第5微机原理和接口技术应用讲义清华大学

1第5章存储器系统2主要内容：存储器系统的概念半导体存储器的分类及其特点半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接存储器扩展技术高速缓存3§5.1概述主要内容：存储器系统及其主要技术指标半导体存储器的分类及特点两类半导体存储器的主要区别4一、存储器系统51.存储器系统的一般概念将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法连接起来系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近最大的存储器。构成存储系统。62.两种存储系统在一般计算机中主要有两种存储系统：Cache存储系统主存储器高速缓冲存储器虚拟存储系统主存储器磁盘存储器7Cache存储系统对程序员是透明的目标：提高存储速度Cache主存储器8虚拟存储系统对应用程序员是透明的。目标：扩大存储容量主存储器磁盘存储器93.主要性能指标存储容量（S）（字节、千字节、兆字节等）存取时间（T）（与系统命中率有关）命中率（H）T=H*T1+（1-H）*T2单位容量价格（C）访问效率（e）104.微机中的存储器通用寄存器组及指令、数据缓冲栈高速缓存主存储器联机外存储器脱机外存储器片内存储部件内存储部件外存储部件11二、半导体存储器121.半导体存储器半导体存储器由能够表示二进制数“0”和“1”的、具有记忆功能的半导体器件组成。能存放一位二进制数的半导体器件称为一个存储元。若干存储元构成一个存储单元。132.内存储器的分类内存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）14随机存取存储器（RAM）RAM静态存储器（SRAM）动态存储器（DRAM）15只读存储器（ROM）只读存储器掩模ROM一次性可写ROMEPROMEEPROM163.主要技术指标存储容量存储单元个数×每单元的二进制数位数存取时间实现一次读/写所需要的时间存取周期连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间可靠性功耗17§5.2随机存取存储器掌握：SRAM与DRAM的主要特点几种常用存储器芯片及其与系统的连接存储器扩展技术18一、静态存储器SRAM191.SRAM的特点存储元由双稳电路构成，存储信息稳定。p199202.典型SRAM芯片掌握：主要引脚功能工作时序与系统的连接使用21典型SRAM芯片SRAM6264：容量：8KX8b外部引线图外部引脚226264芯片的主要引线地址线：A0------A12；数据线：D0------D7；输出允许信号：OE；写允许信号：WE；选片信号：CS1，CS2。236264的工作过程读操作写操作工作时序243.8088总线信号8088总线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、AEN存储器输入/输出RD、WR254.6264芯片与系统的连接D0~D7A0A12•••WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMR译码电路高位地址信号D0~D7SRAM62648088总线+5V┇265.存储器编址001100001111000001011010低位地址（片内地址）高位地址（选片地址）27存储器地址片选地址片内地址高位地址低位地址内存地址286264芯片的编址片首地址A19A12A0A19A12A00000000000000XXXXXXXXXXXXXX1111111111111片尾地址29存储器编址001100001111000001011010CS00译码器1CS306.译码电路将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号。31译码方式全地址译码部分地址译码32全地址译码用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址。33全地址译码例A19A18A17A16A15A14A13&1CS11SRAM6264CS2+5V01111000346264芯片全地址译码例片首地址A19A12A0A19A12A00000000000000111100011110001111111111111片尾地址该6264芯片的地址范围=F0000H~F1FFFH35全地址译码例若已知某SRAM6264芯片在内存中的地址为：3E000H～3FFFFH试画出将该芯片连接到系统的译码电路。36全地址译码例设计步骤：写出地址范围的二进制表示；确定各高位地址状态；设计译码器。片首地址A19A12A0A19A12A00000000000000001111100111111111111111111片尾地址37全地址译码例A19A18A17A16A15A14A13&1CS1高位地址：0011111SRAM6264CS2+5V0011111038部分地址译码用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同的地址范围。下例使用高5位地址作为译码信号，从而使被选中芯片的每个单元都占有两个地址，即这两个地址都指向同一个单元。39部分地址译码例两组地址：F0000H——F1FFFHB0000H——B1FFFHA19A17A16A15A14A13&16264CS1111000高位地址：1×110001011000，111100040应用举例将SRAM6264芯片与系统连接，使其地址范围为：38000H~39FFFH。使用74LS138译码器构成译码电路。41存储器芯片与系统连接例由题知地址范围：00111000………000111001………1高位地址A19A12A042应用举例D0~D7A0A12•••WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMRD0~D7A19G1G2AG2BCBA&&A18A14A13A17A16A15VCCY043二、动态随机存储器DRAM441.DRAM的特点存储元主要由电容构成；由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息不稳定，故DRAM芯片需要定时刷新。