拟存储器由OS的存储管理软件辅助硬件实现；28/42Cache块：8～64字节虚拟存储器块：512～几十K个字节2023/2/428/54cache的功效设cache的存取时间为tc，命中率为h，主存的存取时间为tm，则平均存取时间：ta=tc×h+(tc+tm)×(1-h)。【例5.1】某微机存储器系统由一级cache和主存组成。已知主存的存取时间为80ns，cache的存取时间为6ns，cache的命中率为85%，试求该存储系统的平均存取时间。ta=6ns×85%+86ns×(1-85%)=5.1+12.9=18nscache的命中率与cache的大小、替换算法、程序特性等因素有关。cache未命中时CPU还需要访问主存，这时反而延长了存取时间。

2023/2/429/54大/小端模式：多字节数据存储2023/2/430/54对齐方式：

不同宽度数据的存储方式按整数边界对齐存储可以保证访存指令的速度按任意边界对齐存储可以保证存储空间的利用2023/2/431/545.4存储器设计:存储芯片的选择

确定类型根据不同应用场合的特点确定采用何种类型的芯片，如考虑选用SRAM还是DRAM，是否需要E2PROM、FLASH等等；确定具体型号及数量根据容量、价格、速度、功耗等要求确定芯片的具体型号和数量思考：若要求扩展64K容量的内存，以下几种选择哪种最优？

64K*1的芯片数量N＝(64K*8)/(64K*1)＝1*8片;8K*8的芯片数量N＝(64K*8)/(8K*8)＝8*1片；

16K*4的芯片数量N＝(64K*8)/(16K*4)＝4*2片；

显然，芯片的种类和数量应越少越好；在芯片数量相同的情况下应考虑总线的负载能力和系统连接的复杂性。从总线负载和系统连接来看，第一种选择较好。32/422023/2/432/54内（主）存储器的基本结构存储芯片存储模块存储体

进行位扩展以实现按字节编址的结构

进行字扩展以满足总容量的要求存储体、地址译码、数据缓冲和读写控制

位扩展：因每个字的位数不够而扩展数据输出线的数目；

字扩展：因总的字数不够而扩展地址输入线的数目，所以也称

为地址扩展；并行存储器、多端口存储器、相联存储器等2023/2/433/54存储芯片的位扩展⑧64K*1I/O⑦64K*1I/O⑥64K*1I/O⑤64K*1I/O④64K*1I/O③64K*1I/O②64K*1I/O①64K*1I/OA0~A15R/WCSD0D7…等效为64K*8A0~A15D0~D7R/WCS用64K×1bit的芯片扩展实现64KB存储器

进行位扩展时，模块中所有芯片的地址线和控制线互连形成整个模块的地址线和控制线，而各芯片的数据线并列（位线扩展）形成整个模块的数据线（8bit宽度）。

34/422023/2/434/54存储芯片的字扩展用8K×8bit的芯片扩展实现64KB存储器64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效为A0~A12R/WD0~D7⑧64K*1D0~7⑦64K*1D0~7⑥64K*1D0~7⑤64K*1D0~7④64K*1D0~7③64K*1D0~7②64K*1D0~7CS1①8K*8D0~7CS3-8译码器Y0Y1Y7………A13

A14

A15

进行字扩展时，模块中所有芯片的地址线、控制线和数据线互连形成整个模块的低位地址线、控制线和数据线

，CPU的高位地址线（扩展的字线）被用来译码以形成对各个芯片的选择线——片选线。

2023/2/435/54存储芯片的字、位同时扩展用16K×4bit的芯片扩展实现64KB存储器16K*416K*4A0~A13R/WD0~D3D4~D72－4译码器A15A14CS64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效为16K*416K*416K*416K*416K*416K*4

首先对芯片分组进行位扩展，以实现按字节编址；

其次设计个芯片组的片选进行字扩展，以满足容量要求；2023/2/436/54并行

存储器4体交叉存储器2023/2/438/54在下图所示的低位多体交叉存储器中，若处理器要访问的字地址为以下十进制数值，试问该存储器比单体存储器的平均访问速率提高多少(忽略初启时的延时)？(a)1，2，3，4，…，100(b)2，4，6，8，…，200(c)3，6，9，12，…，3002023/2/439/54（a）4个存储体访问可以交叉进行，访问速率可达到单体存储器的4倍。（b）2个存储体访问可以交叉进行，访问速率可达到单体存储器的2倍。（c）4个存储体访问可以交叉进行，访问速率可达到单体存储器的4倍。双端口存储器相联（联想）存储器地址译码技术:两级物理地址译码方案读/写控制信号、数据宽度指示信号、传送方式指示信号，等2023/2/442/54假设某系统地址总线宽度为20bit，现需要将0C0000H~0CFFFFH地址范围划分为8个同样大小的地址空间，提供给总线上的8个模块，试设计相应的译码电路。全译码电路的实现部分译码方式

最高段地址不参与译码，将会因此存在地址重叠，且模块地址不连续。45/422023/2/445/54线译码方式需较多选择线，且同样存在地址重叠，且模块地址不连续。思考：试写出各芯片占用的地址空间。2023/2/446/5474LS1383-8译码器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY700010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOW&端口译码电路练习:分析图中74LS138各输出端的译码地址范围。2023/2/447/54三种译码方式的比较全译码

系统所有地址线全部都应该参与译码：低段地址线应直接接在模块上，寻址模块内单元；中段地址线译码后产生片选信号区分不同模块；高段地址线可用作片选信号有效的使能控制；部分译码

高段地址信号不参与译码，会造成地址空间的重叠及不连续。线译码

电路结构简单，但系统必须保证参与片选的地址线不能同时为有效电平；同部分译码法一样，因为有地址信号不参与译码，也存在地址重叠及不连续的问题；2023/2/448/54设计一个地址译码电路，要求每个模块内占用地址数为4，模块地址在1000H~13DFH范围内可选49/42*2023/2/449/54