《微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 何珍祥 第3章 存储器技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 何珍祥 第3章 存储器技术（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章教学重点和难点： 存储器的分类方法、存储器系统的层次结构。 存储器读写、RAM和ROM的基本结构、存储器寻址方及存储器与微处理器的连接技术。 存储器管理、闪速存储器、高速缓冲存储器等新型存储器技术。 硬盘、光盘及其驱动器,第3章 存储器技术,本章教学内容： 3.1 存储器概述 （存储器的分类、性能、存储系统的层次结构） 3.2 读写存储器 （SRAM、DRAM） 3.3 存储器的连接 （存储器寻址、芯片选配及其与CPU的连接） 3.4 存储器管理 3.5 内部存储器技术发展 3.6 外部存储器,3.1.1 存储器分类,3.1 存储器简介,1.按存储器在计算机中的地位和作用分类： （1）内部
2、存储器，又叫主存，主要用快速的半导体器件来构成内存。 （2）外部存储器，又叫辅存，属于输入输出的外围设备。目前使用的外存主要有磁盘、磁带、光盘等。 （3）高速缓冲存储器，是在CPU和主存之间设置的一个高速的容量相对较小的存储器，用来存放当前最可能频繁使用的程序和数据，在信息交换的过程中起缓冲作用，以加快部件间信息的交换。,2.按存储器在计算机中的存取方式分类： （1）随机存取存储器RAM（Random Access Memory） 可随机地从任意位置进行信息的存取，所用的存取时间都相同，与存储单元的地址无关，如半导体随机存储器。 （2）顺序存取存储器SAM（Sequential Access
3、Memory） 只能以某种预先确定的顺序来读写存储单元，存取时间与存储单元的物理位置有关。如，磁带存储器。,3. 按构成器件和存储介质分类： （1）半导体存储器 容量大、存取速度快、体积小、功耗低、集成度高。 半导体存储器从制造工艺又可分为双极型和MOS型两类。 双极型存取速度快，但功耗较大、集成度低、价格贵，一般用作高速缓存； MOS型存取速度慢，但集成度高，功耗小，价格便宜。一般用作主存。 （2）磁存储器 在非磁性金属或塑料的表面涂一层磁性材料，利用磁层的不同磁化状态表示“1”或“0”。如磁盘、磁带、磁卡。 （3）光存储器 用激光技术控制访问的存储器，利用光学原理来读写信息的，如CD-RO
4、M、可读写的光盘等。,1.存储器件的容量：基本单元数位数 2.存储器的速度是以存储器的存取时间或存取周期来描述的。 存取时间TA（Access Time）、存取周期TAC（Access Cycle。 3. 存储器的功耗指存储器工作时所消耗的功率。 分为维持功耗和操作功耗。 4. 可靠性，存储器的可靠性用平均无故障时间MTBF（Main Time Between Failures）来表征。 5. 性能/价格比,3.1.2 存储器的主要性能参数,3.1.3 存储系统的层次结构 在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache，主存储器和辅助存储器组成，如图3-1所示
5、。,3.2 读写存储器, 半导体存储器按存取方式可分为： 随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 RAM按采用器件分为：双极型存储器和MOS型存储器 MOS型存储器按存储原理可分为：静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）； ROM按存储原理可分为：掩膜ROM、可编程PROM、光可擦除EPROM、电可擦除E2PROM和闪速存储器等。,3.2.1 静态读写存储器SRAM,1. 基本存储电路 该电路通常是由6个MOS管组成的双稳态触发器电路，如图3-2所示。,2. 静态RAM的结构 利用基本存储电路排成阵列，再加上地址译码电路和读/写控制电路就可以构成随机存取存储器。,3.2.2
