存储系统(精)

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1、1 第5章 存储系统 2 主要内容 微型机的存储系统 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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 3 5 1 概 述 主要内容 l微型机的存储系统 l半导体存储器的基本概念 l存储器的分类及其特点 l两类半导体存储器的主要区别 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 4 微型机的存储系统 l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 构成存 储系统 l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 安徽工程科技学院 计算机系

2、精品课程微机原理多媒体课件 5 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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 6 存储器的层次结构 l由上至下容量越来越大 速度越来越慢 通用寄存器堆及 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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 7 半导体存储器 l存储器是计算机中用来记录信息的设备 由能够表示二进制数 0 和 1 的 具有记 忆功能的一些物理器件组成 l能存放一位二进制数的物理器件称为一个 存储元 l若干存储元构成一个存储单元 安徽工程科技学

3、院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 8 内存储器的分类 l内存储器 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 9 随机存取存储器 RAM lRAM 静态存储器 SRAM 动态存储器 DRAM 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 10 只读存储器 ROM l只读存储器 掩模ROM 一次性可写ROM EPROM EEPROM 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 11 主要技术指标 l存储容量 l存取时间和存取周期 l平均故障间隔时间 MTBF 可靠性 l功耗 CPU读写存储器的时间必须大于存储芯

4、片的 额定存取时间 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 12 5 2 随机存取存储器 要求掌握 lSRAM与DRAM的主要特点 l几种常用存储器芯片及其与系统的连接 l存储器扩展技术 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 13 一 静态存储器SRAM 特点 l存储元由双稳电路构成 存储信息稳定 p199 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 14 典型SRAM芯片 CMOS RAM芯片6264 8KB l主要引脚功能 l工作时序 l与系统的连接使用 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 15 SRAM 6264芯片 62

5、64外部引线图 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 16 6264芯片的主要引线 l地址线 A0 A12 l数据线 D0 D7 l输出允许信号 OE l写允许信号 WE l选片信号 CS1 CS2 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 17 6264的工作过程 l读操作 l写操作 写操作的工作时序 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 18 6264芯片与系统的连接 D0 D7 A0 A12 WE OE CS1 CS2 A0 A12 MEMW MEMR 译码 电路 高位地 址信号 D0 D7 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多

6、媒体课件 19 译码电路 l将输入的一组二进制编码变换为一个特 定的输出信号 即 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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 20 全地址译码 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 21 全地址译码例 l所接芯片的地址范围 F0000H F1FFFH A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 1 6264 CS1 安徽工程科技学院 计

7、算机系 精品课程微机原理多媒体课件 22 部分地址译码 l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 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 23 部分地址译码例 l两组地址 F0000H F1FFFH B0000H B1FFFH A19 A17 A16 A15 A14 A13 1 6264 CS1 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 24 应用举例 l将SRAM 6264芯片与系统连接 使其地 址

8、范围为 38000H 39FFFH l使用74LS138译码器构成译码电路 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 25 应用举例 D0 D7 A0 A12 WE OE CS1 CS2 A0 A12 MEMW MEMR D0 D7 A19 G1 G2A G2B C B A A18 A14 A13 A17 A16 A15 VCC Y0 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 26 二 动态随机存储器DRAM l特点 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体

9、课件 27 典型DRAM芯片2164A l2164A 64K 1bit l采用行地址和列地址来确定一个单元 l行列地址分时传送 共用一组地址信号线 l地址信号线的数量仅 为同等容量SRAM芯 片的一半 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 28 主要引线 lRAS 行地址选通信号 用于锁存行地址 lCAS 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 lDIN 数据输入 lDOUT 数据输出 WE O 数据写入 WE 1 数据读出 WE 写允许信号 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 29 工作原

10、理 l数据读出 l数据写入 l刷新 参见其工作时序图 教材p208 p209 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 30 刷新 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 31 2164A在系统中的连接 l见教材p210图5 18 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 32 三 存储器扩展技术 位扩展 字扩展 字位扩展 用多片存储芯片构成一个需要的内存空间 它们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 器的扩展 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理

11、多媒体课件 33 位扩展 l存储器的存储容量等于 单元数 每单元的位数 l当构成内存的存储器芯片的字长小于内 存单元的字长时 就要进行位扩展 使 每个单元的字长满足要求 字节数字长 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 34 位扩展例 l用8片2164A芯片构成64KB存储器 LS158 A0 A7A8 A15 2164A2164A2164A DB AB D0D1D7 A0 A7 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 35 位扩展方法 l将每片的地址线 控制线并联 数据线 分别引出 l位扩展特点 存储器的单元数不变 位数增加 安徽工程科技学院 计算机系 精品

12、课程微机原理多媒体课件 36 字扩展 l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 l扩展原则 l每个芯片的地址线 数据线 控制线并联 仅 片选端分别引出 以实现每个芯片占据不同的 地址范围 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 37 字扩展例 l用两片64K 8位的SRAM芯片构成容量为 128KB的存储器 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 38 字位扩展 l根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯 片数 l进行位扩展以满足字长要求 l进行字扩展以满足容量要求 l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

13、L N K 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 39 字位扩展例 l用32Kb芯片构成256KB的内存 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 40 5 3 只读存储器 ROM 掩模ROM 一次性可写ROM 可读写ROM 分 类 EPROM 紫外线擦除 EEPROM 电擦除 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 41 一 EPROM 特点 l可多次编程写入 l掉电后内容不丢失 l内容的擦除需用紫外线擦除器 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 42 EPROM 2764 l8K 8bit芯片 其引脚与SRAM 6264完

14、全兼容 l地址信号 A0 A12 l数据信号 D0 D7 l输出信号 OE l片选信号 CE l编程脉冲输入 PGM 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 43 2764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 编程写入的特点 每出现一个编程负脉冲就写入一个字节数据 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 44 二 EEPROM 特点 l可在线编程写入 l掉电后内容不丢失 l电可擦除 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 45 典型EEPROM芯片98C64A l8K 8bit芯片 l13根地址线 A0 A12 l8位

15、数据线 D0 D7 l输出允许信号 OE l写允许信号 WE l选片信号 CE l状态输出端 READY BUSY 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 46 工作方式 l数据读出 l编程写入 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 47 EEPROM的应用 l可通过编写程序实现对芯片的读写 但 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 安徽工程科技学

16、院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 48 四 闪速EEPROM 特点 l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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 49 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 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 50 5 4 高速缓存 Cache 了解 lCache的基本概念 l基本工作原理 l命中率 lCache的分级体系结构 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 51 Cache的基本概念 l由于CPU与主存之间在执行速度上存在 较大的差异 为提高CPU的效率 并考 虑到价格因素 基于程序的局部性原理 在CPU与主存之间增加的高速缓冲存 储器 Cache技术 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 52 Cache的工作原理 CPU Cache 主 存 DB 安徽工程科技学院 计算机系 精品课程微机原理多媒体课件 53 Cache的命中率 lCache与内存