第五章-存储器

第五章存储器5.1现代高档微机系统的存储器体系结构5.2半导体存储器概述5.3内存储器的构成原理5.4PC系列微机的内存储器组织5.5常用外存储器（设备）5.1现代高档微机系统的存储器体系结构5.1.1分级存储器结构5.1.2虚拟存储器结构5.1现代高档微机系统的存储器体系结构5.1.1分级存储器结构分级存储器结构示意图CPU内部寄存器高速缓冲存储器(Cache)内存储器外存储器容量增速度、位价格减高速缓存的引入，把慢速的内存当高速内存来使用。

虚拟存储器技术是在内存与外存之间引入相应的硬件和软件，把大容量的外存当大容量的内存来使用。1CPU内部寄存器第一级存储器，由高速逻辑电路构成，速度最高的一级，读写通常只需一个时钟周期。数量较少，十几个到几十个。2高速缓冲存储器（Cache）第二级存储器，由存取速度较高(存取时间小于20ns)的SRAM存储芯片构成。早期Cache只有几百至几千字节，目前已达兆字节。3内存储器第三级存储器，由存取速度较慢（存取时间60ns~100ns）的DRAM存储芯片构成。内存容量一般在几百兆字节以上，甚至几个到几十个吉字节。4外存储器第四级存储器，由磁带、软盘、硬盘、光盘及其驱动器等组成。存取速度比内存慢很多，但容量大，达几百到几千吉字节。5.1.2虚拟存储器结构虚拟存储器技术是在内存与外存之间引入相应的硬件（存储管理部件）和软件(操作系统)，把大容量的外存当大容量的内存来使用。存储管理部件的作用是将虚地址转换为物理地址。操作系统负责将程序或数据由外存调入内存（同时，可能将一部分程序或数据由内存调入外存。）

5.2半导体存储器概述5.2.1半导体存储器的分类5.2.2半导体存储器的基本结构5.2.3存储器芯片的外部接口特性5.2.4存储器的性能指标5-105-115.2.1半导体存储器的分类•ROM的类型•RAM的类型掩模ROMPROM

EPROM

E2PROMFlashROMSRAM

DRAMIRAMNVRAM半导体存储器从功能和应用角度主要有两大类:FlashMemory的特点:5.2.1半导体存储器的分类兼具有EEPROM、SRAM和DRAM的优点：■速度高、密度大；非易失；■内含命令、状态寄存器，可在线编程；■可整片/按扇区/按页面/按字节擦写；■有数据保护、保密能力。FlashMemory应用：■主板、显卡BIOS■移动存储器■MP3播放器■数码相机、摄像机存储卡

■嵌入式、便携式系统电子盘5.2.2半导体存储器的基本结构基本存储电路按照规则排列成的存储阵列译码方式：单译码和双译码存储信息流动的通道控制整个芯片是否被选通和控制存储信息流动的方向单译码双译码1.各类存储器芯片的通用引脚从与CPU接口的特性看，各类存储器芯片除电源线和地线外，一般都有以下四类外部引脚信号线：用于选择存储器存储单元用于向存储器芯片写入或从存储器芯片读出数据用于选择存储器芯片用于控制存储器芯片中数据的读出或写入存储器芯片的通用引脚A0A1AnD0D1Dm地址线

OEWE数据线读允许片选写允许

CS5.2.3存储器芯片的外部接口特性5.2.4存储器的性能指标1．存储容量

存储器所能容纳二进制信息的总量，基本单位为字节（B）。常用单位有KB、MB、GB、TB。2．存取速度以存取时间来衡量，通常用ns表示。存取时间指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。3．可靠性4．功耗5.3内存储器系统构成原理

