x第04章 主存储器与存储系统

1第4章主存储器与存储系统4.1存储器基本概念4.2半导体存储器的结构和原理4.3高速存储器4.4Cache存储器4.5虚拟存储器本章主要内容（1）教学目的与要求掌握存储器的分类、主要技术指标掌握存储器的层次结构理解主存的基本结构和操作掌握SRAM和DRAM的工作原理了解只读存储器2存储器是具有“记忆”功能的部件。在现代计算机中，存储器又称为主存储器或内存储器(简称主存或内存)。它是一组或多组具有数据读写和数据存储功能的集成电路。内存的主要作用是存储运行程序和各种所需的数据以及与外部部件交换信息时作为数据缓冲。34.1存储器基本概念4.1.1存储器的分类1．按存储介质分类磁表面存储器、半导体存储器、光存储器2．按存取方式分类RAM：DRAM、SRAM、NV-RAMROMSAS3．按用途分类主存储器、辅助存储器、Cache451．按存储介质分类（1）磁表面存储器利用磁性材料的两个不同剩磁状态存放二进制代码，容量比较大，但速度慢。（2）半导体存储器是主存储器的主流，读写速度快。（3）光存储器用介质表面的对光的不同光强反射读取数据1和0。62．按存取方式分类（1）随机存储器RAM(RandomAccessMemory)通过指令可以随机地对任何存储单元的内容进行存取，且存取时间与存储单元的物理位置无关。随机存储器分为三类：静态RAM、动态RAM和非易失性RAM。7静态RAM(SRAM)每个存储单元都由一个触发器构成，每个存储单元可以存储一个二进制位，只要芯片不掉电，存储的二进制数据就不会丢失。SRAM芯片的存储密度比较低，功耗也比较大，但存取速度快，常用作高速缓冲存储器(CacheMemory)。2．按存取方式分类8动态RAM(DRAM)动态RAM(Dynamic，DRAM)通过电容充放电来存储二进制信息。由于电容存在漏电现象，因此DRAM芯片需要频繁刷新，以保证数据不丢失。DRAM的存储密度比SRAM高，可用于大容量存储器，如主存等。但由于需要数据刷新操作，使得它的存取速度比SRAM慢。2．按存取方式分类9非易失性RAM(NV-RAM)结合了RAM和ROM的优点，数据是非易失性的(nonvolatileRAM，NV-RAM)。NV-RAM允许CPU对其进行随机读写，同时掉电后数据不会丢失。2．按存取方式分类10(2)只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)任何单元的内容只能读出，不能写入，芯片掉电后数据不丢失。(3)串行存储器SAS(SerialAccessStorage)

SAS在进行数据访问时，必须按某种顺序进行，存取时间与存储单元的物理位置有关。2．按存取方式分类113．按用途分类(1)主存储器主存储器简称主存，又称内存，存放计算机运行期间的执行程序和所需数据，存取速度快。但与辅助存储器相比，存储容量不大，价格较高。12(2)辅助存储器又称外部存储器(简称辅存或外存)，是为了解决主存储器容量不足而设置的储存器。用来存放当前不参加运行的程序和数据。当需要这些信息时，将它们调入内存后使用，CPU不能直接访问外存。外存的存储容量大，位成本低，但读写速度较慢。3．按用途分类13(3)高速缓冲存储器CacheCache的物理位置介于主存储器与CPU之间，用于解决CPU与主存储器之间的速度匹配问题。Cache存取指令和数据的速度更快，但存储容量小。3．按用途分类144.1.2主存储器的主要技术指标1．存储容量

存储容量是指半导体存储芯片所能存储的二进制信息的位数。位(bit)是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位。存储容量的单位一般是K位(Kilobits)、M位(Megabits)等。应用不同，对存储容量的要求也不同。一般情况下，存储容量大有利于提高系统性能。154.1.2主存储器的主要技术指标2．速度通常存储芯片的工作速度慢于CPU的工作速度，所以存储芯片的工作速度直接关系到CPU执行指令的速度。速度是存储芯片的一项重要指标，通常用存取时间和

