第3章存储器技术.ppt
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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、光盘及其驱动器等外存。,第3章 存储器技术,3.1 存储器概述,微机系统必须配备一定容量的存储器,存储器主要用于存放微机系统工作时所必需的程序和数据。 内存:主要用于暂存当前正在(将要)执行的程序,由半导体存储器材料构成,能够通过总线与CPU直接访问。 外存:只存放相对来说不经常使用的数据和程序,外存中的数据须先调入内存,才与CPU直接交换数据。,外存和内存的比较: 1)CPU直接在内存
2、中存取处理的程序和数据。 2)外存中的信息须批量调入内存后,方可被CPU调用。 3)内存容量小、存取速度快、易失性 4)外存容量大、存取速度慢、非易失性,1.按存储器与CPU的位置关系分为: (1)外存:常用的硬盘、U盘、光盘、磁带等设备以及它们的驱动器一般称为外存储器,也称外部设备。 (2)内存:用于暂存当前正在(将要)执行的程序。也称为主存,一般插在主板上,CPU能够通过总线直接访问,存取速度快但容量较小。,512MB,2GB。 容量由CPU的AB限制,80GB、160GB,(3)Cache,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,容量小于内存。,外存,内存,
3、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、磁芯随机存储器。,从给出命令时磁鼓所在的单元开始,(2)顺序存取存储器SAM(Sequential Access 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)半顺序存取存储器(磁盘存储器)。,3.按存储介质方式分类: (1)半导体存储器:,内存,(2)磁存储器: (3)光存储器:,1按存取信息的功能分为: RAM:主要构成内存,R
4、AM又可分为SRAM和DRAM。 ROM:主要用于存放BIOS程序。,2按材料和制造工艺分为: 双极型:存取速度最快,和CPU的工作速度基本相匹配。但功耗大,容量小,价格高。 MOS型:存取速度较慢,功耗小、容量大、价格低。,在非磁性金属或塑料的表面涂一层磁性材料,如磁盘、磁带、磁卡。,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-ROM、可读写的光盘等。,3.1.2 存储器的主要性能指标,1.存储容量 通常用该内存储器所能寻址的单元个数及每个单元能够存取的二进制数的位数来表示, 即:存储容量=基本单元个数位数(b) =MN=1K8位 内存最大容量:由AB决定。 内存的实际容量
5、:小于最大容量,0000到FFFF的单元个数为64KB,8bit,物理存储器,存储器地址空间,AB,DB,2.速度 存取时间TA:内存储器从接收到存储单元的地址开始,到它存入和取出数据为止所需的时间。 通常指存取时间的上限值(最大值),称为最大存取时间。 存取周期TAC:两次存储器访问所需的最小时间间隔。,3. 功耗,半导体存储器的功耗指“维持功耗”和“操作功耗”。,4. 可靠性,对电磁场及温度变换的抗干扰能力, 一般用平均无故障时间MTBF(Main Time Between Failures)表示,MTBF越长,可靠性越高。,5. 性/价比,待机功耗 工作功耗,3.1.3 存储系统的多层次
6、结构 在计算机系统中常采用三级结构来构成存储系统,由高速缓冲存储器Cache,主存和辅存组成,如图。,以Cache-主存和主存-辅存的两级层次结构。,3.2 读写存储器 半导体存储器按存取信息的功能分为: RAM:存储的信息可根据需要随时读/写,关机后信息丢失,主要用于存放各种输入/出数据、中间运算结果及正在运行程序的数据,可与外存交换信息。 RAM按采用器件可分为:双极型和MOS型。 按存储原理分为:SRAM和DRAM,内存一般指RAM, ROM:存储的信息只能读出不能修改或写入新的信息,关机后信息不丢失,主要用于存放BIOS程序。 ROM按信息的设置方式可分为:掩模式ROM、PROM、EP
7、ROM、EEPROM和Flash Memory。,3.2.1 SRAM:Static RAM 1.基本存储电路 芯片中一个基本存储电路能存储1位二进制数, 基本存储电路一般由R-S 触发器构成,其两个稳态分别表示存储内容为“0”或为“1”。,存储1个字节需要8个基本存储电路,1.静态读写存储器SRAM的基本存储电路 由6个MOS管组成的双稳态触发器电路,如图。,写1时,I/O为1, 即A=1,B=0, T1截止,T2导通,读出时,选择线/行选中为高, A、B点的原来值被分别送到I/O和I/O*。,A=1,T1截止,B=0,T2导通,写0时,I/O为0, 即A=0,B=1, T1导通,T2截止,
8、2. SRAM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。,一个容量为MN的存储器则包含MN个基本存储电路。 如,存储器容量为1KB=1024B=1K8位=32行32列。,AB的n次幂,I/O位数,2的10次幂,B,5+5 2的5次幂,行译码,列译码,00 01 10 11,00 01 10 11,0000,典型芯片Intel6116容量:2K8位。 SRAM,速度快,集成度低,功耗大,成本高,适用于小容量存储,如Cache。 DRAM,速度慢,集成度高,功耗小,成本低,如内存条。,AB:010,I/O:07,总结:存储器 1 存储器与CPU的