6、动态读写存储器DRAM,1. 基本存储电路 DRAM存储信息的基本电路可以采用单管电路、三管电路和四管电路。,2. DRAM的刷新 DRAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，但由于任何电容都存在漏电现象。 一般每隔2ms就必须对动态RAM进行读出和再写入操作，使原来处于逻辑电平“1”的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”，这个过程叫动态RAM的刷新。 专门安排存储器刷新操作，主要以下几点： （1）刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。 （2）由于DRAM的基本存储电路可按行同时刷新，所以刷新只需要行地址，不需要列地址。 （3）片内数据线与外
7、部数据线完全隔离。,3.2.3 ROM 制造工艺的不同，微机中常用的半导体只读存储器可分为掩膜式ROM、PROM、EPROM以及EEPROM等。,3.2.4 EPROM EPROM中，信息的存储是通过电荷分布来决定的。,3.2.5 EEPROM（E2PROM） 电擦除可编程只读存储器EEPROM（E2PROM），采用电擦除技术，允许在线编程写入和擦除，而不必像EPROM芯片那样需要从系统中取下来，再用专门的编程写入器和专门的擦除器编程和擦除。,3.2.6 闪速EEPROM（FLASH） FLASH是不用电池供电的，高速耐用的非易失性半导体存储器。 FLASH具有EEPROM的特点，又可在计算机
8、内进行擦除和编程。读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。 FLASH有5V或12V两种供电方式。,3.3 存储器的连接,3.3.1 存储器的扩展 1. 位扩展 位扩展是指增加存储的字长，一块实际的存储芯片，每个单元的位数往往与实际内存单元字长不相等。 存储芯片可以是1位，4位或8位的，如DRAM芯片Intel2164为64Kl位，SRAM芯片Intel2114为1K4位，Intel6264芯片则为8K8位，连接方法如图3-8所示。,2. 字扩展 字扩展是对存储器容量或存储空间的扩展。 如果存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求（如字长己为8位），只是存储单元的个数不够，需要增加的是
9、存储单元的数量，就需要进行字扩展。即用多片字长为8位的存储芯片构成所需要的存储空间。 例如，用2K8位的存储器芯片组成4K8位的存储器。其连接示意图如图3-9所示。,3. 字、位扩展 在构成一个实际的存储器时，需要同时进行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。 要构成一个容量为MN位的存储器，若使用LK位的芯片（LM，KN）。则构成这个存储器需要（MN）/（LK）个这样的存储器芯片。 例如，若系统要构成4KB的存储器，用2114芯片，则需要8块。,综上所述，存储器容量的扩展可以分为以下3步： 1）选择合适的芯片； 2）根据要求将芯片“多片并联”进行位扩展，设计出满足字长要求的“存储模块”； 3
10、）对“存储模块”进行字扩展，构成符合要求的存储器。,【例3-1】用1K4位的2114芯片组成2K8位的存储器系统。 分析：由于芯片的字长为4位，因此首先需用采用位扩充的方法，用两片芯片组成lK8位的存储模块，再采用字扩充的方法来扩充容量，使用两组上述存储模块来完成。,3.3.2 存储器寻址 通过地址译码实现片选有3种方法：线选法、全译码片选法和局部译码片选法。 1.线选法 在简单的微机系统中，用单根地址线作片选信号，每个存储芯片或I/O端口只用一根地址线选通。 2.全译码片选法 将低位地址总线直接连至各芯片的地址线外，余下的高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片的片选信号。 3.局部译码
