第6章存储器系统.

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1、第六章 存储器系统,教学目的和要求,通过本章的学习，使学生掌握存储器的基本概念，掌握存储器的结构、分类及常用的存储器芯片的扩展，并掌握存储器与CPU的连接方法。,重点与难点,本章重点 存储器的基本概念 存储器系统的层次结构 存储器的分类及主要评价指标 常用RAM存储器及其扩展技术 常用ROM存储器及其扩展技术 存储器与CPU的连接,本章难点 存储器扩展 存储器与CPU的连接,本章主要内容,6.3 存储器扩展技术,6.2 常用存储器,6.1 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

2、存在存储器中。 本章主要介绍计算机存储器系统的结构、类型，给出一些常用基本存储元件的电路结构，重点介绍一些常用存储器芯片的扩展，以及怎样与CPU进行连接。,6.4 存储器与CPU的连接,6.1 概述,存储器系统 基本概念,性能指标,层次结构, 6.1.1存储系统的层次结构,计算机系统中，根据各种存储器的存储容量、存取速度和价格比的不同，将它们按照一定的体系结构组织起来，使所存放的程序和数据按照一定的层次分布在各种存储器中，构成多级存储体系。,三层存储体系结构,整体而言，存储系统主要有两个层次，即Cache-主存层次和主存-外存层次,Cache-主存层次主要解决CPU和主存之间的速度差异问题。在

3、CPU和主存之间设置存取速度最快、容量小的高速缓冲存储器(Cache)，就能较好地解决存取速度问题，提高整机的运算速度。,Cache-主存层次,主存-外存层次,主存-辅存层次解决的是存储器的大容量要求和低成本之间的矛盾。现代操作系统的形成和发展使得程序员摆脱了主存、辅存之间的地址人工定位，通过软件、硬件结合，把主存和辅存统一成了一个整体，程序员可以利用比主存实际容量大得多的逻辑地址编写程序。随着这种系统的发展和完善，逐渐形成了现在广泛使用的虚拟存储系统。, 6.1.1存储系统的层次结构, 6.1.2半导体存储器的分类,按构成存储器的器件和存储介质可分为：,磁芯存储器 半导体存储器 光电存储器

4、磁膜 磁泡 其它磁表面存储器 光盘存储器等,半导体存储器的分类,一般情况下，一个存储器系统由存储体、地址译码电路、控制电路等组成, 6.1.3存储器的基本组成,典型RAM结构示意图,1）存储体, 6.1.3存储器的基本组成,存储体是存储器系统的主体，存储体由基本存储单元组成。,一个基本存储单元可以保存一位二进制信息 存储体的容量，一般用MN来表示 M通常指存储单元的个数，M的大小决定了地址线的条数L N表示每一个存储单元所能保存的二进制位数，通常决定了存储器数据线的位数。,地址译码器的作用就是用来接收 CPU 送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读写操

5、作。,2）地址译码器,存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。 单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。 在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器 (又叫 X 译码器) 和列译码器 (又叫 Y 译码器) 。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号。行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。,主要用于选中存储器芯片，执行读写操作。 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。,3）控制电路

6、, 6.1.4存储器的主要技术指标,存储器的类型不同，其性能指标也不相同，在构成微机系统时需要全面考虑。通常衡量一个存储器的性能指标主要有存储容量、存取时间、可靠性、集成度和功耗等。,存储容量,存储器的容量指的是存储器所能容纳的最大字节数，存储器容量越大，存储的信息量也就越大，计算机运行的速度也就越快。,不同的存储器芯片，其容量不一样。通常用多少个存储单元，每个存储单元存储多少位来表示。例如，静态RAM6264的容量为8KB8bit。,常用的计量存储空间的单位有GB、KB、MB。,存取周期,存储器的存取周期是指从接收到地址，到实现一次完整的读出和写入数据的时间称为存取周期，是存储器进行连续读和

7、写操作所允许的最短时间间隔。,在一般情况下，存取周期越短，计算机运行的速度才能越快。,半导体双极型存储器的存取周期一般为几至几百纳秒，MOS型存储器的存取周期一般为十几至几百纳秒，例如常用的HM62256（32 K8）的存取周期为120ns200 ns。,集成度,存储器芯片的集成度越高，构成相同容量的存储器的芯片数就越少。,半导体存储器的集成度常以“位片”表示，也可以用“字节片”表示,MOS型存储器的集成度高于双极型存储器，动态存储器的集成度高于静态存储器。,可靠度,通常采用平均故障间隔时间（MTBF）来表示，目前所用的半导体存储器芯片的平均故障间隔时间（MTBF）大概是（51061108）小

8、时左右。,使用功耗低的存储器芯片构成存储器系统，不仅可以减少对电源容量的要求，而且还可以提高存贮系统的可靠性。,功耗,半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，但是散热不容易，因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗。,一般而言，MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。, 6.1.4存储器的主要技术指标, 6.2常用存储器,1、静态随机存储器（SRAM）, 6.2.1 RAM随机存储器,静态RAM的存储元由双稳电路构成，存储信息稳定。 由于静态RAM的基本存储电路中管子数目较多，故集成度较低。,右图是一个6管结构的静态存储器的存储单元电路。 工作原理,2、动态随机存储器（DRAM）

