第 5 章 存储器及应用技术

第5章存储器及应用技术5.1存储器概述5.2典型半导体存储器5.3内存储系统设计5.480x86存储系统简介5.5内存5.6外存5.7简单存储系统Proteus仿真设计示例5.1存储器概述

存储器（Memory）是计算机系统中的“记忆”设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果，都保存在存储器中，可以通过控制器发出的命令对存储器进行读写操作。5.1.1主存储器及存储系统的层次结构在高性能的计算机系统中，存储器是一个层次式的存储体系。1．主存储器基本结构主存储器基本结构如图5-1所示，图中显示了主存储器与CPU的连接和信息流通的通道。2．层次结构现代微机系统中存储器的典型层次结构如图5-2所示。呈塔形，越向上，存储器的存取速度越快，访问频率越高；存储器的价格也越高，系统容量越小。反之，访问频率低、存取速度慢，但容量较大。微机系统一般采用内部寄存器组、高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器4级存储结构来组成整个存储系统，以满足各种软件对时间和空间的需求。CPU中的寄存器位于顶端，它具有最快的存取速度，但数量极为有限，向下依次是CPU内部的高速缓冲存储器、主板上的高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器和大容量辅助存储器。位于底部的存储设备，其容量最大，价格最低，但速度最慢3．虚拟存储器在主存储器已经确定的情况下，为了解决在多用户分时系统运行时竞争主存储器空间的矛盾，必须扩大使用的存储空间，虚拟存储技术应运而生。虚拟存储技术就是将存储系统的一部分辅助存储器（如硬盘）与主存储器组合起来并视为一个整体，对两者的存储空间进行统一编址，形成逻辑地址空间。采用软硬件结合的措施，将外存逻辑地址空间自动转换为主存储器的物理地址，将程序代码自动由外存分段调入或调出主存储器，主存储器成为CPU当前正在使用程序和数据的一个区域。这样，对用户来说，允许使用的地址空间不再受主存储器空间的限制。5.1.2存储器分类及特点

根据存储器元件在计算机中所处的位置、存储介质和信息存取方式等，存储器有多种分类方法。

1．按所处位置分类

根据存储器在计算机中的位置不同，可以把存储器分为内部寄存器组、主存储器、辅助存储器

和高速缓冲存储器。

（1）内部寄存器组

内部寄存器组位于CPU内部，存取速度和CPU相当，其数量有限，常用来存放最近要用到的程

序和数据或者存放运算产生的中间结果。

（2）主存储器

主存储器简称内存或主存，其读取速度比CPU慢，由半导体器件构成，容量较小，但价格相对

较高。计算机运行时，CPU需要执行的各种程序及操作的数据必须调入主存。

（3）辅助存储器

辅助存储器，也叫外存储器（简称外存），属于输入输出外部设备，不能被CPU直接访问。通常

采用表面存储方式存放信息，常见的磁盘、光盘、磁带都采用该方式。外存具有容量大、价格低等优点，但存取速度较慢。常用来存放一些暂时不使用的程序、数据和文件，或者一些需要永久保存的程序、数据和文件。

CPU要访问外存中的信息时，需要把外存信息事先调入主存才能被访问，这样使得主存与外存

要进行频繁的数据交换。早期的这种交换过程由程序员来处理，而现在计算机通过辅助的硬件及存储管理软件来完成。在交换过程中，主存与外存被看成一个虚拟的存储器，编程的时候使用一种虚拟地址；访问的时候需要把虚拟地址转换成对应的物理地址，如果访问的数据不在主存中，则由这些辅助硬件及存储管理软件把数据调入主存再进行访问。

（4）高速缓冲存储器

高速缓冲存储器位于CPU内部（一级缓存）及CPU与主存之间（二级缓存）。其存取速度与CPU工作速度相当，但容量远小于主存。增加高速缓冲存储器的目的是减少对主存的访问次数，从而提高CPU的执行速度。CPU读取指令或操作数时，首先访问高速缓冲存储器，若指令或数据在其中则立即读取，否则访问主存。如果设计得当，访问的命中率（当指令或操作数在高速缓冲存储器中时，称为“命中”）可以高达99%。由于高速缓冲存储器容量较小，这使得其价格相对增加不多，从而缓解了速度与成本之间的矛盾。2．按存储器的性质分类

