《教案06-计算机硬件技术基础.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《教案06-计算机硬件技术基础.doc（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机硬件技术基础第 6 次课章节名称第2章 微型计算机第2节 内存储器目的要求通过本次课的学习，要求了解存储器的分类及分级存储器结构，掌握RAM存储器芯片的内部结构及工作原理，了解掩模ROM、EPROM、E2PROM存储器芯片的特点。重点难点重点：存储器的分类；SRAM的组成、存储矩阵的结构；两种地址译码方式；DRAM的刷新。 难点：典型SRAM芯片的内部结构。方法手段课堂讲授，利用图片、动画等演示存储器芯片的外部特性、内部结构、工作原理。课 堂 提 问1 分级存储器结构的优点？2存储矩阵有哪两种排列方式？各有何特点？3复合译码与线性译码相比，有什么优点？本 次 课 内 容 总 结本次课我们
2、首先学习了存储器的分类，了解了存储器的分级结构及存储器的主要技术指标，重点介绍了SRAM存储器芯片的内部结构及工作原理，分析了DRAM的构成及刷新方式，最后介绍了几种ROM存储器芯片的工作原理及特点。思考题作业题作业：二、 1、3、4、6参考资料授课内容1知识的回顾与问题的引出存储器是计算机硬件系统的五大功能部件之一，用来存放计算机系统工作时所用的信息程序和数据。计算机配置了存储器之后，才具有“记忆”功能，从而可以不需要人的直接干预而自动地进行工作。现代计算机中有各种各样的存储器，每种存储器都具有其不同的存储特点，计算机中所有存储器及其存储控制电路和存储管理部分等，构成了计算机的存储器系统。计
3、算机的存储器是在不断地扩大容量、加快速度、缩小体积、降低成本的过程中发展的。本章将在介绍微型计算机中存储器系统的组织结构和存储器芯片的接口特性的基础上，重点介绍CPU与存储器的接口技术。本次课首先介绍存储器的基本概念和一些典型的存储器芯片。2存储器分类随着计算机系统结构的发展和微电子技术的进步，存储器的种类越来越多，可以按照多种方法对其进行分类，常用的分类方法有以下4种：（1）按存储介质分类用来制作存储器的物质称为介质。根据存储介质的不同，可以将存储器分为：磁心存储器、半导体存储器、光电存储器、磁表面存储器和光盘存储器等。当前，计算机的主存使用的大多数是半导体存储器，外存一般为磁表面存储器和光
4、盘存储器。（2）按存取方式分类按照存储器的存取方式可分为随机存取(读写)存储器、只读存储器、顺序存取存储器和直接存取存储器等。随机存取存储器RAM的任意一个存储单元都可以随机读写，且存取时间与存储单元的物理位置无关。它一般由半导体材料制成，速度较快，用于内存。断电后，RAM芯片内的内容将丢失。只读存储器ROM的内容可随机读出，但不能被一般的CPU写操作随机刷新。断电后，ROM芯片内的内容依然保持。顺序存取存储器只能按照某种次序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关。磁带是一种典型的顺序存储器。直接存取存储器存取数据时不必对存储介质作完整的顺序搜索而直接存取。磁盘和光盘都是典型的直接存取存储器
5、。（3）按信息的可保护性分类根据存储器信息的可保护性，可将存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。断电后信息将消失的存储器为易失性存储器，如RAM。断电后仍保持信息的存储器为非易失性存储器，如半导体介质的ROM、磁盘、光盘存储器等。（4）按所处位置及功能分类根据存储器所处的位置可分为内存和外存。位于主机内部，可以被CPU直接访问的存储器，称为内存。计算机运行时，内存与CPU频繁交换数据，是存储器中的主力军，又称主存；位于主机外部，被视为外设的存储器，称为外存。由于外存的数据只有调入内存，CPU才能应用，起着后备支援的辅助任务，故又称为辅存。半导体ROM、RAM用于主存，磁盘、光盘、磁带等存储器
