数字电路chap5new课件

《计算机结构与逻辑设计》第五章存储器目录主存储器只读存储器其他存储器存储器的层次化体系与管理虚拟存储器的概念

存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码（地址码），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一个“字”）。存储器类别主存储器半导体存储器辅助存储器 磁表面存储器 光学存储器按用途分类计算机对存储器的要求容量大速度高成本低主要计算机存储器： 内存、硬盘、软盘、光盘、U盘等内存磁盘与光盘移动存储§5.1主存储器存储器的基本结构线性译码器基本静态存储单元双向译码方式与相应的静态RAM基本存储单元存储器的容量扩展静态RAM的概念及其读写过程动态RAM的基本存储单元MAR和MDR随机存取存储器2n个字每字m位存储器地址寄存器存储器缓冲寄存器n位m位线性译码器一维存储矩阵静态RAM单向（一维）译码方式和双向（二维）译码方式例256×1位二维存储矩阵RAM及其静态基本存储单元二维矩阵存储矩阵示意图字扩展各片RAM对应的数据线联接在一起；低位地址线也并联接起来，而高位的地址线，首先通过译码器译码，然后将其输出按高低位接至各片的片选控制端。位扩展把所有的地址线，R/W,CS连接在一起，数据线并列使用,每一片的I/O端作为整个存储器的一位。例1：存储容量为512×4，8K×8和256K×1的SRAM各有多少根地址线和数据线？例2：要扩展为8K×8的RAM，需要几片512×4的RAM？例3：2114是1K×4的SRAM1）要用多少片2114芯片组成4K×8的SRAM？2）4K×8的SRAM需要多少地址线？3）扩展是否还需要其它芯片？A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0方法：先进行位扩展，构成4×4再进行字扩展，构成8×4（或相反）位扩展——地址、控制端并联，输出端分别输出A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0字扩展——地址、R/W端并联，输出端分别并联用高位地址控制片选端A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA21A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D01D3D2错误情况：将8×4做成了16×2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216×2只作了字扩展,未做位扩展A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×41位地址码变成了2位地址码A3A2=01时选中左边,A3A2=10时选中右边,然则A3A2=00或11时，二片皆不工作,电路无输出.A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0

1A3A3=0时D1D0有输出D3D2无输出,而A3=1时D1D0无输出D3D2有输出，输出并非4位，且不相同A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×4与前面一样的错误每一组用2只存储器只相当于一只存储器A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216k字节64k字节字扩展8k×18k×8位扩展静态随机操作存储器（SRAM）以R-S触发器为核心在保证电源和没有新内容写入操作时，状态能永久保持优点：速度快、操作简单缺点：功耗大、集成度低、成本高一维矩阵的静态基本存储单元SRAM读周期工作波形时序SRAM写周期工作波形时序SRAM的特点(1)非破坏性的读出(2)速度较快:与CPU一样都是用门或触发器等逻辑器件构成的,其延迟时间与CPU在同一数量级(3)功耗大:构成它的触发器中的MOS管任何情况下总有一个是导通的,那么电源和地之间总有电流流过,因此功耗大,妨碍了集成度提高(4)所用管子数目多:制作时占用硅片面积较大,影响集成,且成本高动态随机操作存储器（DRAM）以电容为储能核心MOS晶体管负责电容充放电回路的通断存储信号有漏电问题，需要定时刷新（Refreshing）信号读出有破坏性，需要补充再生（Regeneration）DRAM与SRAM的主要区别是DRAM的存储元不能长期保持信息（尽管电源不变）单管存储单元DRAM工作波形时序DRAM工作逻辑图SRAM和DRAM比较DRAM之所以称之为动态，是因为DRAM在储存数据时，利用的是MOS管的栅极电容存储电荷的原理，实际操作时，一直在重复着充放电的过程，因此会产生时间的延迟SRAM一般采用6个MOS管来储存1个位元，不需要反复充电，所以速度会比较快，因此称之为静态，即表示只要电源不断，SRAM的数据就不会丢失SRAM和DRAM的比较种类用途存取速度成本基本元件挥发性充电耗电量集成度SRAMCache较快高触发器否不需要高低DRAM主存较慢低电容是需要低高只读存储器ROM固定ROM可编程ROMEPROM（erasablePROM（紫外线擦除）E2PROM（electricallyEPROM）反熔丝只读存储器是存放固定程序信息的器件，它的信息是在制造时或用专门的写入装置写入的。这种器件在正常工作时只能读出而不能写入信息，即使切断电源，器件中的信息也不会消失。只读存储器（ROM）地址译码器存储矩阵读出控制读出放大器A0An-1W0W2n-1B0B1Bm-1只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速地修改或重新写入数据。优点：电路结构简单，断电后数据不会丢失缺点：只适用于那些存储固定数据的场合ROM基本结构非易失性过去只能读出、不能写入现在写入机制不断完善分两大类 固定ROM可编程ROM固定ROM字线位线掩模工艺一次性制造成本低设计风险高12345678输出电路存储矩阵字线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0译码器K:输出控制端W3W0W2W1000101111100110011001001地址A1A0D3D2D1D0内容A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D00译码器K:输出控制端