9、,动态RAM有4管动态RAM，3管动态RAM和单管动态RAM。,图6.5是单管DRAM的存储单元的线路。它由一个晶体管和一个电容组成。,为了节省面积，单管存储器电荷的电容不可能做得很大，一般比数据线上的分布电容Cd小，因此每次读出后，存储内容就被破坏，必须采取刷新技术恢复原来的信息。,DRAM需要不断的刷新，才能保存数据，SRAM则不需要刷新电路。 DRAM使用简单的单管单元作为存储单元，因此，每片存储容量大，约是SRAM的4倍。 DRAM的行列地址通常是复用的，所以其引脚数比SRAM要少很多，封装尺寸也比较小。 DRAM的价格比较便宜，大约只有SRAM 的1/4，由于使用动态元件，DRAM功

10、耗也只有SRAM的1/6。因此，DRAM得到了广泛的使用，它的存取速度和存储容量正在不断地改进提高。,SRAM与DRAM比较,3、常用SRAM芯片,SRAM的型号主要有：2114(1K4位)、6116(2K8位)、6264（8K8）、62256（32K8）等。,Intel 2114 SRAM,采用18引脚封装，其容量为1K4位，+5V电源。 主要引脚有：10根地址线（A9A0），4根数据线（I/O4I/O1），写允许信号和选片信号。,Intel 2114 SRAM,其内部结构如右图所示，主要包括存储矩阵、地址译码器、I/O 控制电路、片选及读/写控制电路等组成。,存储矩阵是数据存储主体，Int

11、el 2114内部共有 4096个存储电路，排成 6464 的短阵形式。,地址译码器的输入为10根线，采用两级译码方式，其中6根用于行译码， 4根用于列译码。I/O 控制电路分为输入数据控制电路和列I/O电路，用于对信息的输入输出进行缓冲和控制。,片选及读/写控制电路用于实现对芯片的选择及读写控制。,当器件要进行读操作时，首先输入要读出单元的地址码（A0A9），并使/WE1，如果/CS0，则所选存储单元内容（4位）就会通过三态输出缓冲器，送到数据输入输出引脚（I/O0I/O3）上。,当器件要进行写操作时，在I/O0I/O3端输入要写入的数据，在A0A9加载地址码，使控制信号/WE0，/CS0，

12、则会完成一次写入操作。,2114 读写操作,3、常用DRAM芯片,DRAM的型号主要有：2164(64K1位)、4116（16K1）、4464（64K4）等。,Intel 2164 SRAM,Intel 2164 DRAM 芯片采用16引脚封装，其容量为64K1位，+5V电源，芯片引脚图如图6.8所示。 Intel 2164 DRAM 芯片主要引脚有：8根地址线（A7A0）、数据输入线（Din）、数据输出线（Dout）、读写允许信号 、行地址选通信号（ ）和列选通信号（ ）。,2164A的容量为64K1，即65536个存储单元，每个单元只有1位数据，而通常8位二进制数表示一个字节，因此需要8片

13、2164A才能构成64KB的存储器。,若想在2164芯片内寻址64K单元，必须用16条地址线，但为了减少地址线引脚数目，地址线又分为行地址线和列地址线，分时复用，只需8条地址线（A0-A7），利用芯片内部的地址寄存器和多路转换开关，由行地址选通信号 ，把选送来的8位地址送到行地址寄存器，由随后出现的列地址选通信号 ，把后送来得8位地址送到列地址寄存器。,8条行地址线也用于刷新，刷新时一次选中一行，2ms内对全部128行刷新一次。,6.2.2 只读存储器ROM, 掩膜ROM,1、主要ROM类型,掩膜ROM由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读而不能写入。, PROM,PROM出厂时，在所有的字

14、线和位线的交叉点处都连接有熔丝，。用户使用专门的PROM编程器，根据需要断开某些单元的熔丝（写入）。熔丝一旦被烧断就不能恢复了，因此，PROM是用户一次性编程的PROM。, EPROM,EPROM基本存储单元由一个管子组成，但与其他电路相比管于内多增加了一个浮置栅。如编程序（写入）时，控制栅接 12V编程序电压Vpp，源极接地，漏极上加5V电压。 信息存储在周围都被氧化层绝缘的浮置栅上，即使掉电，信息仍保存。 当EPROM中的内容需要改写时，先将其全部内容擦除，然后再编程。擦除是靠紫外线使浮置栅上电荷泄漏而实现的。,EPROM的型号有：2716(2K8位)、2732(4K8位)、2764(8K

15、8位)、27128(16K8位)、27256(32K8位)、27512(64K8位)、27010(128K8位)、27080(1024K8位)等。,Intel 2716 EPROM芯片的容量为2K8位，采用双列直插是24引脚封装。其引脚如图6.9所示。Intel 2716 EPROM芯片的主要信号有：地址信号（A10A0）、片选信号、数据信号（O7O0）、待机/编程信号（PD/PGM）。,E2PROM的编程序原理与EPROM相同，但擦除原理完全不同，一般可以进行10万次的重复改写。 E2PROM的主要产品有高压编程的2816、2817，低压编程的2817A、2816A和2864A、28512以

16、及1M位以上的28010、28040等等。,（4）E2PROM,Intel 2816是2K8的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5V电源，其引脚和逻辑符号如图6.10所示。Intel 2816 E2PROM芯片的主要信号有：地址信号（A10A0）、写允许信号、片选信号、输出允许信号、数据输入输出信号（I/O7I/O0）。,快擦除读写存储器（FLASH Memory）是在 EPROM与 EEPROM基础上发展起来的，它与EPROM一样，用单管来存储一位信息，每次进行擦除时，要擦除整个区或整个器件，不提供字节级的擦除。 速度比EPROM快的多。 快擦除读写存储器兼有ROM和RAM两者的性能，又有DRAM一样的高密度。目前价格已低于DRAM，芯片容量已接近于DRAM，是唯一具有大存储量、非易失性、低价格、可在线改写