微机原理与接口技术第5章存储系统..

第五章存储系统2020/2/2625.1概述5.2半导体存储器5.3半导体存储器与CPU的连接方法5.4外存储器简介5.5新型存储器技术2020/2/2635.1概述存储系统：计算机中存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备(硬件)和算法(软件)所组成的系统。其中，存储器是存储系统中最核心的设备。存储器：具有记忆功能的部件，由大量的记忆单元(基本存储电路)组成，而记忆单元是用一种具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数的0和1，一个记忆单元能存储二进制数的1位。2020/2/2641、按构成存储器的介质分类半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器2、按存储器的存取方式分类随机存储器、顺序存储器、直接存取存储器3、按信息的可保存性分类非永久性记忆存储器：断电后信息即消失(如RAM)永久性记忆存储器：断电后仍能保存信息(如ROM、硬盘)4、按在计算机系统中位置分类寄存器、缓冲存储器(Cache)、主存储器(内存)、辅助存储器(外存)5.1.1存储器的分类2020/2/265内存用来存放CPU当前要运行的程序和数据，CPU可直接用指令对内存进行读/写；外存用来存放CPU当前暂时不用的程序和数据，CPU不能直接用指令对外存进行读/写。在CPU和内存中间设置高速缓存(Cache)是解决存取速度的重要方法，它构成了高速缓存与内存间的一个存储层次。从CPU的角度看，它解决了速度与成本之间的矛盾。2020/2/2661、存储容量存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息的总位数（1）存储容量=存储器单元数×每单元二进制位数(或寄存器位数)（2）换算关系：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB5.1.2存储器的主要技术指标微机系统存储器的性能指标很多，如存储容量、存取速度、存储器的可靠性、功耗、价格、性能价格比及电源种类等，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的性能指标是存储容量、存取速度、可靠性和性价比。1EB=1024PB1PB=1024TB2020/2/2672、存取速度（1）存取时间：从CPU发出有效的存储器地址到读出或写入数据完毕所经历的时间。时间越小，存储速度越快。如DRAM：100ns～200ns，SRAM：20ns～40ns。（2）存取周期：连续启动两次独立的存储器读／写操作所需的最小时间间隔。一般情况下，存取周期略大于存取时间。3、存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来衡量。MTBF越长，可靠性越高。2020/2/2684、性价比性能主要包括存储器容量、存储周期和可靠性三项内容。性价比是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，对于不同的存储器有不同的要求：对外存，要求容量大，对缓存，要求速度非常快，容量不一定大。5、其他指标其他技术指标还有功耗、体积、重量、价格等。2020/2/2691、存储系统的体系结构把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。5.1.3存储系统的体系结构2020/2/2610CPU高速缓存主存储器I/O控制电路高速缓存辅存磁盘光盘磁带存储系统的多级层次结构2020/2/2611CPU寄存器组辅助存储器主存储器Cache速度快慢容量小大价格高低2020/2/26125.2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1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。2020/2/26135.2.1半导体存储器的分类半导体存储器双极型(常用作高速缓存)金属氧化物半导体型(常用作内存)由于半导体存储器具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，它已被广泛地采用组成微型计算机的内存储器。1.按制造工艺分类2020/2/2614RAM静态存储器（SRAM）动态存储器（DRAM）半导体存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）2.按存取方式分类2020/2/2615ROM掩膜ROMPROM：可编程ROMEPROM：可擦除可编程ROME2PROM：电可擦除可编程ROM2020/2/2616随机存取存储器（RAM）RAM也称读/写存储器RAM，即CPU在运行过程中能随时进行数据的读出和写入。RAM中存放的信息在关闭电源时会全部丢失，所以，RAM是易失性存储器，只能用来存放暂时性的输入/输出数据、中间运算结果和用户程序，也常用它来与外存交换信息或用作堆栈。通常人们所说的微机内存容量就是指RAM存储器的容量。按照RAM存储器存储信息电路原理的不同，RAM可分为静态RAM和动态RAM。2020/2/2617静态RAM(SRAM)其特点是：基本存储电路一般由MOS晶体管触发器组成，每个触发器可存放1位二进制的0或1。只要不断电，所存信息就不会丢失。因此SRAM工作速度快，稳定可靠，不需要外加刷新电路。但它的基本存储电路所需的晶体管多，集成度不易做的很高，功耗也较大。一般用作计算机系统的高速缓冲存储器Cache2020/2/2618由于DRAM是以MOS管栅极和衬底间的电容上的电荷来存储信息的，而MOS管栅极上的电荷会因漏电而泄放，所以存储单元中的信息只能保持若干毫秒。为此，要求在1~3ms中周期性地刷新存储单元，而DRAM本身不具备刷新功能，必须附加刷新电路。DRAM的工作速度要比SRAM慢得多。动态RAM(DRAM)一般用作计算机系统的内存储器2020/2/2619只读存储器（ROM）只读存储器（ROM）是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。只要一接通电源，这些程序就能自动地运行。