存储周期来表示。从启动一次存取操作到完成该操作所经历的时间。对存储器进行连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。164.1.2主存储器的主要技术指标3．存储器的可靠性存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure)来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，单位为小时。接收CPU的控制信号，控制存储器操作。存放写入或读出的数据。存储二进制信息的主体，存储器的核心。地址，每个存储单元都有唯一的地址。174.1.3存储器的组成和数据存放存储器基本结构存储容量N×M=2n×M184.1.4存储系统的层次结构衡量存储器有三个指标：

容量、速度、价格/位。

用单一的存储器很难同时满足三个指标。

理想的存储系统应满足：系统容量的要求访问速度与CPU速度相匹配的要求价格成本用存储系统来实现存储系统不是硬件的简单堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器。这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储器容量与容量最大的那个存储器相等或接近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。1920存储器层次结构图214.2 半导体存储器的结构和原理

半导体存储器是当前主存的首选器件，主要由如下部分组成：存储阵列地址译码与驱动读写放大电路时序控制电路等224.2.1随机存储器RAM通过指令可以随机地对存储单元进行读取或改写的存储器。RAM是易失性存储器，掉电后所存数据全部消失。在重要的应用场合应配备后备电源或不间断电源。RAM可以分为静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM231．静态RAM(1)静态RAM的基本结构基本电路为双稳态触发器，每个触发器存放一位二进制数。主要特点：存取速度快，可用于高速缓存Cache等应用场合；不需要刷新电路，扩展电路简单，使用方便；但集成度低，价格较高，功耗也比较大。24静态RAM基本结构25主要引脚地址信号：输入信号，选择存储单元。数据信号：双向信号，存取数据。片选信号：输入信号。存储芯片可进行读写操作的前提是片选信号有效。读写控制信号：输入信号。控制芯片的读或写工作方式。输出控制信号：输入信号。此信号有效时，允许从芯片中读出数据。26(2)静态RAM芯片62646264采用CMOS工艺，容量为8K×8位的高速、低功耗存储芯片。276264的引脚分配图I/O0~I/O7：8条双向数据线；A0~A12：13条地址信号线；，CS2：两条选片信号的引线，当且仅当分别为0和1时，芯片才被选中。：输出允许。只有为0时，才能读出数据。：写允许信号。当为低电平时，允许写入数据；当为高电平，且为低电平时，允许从芯片读出数据。NC：空脚，无电路连接。286264工作方式选择工作方式CS2数据线读操作0110数据输出写操作010×数据输入禁止输出0111高阻未选中1×××高阻未选中×0××高阻292．动态RAM(1)动态RAM的基本结构利用MOS管栅极对其衬底间分布电容的充放电来存储二进制信息。由于电容存在漏电现象。为维持数据，DRAM需要专门的动态刷新电路，周期性对电容执行读出再写入操作。30动态RAM基本结构31(2)动态RAM芯片Intel2164由单管动态MOS存储单元电路构成的随机存取存储器，容量为64K×1位。32Intel2164的引脚意义A0~A7：8根地址信号线；：行地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内行地址锁存器中；：列地址选通信号。有效时将地址信号锁存到片内列地址锁存器中；：写允许控制线，低电平时为数据写入；Din：数据输入引脚；Dout：数据输出引脚。334.2.2只读存储器ROM和闪速存储器1．ROM的主要类型和特点

数据一旦写入，只能读出，不能随意更改，掉电后数据不会丢失。ROM类型：可编程只读存储器PROM可擦写可编程只读存储器EPROM电可擦除可编程只读存储器EEPROM闪存FlashMemory等342．ROM的基本结构ROM的基本结构与RAM相似，ROM仅有数据读取功能，控制信号中不需要读写控制信号线。当输出控制信号无效时，数据输出端处于高阻状态。353．EPROM芯片举例-2716典型的EPROM芯片2716，2K×8位36Intel2716的引脚分配图A0~A10：11根地址线；O0~O7：8位数据线；：片选信号，低电平有效；：数据输出允许控制线，低电平有效；Vpp：编程电压输入线。编程时在该引脚上加上编程电压，。372716工作方式工作方式VppVccO7~O0读出00+5+5数据输出维持1×