第五章 存储器系统

第5章存储器还有什么事来着？第5章：存储器系统主要内容存储器和存储器件存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接微机系统中存储器的体系结构高速缓冲存储器Cache§5.1存储器和存储器件存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。

程序的自动运行§5.1存储器和存储器件存储器系统的三项主要性能指标:存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。也就是说，采用了一种层次化的体系结构。

§5.1存储器和存储器件存储器的分类1.按构成存储器的器件和存储介质分类

主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。2.按制造工艺双极型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低§5.1存储器和存储器件3.按使用属性（存取方式）随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）：

又称读写存储器，指能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。可读可写、断电丢失。

按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为两种：

静态：双稳态元件，不断电不丢失；

动态：极间电容，需要刷新。§5.1存储器和存储器件只读存储器ROM（Read-OnlyMemory）：

在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。

ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。正常只读、断电不丢失。随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不同的种类。

§5.1存储器和存储器件4.按在微机系统中位置分类主存储器：又称为系统的主存或者内存，位于系统主机的内部，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作；辅存存储器：又称外存，位于系统主机的外部，CPU对其进行的存/取操作，必须通过内存才能进行；缓冲存储器：位于主存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，可用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速度。

详细分类，请看图示§5.1：图5.1存储器的分类主存储器只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）快擦型存储器辅助存储器磁盘磁带光盘缓冲存储器存储器§5.1存储器和存储器件除采用磁、光原理的辅存外，其它存储器主要都是采用半导体存储器本章介绍采用半导体存储器及其组成主存的方法CPUCACHE主存（内存）辅存（外存）§5.1存储器和存储器件二.选择存储器要考虑的因素易失性只读性存储容量速度功耗价格§5.1存储器和存储器件每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量 ＝存储单元数×存储单元的位数＝2M×N

M：芯片的地址线根数

N：芯片的数据线根数

示例：32K×8的SRAM芯片6225612345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVcc62256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256逻辑图M=15,N=8§5.1存储器和存储器件四随机存取存储器RAMRAM(RandomAccessMemory)意指随机存取存储器，其工作特点是：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读／写操作。读写存储器分为静态RAM与动态RAM两种。§5.1存储器和存储器件

SRAM的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵每个存储单元存放多位（4、8、16等）每个存储单元具有一个地址SRAM2114SRAM6264典型芯片1.静态RAM（SRAM）第5章：SRAM芯片2114存储容量为1024×418个引脚：10根地址线A9～A04根数据线I/O4～I/O1片选CS*读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GNDSRAM2114的功能工作方式CS*WE*I/O4~I/O1未选中读操作写操作100×10高阻输出输入第5章：SRAM芯片6264存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CS1*、CS2读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615SRAM6264的功能工作方式CS1*CS2WE*OE*D7~D0未选中未选中读操作写操作1×00×011××01××10高阻高阻输入输出2.动态RAM（需要动态刷新电路才能保持信息）利用电容存储电荷的原理来保存信息，它将晶体管结电容的充电状态和放电状态分别作为1和0。必须配备“读出再生放大电路”进行刷新DRAM2164典型芯片§5.1存储器和存储器件组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失§5.1存储器和存储器件只读存储器ROM

指在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器，因此一个显著的特点是非易失性。用于存取不需要经常改变的信息。在不断发展变化的过程中，ROM器件也产生了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM等各种不同类型。