根据ROM信息写入的方式，ROM可分为4种：掩膜型ROM：其编程只能由器件制造厂在生产时定型，即一旦制作完毕，其内容就固定了，用户自己无法操作编程。由于其使用可靠，大量生产成本很低所以当产品已被定型而大批量生产时可选择使用它。2020/2/2620可编程ROM(PROM)：出厂时无信息，允许用户根据需要编写其中的内容，但只允许编程一次。信息一旦写入便永久固定，不能再改变。EPROM：擦除信息时要从电路上取下，置于紫外线或X光下照射十几分钟，才能将芯片上的信息全部擦除，然后在专用的编程器上将新的信息写入。E2PROM：用特定的设备写入，用一定的通电方式可擦除重写，擦除信息时，不需要将芯片从电路板上拔下，而是直接用电信号进行擦除，对其编程也是在线操作，因此改写步骤简单。2020/2/2621半导体存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）双极型RAMMOS型RAM掩膜ROM可编程ROM（PROM）可擦除可编程ROM（EPROM）电可擦除可编程ROM（E2PROM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）半导体存储器的分类（主存储器）2020/2/26225.2.2半导体存储器的一般结构1.基本存储单元2.存储体3.地址译码器4.片选与读/写控制电路5.数据线6.地址线7.I/O读写电路8.其他外围电路2020/2/2623存储体读写放大器数据寄存器地址译码器控制电路地址寄存器数据线OEWECS存储器的组成框图AB2020/2/26241基本存储单元一个基本存储单元可以存放1位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相对独立的状态0和1，并能够在外部对其进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器的类型不同。2020/2/2625它是用来存储信息的模块，是由许多存储单元按一定规则排列而成的矩阵。由于ASCII码和汉字内码都是按8或16位来制定的，所以，通常把八个存储元件作为一个整体来对待，即一个存储单元。从使用的角度来考虑，半导体存储器芯片有两种结构：字结构——把存储单元的8位制造在一个芯片中，选中某一存储单元时，该存储单元的8位信息同时从一个芯片读出或写入。位结构——把多个存储单元的同一位或某几位制造在一个芯片中。2存储体(存储矩阵)2020/2/2626其功能是根据输入的地址编码，选中芯片内某个特定的单元。地址译码有两种工作方式：线选译码方式---将地址编码的全部位用一个译码器进行译码。双译码方式---将地址编码分为两部分，用两个译码器(行译码器与列译码器)分别进行译码，这样可大大简化芯片的设计。3地址译码电路2020/2/2627译码器单元单元单元A0A1A9单元121024线选译码结构……….……….2020/2/2628行译码32行×32列构成1024个单元列译码和I/O控制A0A1A2A3A41231321232数据输入数据输出R/WCEA9A8A7A6A5双译码结构（32行×32列组成的矩阵和外部的连接）2020/2/2629片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读/写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。4片选与读/写控制电路2020/2/26305数据线数据线是双向的，其位数与芯片可读出或写入的数据位数有关，数据线的位数与容量有关。6地址线地址线是单向的，其位数与芯片容量有关。地址线和数据线共同决定了存储芯片的容量。例如，地址线10根，数据线8根，则芯片容量为210*8=1KB2020/2/26317I/O读写电路I/O读写电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出和写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。8其他外围电路对不同类型的存储系统，有时，还需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储系统的重要组成部分。2020/2/26325.2.3半导体存储器的主要技术指标•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：对环境温度与电磁场变化的抗干扰能力。•其他指标2020/2/26331、SRAM的基本存储电路基本存储电路是指存储一位二进制数的电路，又称单元电路，是组成存储器的基础和核心。5.2.4静态RAM（SRAM）X地址选择Y地址选择T8BT7AT6T5T2T1T4T3VCC所有存储元共用此电路I/OI/OT1、T2为工作管，T3、T4是负载管，T5、T6、T7、T8是控制管。该电路有两种稳定状态：T1截止，T2导通为状态“1”；T2截止，T1导通为状态“0”。2020/2/2634特点：•速度快，只要电源存在内容就不会丢失。•由于基本存储电路由六个MOS管组成，集成度较低。•由于T1、T2中必有一个管子导通，功耗较大。应用：•高速缓冲存储器（Cachememory）用它组成。•简单的计算机应用系统用SRAM作存储器。电路结构简单。2、SRAM的结构特点2020/2/26353、典型SRAM芯片静态RAMIntel2114引脚图123456789A6A5A4A3A0A1A2CSGNDVccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE1817161514131211102114静态RAMIntel6116引脚图A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D312345678910111261162423222120191817161514132020/2/26362114芯片的主要引脚功能如下：•A0～A9：10根地址信号输入引脚。•WE：读/写控制信号输入引脚，当WE为低电平时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元；反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线。•I/O1～I/O4：4根数据输入/输出信号引脚。•CS:低电平有效，通常接地址译码器的输出端。•V