（1）RAM

RAM即随机存储器或读/写存储器，信息可以根据需要随时写入或读出。

根据RAM的结构和功能的不同，可将其分为两种类型，即动态RAM和静态RAM。

①动态RAM（DynamicRAM，DRAM）。

一般由MOS型半导体存储器件构成，最简单的存储形式以单个MOS管为基本单元，以极间的分布电容是否持有电荷作为信息的存储手段，其结构简单，集成度高。但是，如果不及时进行刷新，极间电容中的电荷会在很短的时间内自然泄漏，致使信息丢失。因此，必须为其配备专门的刷新电路。由于DRAM芯片的集成度高、价格低廉，因此多用在存储容量较大的系统中。目前，微型计算机中的主存大都是由DRAM构成的。

②静态RAM（StaticRAM，SRAM）。

它以触发器为基本存储单元，只要不掉电，其所存信息就不会丢失。该类芯片的集成度不如DRAM，功耗也比DRAM高，但它的速度比DRAM快，也不需要刷新电路。在构建小容量的存储系统时一般选用SRAM。在微型计算机中普遍用SRAM构成高速缓冲存储器。

（2）ROM

ROM又称只读存储器，在一般情况下只能读出所存信息，不能重新写入。信息的写入要通过工厂的制造环节或采用特殊的编程方法进行。信息一旦写入，能长期保存，掉电不丢失，因此，ROM属于非易失性存储器件。一般用它来存放固定的程序或数据。

ROM根据结构组成不同，可分为以下5种。

①掩膜式（Masked）ROM：简称ROM。该类芯片通过工厂的掩膜制作，已将信息存储在芯片中，出厂后不可更改。

②可编程（Programmable）ROM：简称PROM。该类芯片允许用户进行一次性编程，此后不能进行更改。

③可擦写（Erasable）PROM：简称EPROM。一般指可用紫外光擦除的PROM。该类芯片允许用户多次编程和擦除。擦除时，可以通过向芯片窗口照射紫外光的方法进行。

④电擦写（ElectricallyErasable）PROM：简称EEPROM，也称E2PROM。该类芯片允许用户多次编程和擦除。擦除时，可采用上电方法在线进行。

⑤闪存（FlashMemory）：是一种新型的大容量、高速度、电可擦除的可编程只读存储器。人们最常用的闪存是USB闪存盘，简称U盘，其特点是小巧便于携带、存储容量大、价格便宜。U盘通过USB接口与计算机交换信息，将U盘直接插到机箱前面板或后面的USB接口上，系统就会自动识别。3．按制造工艺分类按制造工艺的不同，可将半导体存储器分为双极（Bipolar）型和MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）型两类。（1）双极型双极型由TTL（Transistor-TransistorLogic，晶体管—晶体管逻辑）电路构成。该类存储器工作速度快，但集成度低、功耗大、价格偏高。（2）MOS型MOS型有多种制作工艺，如NMOS（N沟道MOS）、HMOS（高密度MOS）、CMOS（互补型MOS）、CHMOS（高速CMOS）等。该类存储器的特点是集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较双极型存储器慢5.1.3存储器的主要性能参数1．存储容量存储容量是指存储器可容纳的二进制信息。微机中存储器以字节为基本存储单元，容量常用存储的字节数来表示。常用单位有B、KB、MB、GB、TB等。需要注意，内存最大容量和内存实际装机容量是两个不同的概念。内存最大容量由系统地址总线决定，而内存实际装机容量是指计算机中实际内存的大小。而目前内存的实际装机容量一般为4GB～16GB。内存允许的最大容量是为其扩展提供条件。2．存取速度存取速度可以用存取时间或存取周期来描述。存取时间是启动一次存储器操作到完成该操作所需时间；存取周期为两次存储器访问所需的最小时间间隔。存取速度取决于内存的具体结构及工作机制。总体上，SRAM速度最快，DRAM其次，ROM的速度最慢。3．可靠性可靠性是指对电磁场及温度变换的抗干扰能力，通常用MTBF（MeanTimeBetweenFailures，平均故障间隔时间）来衡量。MTBF越大，可靠性越高。4．性价比性能主要包括存储容量、存取速度和可靠性3项指标。性价比是一项综合性指标，对不同用途的存储器要求不同。例如，对外存，要求存储容量大、价格低；对高速缓存，则要求速度快，但价格可稍高。在满足性能要求的条件下，应选取性价比高的存储器。5.2典型半导体存储器计算机中配置的内部存储器由半导体介质存储器组成，主要有随机存储器和只读存储器。5.2.1随机存储器随机存储器（RAM）在计算机运行时用来存储临时性信息，在任何时候都可以对其进行读写。RAM通常被作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质。RAM在断电以后，保存在其上的数据会自动丢失。RAM可以进一步分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两大类SRAM的工作过程分为以下3个步骤。①保持。X线平时处于低电平，使门控管Q5、Q6截止，切断触发器与位数据线D、D的联系，触发器保持原来状态不变。②写操作。被选中的存储单元的X线为高电平，使门控管Q5、Q6导通。写“1”时，位数据线D=1、D=0，迫使Q2导通，Q为低电平，经交叉反馈使Q1管截止，Q为高电平（“1”），并维持这个状态，触发器处于“1”状态；写“0”，则反之。③读操作。被选中的存储单元的X线为高电平，使门控管Q5、Q6导通。假定两边位线的负载是平衡的，则Q1、Q点电位就可分别通过Q5、Q6传送到位数据线D、D上，即被读出。

