《微机原理与接口技术－教学课件－李云强 第3章 存储器》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－李云强 第3章 存储器（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、微机原理与接口技术,中国水利水电出版社,主编 李云强,第3章 存储器,3.1 存储器概述 3.2 存储器管理 3.3 存储器的连接 3.4 存储器接口分析与设计举例,3.1 存储器概述,存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。存储器中最小的存储单位就是存储元，它可存储一位二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，再由许多存储单元组成一个存储器。,3.1.1 存储器的分类,存储器按存储介质分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器等；按信息的可保存性分为非永久性记忆存储器（断电后信息消失）、永久性记忆存储器（断电后信息仍保存）；按存储方式分为随机存储器（任何存储单元的内容都能被随
2、机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关）、顺序存储器（只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关）；按在计算机系统中的作用分为主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器。 半导体存储器按读写方式分为只读存储器ROM和可读写存储器RAM。,1.可读写存储器RAM 双极型RAM。 金属氧化物（MOS）RAM 。 静态RAM（SRAM）。 动态RAM（DRAM）。 集成RAM（i RAM）。 非易失性RAM（NVRAM） 。 2.只读存储器ROM 。 掩模工艺ROM 。 可一次性编程ROM（PROM）。 紫外线擦除可改写ROM（EPROM） 。 电擦除可改写ROM（EEPR
3、OM或E2PROM）。 快擦写ROM（flash ROM） 。,3.1.2 存储器的主要性能参数,存储容量：是指存储器可以存储的二进制信息量 表示方法为：存储容量=存储单元数每单元二进制位数。 不同的存储器芯片，其容量不一样。通常用某一芯片有多少个存储单元，每个存储单元存储若干位来表示。例如，静态RAM 6264的容量为8K8位，即它有8K个单元（1K=1024），每个单元存储8位（一个字节）数据。 存取时间和存取周期：说明存储器的工作速度 存取时间：从存储器接收到寻址地址开始，到完成取出或存人数据为止所需的时间。 存取周期：连续两次独立的存储器存取操作所需的最小时间间隔；略大于存取时间。 存
4、取时间即存取芯片中某一个单元的数据所需要的时间。在计算机工作时，CPU在读写RAM时，它所提供的读写时间必须比RAM芯片所需要的存取时间长。如果不能满足这一点，微型机则无法正常工作。,可靠性：指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力 微型计算机要正确地运行，必然要求存储器系统具有很高的可靠性。内存的任何错误都足以使计算机无法工作，而存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。目前所用的半导体存储器芯片的平均故障间隔时间（MTBF）是（51061108）小时。 功耗 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，而且还可以提高存储系统的可靠性。,3.1.3 存储器的系统结构,基
5、本存储单元 存储体 地址译码器 片选与读/写控制电路 I/O电路 集电极开路或三态输出缓冲器 其它外围电路,基本存储单元 一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变 不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。 存储体 一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放MN个二进制信息，就需要用MN个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。 地址译码器 由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些
6、存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受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/写操作。,存储器地址译码有2种方式，通常称为单译码与双译码。 (1) 单译码:单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。 (2) 双译码: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。 片选与读/写控制电路 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
7、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。 I/O电路 I/O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与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。,集电极开路或三态输出缓冲器 为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。 其它外围电路 对不同类型的存储器系统，有时，还专门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，这也是存储器系统的重要组成部分。,3.2 存储器管