如何用多个存储器芯片构成存储器系统并使之与CPU总线正确接口？5.3.1存储体结构的确定5.3.2存储器芯片的选配5.3.3存储器接口的设计采用单存储体结构还是多存储体结构在微机系统中，为能支持多种数据宽度操作，存储器一般都按字节编址，以字节为单位构成。所以：对8位微机，用单体结构对16位微机，用双体结构对32位微机，用4体结构……5.3.1存储器结构的确定1.双体存储器结构示例（80286存储器）A0~A23BHE80286D0~D15地址锁存器A1~A23A0BHE地址总线D0~D7D8~D15数据总线偶数存储体奇数存储体FFFFFEFFFFFC

000002000000000003000001

FFFFFDFFFFFF5.3.1存储器结构的确定2.8体存储器结构示例（Pentium存储器）PentiumA3~A31D0~D63地址锁存器存储体0存储体1存储体2存储体7数据收/发驱动器A3~A31D0~D7D16~D23D56~D63D8~D15D0~D63BE7BE2BE1BE05.3.1存储器结构的确定5.3.2存储器芯片的选配存储器芯片的选用原则存储器芯片的组配1.存储器芯片的选用原则5.3.2存储器芯片的选配1.ROM与RAM的选用3.ROM类型的选用4.芯片型号的选用掩模ROMPROMEPROM

E2PROMFlashROM4个层面2.RAM类型的选用SRAMDRAM内存条2存储器芯片的组配位扩展字扩展字位扩展单片存储器芯片的容量有限或数据宽度不足，不符合实际存储系统的要求，需要用多片组配在一起，以满足存储系统容量和数据宽度的要求。存储器芯片的选配包括芯片的选择和组配两方面。其中，存储器芯片的组配又包括：5.3.2存储器芯片的选配芯片不足8位，通过位扩展，满足（8位）字长要求。例如，用1K×1位芯片组成1KB存储器的位扩展设计如下：地址总线A0A91K×1位76543210DDDD7D6D5DDDD4D3D2D1D0DDA0A9CSWE数据总线•

地址、片选、读/写控制线并连•

数据线分连等效的1K×8位芯片位扩展字扩展字位扩展

例5.1用1K×4b的SRAM芯片Intel2114组成1KB的存储器。解：1KB的存储器其容量为1K，字长为8位。而1片Intel2114的容量为1K,容量满足要求，但数据宽度只有4位，需进行位扩展。用2片即可组成8位存储器，且容量恰好为1K。示意图：地址范围确定：综合考虑片内地址线（A9~A0

）和片选线A10以及其他高位地址线（假设全0）位扩展字扩展字位扩展5.3.2存储器芯片的选配

芯片为8位，但容量不足，通过字扩展，满足字数（地址单元数）要求。例如，用1K×8位的芯片（或芯片组）构成的4KB存储器的字扩展设计如下：字扩展方法：

•

地址线、数据线、读/写等控制线并连

•

片选线分连CSY0Y1Y2Y3译码器

WED0～7810A0～9A10A114K×8位芯片D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(3#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(2#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(1#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(0#)位扩展字扩展字位扩展5.3.2存储器芯片的选配

当存储芯片的字长和存储单元数均不能满足存储器系统的要求时，就需要进行字位全扩展。包括两方面设计：

位扩展设计

字扩展设计例5.3用1K×4b的RAM芯片2114设计容量为2KB的8位单体存储器。实际上就是要解决存储器同CPU三大总线的正确连接与时序匹配问题。而重点又是在地址分配的基础上实现地址译码。1.存储器片选控制方法2.存储器接口设计举例5.3.3存储器接口设计•线选法•局部

译码法•全局

译码法低位地址线直接接片内地址，将余下的高位地址线分别作为芯片的片选信号。1.存储器片选控制方法A0～A10

2KB(0)11A0～A10A11A0～A10

2KB(1)A0～A10

2KB(3)A0～A10

2KB(2)A12A13A14CSCSCSCSA15用于片选的地址线(A14～A11)在每次寻址时只能有一位有效，不允许同时有多位有效，因此，存储空间的利用率低。5.3.3存储器接口设计

