微型计算机存储系统.ppt

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1、第六章第六章 微型计算机存储系统微型计算机存储系统6.1 微机存储系统概述6.3 微机的存储器 6.2 与CPU的连接存储器扩展存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放数据和程序。现代计算机的重要特征之一是把要运行的程序存放在存储器里。因而存储器是实现存储程序的必不可少的硬件，是计算机中必须具有的重要部件。6.1 微机存储系统概述对存储介质的基本要求，必须具有两个能够明显区分的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。存储器的存取速度取决于这种物理状态的改变速度。对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。同时满足上述三种要求是困难的。6.1.1 存储器的功能计算机的存储器组织成层次结构主要是从速

2、度、容量和成本来考虑的。沿着存储器层次结构（memory hierarchy）自顶向下，可发现每层存储器的成本在降低，容量也在变大，存取时间在变长。高速缓冲存储器（Cache）：它用来存放主存中最活跃部分（正在运行的程序和正在使用的数据）的副本。主存储器：简称为主存，用来存放计算机运行期间需要的程序与数据。外存储器（External Memory）：也称辅助存储器或简称为辅存，它用来存放当前不参与运行的大量信息。通常，处理器要访问的主存位置极有可能是刚被访问过的位置或其临近的位置，这就是程序访问的局部性原理。这样，Cache（高速缓存）自动保存某些近期使用过的存储器中相应存储字的副本是有益的。

3、如果Cache设计得合理，则大多数情况下处理器所需的存储器数据便已在Cache中。6.1 微机存储系统概述微机存储系统概述微机存储系统的分类：随机存储器RAM（Random Access Memory）：存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，存取时间和存储单元的物理位置无关。只读存储器ROM（Read Only Memory）：只能读出，不能写入的存储器。静态存储器（SRAM）与动态存储器（DRAM）的基本概念在SRAM（触发器），数据保存在一对反向门电路中，所以只要给它供电，其内部数据一直会保留。DRAM（极间电容）中的数值是以电荷量的形式保存在电容中，电容会漏电，所以它需要不断刷新来保

4、持数值。为实现对DRAM存储单元的刷新，需要定期读出该内容并且回写到原地址中去。组成单元速度集成度应用静态RAM触发器快低小容量系统例如Cache动态RAM极间电容慢高大容量系统例如主存只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改；PROM：允许一次编程，此后不可更改；EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程；EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写；6.1 微机存储系统概述微机存储系统概述微机存储系统的分类：掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改；PROM：允许一次编程，此后不可更改；EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；

5、并允许用户多次擦除和编程；EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写；主存的技术指标：存储容量、存储速度和存储器带宽 指标指标含义含义表现表现单位单位存储容量存储容量在一个存储器中可以容纳的存储单元总在一个存储器中可以容纳的存储单元总数数存储空间的大存储空间的大小小字数，字字数，字节数节数存取时间存取时间启动到完成一次存储器操作所经历的时启动到完成一次存储器操作所经历的时间间主存的速度主存的速度存储周期存储周期连续启动两次操作所需间隔的最小时间连续启动两次操作所需间隔的最小时间主存的速度主存的速度存储器带存储器带宽宽单位时间里存储器所存取的信息量单位时间里存储器

6、所存取的信息量数据传输速率数据传输速率技术指标技术指标位位/秒，字秒，字节节/秒秒6.1 微机存储系统概述微机存储系统概述微机存储系统的分类：闪存：长寿命闪存：长寿命 非易失性非易失性 存储器存储器 是是EEPROMEEPROM的变种，的变种，能够快速擦写的能够快速擦写的EEPROM，与其区别主要是闪存能与其区别主要是闪存能在字节水平在字节水平 上进行删除和重写而不是上进行删除和重写而不是整个芯片擦写。整个芯片擦写。被用来保存设置信息，电脑的被用来保存设置信息，电脑的BIOSBIOS（基本输入（基本输入/输出程序）输出程序）数码相机数码相机6.1 微机存储系统概述微机存储系统概述微机存储系统的

