计算机原理 第五章 存储器系统

第五章存储器系统5.1存储器概述5.2随机读写存储器（RAM）5.3典型的存储芯片和译码芯片5.4存储器与CPU的连接5.1存储器概述存储器是用来存储微型计算机工作时使用的信息（程序和数据）的部件，正是因为有了存储器，计算机才有信息记忆功能。越靠近CPU的存储器速度越快而容量越小。CPUCache主存储器辅助存储器大容量存储器外存储器内存储器一、存储器分类1、按存储介质和作用机理分类⑴磁存储器，主要有磁芯、磁带、磁盘、磁泡和磁鼓。⑵光存储器，只读式CD-ROM、可擦写光盘，还有一种介于磁和光之间的存储设备叫磁光盘（MO盘）。⑶半导体存储器，当前计算机系统的主存主要用半导体存储器。它由大规模集成电路制成，体积小、速度快、功耗低。2、按存取速度和在计算机系统中的地位分类⑴内部存储器：速度较快，容量较小，价格较高，用于存储当前计算机运行所需要的程序和数据，可与CPU直接交换信息，习惯上称为主存，又称内存。内部存储器通常和系统总线相连。又可细分为：5.1存储器概述内部CACHE在CPU内作为一个高速的指令或数据缓冲区。一级CACHE，二级CACHE均指内部CACHE。外部CACHE通常制作在主板上，比主存储器的速度快，介于内部CACHE和主存之间的一个缓冲区。主存储器计算机系统主要使用的空间。要求速度快，体积小，容量大。一般为半导体存储器。(2)外部存储器:通常是通过总线接口电路与系统总线相连。速度较慢，容量较大，价格较低，用于存放计算机当前暂时不用的程序、数据或需要永久保持的信息。如磁盘、光盘等。5.1存储器概述二、半导体存储器1、按器件分类(1)双极性TTL电路:速度较快(10～50nS),集成度低,功耗大,成本高(2)MOS:NMOS和CMOS两种，现大量使用CMOS存储器，存储速度可达几纳秒。特点：集成度高(单片可达1Gb)、功耗小、成本低(3)电荷耦合器:速度快、但成本较高2、按存储功能分类(1)读写存储器随机读写存储器(RAM,RandomAccessMemory)可对任一单元进行读写，是计算机主存储器。62**系列后进先出存储器(LIFOLastInFirstOut):寄存器、堆栈先进先出存储器(FIFOFirstInFirstOut):寄存器、队列5.1存储器概述(2)只读存储器（ROMReadOnlyMemory）只能读（用特殊方法可写入），掉电信息不丢失，可作为主存储器存放系统软件和数据等。ROM可分为：固定ROM（掩膜ROM）由制造厂家固化内容，不可修改可编程只读存储器PROM由用户固化内容，但不可修改紫外线擦除只读存储器EPROM27**系列：2716、2732、2764，…27040电擦除只读存储器EEPROM、FLASHEEPROM（28**系列）：2817、28C64、28C256FLASH：29F010、29F0205.1存储器概述读写存储器RAM半导体存储器只读存储器ROMMOS静态SRAM掩膜可编程序ROMPROM可擦去可编程ROMEPROM电可擦去可编程ROME2PROM双极性非易失NVRAM动态DRAM5.1存储器概述三、存储器的性能指标1、存储器容量存储器容量是指存储器可以容纳的二进制信息总量，即存储信息的总位（Bit）数。设微机的地址线和数据线位数分别是p和q，则该存储器芯片的地址单元总数为2p，该存储器芯片的位容量为2p×q。例如：存储器芯片6116，地址线有11根，数据线有8根则该芯片的位容量是：位容量=211×8=2048×8=16384位。存储器通常是以字节为单位编址的，一个字节有8位，所以有时也用字节容量表示存储器容量，例如上面讲的6116芯片的容量为2KB，记作2K×8，其中：1KB=1024B(Byte)=1024×8=8192位存储器容量越大，则存储的信息越多。目前存储器芯片的容量越来越大，价格在不断地降低，这主要得益于大规模集成电路的发展。存储器容量＝单元数×数据线位数5.1存储器概述2、存取速度存储器的速度直接影响计算机的速度。存取速度可用存取时间和存储周期这两个时间参数来衡量。存取时间是指CPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读写操作，到该读写操作完成所经历的时间，这个时间越小，则存取速度越快。目前，高速缓冲存储器的存取时间已小于5ns。存储周期是连续启动两次独立的存储器操作所需要的最小时间间隔，这个时间一般略大于存取时间。3、可靠性存储器的可靠性用MTBF(MeanTimeBetweenFailures)平均故障间隔时间来衡量，MTBF越长，可靠性越高，内存储器常采用纠错编码技术来延长MTBF以提高可靠性。5.1存储器概述4、性能/价格比这是一个综合性指标，性能主要包括上述三项指标—存储容量、存储速度和可靠性。对不同用途的存储器有不同的要求。例如，有的存储器要求存储容量，则就以存储容量为主；有的存储器如高速缓冲器，则以存储速度为主。5.1存储器概述5.2随机读写存储器（RAM）一、分类MOS型RAM一般可分为：SRAM（静态RAM）:使用触发器存储信息，速度快。如:62648k*8、6225632K*8、62010128K*8DRAM（动态RAM):使用电容存储信息，速度慢，因电容有漏电，所以需要定时刷新,DRAM的刷新是按行进行刷新的。计算机中的主存多以DRAM为主。计算机内存的两种常见形式：计算机上把内存芯片集成在一小条印刷电路板上，称为内存条。常见的有30线、72线、168线、200线。这是指内存条与主板插接时有多少个接点（又称金手指）SIMM：单列存储器模块。只将芯片做在电路板的一边DIMM：双列存储器模块。将内存芯片做在内存条两边，即电路板两边。