存储空间利用率的举例说明假设有2片存储芯片，片内地址线有3位A2A1A0，用A3选第1片，A4选第2片。有效和无效地址如下：译码器A0～A10

2KB(0)11A0～A10A0～A10

2KB(1)A0～A10

2KB(7)A11～A15中任三根CSCSCS部分高端地址线未参与译码，也存在地址重叠和地址不连续问题，一般在线选法不够用，而又不需要全部地址空间时使用，以简化译码电路。对余下高位地址总线中的一部分进行译码，译码输出作为各存储器芯片的片选控制信号。•线选法•局部

译码法•全局

译码法1.存储器片选控制方法5.3.3存储器接口设计关于地址重叠和地址不连续问题有效地址见下表（A13A12

A11译码后作片选）

假设还有两位高位地址线A15A14，则0000H、4000H、8000H、C000H都能访问1#芯片的0号单元，这是地址重叠。如果用A15A13

A11译码后片选，则存在地址不连续的问题，空间利用率就下降。

与前两种译码方法相比，存储空间利用率最高且译出的地址连续，不存在地址重叠问题，但译码电路最复杂。对余下高位地址总线全部译码，译码输出作为各存储器芯片的片选控制信号。•线选法•局部

译码法•全局

译码法无论是局部译码还是全译码，译码方案既可采用门电路译码、译码器芯片译码，还可采用PROM芯片译码等。1.存储器片选控制方法5.3.3存储器接口设计译码器A0～A12

8KB(0)13A0～A12A0～A12

8KB(1)A0～A12

8KB(3)A13～A15CSCSCSY0Y1Y3Y4～Y7存储器接口设计举例例5.1试用2732EPROM芯片为某8位微机系统(地址总线宽度为20位)构建一个32KB的程序存储器，要求存储器地址范围为F8000H至FFFFFH。分析：2732为4K×8位的EPROM芯片。此例不必进行位扩展，但要进行字扩展,即用8片2732芯片将存储器字数扩展到32K个。

∴关键是在地址分配的基础上确定译码方案习题举例解：（1）根据要求列出存储器地址分配表容量分配芯片地址范围容量分配芯片地址范围4KB2732-1F8000～F8FFFH4KB2732-5FC000～FCFFFH4KB2732-2F9000～F9FFFH4KB2732-6FD000～FDFFFH4KB2732-3FA000～FAFFFH4KB2732-7FE000～FEFFFH4KB2732-4FB000～FBFFFH4KB2732-8FF000～FFFFFH外译码(选片)译码允许译码输入内译码(选单元)A19A18A17A16A15A14A13A12ROM(1)ROM(2)ROM(3)ROM(4)000～FFFA11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ROM(5)ROM(6)ROM(7)ROM(8)000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF(全0到全1)0000010100111001011101111111111111111111111111111111111111111111（2）根据要求列出存储器地址分配表(3)确定译码电路片选译码电路1A12A13A14A15A16A17A18A191KΩ+5VCBG2AG1AY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7F8000～F8FFFHF8000～F8FFFHFA000～FAFFFHFB000～FBFFFHFC000～FCFFFHFD000～FDFFFHFE000～FEFFFHFF000～FFFFFH74LS138&G2BIO/M(4)存储器电路1A12A13A14A16A15WAITIO/MA17A18A191kΩY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ABCG2AG2BG174LS138+5VA0～A11273232K×8bitD0～D7CSCSOECSRDCSCSCSCSCS&

解：该例SRAM芯片字长不足8位,需用2个芯片为一组进行位扩展后，再进行字扩展。芯片组位分配地址范围A19A18A17A16A15A14A13

A12

～A00#、2#10010000000～1FFFH90000～91FFFH1#、3#10010010000～1FFFH92000～93FFFH

例5.2试用8K×4位的SRAM芯片为某8088微机系统构成一个16KB的RAM存储器，RAM的起始地址为90000H。(1)列出各芯片组的地址范围和存储器地址位分配（2）用门电路译码来产生2个芯片组的片选信号。字位扩展设计如下：