RAM2114：RAM2114为1K×4bit的SRAMA0～A9为地址码输入端，I/O0～I/O3为数据输入输出端，CS为片选端，R/W为读/写控制端。当CS=1时，芯片未选中，此时I/O为高阻态；当CS=0时，芯片被选中，这时数据可以从I/O端输入输出。若R/W=0，则为数据输入（由CPU写入数据），即把I/O端的数据存入由A0～A9所决定的某存储单元里。若R/W=1，则为数据输出，即把由A0～A9所决定的某一存储单元的内容送到I/O端，供CPU读取。2．DRAM（1）存储单元电路结构DRAM电路结构简单，图5-5是由单管构成的基本动态位存储电路，它也是目前高集成度存储芯片所采用的存储单元电路。该存储单元由一个MOS管和一个与源极相连的电容器C构成。在该电路中，存放的信息是“1”还是“0”，取决于电容器C中的电荷。电容器C中有电荷时为“1”，无电荷时为“0”。MN4164：图5-6所示为MN4164的引脚图和功能表，该芯片是一个64K×1bit的DRAM芯片。A0～A7为地址输入线；RAS为行地址选通信号线，兼片选信号作用（整个读写周期，RAS一直处于有效状态）；CAS为列地址选通信号线；WE为读/写控制信号，WE=0时为写控制有效，WE=1时为读控制有效；

Di为1位数据输入线；

Do为1位数据输出线。5.2.2只读存储器在制造只读存储器（ROM）的时候，信息（数据或程序）被存入并永久保存。ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOSROM。其一般是双列直插封装（DualIn-linePackage，DIP）的集成块。1．ROM的结构ROM的特点是信息存入以后，在电路的工作过程中，信息只能被读取，不能被随意改写。（1）ROM存储单元图5-10所示是双极型熔丝性ROM存储单元电路。该电路中，晶体管的射极串接可熔性金属丝，若金属丝导通，位信息为“0”；若金属丝熔断，位信息为“1”。出厂时所有位的金属丝均为完整状态。由于用户只能一次编程写入信息，因此ROM通常也称为可编程只读存储器（PROM）。（2）ROM内部逻辑结构5.3内存储系统设计

利用存储芯片进行存储系统设计时，主要完成的工作包括：确定存储器结构、存储器地址分配及译码、存储器与CPU的接口及编程。

5.3.1确定存储器结构

1．存储器结构的选择

首先要根据应用系统的要求确定ROM和RAM的存储容量。系统软件或经常使用的控制程序，一般应固化在ROM中；程序运行中需要处理的临时数据，应暂存在RAM中；容量较大的文档及数据库信息，应存放在辅助存储器中（如U盘、硬盘）。

2．存储芯片组合方式根据计算机系统的要求，内存具有不同容量与位数的要求。为了满足这种要求，通常采用以下3种方式进行扩展。（1）位扩展（2）容量扩展（3）位与容量同时扩展5.3.2存储器地址分配及译码1．存储器地址分配一个实际存储系统一般需要由多个芯片组成，而这些芯片的容量和结构往往不尽相同。在给定存储芯片后，需要对每个芯片或每组芯片进行地址分配，为它们划分地址范围，才能进行与CPU连接的接口电路设计。进行存储器地址分配，通常可按下列步骤进行。①定义系统地址空间。根据需求和所建存储系统的容量，明确其地址范围。②芯片分组。按照芯片的型号，对它们进行分组。③芯片地址分配。根据芯片的编址单元数目及其在存储系统中的位置，为每个芯片或每组芯片分配地址范围。④划分地址线。地址线可以分为片内地址线和片选地址线两种。2．地址译码

