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文档简介

第6章存储器系统

本章主要教学内容半导体存储器的基础知识半导体存储器的基本结构、工作原理及与CPU的连接等内容微机系统中的辅助存储器和新型存储器技术第6章存储器系统本章教学目的及要求了解存储器的分类和层次结构掌握常用的RAM和ROM基本结构、原理和特点运用存储器与CPU进行连接和扩展了解新型存储器技术的特性6.1存储器概述

6.1.1存储器的分类1.按存储介质分类半导体存储器(双极型和MOS型)、磁表面存储器和光表面存储器。2.按读写功能分类只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。3.按作用分类

主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器(Cache)6.1.2存储器的常用性能指标1.存储容量存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。用字数×位数表示,也可只用位数表示。如,某动态存储器的容量为109位/片。2.存取速度(1)存取时间:启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间。(2)存取周期:连续两次独立的存储器操作最小时间间隔。3.价格存储器价格常用每位价格来衡量。6.1.3存储系统的层次结构

目前,在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统,主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成。如图6-1所示。

6.1.4半导体存储器的结构

半导体存储器分类双极型(两个背靠背PN结晶体管)MOS型随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)半导体存储器静态RAM(SRAM)动态RAM(DRAM)

掩膜式ROM可编程ROM(PROM)光可擦除PROM(EPROM)电可擦除PROM(E2PROM)闪速存储器(FlashMemory)(MOS:道金属一氧化物一半导体场效应管

)半导体存储器的结构:一般由地址译码器、存储矩阵、读/写控制逻辑和输入/输出控制电路等部分组成,其结构如图所示。6.1.4半导体存储器的结构

1、地址译码器单译码方式双译码方式–大大减少线路数量6.1.4半导体存储器的结构

2、读写控制逻辑R/W(OE/WE)读写允许线(RD/WR)打开数据通道,决定数据的传送方向和传送时刻。CS片选线:选择存储器芯片。当CS信号无效,其他信号线不起作用。6.1.4半导体存储器的结构

3、存储矩阵,输入/输出控制电路存储矩阵:由若干存储单元排列成矩阵形式。每个具有唯一地址的单元可存储一位或者多位二进制数,常用的是8位,对一个字节进行唯一编址,独立访问。输入/输出控制电路:三态双向缓冲器,以便和挂接到系统数据总线上。6.2随机存取存储器(RAM)

随机存取指通过指令可随机地对每个存储单元进行访问,根据程序要求随时读/写,与存储单元地址无关。根据存储原理分为静态RAM和动态RAM。6.2.1静态RAM(SRAM)1.基本存储电路双稳态触发器6.2随机存取存储器(RAM)6.2.1静态RAM(SRAM)2.SRAM的结构16x1位2.SRAM的结构2048字节,128x16个单元,每单元8位6.2.2动态RAM(DRAM)

1.基本存储电路DRAM存储信息基本电路可采用单管、三管和四管电路。单管电路由于集成度高,功耗小,应用越来越多,如图6-8所示,由一只MOS管和一个电容C组成。2.DRAM的刷新专门安排的存储器刷新操作不同于存储器读/写操作,主要表现在如下几点:(1)刷新地址通常由刷新地址计数器产生,而不是由地址总线提供。(2)DRAM基本存储电路可按行同时刷新,刷新时只需要行地址,不需要列地址。(3)刷新操作时存储器芯片数据线呈高阻状态,即片内数据线与外部数据线完全隔离。3.DRAM举例(64K

×1位)64个存储单元,每单元1位6.3只读存储器(ROM)ROM是一种工作时只能读出不能写入的存储器。使用ROM时,其内部信息不能改变,一般只存放固定程序,如监控程序、BIOS程序等。ROM特点是非易失性,所存储的信息一经写入就可长久保存,不受电源断电的影响。按存储单元结构和生产工艺的不同,ROM可分为:掩膜ROM可编程PROM光可擦除EPROM电可擦除E2PROM闪速存储器6.3.1掩膜ROM

掩膜ROM存储的信息是在制造过程中写入的。

图6-10所示为一个简单的4×4位MOS管掩膜ROM,采用单译码结构,两位地址线A1、A0译码后可译出4种状态,输出4条行选择线,分别选中4个单元,每个单元有4个二进制位,有4条列选择线输出。

6.3.2可编程PROM为便于用户根据需要决定ROM中所存储信息,出现可编程只读存储器PROM。由用户在使用前一次性写入信息,写入后只能读出,不能修改。6.3.3光可擦除EPROM(紫外线)这种存储器利用编程器写入后,信息可长久保持。当其内容需要变更时,可利用擦除器将其所存储信息擦除,使各单元内容复原为FFH,再根据需要利用EPROM编程器编程。

