存储器及其接口

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1、第五章 存储器及其接口,微机原理与接口,讲授人：徐明鹃,2012.10.25,.2.,教学目的和要求,存储器是微机系统中对信息进行记忆的重要部件，通过本章的学习，要求学生：1、掌握微型计算机中存储器的基本概念；2、了解半导体存储器分类和基本工作原理；3、能够熟练掌握存储器与CPU的连接方法，掌握位扩充与地址扩充的方法。,.3.,重点： 微型计算机中存储器的组成结构存储器的扩展 难点：存储器与CPU的连接，位扩充与地址扩充,本章重难点,.4.,第五章：存储器及其接口,5.1 存储器的概念、分类和系统组成 5.2 随机读写存储器RAM 5.3 只读存储器ROM 5.4 存储器与CPU的连接 5.5

2、 新型存储器及其发展方向,.5.,回顾：微型计算机系统的硬件组成,输 入 设 备,控制器,输 出 设 备,CPU,存储器,运算器ALU,“记忆”,.6.,第五章：存储器及其接口-存储器的概念,功能：有了存储器，计算机才具有“记忆”功能；才能把程序及数据的代码保存起来；才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。,存储器是计算机中实现“记忆”功能的重要部件，可存放程序和数据。当用户将程序和数据输入到计算机中，所有的信息都存放在存储器中，而当CUP执行程序时，又不断的将中间数据和结果写回到存储器中，以便用户随时使用。,.7.,第五章：存储器及其接口-存储器的概念,.8.,存储器的性能指

3、标存储器系统的三项主要性能指标是容量、速度和可靠性。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，即存储信息的总位数（Bit）。 设存储器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

4、量越大，则存储的信息越多。,.9.,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。,.10.,3、可靠性存储器的可靠性用MTBF (Mean Time Between Failures)平均故障间隔时间来衡量， MTBF越长，可靠性越高。其它性能指标：性价比、功耗等,.11.,计算机系统存储

5、体结构 为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构， 即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器 ，由这三者构成一个统一的存储体系。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格，使得存储体具有最好的性能价格比。,第五章：存储器及其接口-存储器的概念,.12.,计算机机系统存储体结构（金字塔结构）,容量小 速度快 价格高 访频高,容量大 速度慢 价格低 访频低,CPU内部,CPU外部,高速缓冲存储器Cache主要存放最频繁使用的程序和数据 主存储器用来存放经常使用的的程序和数据，其速度高、容量较少、每位价格

6、高。 辅存储器主要用于存放当前不太常用的程序和数据，其速度慢、容量大、每位价格低。,第五章：存储器及其接口-存储器的概念,.13.,1、存储器的分类 按存储介质分类磁性、光电、半导体等。 按存储器的存取方式分类 随机存储器(RAM)：静态SRAM、动态DRAM只读存储器(ROM)：MROM、PROM、EPROM、EEPROM闪速存储器(Flash Memory)：EEPROMSRAM,第五章：存储器及其接口-存储器的分类,.14.,按在微机系统中的位置分类,.15.,主存储器主存储器主要由半导体材料构成。 1.什么叫半导体? 导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体例如：锗、硅、砷化镓等

7、 半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用（例如：电视、半导体收音机、电子计算机等）,第五章：存储器及其接口-存储器的系统组成,.16.,2、半导体存储器的组成半导体存储器组成的框图如图所示。它一般由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。,.17.,2、半导体存储器的组成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地址线数与存储单元数之间的关系列于下表中。,.

8、18.,2、半导体存储器的组成2）地址选择电路地址选择电路包括地址译码器和地址码缓冲器。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： 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，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。,.19., 单译码方式 下图为88位的存储芯片，A0A1A2这3根地址线通过译码后产生8根选择线，用于选择这8个单元。当 A2A1A0=000时， =0， =0 ，将0号单元中的信息读出,.20.