给出任意一个地址码，译码器与之对应的字线变为高电平，进而从位线上便可输出四位数字量。字线位线图中存储器的内容如左表掩膜ROM

又称固定ROM，生产厂利用掩膜技术把信息写入存储器中。按使用的器件可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM三种类型。在这里主要介绍二极管掩膜ROM。（1）ROM电路的结构◆存储矩阵存储单元可以用二极管、双极型三极管或MOS管构成。◆地址译码器◆输出缓冲器

输出缓冲器的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。（2）ROM电路的工作原理A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110A1

A0W0

W1

W2

W3001000010100100010110001010100011011可编程只读存储器（PROM）一次编程ROMEPROMEEPROM即E2PROMFlashROM一次编程ROM（PROM）（1）熔丝工艺（2）反熔丝工艺

有一种可编程序的ROM，在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为“0”,然而只能改写一次，称其为PROM。

若将熔丝烧断，该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。EPROM工艺FAMOS(Floating-gateAvalanche-injectionMOS)EPROM的另外一种广泛使用的存储器。EPROM可以根据用户要求写入信息，从而长期使用。当不需要原有信息时，也可以擦除后重写。若要擦去所写入的内容，可用EPROM擦除器产生的强紫外线，对EPROM照射20分钟左右，使全部存储单元恢复“1”，以便用户重新编写。4.E2PROM

E2PROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它称为电擦除可编程只读存储器，又可写为EEPROM。其主要特点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据而不需保护电源。特别是最近的+5V电擦除E2PROM，通常不需单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除，使用非常方便。ROM的应用举例1.用于存储固定的专用程序2.利用ROM可实现查表或码制变换等功能

查表功能－－查某个角度的三角函数

把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，这称为“造表”。使用时，根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数值，这就称为“查表”。

码制变换－－把欲变换的编码作为地址，把最终的目的编码作为相应存储单元中的内容即可。3.实现逻辑函数例:试用ROM实现下列各函数：RAM和ROM之比较种类RAMROM读取数据可可写入数据可传统的通过掩模工艺生产的ROM只能一次性制造，EPROM、EEPOM、Flash-ROM等可编程的ROM可透过特殊方式重新写入数据记忆资料随外部电源关闭而消失（易失性）不随外部电源关闭而消失（非易失性）功能储存计算机运行时用到的一般的数据和资料储存固定不变的数据和程序，如开机程序计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息EPROM。磁表面存储器优点：存储容量大，位价格低；记录介质可以重复使用；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；非破坏性读出，读出时不需要再生信息。缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器磁表面存储器写电流磁环磁化磁环缺口处形成漏磁场磁层小区域磁化撤去写电流，剩磁仍存在

写入信息磁层在磁头下高速运动磁通不断变化读线圈感应电势放大整形处理磁化元的磁力线通过磁头形成闭合磁通回路读出信息磁头与磁表面存储器磁层之间的相对运动非归零码的读出波形（a）归零码（b）归偏码（c）非归零码非归零码的读出技术归零码与归偏码的读出波形磁表面存储器的特点（1）非破坏性读出（2）非易失性存储、可重复使用（3）记录密度高，容量大，价格/位低（4）存取速度慢，机械结构复杂光学存储原理与光学存储器激光穿孔代替机械穿孔存储密度高、信息保存时间长成本不断下降可写/可擦除光盘（CD-R/CD-RW）已推广1.

类型：a.只读光盘存储器,如，CD-ROMb.只写一次型光盘存储器，如，CD-Rc.可擦除型光盘存储器，如，MO、PC2.存储原理利用激光束在记录表面上存储信息:将激光束聚焦成1µm左右的微小光点，使能量高度集中，在记录介质上产生物理或化学变化而存储信息。读出时，激光束在介质上扫描，根据反射光的变化判断记录的数据。写入方式:(1)形变：只读型和只写一次写入情况。(2)相变（PC）：可擦除型

(3)磁光（MO）存储：可擦除型存储介质为吸光能力很强、熔点较低的金属薄膜。激光照射能形成凹坑。有些光存储介质在激光照射下，晶体结构会发生变化。从晶态变为非晶态。擦除时，用较长时间、光度稍弱些的光脉冲使它恢复原状。存储介质是易于垂直磁化的磁性薄膜。利用激光照射降低介质的娇顽力。在弱磁场下，使磁化翻转。擦除时，外加与写入相反的磁场，使它恢复原状。存储器的层次化体系解决存储器速度与成本之间的矛盾光盘机外机内磁带辅存（磁表面存储器）主存（半导体存储器）超高速缓存SRAMCPUDRAM超高速缓存与主存之间的数据交换辅存主存CacheCPUCacheCache能高速向CPU提供指令和数据，加快程序的执行速度超高速缓存数据调回主存原则先进先出原则（FIFO）最少使用者先出（LeastRecentlyUsed）命中率与平均访问时间Cache的命中率H：