用8K×4位芯片构成的16KB存储器

A0～A12CS

D0～D3WE8K×4位(1#)

A0～A12CS

D0～D3WE8K×4位(2#)

A0～A12

CS

D0～D3WE8K×4位(0#)&WRD4～D7413A0～A12A19A18A17A16A15A14

A0～A12CS

D0～D3WE

8K×4位(3#)D0～D34≥1≥1A13M/IO

例5.3试用16K×8位的SRAM芯片为某8086微机系统设计一个256KB的RAM存储器系统，RAM的起始地址为00000H。偶数存储体

奇数存储体芯片A19A18A17A16A15A14～

A1A0芯片A19A18A17A16A15A14～

A1A00000000000～FFFFH00000000000～FFFFH11000010000～FFFFH01000010000～FFFFH12000100000～FFFFH02000100000～FFFFFFFFH03000110000～FFFFFFFFH04001000000～FFFFFFFFH05001010000～FFFFH16001100000～FFFFH06001100000～FFFFFFFFH07001110000～FFFFH1解：此例要采用双体结构(8086的外部数据总线为16位)。这时，两个存储体中各存储芯片的地址位分配如下表所示。译码方案选择：※独立的地址译码※统一的地址译码各存储体使用相同的读/写控制信号，而用字节选择信号（A0和BHE）作译码器的使能控制信号。用字节选择信号（A0和BHE）与CPU的读/写信号组合产生各存储体的读/写信号。奇数存储体CSD0～D7D8～D15A1～A14A18A19A15A16A17M/IOBHE

BLE（A0）A0～A13A0～A1316K×816K×8偶数存储体128K×8128K×8RD8814D0～D7D0～D7CSCSCSCSCSCSCSWEOEWEOECSWRG2AG2BG2AG2BY0Y7Y0Y7≥1ABCG1ABCG1用16K×8位的SRAM芯片实现的8086存储器独立的地址译码方案5.4

PC系列微机的内存储器组织5.4.1内存以模组形式构建5.4.2主流内存条标准5.4.1内存以模组形式构建

早期：以内存芯片为单元焊接在主板上。现在：内存储器大多是以“DRAM芯片→存储条→物理Bank→内存储器”的模组形式构建的。即：（1）用若干片DRAM芯片构成一块包含或不包含奇偶校验功能的8位/32位/64位存储条；容量从256KB到2GB不等。（2）用2块/4块/8块存储条构成一个16位/32位/64位的Bank；（3）用奇数个/偶数个/4的整数倍个/8的整数倍个Bank构成CPU具有16位/32位/64位数据总线的微机系统的内存储器。内存条5.4.2主流内存条标准

1．SDRAM内存条标准2.DDR内存条标准3．DDR2内存条标准4．RDRAM内存条标准1．SDRAM内存条标准

标注格式：PCa-bcd-efgh和PCa-bcd-eeffgh标注符号符号含义典型数据举例a表示标准工作频率，用MHZ表示如66MHZ、100MHZ、133MHZ等b表示最小的CL(即CAS纵列存取等待时间)用时钟周期数表示，一般为2或3；c表示最少的

Trcd(RAS相对CAS的延时)用时钟周期数表示，一般为2；d表示TRP(RAS的预充电时间)用时钟周期数表示，一般为2；e/ee表示最大的tAC(相对于时钟下沿的数据读取时间)表达时不带小数点，如54代表5.4nsf/ff表示SPD版本号，