6、常用于外存。存储器的分类如下图所示。存储器分类图3分级存储器结构为了保证计算机系统的性能价格比，存储器要求具有大容量、高速度以及低价格等特点。然而，这三者之间是互相矛盾的，如大容量和高速度都必然导致高价格。为了解决这些矛盾，除了不断研制新的存储器，提高存储器的性能外，还可从存储器的系统结构上较好地解决存储器大容量、高速度与低价格之间的矛盾。目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用寄存器组、高速缓冲存储器、主存储器和外存储器，如下图所示。它们的存取速度依次递减，存储容量依次递增，位价格依次降低。Cache 主 存CPU寄存器组磁盘cache磁 盘磁 带光 盘存储系统的分级结构寄存器
7、组是最高一级的存储器。在微型计算机中，寄存器组一般是微处理器内含的。有些待使用的数据或者运算的中间结果可以暂存在这些寄存器中。微处理器在对这些寄存器读写时，速度很快，一般在一个时钟周期内完成。从总体上说，设置一系列寄存器是为了尽可能地减少微处理器从外部取数的次数。但是，由于寄存器组是制作在微处理器内部的，受芯片面积和集成度的限制，寄存器的数量不可能做得很多。第二级存储器是高速缓冲存储器(Cache)。Cache存储器所用的芯片都是高速的，其存取速度足以与微处理器相匹配。一般只装载当前用得最多的程序或数据。设置高速缓冲存储器是高档微机中常用的方法。第三级是内存储器。运行的程序和数据都放在其中。由
8、于微处理器的寻址大部分落在高速缓冲存储器上，内存就可以采用速度上稍慢的存储器芯片，对系统性能的影响也不会太大。由于降低了对存储器芯片的速度要求，就有可能以较低价格实现大容量。最低一级存储器是大容量的外存，如磁带、软盘、硬盘、光盘等。这种外存容量从几十千兆至几百千兆字节，在存取速度上比内存要慢得多。由于它平均存储费用很低，所以大量用作后备存储器，存储各种程序和数据。在目前的微处理器中，普遍具有虚拟存储的管理能力，这时硬盘的存储空间可以直接用作内存空间的延伸，虚存空间可达64TB。使用这样的存储体系，从CPU看，存储速度接近于最上层，容量及成本接近最下层，从而大大提高了系统的性能价格比。4存储器的
9、主要技术指标（1）存储容量存储容量是存储器的一个重要指标，是指存储器可以存储的二进制信息量。存储器的基本存储单位是存储元，每一个存储元能存储一位二进制信息。计算机为了便于对这些大量的存储元进行有效管理，把8个存储元列在一起，构成一个存储单元，从而把一个存储器划分为许多个存储单元，每个存储单元存放8位二进制信息，称为一个字节信息。计算机对存储器的管理是以字节为单位分配各个存储单元一个唯一的地址码，按地址对存储器进行读/写访问。字长是指存储器完成一个读/写操作的二进制位数，一台计算机的字长通常是8的倍数。 存储容量字数字长微型计算机中的存储器几乎都是以字节(8位)为单位进行编址的，所以常用存储器可
10、存储的字节数表示存储容量，并以KB、MB、GB等作为存储容量的单位。（2）存取时间存取时间指从启动一次存储器操作(读/写)到完成该操作所经历的时间。具体来说，就是指CPU发出读/写命令，存储器从接收到寻找存储单元的地址码开始，一直到从存储器中取出数据到CPU的数据寄存器或写入数据到存储器为止所需要的时间。存取时间是说明存储器工作速度的指标。存取时间越短，计算机读/写工作速度越快。（3）可靠性可靠性是指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰性。半导体存储器由于采用大规模集成电路结构，因此可靠性高，平均无故障时间为几千小时以上。（4）功耗使用功耗低的存储器，不仅可以减少对电源容量的要求，而且还可以提高
