第5章微机的存储器ppt课件.ppt

微机的存储器,5.1存储器的分类与组成,5.2随机存取存储器（）,5.3读存储器（）,5.4存储器的连接,5.5内存条技术的发展,5.6硬盘存储器,5.7光盘驱动器,第五章 微机的存储器,5.8存储器系统的分层结构,1.存储器按其与CPU的连接方式进行分类 两大类：内存（主存）和外存（辅存）,内存：CPU可以通过系统总线直接访问的存储器，用以存储计算机当前正在使用的程序或数据,外存：用来存放相对来说不经常使用的程序或者 数据或者需要长期保存的信息。不能被CPU直接访问。 CPU需要使用这些信息时，必须要通过专门的I/O设备才能访问，把信息成批的传送至内存来（或相反）外存只与内存交换信息,5.1存储器的分类与组成,2、按存储介质分类： 半导体存储器； 磁泡存储器； 磁表面存储器 （如磁带，磁盘，磁鼓，磁卡等）； 磁芯存储器； 光盘存储器；,图5.1为CPU与存储器的连接结构示意图。图中内存由半导体存储器芯片组成，外存则有磁带、硬磁盘和软磁盘等。,一、半导体存储器的分类,按使用的功能可分为两大类：随机存取存储器RAM(Random Access memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。,二、半导体存储器的组成,由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。,（一） 存储体 存储体是存储1或0信息的电路实体，它由许多存储单元组成，每个存储单元赋予一个编号，称为地址单元号。而每个存储单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。 存储器的地址用一组二进制数表示，其地址线的位数n与存储单元的数量N之间的关系为： 2 =N,n,（二）地址选择电路 地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。 地址译码器用来对地址译码，n个输入端的地址译码器可以对应2n个地址码，作为对地址单元的选择线。 地址译码器的输出的选择线又叫字线。 地址译码方式有两种： 1.单译码方式（或称字结构） 它的全部地址码只用一个地址译码器电路译码，译码输出的字选择性直接选中与地址码对应的存储单元。 该方式需要的选择线数较多，适用于小容量的存储器。,2.双译码方式（或称重合译码）,读/写电路包括读/写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入和输出的通道。 外界对存储器的控制信号有读信号（）、写信号（）和片选信号（）等，通过控制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。只有片选信号处于有效状态，存储器才能与外界交换信息。,（三）读/写电路与控制电路,一、静态随机存取存储器 （一）SRAM的基本存储电路 由个管组成的触发器.,5.2 随机存取存储器（RAM）,（二）静态RAM的组成,1.读出过程 （1）地址码加到RAM芯片的地址输入端，经X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，经一定时间，出现在IO电路的输入端。电路对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器一般具有三态控制功能，没有开门信号，所存数据还不能送到DB上。,（三）静态RAM的读/写过程,（2）在送上地址码的同时，还要送上读/写控制信号（R/W或RD、WR）和片选信号（CS）。读出时，使R/W，CS，这时，输出缓冲寄存器的三态门将被打开，所存信息送至DB上。于是，存储单元中的信息被读出。,（四）静态RAM芯片举例 常用的Intel 6116 是CMOS静态RAM芯片，它的存储容量为2K×8位：,动态RAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的,二、动态随机存储器,(一）动态基本存储电路 三管动态基本存储电路,写入操作时，写选择线上为高电平，1导通。待写入的信息由写数据线通过1加到2管的栅极上，对栅极电容Cg充电。若写入，则Cg上充有电荷；若写入，则Cg上无电荷。写操作结束后，1截止，信息被保存在电容Cg上。,读出操作时，先在4管栅极加上预充电脉冲，使4管导通，读数据线因有寄生电容CD而预充到（）。然后使读选择线为高电平，3管导通。若2管栅极电容Cg上已存有“”信息，则2管导通。这时，读数据线上的预充电荷将通过3,2而泄放，于是，读数据线上为。