9、,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,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。当X线和Y线同时有效时，相应的存储单元被选中。,行选择线,列选择线,.21.,、输入输出电路和控制电路输入输出电路：包括读写放大器、数据缓冲器（三态）等。它是数据信息输入输出的通道。控制电路：提供外界对存储器的控制信号有读信号 、写信号 和片选信号 。,.22.,随机读写存储器（RAM）半导体存储器 （Memory）只读存储器（ROM）,3.半导体存储器的分类,.23.,第五

10、章：存储器及其接口,5.1 存储器的概念和分类 5.2 随机读写存储器RAM 5.3 只读存储器ROM 5.4 存储器与CPU的连接 5.5 新型存储器及其发展方向,.24.,5.2 随机读写存储器RAMRAM分为静态RAM（SRAM ，Static RAM）和动态RAM（DRAM，Dynamic RAM,DRAM） 目前计算机内的主存储器都是DRAM，它的集成度高、功耗很低，缺点是需要刷新。SRAM是非挥发的，所以不需要刷新，但集成度比DRAM要低，计算机中的高速缓冲存储器大多用SRAM.,.25.,5.2.1 静态随机存储器(Static RAM,SRAM)SRAM其存储电路是以两个增强型

11、的NMOS反相器交叉耦合而成的触发器只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路。SRAM的主要性能是：存取速度快、功耗较大、容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（Cache）。,T1截止，A=1，T2导通，B=0， 表示1; T1导通，A=0， T2截止，B=1，表示0。,.26.,2.1.2 动态随机存储器(Dynamic RAM,DRAM),DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。 DRAM的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。,存储电容C,.27.,小结：,存储器的概念 存储器的分类 半导体

12、存储器的组成 RAM（SRAM、DRAM）,.28.,第五章：存储器及其接口,5.1 存储器的概念和分类 5.2 随机读写存储器RAM 5.3 只读存储器ROM 5.4 存储器与CPU的连接 5.5 新型存储器及其发展方向,.29.,2.半导体存储器的分类只读存储器ROM（Read-Only Memory）对其内容只能读不能写入的存储器，它的内容是一般是一次性预先写入后不再随着计算机程序的运行而频繁更改。 ROM分类： MROM(Mask ROM):掩膜只读存储器 PROM (Programmable ROM)可编程只读存储器：一次性地写入程序和数据，同时一经写入，就无法更改； EPROM (

13、Erasable Programmable ROM)可擦除只读存储器：允许用户根据需要多次写入或擦去ROM的内容； EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM)电可擦除只读存储器：可用电信号进行清除和改写的存储器，与EPROM相比，不需要采用紫外线擦除。 快擦型存储器 (Flash Memory)：快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除和编程。,.30.,ROM分类：,EPROM烧录器,EPROM擦除器,Flash ROM （主板bios）,.31.,第五章：存储器

14、及其接口只读存储器ROM,掩膜ROM（MROM）在出厂前由芯片厂家将程序写到ROM里，以后永远不能修改。如图是一个简单的44位的MOS ROM存储阵列，两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。此时，若有管子与其相连（如位线1和位线4），则相应的MOS管就导通，输出低电平，表示逻辑“0”；否则（如位线2和位线3）输出高电平，表示逻辑“1”。(0110、0101、1010、0000),.32.,可编程的ROM(Programmable-ROM，PROM)掩模ROM的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已经固定下来了，这给使用者带来了不

15、便。为了解决这个矛盾，设计制造了一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件，即可编程的ROM，又称为PROM。PROM 的类型有多种，如二极管破坏型PROM存储器，在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存储内容均为“1”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位 就意味着写入了“1”。读出的操作同掩模ROM。除此之外，还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入电路产生脉

16、冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。对PROM来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种ROM器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。,.33.,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,可擦除可编程ROM(Erasable Programmable ROM,EPROM)EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。一般擦除信息需用紫外线照射l520分钟。,EP

17、ROM擦除器,.34.,电可擦除可编程ROM (Electronic Erasible Programmable ROM, EEPROM)EEPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压(1224V，随不同的芯片型号而定)。 EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。借助于EPROM芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至“OFF”的位置，防止病毒对BIOS芯片的非法修改。,