11、存储系统的可靠性。（5）集成度集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成多少个存储元，常表示为位/片。集成度关系到存储器的容量，所以也是一个重要的指标。（6）性能价格比存储器的性能包括前面几项指标，存储器成本在计算机成本中占有很大比重。因此，降低存储器成本，可降低计算机造价。性能价格比是一个综合性指标，它反映了存储器选择方案的优劣。上述指标有些是互相矛盾的，所以在设计和选用存储器时，应根据需要，在满足主要要求的前提下而兼顾其它。5SRAM存储器RAM存储器是一种随机读写存储器，有双极型和MOS型两种。双极型速度较高，但集成度较低，功耗大，成本高。而MOS型功耗低，集成度高，但速度较低。在MOS型
12、RAM中又分为SRAM和DRAM两类。SRAM的基本存储电路是六管MOS触发器，而DRAM一般由单管组成，需定时刷新。（1）SRAM的组成SRAM通常由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态数据缓冲器组成。下图是10241位的SRAM结构示意图。SRAM内部结构图1）存储矩阵一个基本存储单元存放一位二进制信息，一块存储器芯片中的基本存储单元电路按字结构或位结构的方式排列成矩阵。按字结构方式排列时，读/写一个字节的8位制作在一块芯片上，若选中，则8位信息从一个芯片中同时读出，但芯片封装时引线较多。例如1K位的存储器芯片由1288组成，访问它要7根地址线和8根数据线。位结构是1个芯片内的基本单元作为
13、不同字的同一位，8位由8块芯片组成。位结构方式的优点是芯片封装时引线较少，例如1K位存储器芯片由l024l组成，访问它要l0根地址线和l根数据线，但使用芯片为8块。封装引线数减少，成品合格率就会提高，因此，存储器芯片大多采用位结构形式。2）地址译码器CPU读/写一个存储单元时，先将地址送到地址总线，高位地址经译码后产生片选信号选中芯片，低位地址送到存储器芯片，由地址译码器译码选中所需要的片内存储单元，最后在读/写信号控制下将存储单元内容读出或写入。地址译码器完成存储单元的选择，通常有线性译码(单译码)和复合译码(双译码)两种方式。线性译码是只用一个地址译码器电路译码，译码输出的字选择线直接选中
14、与输入码对应的存储单元。而复合译码是将地址线分为X和Y两部分，用两个译码电路分别译码。X向译码又称行译码，其输出线称行选择线，它选中存储矩阵中一行的所有存储单元。Y向译码又称列译码，其输出线称列选择线，它选中一列的所有单元。只有X向和Y向的选择线同时选中的那一位存储单元，才能进行读或写操作。【提问】复合译码与线性译码相比，有什么优点？【解答】复合译码所需选择线数目少，适用于大容量的存储器。如l024l的位结构芯片排列成3232矩阵，A0A4送到X译码器(行译码)，A5A9送到Y译码器(列译码)。参见上图，X和Y译码器各输出32根线，由X和Y方向同时选中的单元为所访问的存储单元。若采用线性译码，
15、l0根地址线输入到地址译码器后，则有l024根输出线来选择存储单元。3）控制逻辑与三态数据缓冲器存储器读/写操作由CPU控制，CPU送出的高位地址经译码后，送到控制逻辑的端。信号为片选信号，有效，存储器芯片选中，允许对其进行读/写操作，当读/写控制信号、送到存储器芯片的端时，存储器中的数据经三态数据缓冲器的D7D0端送到数据总线上或将数据写入存储器。（2）典型SRAM芯片Intel 6116目前各种中、高档PC系列微机和工作站普遍采用SRAM芯片组成CPU外部的高速缓冲存储器Cache，在一般的单片机开发系统、单板机系统及早期的低档微机中，多采用SRAM构成存储器的RAM子系统。各种SRAM芯片的引脚信号基本相同。不过其存储容量不同，则地址线的根数不同；其存储位数不同，则数据线的根数不同。芯片的片选控制线，一般设置一根信号线或。读/写控制线的设置方法有两种：一种只设一根“写使能”线，当0时为写允许，当1时为读允许；另一种是设两根读/写控制线和，0为读允许，而0为写允许。下面以Intel 6l16为例，介绍SRAM芯片的工作方式及内部结构。 1）