若2管栅极电容上所存为“”信息，则2管不导通，则读数据线上为。因此，经过读操作，在读数据线上可以读出与原存储相反的信息。若再经过读出放大器反相后，就可以得到原存储信息了。,刷新,单管动态基本存储电路,写入时，使字选线上为高电平，T1管导通，待写入的信息由位线D（数据线）存入Cs。 读出时，同样使字选线上为高电平，T1管导通，则存储在Cs上的信息通过T1管送到D线上，再通过放大，即可得到存储信息。,Intel 2116 16K×1,（二）动态RAM芯片举例,Intel 2116的内部结构如图5.11所示：,动态RAM和静态RAM怎么选择？P182,动态RAM的刷新： 动态RAM的刷新实质式进行一次“写入”操作，但按行进行，即不管系统中有多少个DRAM芯片，也不管存储容量有多大，每次均对所有芯片的同一行刷新 单片DRAM有多少行，就分多少次进行刷新 一般刷新电路中都有刷新计数器，每刷新一行计数一次。 刷新电路必须保证2ms内对DARM刷新一次 刷新的方法有定时集中制、非同步再生制、同步再生制,一、只读存储器存储信息的原理和组成,.3 只读存储器（）,当字线上加有选中信号时，如果电子开关是断开的，位线上将输出信息；如果是接通的，则位线经接地，将输出信息0。,ROM的组成由地址译码电路、存储矩阵、读出电路及控制电路等部分组成。图5.13是有16个存储单元、字长为1位的ROM示意图。,（一）不可编程掩模式MOS只读存储器 由器件制造厂家根据用户事先编好的机器码程序，把0、1信息存储在掩模图形中而制成的ROM芯片。这种芯片制成以后，它的存储矩阵中每个MOS管所存储的信息0或1被固定下来，不能再改变，而只能读出。,二、只读存储器的分类,（二）可编程存储器 用户在使用前可以根据自己的需要编制ROM中的程序。熔丝式PROM的存储电路相当于图5.12的元件原理图,（三）可擦除、可再编程的只读存储器,若EPROM中写入的信息有错或不需要时，可用两种方法来擦除原存的信息。 一种是利用专用的紫外线灯对准芯片上的石英窗口照射1020分钟，即可擦除原写入的信息。这种方法只能把存储的信息全部擦除后再重新写入,采用金属氮氧化物硅（MNOS）工艺生产的MNOS型PROM，它是一种利用电来改写的可编程只读存储器，即EEPROM,（四）闪速存储器（Flash Memory） E2PROM能够在线编程，可以自动写入，在使用方便性及写入速度两个方面都较EPROM进了一步。但是，其编程时间相对RAM而言还是较长，特别对大容量的芯片更显得突出。人们希望有一种写入速度类似于RAM，掉电后内容又不丢失的存储器。一种称为闪速存储器（Flash Memory，以下简称为Flash，闪存）的新型E2PROM由此被研制出来。 闪速存储器首先由Intel公司开发，它采用非挥发性存储技术，能够在线擦除和重写，掉电后信息可以保持10年。 Flash具有ROM非易失性的优点，又有很高的存取速度，既可读又可写，具有集成度高，价格低，耗电少等优点，因此得到广泛的使用。例如Pentium II以后的主板都采用了这种存储器存放BIOS程序。Flash的可擦可写特性，使BIOS程序可以及时升级。,（一）Intel 2716的引脚与内部结构 2716 EPROM芯片的容量为2K×8位,三、EPROM芯片实例-Intel 2716,（二）2716的工作方式 2716的工作方式见表5.3所示：,5.4 存储器的连接 要解决两个问题： 一个是如何用容量较小、字长较短的芯片，组成微机系统所需的存储器； 另一个是存储器与的连接方法与应注意的问题。,一、存储器芯片的扩充 （一）位数的扩充（位扩展） 微型计算机中，最小的信息存取单位是“字节”，如果一个存储芯片不能同时提供8bit数据，就必须把几块芯片组合起来使用，这就是存储器芯片的“位扩展”。位扩展把多个存储芯片组成一个整体，使数据位数增加，但单元个数不变。经位扩展构成的存储器，每个单元的内容被存储在不同的存储芯片上。,位扩展电路连接方法是：将每个存储芯片的地址线和控制线（包括选片信号线、读写信号线等）并联在一起，数据线分别引出连接至数据总线的不同位上。 位扩展连接方法归纳如下： （1）芯片的地址线全部并联且与地址总线相应连接； （2）片选信号线并联，连接到地址译码器的输出端 （3）读写控制信号并联，连接到控制总线的存储器读写控制线上; （4）不同芯片的数据线连接到数据总线不同位上。,例如，可以用片×位的芯片组成容量为×位的存储器，如图5.15所示。这时，各芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而地址线的相应位及各控制线，则并联在一起。