9、位置关系将存储器分为: 2 存储器在计算机中的存取方式分类: 3 存储器按存储介质方式分类: 4 半导体存储器按存取信息的功能分为: RAM(SRAM和DRAM)、ROM(PROM、EPROM、EEPROM和FlashM)。 5 半导体存储器按材料分为: 双极型、 MOS型(ROM、DRAM及SRAM)。 6 存储器按照和CPU的位置关系分为三级: 7 内存储器的性能指标: 8 SRAM:MN,存储1位的基本存储电路由双稳态触发器。 DRAM:基本存储电路用MOS管栅和源极之间的电容C来存,慢/容量大/功耗小,集成度高,价格低,如内存,快/容量小/功耗大,成本高,适用于小容量存储,如Cache
10、。,RAM,SAM和半顺序,外存,内存和Cache,半导体,磁性和光存储器,3.2.2 动态读写存储器DRAM(Dynamic RAM),1. 基本存储电路 DRAM存储信息的基本电路采用单管电路、三管电路和四管电路。,图3-5 单管动态基本存储电路,读时:某行线为1,T导通,C上的值通过列线的刷新放大器转换为0或1重写到C上,列线选中某列读取信息。,写时:行线为1,T导通, C上的值送到刷新放大器上后又对C进行写,刷新时,列选择信号总为0。,不读/写时:行选择信号线为0,T截止,C与外电路断开,不充放电,故保持原状态。,2. DRAM的刷新 DRAM的基本存储电路原理是利用MOS管栅极和源极
11、之间的电容C来存储存储电荷信息。电容的有、无表示存储的0或1。 由于任何电容都存在漏电现象,故每次数据读出后,要重新恢复C上的电荷量。即使无读操作,电荷泄漏也会造成信息丢失。 为了保持DRAM电容C中信息(电荷),需周期性地(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DRAM的刷新。 刷新周期通常为2ms8ms。,CCD 刷新,存储器专门的刷新电路操作,主要有: (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
12、以刷新只需要行地址,不需要列地址。 (3)刷新操作时,数据线是呈高阻状态,片内数据线与外部数据线完全隔离。,3 典型DMAR芯片Intel 2164A,内部结构: 容量是64K1位行、列地址分时送入。 利用内部多路开关, 行地址选通信号RAS/; 列地址选通信号CAS/,AB:015 I/O:1,(2) 读/写控制 当WE/低电平有效时写入被选中单元; 当WE/高电平无效时表示读。,64KB需8片,8+8, 先行后列,64KB*1=4个128*128,128行选1行,16位AB,1位DB,图3-6 Intel 2164A 64K*1位的内部结构示意图,8+8, 先行后列,4选1的I/O,4个1
13、28的读出放大器,SRAM:MN,存储1位的基本存储电路由双稳态触发器。 快/容量小/功耗大,成本高,适用于小容量存储,如Cache。 DRAM:基本存储电路用MOS管栅和源极之间的电容C来存。 需要刷新电路,慢/容量大/功耗小,集成度高,价格低,如内存。,3.2.3 ROM 根据制造工艺可分为掩膜式ROM、PROM、EPROM以及EEPROM等。,1) 掩膜编程的ROM (Mask Programmed ROM)简称ROM 用最后一道掩模工艺来控制某特定基本存储电路的晶体管能否工作,以达到预先写入信息的目的,制造完成后用户不能更改所存信息。由于只有读出所需的电路,所以结构简单、集成度高、容易
14、接口,大批量生产时也很便宜。,掩膜ROM主要用做微型机的标准程序存储器,如BASIC语言的解释程序、汇编语言的汇编程序、FORTRAN语言的编译程序等。也可用来存储数学用表、代码转换表、逻辑函数表、固定常数以及阴极射线管或打印机用的由字符产生图形的数据等。,可存放BIOS,系统自检、初始化等程序。,2) 现场编程ROM(可编程),简称PROM。 出厂时并未存储任何信息。使用时,用户可根据需要自行写入信息。但信息一旦写入便成为永久性的,不可更改。 PROM是一次性编程ROM,程序一旦写入便不能被擦去和改写。,可改写的PROM也称反复编程ROM,简称EPROM(Erasable PROM),信息的
15、存储是通过电荷分布来决定的,是指用户既可以采取某种方法自行写入信息,也可以采取某种方法将信息全部擦去,而且擦去后还可以重写。,根据擦去信息的方法不同EPROM又可分为两种: (1)紫外线擦除的EPROM (Ultraviolet EPROM), 简称UVEPROM; (2)电擦除的EPROM ( Electrically EPROM),简称 EEPROM或称电改写的ROM(Electrically Alterable ROM,简称EAROM),也称E2PROM。,3.2.4 EPROM,用紫外线擦去,擦写时从系统中取出来,重写速度慢,,3.2.5 EEPROM(E2PROM) 电擦除可编程只读
16、存储器EEPROM(E2PROM),采用电(20V的高压)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),又称块擦写可编程ROM。 FLASH高速耐用的非易失性半导体存储器,不用电池供电的,能在线擦除和重写,掉电后信息可保持十年。 FLASH具有EEPROM的特点,又可在计算机内进行擦除和编程。读取时间与DRAM相似,而写时间与磁盘驱动器相当。 广泛应用于主板的ROM BIOS、激光打印机、条码阅读器、U盘等设备中。,3.3 存储器的连接,3.3.1 存储器的扩展 1.