6.3.4电可擦除E2PROM能在应用系统中进行在线读写,即用加电的方式来实现芯片擦除和重新写入,在断电情况下芯片所保存的数据信息也不会丢失。6.3.5闪速存储器具有RAM的易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点,又有ROM断电后信息不丢失等优点。6.4存储器的扩展与寻址

要组成一个大容量定字长的存储器模块,通常需要几片或几十片存储器采用一定的连接方式在字向和位向两方面进行扩展。

6.4.1位扩展芯片中每个单元位数不能满足系统要求,需在位向上进行扩展。目的:1024×8位RAM每片2114:1024×4位,有10根地址线和4根数据线。地址线宽度够即寻址1024个单元数据线宽度不够,只有4位进行[拼装],拓展数据宽度位扩展特点:

①存储芯片的地址线,片选信号线及控制信号线均并联

②数据线按数据位的高低顺序分别连到数据总线上 (数据线拼装)6.4.2字扩展字扩展是芯片每个单元数据位数可满足系统要求,但存储容量(单元总数)不够,需要在字向上扩展。用16K×8芯片组成64K×8的存储器字扩展如图。图6-13字扩展示意图字扩展特点:①存储器芯片的地址线、数据线、读、写控制信号线均并联

②片选信号线是各自独立被选中的6.4.3字位扩展芯片单元数和数据位数都不能满足存储器的要求,要在字、位两个方向上扩展。如采用2114(1K×4位)组成2K×8位RAM,字、位进行同时扩展。6.4.4存储器的寻址1.线选法简单微机系统存储容量不大,存储器芯片数也不多,可用单根地址线作为片选信号,每个存储芯片或每个I/O端口只用一根地址线选通。

2.全译码片选法将低位地址总线直接连至各芯片的地址线,余下高位地址总线全部参加译码,译码输出作为各芯片片选信号。3.局部译码片选法只对部分高位地址总线译码产生片选信号,剩余高位线或空或直接用做其他芯片片选信号。是介于全译码片选法和线选法间的寻址方法。

6.5存储器与微处理器的连接

6.5.1连接时应注意的问题

1.CPU总线的带负载能力(加接缓冲器或总线驱动器)2.存储器与CPU之间的速度匹配(Tw时钟)

3.存储器组织、地址分配和译码(一般涉及到多片存储芯片的地址安排和连接,片选信号的产生办法等)

6.5.2典型CPU与存储器的连接

1.8086与ROM的连接2.8086与SRAM的连接8086与ROM的连接地址译码器1M/IO2732O7-0A11-0OECECS2732A11-0O7-0CEOERDA11-A0D15-D8D7-D0组成ROM:两片4Kx8位按照位扩展连接成4Kx16位存储器,这种连接方法只能按字访问8086与SRAM的连接组成RAM:四片1Kx4位按照位扩展连接成1Kx16位存储器,A0和BHE单独的信号提供使得可以按字节或字访问CSRDA9-A0A0BHEWRA9-A0D7-D02142WEODCS1CS2A9-A0WED15-D82142ODCS1CS26.6辅助存储器6.6.1硬盘存储器及其接口1.硬盘分类:分为固定磁头磁盘机、活动磁头固定盘片磁盘机和活动磁头可换盘片磁盘机等三类。

2.温彻斯特技术:将硬盘盘片、读写磁头、小车、导轨、主轴及控制电路等组装在一起,制成一个密封式不可拆卸的整体的技术。具有防尘性能好、工作可靠,对使用环境要求不高的突出优点。3.硬盘驱动器4.硬盘控制器5.硬盘驱动器接口:IDE、EIDE和SCSI等。

6.6辅助存储器6.6.2光盘存储器及其接口

1.概述

2.光盘存储器的种类只读型光盘(CD-ROM)只写一次型光盘(WORM)可擦写型光盘3.光盘驱动器

6.7新型存储器技术

6.7.1多体交叉存储器

6.7.2高速缓冲存储器(Cache)

1.工作原理基于程序访问的局部性原理。2.基本结构全相联Cache直接映像Cache组相联Cache3.替换算法6.7.3虚拟存储器1.虚拟存储器的概念2.页式虚拟存储器3.段式虚拟存储器4.段页式虚拟存储器本章小结半导体存储器按存取方式分为随机存取存储器

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