如12代表SPD版本为1.2；g代表修订版本；如2代表修订版本为1.2；h代表模块类型；R代表DIMM已注册，PC100SDRAM内存条标注格式说明举例标注为PC100-322-622R的内存条，表示该内存条遵循PC66/100SDRAM内存标注格式的版本为1.0-1.2版，a=100表示该内存的标准工作频率为100MHzb=3表示纵列存取等待时间3个时钟周期c=2表示RAS相对CAS的延时为2个时钟周期d=2表示RAS的预充电时间为2个时钟周期e=6表示相对于时钟下沿的数据读取时间TAC=6nsf=2表示SPD版本号为2.0g=2表示修订版本为1.2h=R代表DIMM已注册。2.DDR内存条标准标注符号符号含义典型数据举例a表示内存带宽（单位为MB/s）如2100代表内存带宽为2100MB/s，对应的标准工作频率为2100/16=133MHzb表示模块类型R代表DIMM已注册，U代表DIMM不含缓冲区cc表示最小的列存取等待时间CL用时钟周期数表示，表达时不带小数点,如25代表CL=2.5d表示RAS相对CAS的最小延时Trcd用时钟周期数表示e表示RAS的预充电时间TRP用时钟周期数表示ff表示最大的相对于时钟下沿的数据读取时间tAC

表达时不带小数点，如75代表tAC=7.5nsg表示SPD版本号

如0代表SPD版本为1.0标注格式：PCab-ccde-ffg3．DDR2内存条标准

内存条标准名DDR2核心频率总线频率等效传输频率数据传输率PC23200100MHz200MHz400MHz3200MB/sPC24300133MHz266MHz533MHz4300MB/sPC25300166MHz333MHz667MHz5300MB/sPC26400200MHz400MHz800MHz6400MB/s标注格式：PCab-ccde-ffg4．RDRAM内存条标准标注符号符号含义典型数据举例a表示内存容量如256MB、512MB等b表示内存条上的内存颗粒数量如8、16等c表示内存是否支持ECC如ECC，表示内存支持ECCd保留e表示内存的数据传输率，e*1/2=内存的标准工作频率如800代表内存的数据传输率为800MB/s，对应的标准工作频率为800*1/2=400MHZ标注格式：aMB/bcdPCe5.5外存储器外存储器是指需要通过设备接口与微机相连的存储器，也称辅存。主要用作微机系统的后备存储器，用以存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等，也用作虚拟存储器的硬件支持。5.5.1硬盘5.5.2光盘5.5.3U盘磁盘存储器的记录原理硬盘存储器的组成原理硬盘上的信息组织硬盘是微机系统中最主要的外存储器，主要用作大容量的后备存储器和虚拟存储器的硬件支持。5.5.1硬盘

1.磁盘存储器的记录原理5.5.1硬盘

磁表面存储器记录信息原理图磁记录介质载磁体读电路写电路写数据读数据写线圈I读线圈铁芯磁化间隙磁头磁盘运动方向完成“电-磁”转换完成“磁-电”转换2.硬盘存储器的组成原理5.5.1硬盘

主抽组件磁盘片传动抽传动手臂读写磁头前置控制电路主机硬盘控制器硬盘驱动器盘片硬盘存储器的基本结构硬盘机硬盘存储器由硬盘驱动器、硬盘控制器和盘片几大部分组成:温彻斯特磁盘是主机与硬盘驱动器之间的接口。3.硬盘上的信息组织0道n道扇区m扇区2扇区1磁盘的磁道和扇区格式示意图不同记录面上的同一磁道被叫做一个柱面扇区的一个磁道通常是磁盘进行读写的最小信息单位磁盘片是磁存储器的信息记录载体，它的上下两面都可用于记录信息。硬盘一般采用多片结构的磁盘组。硬盘的有关概念及图解硬盘由多片磁盘片组成。一个磁盘片有上下两个记录面（磁面），都可用于记录信息。一个记录面需要一个磁头读写信息，硬盘的磁头数=硬盘的记录面数=2*磁盘片数。一个记录面有多个同心圆，每个同心圆为一个磁道。磁道有编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面一个同心圆叫n磁道。不同记录面上编号相同的磁道构成一个柱面，柱面有编号，同磁道编号。每个磁道（同心圆）等分为若干固定大小的弧段，叫扇区。扇区的编号从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区、3扇区……，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）。