图5.16则是用片×位的芯片，组成×位的存储器的情况。这时，一片芯片的数据线接数据总线的低4位，另一片芯片的数据线则接数据总线的高4位。而两片芯片的地址线及控制线则分别并联在一起。,用4片16K×8位的存储器芯片组成64K×8位存储器连接线路。,2、地址的扩充,各芯片的地址取值范围,根据容量求芯片个数 各芯片数据线并联，且与数据总线相应相连 各芯片地址线并联，连接到相应的低位地址总线 高位地址线接到译码器，译码器输出端作为各芯片的片选 读写控制信号并联，与控制总线相应的信号连接,地址扩充归纳如下：,（三） 字位全扩展 如果存储器的字数和位数都不能满足系统存储器的要求，就要进行字和位全扩展。这时需要同时使用前面的位扩展和字扩展方法。 假设一个存储器容量为M×N位，所用的芯片规格是L×K位。组成这个存储器模块共需（M×N）/（L×K）（M/L）×（N/K）个存储芯片。例如用64K×4位芯片组成512K×32位的存储器模块，则需要（512K/64K）×（32位/4位）= 8×8 = 64片。,微型机中内存的构成就是字位扩展的一个很好的例子。首先，存储器芯片生产厂制造出一个个单独的存储芯片，如64M×1，128M×1等；然后，内存条生产厂将若干个芯片用位扩展的方法组装成内存模块（即内存条），如用8片128M×1的芯片组成128MB的内存条；最后，用户根据实际需要购买若干个内存条插到主板上构成自己的内存储器，即字扩展。一般来讲，最终用户做的都是字扩展（即增加内存地址单元）的操作。 内存扩展的次序一般是先进行位扩，构成字长满足要求的内存模块，然后再用若干个这样的模块进行字扩，完成字位扩展，使总容量满足要求。,例：用2164构成容量为128KB的DRAM内存组： 2164是64K×1的芯片，所以首先要进行位扩展，用8片2164组成64KB的内存模块、然后再用两组这样的模块进行字扩展。所需的芯片数为（128 /64）×（8 /1）16片。 要寻址128K个内存单元至少需要17位地址信号线（217128K）。而2164有64K个单元。需要16根地址信号线（分为行和列），余下的1根地址线用于区分两个64KB的存储模块。 综上所述，存储器的字位扩展可以分为3步。 （1）选择合适的芯片,确定所需芯片个数； （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）对“存储模块”进行字扩展，构成符合要求的存储器。,例： 用2114（1K×4）构成4K×8的存储器，与8位的一个微处理器相连，求：共需多少芯片？每组芯片有几个？每组芯片的地址范围？连接示意图如下,二、存储器与CPU的连接,1.ROM与8086CPU的连接 以1字节宽度输出组织的芯片，在连接到8086系统时，为了存储16位指令字，要使用两片这类芯片并联。,当微机系统的存储器容量少于16K字时，宜采用静态RAM芯片 8086 CPU无论是在最小方式或最大方式下，都可以寻址1MB的存储单元，存储器均按字节编址,2.静态RAM与8086CPU芯片的连接,3.EPROM、静态RAM与8086CPU连接的实例,BHE#,A0,A12,地址范围？,M/IO#,RD#,2732,BHE#,M/IO#,RD#,WR#,偶地址芯片译码,奇地址芯片译码,地址范围？,（一）CPU外部总线的负载能力 在小系统中，CPU可以与存储器直接相连。 较大的存储系统中，连接的存储器芯片片数较多，就会造成总线过载，应采用加缓冲器或总线驱动器等方法来增加总线的驱动能力。,三、存储器与CPU连接应该注意的一些问题,（二）各种信号线的配合与连接,数据线：数据传送一般是双向的。而输入线与输出线分开的芯片，则要外加三态门，才能与CPU数据总线相连,地址线：存储器的地址线一般可以直接接到CPU的地址总线。而大容量的动态RAM，为了减少引线的数目，往往采用分时输入的方式，这时，需在CPU与存储器芯片之间加上多路转换开关，用CAS与RAS分别将地址的高位与低位送入存储器。 控制线：CPU通过控制线送出命令，以控制存储器的读写操作，以及送出片选信号、定时信号等,（三）CPU的时序与存储器的存储速度之间的匹配,（四）存储器的地址分配及片选信号的产生,某计算机有地址线18位，数据线8位，现选用4K×4位的静态RAM芯片组成该机的内存，问 1、该机允许的最大内存空间多大？256KB 2、若设定基本的芯片模块容量为32K×8，该机共需几个这样的模块？8 3、每个模块内包含多少个4K×4位的RAM芯片？16 4、主存共需多少个RAM芯片？CPU如何选择这些模块？