452.典型DRAM芯片2164A2164A：64K×1bit采用行地址和列地址来确定一个单元；行列地址分时传送，共用一组地址信号线；地址信号线的数量仅为同等容量SRAM芯片的一半。46主要引线行地址选通信号。用于锁存行地址；列地址选通信号。地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在#RAS和#CAS有效期间被锁存在锁存器中。DIN：数据输入DOUT：数据输出WE=0WE=1WE：写允许信号RAS：CAS：数据写入数据读出47工作原理数据读出数据写入刷新工作时序48刷新将存放于每位中的信息读出再照原样写入原单元的过程---------刷新刷新时序493.2164A在系统中的连接与系统连接图50三、存储器扩展技术511.存储器扩展用多片存储芯片构成一个需要的内存空间；各存储器芯片在整个内存中占据不同的地址范围；任一时刻仅有一片（或一组）被选中。存储器芯片的存储容量等于：单元数×每单元的位数字节数字长扩展单元扩展字长522.存储器扩展方法位扩展字扩展字位扩展扩展字长扩展单元数既扩展字长也扩展单元数53位扩展构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长时——需进行位扩展。位扩展：每单元字长的扩展。54位扩展例用8片2164A芯片构成64KB存储器。LS158A0~A7A8~A152164A2164A2164ADBABD0D1D70000HFFFFH.…55位扩展方法：将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出。位扩展特点：存储器的单元数不变，位数增加。56字扩展地址空间的扩展芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。扩展原则：每个芯片的地址线、数据线、控制线并联。片选端分别引出，以使每个芯片有不同的地址范围。57A0～A10DBABD0～D7A0~A10R/WCS2K×8D0～D7A0～A102K×8D0～D7D0～D7A0~A10CS译码器Y0Y1高位地址R/W字扩展示意图58字扩展例用两片64K×8位的SRAM芯片构成容量为128KB的存储器两芯片的地址范围分别为：20000H～2FFFFH30000H～3FFFFH59字扩展例G1G2AG2BCBAY2Y3&MEMRMEMWA19A18A17A1674LS138高位地址：芯片1：0010芯片2：0011A19A18A17A16芯片1芯片260字位扩展设计过程：根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展以满足容量要求。若已有存储芯片的容量为L×K，要构成容量为M×N的存储器，需要的芯片数为：（M/L）×（N/K）61字位扩展例用32Kb芯片构成256KB的内存。62§5.3只读存储器（ROM）掩模ROM一次性可写ROM可读写ROM分类EPROMEEPROM（紫外线擦除）（电擦除）63一、EPROM641.特点可多次编程写入；掉电后内容不丢失；内容的擦除需用紫外线擦除器。652.EPROM27648K×8bit芯片地址信号：A0——A12数据信号：D0——D7输出信号：OE片选信号：CE编程脉冲输入：PGM其引脚与SRAM6264完全兼容.662764的工作方式数据读出编程写入擦除标准编程方式快速编程方式编程写入：每出现一个编程负脉冲就写入一个字节数据67二、EEPROM681.特点可在线编程写入；掉电后内容不丢失；电可擦除。692.典型EEPROM芯片98C64A8K×8bit芯片；13根地址线（A0——A12）；8位数据线（D0——D7）；输出允许信号（OE）；写允许信号（WE）；选片信号（CE）；状态输出端（READY/BUSY）。703.工作方式数据读出编程写入擦除字节写入：每一次BUSY正脉冲写入一个字节自动页写入：每一次BUSY正脉冲写入一页（1~32字节）字节擦除：一次擦除一个字节片擦除：一次擦除整片714.EEPROM的应用可通过编写程序实现对芯片的读写；每写入一个字节都需判断READY/BUSY端的状态，仅当该端为高电平时才可写入下一个字节。P219例72四、闪速EEPROM特点：通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式。73工作方式数据读出编程写入：擦除读单元内容读内部状态寄存器内容读芯片的厂家及器件标记数据写入，写软件保护字节擦除，块擦除，片擦除擦除挂起74§5.4高速缓存（Cache)了解：Cache的基本概念；基本工作原理；命中率；Cache的分级体系结构75Cache的基本概念设置Cache的理由：CPU与主存之间在执行速度上存在较大差异；高速存储器芯片的价格较高；设置Cache的条件：程序的局部性原理时间局部性：最近的访问项可能在不久的将来再次被访问空间局部性：一个进程所访问的各项，其地址彼此很接近76Cache的工作原理CPUCache主存DBDBDB命中不命中77Cache的命中率访问内存时，CPU首先访问Cache，找到则“命中”，否则为“不命中”。命中率影响系统的平均存取速度。Cache存储器系统的平均存取速度=Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×不命中率Cache与内存的空间比一般为：112878Cache的读写操作读操作写操作贯穿读出式旁路读出式写穿式回写式79贯穿读出式CPUCache主存CPU对主存的所有数据请求都首先送到Cache，在Cache中查找。若命中，切断CPU对主存的请求，并将数据送出；如果不命中，则将数据请求传给主存。80旁路读出式CPU向Cache和主存同时发出数据请求。命中，则Cache将数据回送给CPU，并同时中断CPU对主存的请求；若不命中，则Cache不做任何动作，由CPU直接访问主存CPUCache主存81写穿式从CPU发出的写信号送Cache的同时也写入主存。CPUCache主存82回写式（写