8、理,早期微型计算机在设计的时候，由于存储器芯片价格昂贵，以及软件对内存要求不高，因此设计主存储器为640KB。随着大型软件系统的出现，多道程序要求允许不同程序同时存取，需要大量存储空间，640KB的限制成了计算机的致命伤。但随着计算机技术的发展，CPU的寻址空间不断扩大，80386 CPU可寻址4GB存储空间，如何充分利用CPU庞大的寻址空间发挥其性能呢? 本节简单介绍这些方面的技术。,3.2.1 IBM PC/XT 中存储空间的分配,IBM PC/XT采用8088 CPU，可以寻址1MB存储空间。它的内存地址分配情况如图3-1所示。它是将ROM安排在高端，而把RAM安排在低端。在这样的多芯片
9、组成的微机内存中，往往通过译码器实现地址分配。,其中，0000H9FFFFH的640KB为主存储器，由D0S进行管理。0A0000H0BFFFFH的128KB为VRAM区，分配给视频适配器上的存储器使用。0C0000H0FFFFFH为ROM区，供BIOS和其他程序使用。VRAM区和ROM区合起来称为上位存储器，总共384KB。这些ROM空间用户程序无法存取，此部分存储器或者在系统主机板上，或者在接口板上。 在PC/XT的ROM区，ROM BIOS占8KB，0FE000H0FFFFFH，ROM BASIC使用了从0F6000H开始的32KB区域，硬盘使用了从0c8000H开始的8KB区域。在VR
10、AM区，MDA使用了从0B0000H开始的4KB区域，CGA使用了从0B8000H开始的16KB区域。,3.2.2 扩展存储器及其管理,由80286、80386、80486等CPU组成的微型计算机大多配置了416MB内存，现在Penmlm以上的PC则配置了32512MB甚至更多的内存，本节将介绍这些内存的管理和使用方法。,1.寻址方式 不同的CPU因地址线数目的不同，其寻址范围电不同，如表3-1所示。,Intel 8086的地址总线为20根，寻址范围为1MB。 实际上DOS操作系统还只能管理这1MB中的0640KB的存储空间。由于早期的PC应用程序规模较小，用户界面为字符形式，也不需要处理多媒
11、体信息。在当时的计算机发展水平下，大多数的业界人士都认为，640KB的存储容量已经足够了，而现在计算机已经配置了几百MB的内存。,2.存储器管理 (1)存储器的管理机制 计算机中的物理存储器是一个字节类型的线性数组，每一个字节占用一个唯一的地址，称为该字节的物理地址 虚拟地址用段和偏移地址两部分通过物理地址映射函数间接地对应于物理存储器地址。 广泛使用的存储器管理机制是分段机制和分页机制管理，它们都是使用驻留在存储器中的各种表格，规定各自的转换函数。这些表格只允许操作系统进行访问，而应用程序不能对其修改。这样，操作系统为每个任务维护一套各自不同的转换表格，其结果是每个任务有不同的虚拟地址空间，
12、并使各个任务彼此隔离开来，以便完成多任务分时操作。,以80386为例，80386先使用分段机制，把包含两个部分的虚拟地址空间转换为一个中间地址空间的地址，这一中间地址空间称为线性地址空间，其地址称为线性地址。 然后再用分页机制把线性地址转换为物理地址。如图3-2所示,虚拟地址空间是二维的，它所包含的段数最大可到16K个，每个段最大可到4GB，从而构成64TB容量的庞大虚拟地址空间。线性地址空间和物理地址空间都是一维的，其容量是232=4GB。事实上，分页机制被禁止的时候，线性地址就是物理地址。 8086和以后的微处理器均支持3种工作方式，即实地址模式、虚地址保护模式和V86模式。80286只有
13、实地址模式和虚地址保护模式两种工作方式。8088/8086只工作在实地址模式。,(2)虚拟存储器概念 虚拟存储技术是建立在主存和大容量辅存物理结构的基础上的，由附加硬件装置及操作系统内的存储管理软件组成的一种存储体系，它将主存和辅存的地址空间统一编址，提供了比实际物理内存大得多的存储空间。 在程序运行时，存储器管理软件只是把虚拟地址窄间的一小部分映射到主存储器，其余部分则仍然存储在磁盘上。当用户访问存储器的范围发生变化时，处于后台的存储器管理软件再把用户所需要的内容从磁盘调入内存，用户则好像是在访问非常大的线性地址空间。 这种机制在编程时，不用再考虑计算机的实际内存容量，可以写出使用的存储器比
14、实际配置的物理存储器大得多的程序。,虚拟存储器很好地解决了计算机存储系统对存储容量、单位成本和存储速度的苛刻要求，取得了三者之间的最佳平衡。 在虚拟存储系统中，基本信息传送单位可采用段、页或段页等几种不同的方式。 在80386及以后的CPU上，分页机制是支持虚拟存储器的最佳选择，因为它是使用固定大小的块。,(3)保护模式 这里的保护有两种含义： 一是为每一个任务分配不同的虚地址空间，使任务之间完全隔离，实现任务间的保护 二是任务内的保护机制，保护操作系统存储段及其专用处理寄存器不被用户应用程序所破坏 通常操作系统存储在一个单独的任务段中，并被所有其他任务所共享，每个任务有自己的段表和页表。,在
15、同一任务内，定义03这4种特权级别，0级最高。 定义为最高级中的数据只能由任务中最受信任的部分进行访问。特权级可以看成4个同心圆，内层最高，外层最低，特权级的典型用法是把操作系统的核心放在0级，而应用程序放在3级，留下的部分由中间层软件使用，如图3-3所示 不同的软件只能在自己的特权级中运行，这样就可以避免应用程序对操作系统内核的破坏，使系统运行更加可靠。,3.分段机制 80386的分段模式使用具有两部分的虚拟地址，即段部分和偏移量。 段部分是指CS、DS、SS、ES、GS、FS共6个段。 80386为地址偏移部分提供了灵活的机制，使用存储器操作的每条指令规定了计算偏移量的方法，这种规定叫做指
16、令的寻址方法，8个通用寄存器的任一个都可以用作基址寄存器，除堆栈指针外的其他7个寄存器又可以用来作变址寄存器，再把这个变址寄存器的值乘以1、2、4、8中的任一因子，然后再加上一个32位的偏移量作为地址的偏移部分。这种寻址方式提供了强有力而又灵活的寻址机制，非常适用于高级语言。,段是形成虚拟地址到线性地址转换机制的基础。 每个段由3个参数定义。 段的基地址：即线性空间中段的开始地址。基地址是线性地址空间对应于段内偏移量为0的虚拟地址 段的界限：指段内可以使用的最大偏移量，它指明该段的范围大小 段的属性：如可读m段、可写入段、特权级等 这几个参数都存储在段的描述符中，而描述符又存储在段描述表中，即描述符表是描述符的一个数组，而虚拟地址到线性地址的转换要访问描述符。,4.分页机制 分页机制是存储器管理机制的第二部分。 分页机制的特点是所管理的存储器块具有固定的大小，它把线性空间的任何一页映射到物理空间的一页。 分页转换函数由称为页表的存储器常驻表来描述 页表描述该页