二、半导体存储器的组成一般由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。1、存储体存储体是存储1和0信息的电路实体，它由许多个存储单元组成，每个存储单元一般由若干位(8位)组成，每一位需要一个存储元件，每个存储单元有一个编号，称为地址。存储器的地址用一组二进制数表示，其地址线的根数n与存储单元的数量N之间的关系为：2n=N一个1K*1的存储器，具有1024个存储单元，每个单元为1位，共有1024个存储元件，由10根地址线和1根数据线构成。5.2随机读写存储器（RAM）2、地址选择电路地址选择电路包括地址译码器和地址码寄存器。地址译码器用来对地址译码。设其输入端的地址线有n根，输出线数为N，则它分别对应2n个不同的地址码，作为对地址单元的选择线。这些输出的选择线又叫做字线。地址译码的方式有两种：⑴单译码方式它的全部地址码只用一个电路译码，译码输出的字选择线直接选中对应的存储单元，如下图所示。由10根线产生1024根存储单元选择线，每根线选中一个存储单元。这一方式需要的选择线数较多，只适用于容量较小的存储器。5.2随机读写存储器（RAM）A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9CEOEWE011023Y0Y1Y1023D(I/O)读写控制电路地址译码器单译码方式5.2随机读写存储器（RAM）⑵双译码方式（或称矩阵译码）双译码方式如下图所示。它将地址码分为X与Y两部分，用两个译码电路分别译码。X向译码称为行译码，其输出线称为行选择线，它选中存储矩阵中一行的所有存储单元。Y向译码又称为列译码，其输出线称为列选择线，它选中一列的所有单元。只有X向和Y向的选择线同时选中的那一位存储单元，才能进行读写操作。由图可见，具有1024个基本单元的存储体排列成32×32的矩阵，它的X向和Y向译码器各有32根译码输出线，共64根。若采用单译码方式，则要1024根译码输出线。因此，双译码方式所需要的选择线数目较少，也简化了存储器的结构，故它适用于大容量的存储器。采用双译码方式时可将RAM看作一个矩阵，读数据时需给出行地址信号RAS(RowAddressSignal)和列地址信号CAS(ColumnAddressSignal)。通常先给RAS，再给CAS，经过一段时间延时，便可以在数据端读出数据。5.2随机读写存储器（RAM）A0A1A2A3A4Y031-0Y31CEOEWED(I/O)读写控制电路行译码器0-00-3131-31A5A6A7A8A9X0X31列译码器双译码方式5.2随机读写存储器（RAM）D0D0YiXiVccT3T4T5T6T1T2T7T8SRAM的基本电路NMOS静态RAM的存储器单元电路(1)T1,T2为开关管，T3,T4为负载管，导通电阻r3,r4r1,r2。T1T3和T2T4构成两个反向器按正反馈连接，构成触发器。(2)Xi高电平，T5,T6及其他与Xi相联的开关管导通，每一单元与数据线相连。Yi为高电平，T7,T8导通，此时仅有XiYi单元与外部数据线连通，可对该单元进行读写。AB5.2随机读写存储器（RAM）3、读写控制电路读写控制电路包括读写放大器、数据寄存器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入输出的通道。外界对存储器的控制信号有读信号RD、写信号WR和片选信号CS。5.2随机读写存储器（RAM）5.3典型的存储芯片和译码芯片1、62256－32K×8的CMOS静态RAM12345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVCC62256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256逻辑图输入LLL高阻HHL输入HLL输出LHL高阻××HD7~D0OEWECS62256工作表2、27256－32K×8EPROM12345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14VCC27256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256逻辑图5.3典型的存储芯片和译码芯片3、74LS138－3/8译码器12345678910111213141516ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC74LS138引脚图Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BCBA74LS138原理图5.3典型的存储芯片和译码芯片5.4存储器与CPU的连接一、存储器与CPU连接时要考虑的问题1、存储器的容量一个大的存储器系统有几十、几百M字节，一般要根据系统来定。对于嵌入式或用户自己做的应用系统，可根据实际需要来设计存储器的容量。2、存储空间的安排微机内存包括ROM区和RAM区，它们都由许多芯片组成，所以要安排地址空间，即地址分配；每个存储器芯片还需要片选信号，这些信号如何产生等问题。3、CPU总线的负载能力通常CPU总线的负载能力是一个TTL器件或20个MOS器件，当总线上接的器件很多，超过允许值时，应该在总线上加接缓冲器或驱动器，以增加CPU的负载能力。4、CPU的时序和存储器速度之间的配合CPU执行存储器读写指令都有固定的时序，为保证CPU读写存储器的准确性，存储器的速度必须与CPU匹配。二、8086存储器空间8086系统有20根地址线，16根数据线，寻址空间为1MB，采用存储器分体结构