11、片选法 如果不要求提供CPU可直接寻址的全部存储单元，而用线选法地址线又不够用时，虽然可用全译码法，但为了简化地址译码逻辑，可采用局部译码法，又称混合译码法。,3.3.3 存储器芯片的选配 主存储器包括RAM和ROM，设计时首先根据需要、用途和性价比选用合适的存储器芯片类型和容量。然后还应根据CPU读写周期对速度的要求确定所选存储器芯片类型是否满足速度要求。,1.存储器芯片类型的选择 存储器容量需要较小的专用设备中，应选用静态RAM芯片； 在对存储器容量需要较大的系统中，应选用集成度较高的动态RAM芯片。 2.存储器芯片容量的选择 原则是应用较少数量的芯片构成存储器系统，并考虑总成本和硬件设计
12、的简单性。 3.存储器芯片速度的选择 根据CPU读写速度选择合理的存储芯片的存取速度。 4.存储器芯片功耗的选择 根据计算机系统的应用条件、设备的散热环境等困素来决定。,3.3.4 存储器与CPU的连接 连接应注意： 1.地址线、数据线、控制线的连接 2.总线的负载能力 3.存储器芯片与CPU的速度匹配 4.存储器的地址分配和片选控制。,【例3-2】一个存储器系统包括2KB RAM和8KB ROM。分别用1K4位的2114芯片和2K8位的2716芯片组成。要求ROM的地址从1000H开始，RAM的地址从3000H开始。完成硬件连线及相应的地址分配表。 分析：按规定的地址范围，设计各芯片或芯片组
13、片选信号的连接方式。采用74LSl38译码器。74LS138译码器如图3-11所示，要注意按地址要求选用相应的地址引脚，存储器结构图如图3-l2所示。整个存储器的硬件连线如图3-13所示。,根据硬件连线图，我们可以分析出该存储器的地址分配范围如表3-1所示（假设系统16位地址）。 表3-1 存储器的地址分配范围,3.4 存储器管理,3.3.1 IBM PC/XT中的存储空间分配 首先，选择计算机系统的主存储器容量和RAM、ROM芯片数。 其次，为各个存储器芯片分配存储地址空间。使用不同微处理器的计算机系统对RAM、ROM的存储地址空间的分配有不同的要求。 使用8088CPU的PC/XT微机的存
14、储器地址分配如图3-14所示。,3.3.2 扩展存储器及其管理 虚拟存储器地址是一种概念性的逻辑地址，并非实际物理地址，虚拟存储系统是在存储层次辅存内存高速缓存的基础上，通过MMU，进行虚拟地址和实际地址自动变换而实现的，编址空间大。 80386和80486的存储器管理部件MMU的组成和功能大致相同，都采用分段分页管理方式，基本与80286相同，但分段尺寸从64KB扩展到4GB。地址变换采用高速缓冲存储器和转换后备缓冲器，加速了地址变换，系统性能有了很大提高。 80386/80486的虚拟存储空间最大可到64TB。,3.5 内部存储器技术发展,3.5.1 多模块交叉存储器 设计思想：物理上将主
15、存分成多个模块。每个模块都包括一个存储体、地址缓冲寄存器和数据缓冲寄存器等，CPU就能同时访问各个存储模块，任何时候都允许对多个模块并行地进行读/写操作。 多模块交叉存储器实际上是把整个主存地址空间划分为多个同样大小的地址分空间。采用交叉编址的方案。即利用主存地址的低K位来选择模块（可确定2K个模块），高m位用来指定模块中的存储单元。,3.5.2 高速缓冲存储器（Cache） 高速缓冲存储器（Cache）：解决CPU和主存之间的速度匹配问题，在CPU与存储容量较大但操作速度较慢的主存之间，设置一个容量小但存取速度比主存快数倍的存储器。 1. Cache的工作原理 Cache的工作原理是基于程序
16、访问的局部性原理。,2. Cache的基本结构 （1）全相联Cache （2）直接映像Cache （3）组相联Cache,3. 替换算法 替换算法：发生在有冲突发生时，即新的主存页需要调入Cache。而Cache已没有空闲空间可用时。这时替换机构应根据某种算法指出应移去的块，再把新块调入。 替换算法主要有4个： （1）随机替换算法： （2）先进先出算法（FIFO）： （3）近期最少使用算法（LRU）： （4）优化替换算法：,3.6 外部存储器,3.6.1 硬盘及硬盘驱动器 硬盘分类： （1）固定磁头： （2）活动磁头： （3）活动磁头可换盘片磁盘机不但磁头可移动，而且盘片也由一片或多片磁盘构成盘盒或盘组形式，用户可方便地将它们从磁盘机上卸下或装上。,2. 硬盘驱动器 硬盘驱动器（HDD）又称磁盘机，是独立于主机的，用来完成对硬盘的读/写工作。 活动磁头可换盘片磁盘机的基本结构由5部分组成：主轴系统、数据转换系统、磁头驱动和定位系统、空气净化系统和接口电路。,3. 硬盘控制器 硬盘控制器