128 CPU选择各模块的方法是：地址线A14A0为模块内连接，用地址线A17，A16，A15通过一个38译码器，其输出端作为8各模块的片选端,一台8位微机的地址总线为16条，其RAM存储器容量为32KB，首地址为4000H，且地址是连续的。问可用的最高地址是多少？BFFFH,1.SIMM内存条 2.EDO DRAM内存条 3.SDRAM内存条 4.Rambus DRAM内存条 5.DDR内存条 6.DDR2内存条,5.5 内存条技术的发展,一、硬盘的组成 硬盘的主要组成部件有磁头、盘面和马达等。,5.6 硬盘存储器,1.硬盘的磁头 磁头是硬盘进行读写的“笔尖”，通过全封闭式的磁阻感应读写，将信息记录在硬盘内部特殊的介质上。,亚铁盐类磁头 MIG磁头 薄膜磁头 MR磁阻磁头,采取了读写合一的电磁感应式磁头，在设计方面因为同时需要兼顾读写两种特性，因此也造成了硬盘在设计方面的局限性,传统的磁头技术,引入了全新的分离式磁头结构，写入磁头仍沿用传统的磁感应磁头，而读取磁头则应用了新型的MR磁头,2.硬盘的盘面,市场上主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成,目前已经有一些硬盘厂商开始尝试使用玻璃作为磁盘基片,3.硬盘的马达,硬盘主轴上的马达控制磁头在盘片上高速工作。马达高速运转时所产生的浮力是磁头漂浮在盘片上方进行工作。 硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的数据所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，等待存取记录的时间也就越短。,二、硬盘的分类 硬盘一般按其接口类型来分类。 1.IDE硬盘 2.SATA硬盘：串口硬盘，是当前主流的硬盘接口 3.SCS硬盘：小型计算机系统接口，主要用于中、高端服务器和高档工作站中。 4.光纤通道：价格昂贵，只用在高端服务器上。,三、硬盘的几个主要参数 1.单碟容量 2.硬盘的转速 3.硬盘的传输速率 4.缓存容量 5.平均寻道时间,一、光盘驱动器的分类 按照读取方式和读取光盘类型的不同，可分为以下几种：,5.7 光盘驱动器,可读取CD和VCD两种格式的光盘。,（1）CD-ROM,（2）DVD-ROM,（3）刻录机,除可读取CD和VCD两种格式的光盘，还可以读取DVD光盘。,可以分为CD刻录机、DVD刻录机一COMBO。,二、写入、读取和复写速度 1.写入、读取速度 1X（1倍速）是1350Kbps，一秒钟内传送的数据量是1350KB。 2.复写速度 三、DVD光盘的类型 1.DVD-R与DVD+R:可一次性写入 2.DVD+RW:可实现光盘的重复写入/删除数据 3.DVD+R DL:有两个数据层 4.DVD-RAM：不需要专门的刻录软件便可以直接读写数据（前提是光驱可以支持）。,5.8 存储器系统的分层结构,CPU,寄存器组,内部存储器 （DRAM、SRAM）,外部存储器 （软盘、硬盘、光盘）,CPU芯片中,主机系统中,外部 设备,DRAM2164(64K×1)外部引脚有（ ） A、16条地址线，2条数据线 B、8条地址线，1条数据线 C、16条地址线，1条数据线 D、8条地址线，2条数据线,某计算机的字长是32位，它的存储容量是64KB，若按字编址，它的寻址范围是（ ） A、16K B、16KB C、32K D、64K,计算一个存储器芯片容量的公式是（ ） A、编址单元数×数据线位数 B、编址单元数×字节 C、编址单元数×字长 D、数据线位数×字长,用6116（2K×8B）芯片组成一个64KB的存储器，可用来产生片选信号的地址线是（ ） A、A0A10 B、A0A15 C、A11A15 D、A4A19,与SRAM相比，DRAM（ ） A、存取速度快，容量大 B、存取速度慢，容量小 C、存取速度快，容量小 D、存取速度慢，容量大,8086对存储器访问所涉及到的信号有（ ） A、M/IO B、INTA C、DT/R D、DEN E、 RD/WR,为某8位微机（地址总线为16位）设计一个12KB容量的存储器，要求EPROM区为8KB，从0000H开始，采用2716芯片；RAM区为4KB，从2000H开始，采用6116芯片 试求：1、对各芯片地址分配 2、指出各芯片的片内选择地址线和芯片选择地址线 3、采用74LS138，画出片选地址译码电路,y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,CE1,CE2,CE3,CE4,CE5,CE6,A11,A12,A13,A14,A15,RD#,WR#,G2A,G2B,G1,A,B,C,M/IO#,