CPU要对存储单元进行访问，首先要通过译码器选择存储芯片，即进行片选，然后在被选中的芯片中选择所需要访问的存储单元。下面介绍3种片选控制方法。（1）全译码法除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部送入“片选地址译码器”（2）部分译码法除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，剩余的部分不全部参与译码的方法称为部分译码法。（3）线选法在剩余的高位地址总线中，任选一位作为片选信号直接与存储芯片的CS引脚相连，这种方法称为线选法。其特点是无须译码器，缺点是有较多的“地址重叠区”。【例5-1】由2114RAM（1K×4bit）组成的存储器如图5-19所示，确定图示电路存储器的容量及地址范围。5.3.4简单存储子系统的设计下面以Intel2716和2114存储芯片为例，说明一般存储系统的设计方法和步骤。

可根据存储芯片的性能、引脚参数及所使用CPU的引脚功能等，参考下列设计方法。设计要求如下。使用Intel2716（2K×8bit）和2114（1K×4bit）为8位微型计算机设计一个有8KBROM和4KBRAM的存储系统。要求ROM安排在从0000H开始连续的地址空间，RAM安排在从8000H开始的地址空间。设计步骤如下。（1）地址空间分配确定需要使用的芯片数量，并进行地址空间分配。根据要求，需用4片Intel2716（8KB/2KB=4）和8片2114（4KB/1KB×2=8）。注意到芯片存储容量中的1KB=1024B=400HB，2KB=2048B=800HB，芯片存储地址空间分配如图5-20所示。（2）确定片内地址及片选地址Intel2716为2K×8bit，片内寻址应使用11位，即A10～A0；

2114为1K×4bit，片内寻址应使用10位，即A9～A0。根据设计要求，找出各芯片的所有存储单元高位地址的共同特征，

（3）确定片选信号表达式的译码电路用电路实现上面的逻辑表达式可以有多种方案。8个逻辑表达式中都含有A14、A13，在采用小规模集成译码器方案时可将A14、A13作为译码器的使能控制，从而减少直接参加译码的信号数目，降低对译码器的要求。方案：用1片三八线译码器，外加一些门电路实现。如图5-21，仅用1片74LS138，对A15、A12、A11译码。这样，可直接产生各片2716的片选信号，但是另外4个输出不能直接作为2114的片选信息，因为译码输出中没有包含A10的作用。为此，将其中2个输出Y4、Y5分别和A10、A10进行“负逻辑与”运算，这样就产生了2114的片选信号

（4）画出存储子系统的总图在确定了片选信号的产生方案后，将各存储芯片与系统地址总线、数据总线及读/写等控制信号连接，如图5-21所示。5.480x86存储系统简介5.4.1并行存储器并行存储器是在一个周期内可以并行读出多个字的存储器。在现代的计算机中，采用的多体交叉并行存储器便是并行存储器的一种，其设计思想是物理上将主存分成多个模块，每个模块都彼此独立，并且允许在任意时刻对多个模块进行独立读或写。通过模块并行工作，可达到提高主存的整体速度1．编址方式2．存储器与80x86CPU的连接3．工作原理5.5内存内存（即主存）由若干大容量DRAM芯片设计而成，并组装在一个条形印制电路板上，使用时只需将它插进主板的内存插座。内存是计算机的主要部件，其规格和质量对系统性能的影响很大。5.5.1DDR内存DDR是DoubleDataRateSDRAM的缩写，即双倍速率同步动态随机存储器。1．封装形式DDR内存按封装形式可分以下两类。①单列直插内存（SingleIn-lineMemoryModule，SIMM），与32位CPU配合使用。②双列直插内存（DoubleIn-lineMemoryModule，DIMM），与64位CPU配合使用。2．内存带宽①DDR的时钟频率有100MHz、133MHz、166MHz、200MHz、266MHz等几种，DDR的工作电压为2.5V，184线，常见容量有128MB、256MB、512MB。3．技术指标内存的技术指标如下。①容量：以字节为单位的存储单元的数量。每种内存都有多种容量规格，可以根据计算机主板可承受的容量和实际需要的容量进行配置。②线数：内存与主板插接时有多少个接触点。SDRAM为168线，DDR为184线，DDR2和DDR3为240线，DDR4已达284线。③时钟频率：内存芯片的基本工作频率。④数据传输频率：芯片每个引脚上传输数据的速率（在芯片型号标识中显示）。⑤数据宽度：内存同时传输数据的位数，多为64位。⑥带宽：内存每秒能传输的数据总量。⑦工作电压：SDRAM工作电压为3.3V