§5.1存储器和存储器件掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改可编程ROM（PROM）：允许一次编程，此后不可更改，写入过程称为固化程序EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EPROM顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）编程编程后，应该贴上不透光封条EPROM2716EPROM2764EPROM芯片2716存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE*/PGM读写OE*编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2VssEPROM芯片2764存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CE*编程PGM*读写OE*编程电压VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615EPROM2764的功能工作方式CE*OE*PGM*A9VPPDO7~DO0读出001×＋5V输出读出禁止011×＋5V高阻待用1×××＋5V高阻Intel标识00＋12V1＋5V输出编码标准编程01负脉冲×＋25V输入Intel编程01负脉冲×＋25V输入编程校验001×＋25V输出编程禁止1×××＋25V高阻EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，用加电方法，进行在线（无需拔下，直接在电路中）擦写（擦除和编程一次完成）。也可多次擦写有字节擦写、块擦写和整片擦写方法并行EEPROM：多位同时进行串行EEPROM：只有一位数据线EEPROM芯片2864A存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE*读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615§5.1存储器和存储器件FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机(膝上型、笔记本型等)存储器市场，但价格较贵。快擦型存储器具有EEPROM的特点，又可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展一、存储器芯片与CPU的连接在微型系统中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括：地址线的连接；数据线的连接；控制线的连接；§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展存储芯片与CPU总线的连接，有两个很重要的问题：CPU的总线负载能力CPU能否带动总线上包括存储器在内的连接器件？存储芯片与CPU总线时序的配合CPU能否与存储器的存取速度相配合？§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展CPU的总线驱动能力有限单向传送的地址和控制总线，可采用三态锁存器和三态单向驱动器等来加以锁存和驱动双向传送的数据总线，可以采用三态双向驱动器来加以驱动§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展1.存储芯片的数据线2.存储芯片的地址线3.存储芯片的片选端4.存储芯片的读写控制线§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩充数据位这个扩充方式简称“数据宽度的扩充或位扩充”1.数据线2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为“芯片组”位扩充§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为“片内译码”2.地址线第5章：片内译码A9～A0存储芯片000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全1000000000000000000010000000010…111111110111111111101111111111范围（16进制)A9~A0§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量，也就是扩充了主存储器地址范围这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充”进行“地址扩充”，需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现3.片选（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0A9～A0D7～D0CE1K×8（1）A9～A0D7～D0CE译码器000000000100000000001K×8（2）A19A18A17A16A15A14～A0

全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE第5章：片选端常有效令芯片（组）的片选端常有效不与系统的高位地址线发生联系芯片（组）总处在被选中的状态虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现“地址重复”×表示任意（0或1均可）§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展译码：将某个特定的“编码输入”翻译为唯一“有效输出”的过程译码电路可以使用门电路组合逻辑译码电路更多的是采用集成译码器常用的2:4译码器：74LS139常用的3:8译码器：74LS138常用的4:16译码器：74LS154⑴译码和译码器§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展（2）常用的译码方法：全译码、部分译码、线译码全译码：所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址，采用全译码，每个存储单元的地址都是唯一的，不存在地址重复译码电路可能比较复杂、连线也较多全译码示例A15A14A13A16CBAE3138

2764A19A18A17A12～A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全0全100011100001110地址范围A12~A0A19A18A17A16A15A14A13§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展部分译码：只有部分高位地址线参与对存储芯片的译码每个存储单元将对应多个地址（地址重复），需要选取一个可用地址可简化译码电路的设计但系统的部分地址空间将被浪费部分译码示例138A17

A16A11～A0A14

A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19~A15A14~

A12A11~A0一个可用地址1234××10×××10×××10×××10×000001010011全0~全1全0~全1全0~全1全0~全120000H~20FFFH21000H~21FFFH22000H~22FFFH23000H~23FFFH§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展线选译码：只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）虽构成简单，但地址空间严重浪费必然会出现地址重复（一个存储单元对应多个存储地址）一个存储地址会对应多个存储单元多个存储单元共用的存储地址不应使用示例线选译码示例A14A12～A0A13(1)2764(2)2764

CECEA19~

A15A14A13A12~A0一个可用地址12××××××××××1001全0~全1全0~全104000H~05FFFH02000H~03FFFH切记：

A14A13＝00的情况不能出现00000H～01FFFH的地址不可使用§5.2存储器芯片与CPU的连接及其扩展片选端译码小结存储芯片的片选控制端可以被看作是一根最高位地址线在系统中，主要与地址发生联系：包括地址空间的选择（例如接系统的IO/M*信号）和高位地址的译码选择（与系统的高位地址线相关联）对一些存储芯片通过片选无效可关闭内部的输出驱动机制，起到降低功耗的作用第5章：4.存储芯片的读写控制芯片OE*与系统的读命令线相连当芯片被选中、且读命令有效时，存储芯片将开放并驱动数据到总线芯片WE*与系统的写命令线相连当芯片被选中、且写命令有效时，允许总线数据写入存储芯片二存储芯片的扩展位扩充（数据宽度的扩充）当实际存储芯片每个单元的位数和系统需要内存单元字长不等时采用的方法。字扩充（字节数的扩充）当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，但存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数量，就称为字扩展。字位扩充需要同时进行位扩充和字扩充才能满足系统存储容量需求的方法称为字位扩充。（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0A9～A0D7～D0CE1K×8（1）A9～A0D7～D0CE译码器000000000100000000001K×8（2）2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114