17、位扩展, 2.字扩展, 3.字、位扩展 1. 位扩展, 指增加存储的字长。 存储芯片可以是1位,4位或8位的, 如DRAM芯片Intel 2164为64Kl位, SRAM芯片Intel 2114为1K4位,,总存储单元个数不变, 只增加每个单元中的位数,增加片数,每个单元中的位数为8位,12位,高低8位,AB,CB全并联, DB分别对应连接。,12位AB,4位DB,例,若单片容量为4K4位,连接为4K8位需要几片:,两片,2. 字扩展 字扩展是对存储器容量或存储空间的扩展。 存储芯片上每个存储单元的字长己为8位),只是存储单元的个数不够,需要增加的是存储单元的数量,就需要进行字扩展。即用多片字
18、长为8位的存储芯片构成所需要的存储空间。,增加片数,每个单元中的位数是8位,11位AB,8位DB,AB, DB和CB全并联,CS/分别连接译码器。,例如,用2K8位的存储器芯片组成4K8位的存储器。,两片,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。 例,若使用LK位的芯片(LM,KN),则构成MN位的存储器需要这样的存储器芯片?个。 例如,若系统要构成4KB的存储器,用2114芯片1K4位,则需片?,(4K8)/(1K4) =8,(MN)/(LK),综上所述,存储器容量的扩展可以分为以下三步: 1)选择合适的芯片; 2)根据要求将芯片“多片并
19、联”进行位扩展,设计出满足字长要求的“存储模块”; 3)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:芯片为1K4位,组成1K8位的,因此首先位扩展,用两片为一组组成lK8位的存储模块,再字扩展用两组lK8位的扩充为2K8位的存储器系统。,图3-10 用2114芯片1K4位组成2K8位的存储器连线,10位AB,4位DB,两组,一组两片,高低8位,10位,3.3.2 存储器寻址 CPU通过地址译码实现对存储器芯片的片选,3种方法: 1.线选法 在简单的微机系统中,每个存储芯片或I/O端口只用一根地址线作片选信号。 2.全译
20、码片选法 将低位地址总线直接连到各芯片的地址线上,剩余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.局部译码片选法 又称混合译码法,可简化地址译码逻辑电路,适用线选法地址线又不够,又不要求提供CPU可直接寻址的全部存储单元,也可用全译码法。,CPU访问存储单元,片间寻址,片内寻址,全部总线实现全部存储单元寻址,例,某存储体只需l6KB存储容量。若采用2KB存储芯片构成,则共需要?片。 分析:A10A0作为存储芯片的片内地址线。 可采用局部译码法,即用A15A13作译码,通过3-8译码器译码输出作为8个存储芯片的片选信号,A11A12置空。,8,AB:010,AB:013,3.
21、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 存储器容量较小的专用设备中,应选用SRAM芯片; 存储器容量较大的系统中,应选用集成度较高的DRAM。 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
22、储器与CPU的连接 连接应注意: 1.地址线AB、数据线DB、控制线CB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:1、2KB RAM需1K4位的2114芯片: 8KB ROM需2K8位的2716芯片:,一组两片 共两组,AB:010 DB:07,AB:09 DB:03,4个,AB:012 DB:07,AB:010 DB:
23、07,分析:2、ROM的地址从1000H开始, 8KB ROM需2K8位的2716芯片:,AB:010: 0111 1111 1111B=07FFH (2716-1),0001 0000 0000 0000B=1000H,0001 0000 0000 0000B=1000H +0000 0111 1111 1111B=07FFH (2716-1) 17FFH 1800H +0000 0111 1111 1111B=07FFH (2716-2) 1FFFH 2000H +0000 0111 1111 1111B=07FFH (2716-3) 27FFH 2800H +0000 0111 1111
24、 1111B=07FFH (2716-4) 2FFFH,RAM的地址从3000H开始。 2KB RAM需1K4位的2114芯片:,AB:010: 0011 1111 1111B=03FFH (2114),0011 0000 0000 0000B=3000H,0011 0000 0000 0000B=3000H +0000 0011 1111 1111B=03FFH (2114-1) 33FFH 3400H +0000 0011 1111 1111B=03FFH 37FFH 3800H +0000 0011 1111 1111B=03FFH (2114-2) 3BFFH,总结: 1 SRAM:M
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