7、分类：缓存是指临时文件交换区，电脑把最常用的文件从存缓存是指临时文件交换区，电脑把最常用的文件从存储器里提出来临时放在缓存里，因为缓存往往使用的储器里提出来临时放在缓存里，因为缓存往往使用的是是RAMRAM（断电即掉的非永久储存），所以在忙完后还（断电即掉的非永久储存），所以在忙完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最快的是快的是CPUCPU上镶的上镶的L1L1和和L2L2缓存，显卡的显存是给缓存，显卡的显存是给GPUGPU用的缓存，硬盘上也有用的缓存，硬盘上也有16M16M或者或者32M32M的缓存。千万不能的缓存。千万不能把缓存理解

8、成一个东西，它是一种处理方式的统称！把缓存理解成一个东西，它是一种处理方式的统称！缓存的工作原理缓存的工作原理（1 1）是当）是当CPUCPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，要读取一个数据时，首先从缓存中查找，找到就立即读取并送给找到就立即读取并送给CPUCPU处理；处理；（2 2）没有找到，就用相对慢的速率从内存中读取并送）没有找到，就用相对慢的速率从内存中读取并送给给CPUCPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中中总的来说，总的来说，CPUCPU读取数据的顺序是先缓存后内存。读取数据的顺序是先缓存后内存。一、半导体存储器结构与技术指标 存

9、储芯片的基本结构：1K4存储器与CPU的连接：存储器地址寄存器（存储器地址寄存器（MARMAR）和存储）和存储器数据寄存器（器数据寄存器（MDRMDR）是主存和）是主存和CPUCPU之间的接口。之间的接口。MARMAR可以接受来自程序计数器的指可以接受来自程序计数器的指令地址或来自地址形成部件的操作令地址或来自地址形成部件的操作数地址，以确定要访问的单元数地址，以确定要访问的单元MDRMDR是向主存写入数据或从主存读是向主存写入数据或从主存读出数据的缓冲部件。出数据的缓冲部件。MARMAR和和MDRMDR从功能上看属于主存，但在小型计从功能上看属于主存，但在小型计算机、微型计算机中常放在算机、

10、微型计算机中常放在CPUCPU内。内。存储单元的寻址：最高有效位字节 最低有效位字节012NN210X86系列的PC机采用小端方式 大端方式：是把一个字中的最高地址的字节放在大端方式：是把一个字中的最高地址的字节放在最低地址最低地址。字地址是高字节地址。字地址是高字节地址小端方式：是把一个字中的最低地址的字节放小端方式：是把一个字中的最低地址的字节放在最低地址在最低地址 。字地址是低字节地址。字地址是低字节地址最高有效位字节 最低有效位字节6.2 存储器扩展与存储器扩展与CPU的连接的连接一、存储器扩展设计 位扩展、字扩展 单片存储芯片的容量往往是有限的，在实际使用时，需要用若干个存储芯片构成

11、一个存储系统，以满足字长和容量的要求。位扩展：增加存储字长位扩展：增加存储字长16K116K116K1字扩展：增加存储容量位、字扩展：二、存储器与CPU连接 合理选择芯片：位、字扩展 芯片类型 数据线的连接：地址线的连接：控制线的连接：位扩展 字扩展 地址译码 片选读/写控制访问CPU的信号资源：例6-1 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用作访存控制信号，用作访存控制信号，用现有下列存储芯片：现有下列存储芯片：RAM：1K8位、位、2K4位、位、4K8位位ROM：2K8位、位、4K8位，以及位，以及74138译码器和译码器和各种门电路（自定），画出各种门电路（自定），画出CPU与存储器

12、连接图。与存储器连接图。要求：要求：（1）最大）最大4K地址空间为系统程序区，与其相邻地址空间为系统程序区，与其相邻2K地址空间为用户程序区。地址空间为用户程序区。（2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？写）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？写出每片存储芯片的地址范围。出每片存储芯片的地址范围。（3）详细画出存储芯片的片选逻辑。）详细画出存储芯片的片选逻辑。作读写控制信号，作读写控制信号，允许输出允许输出允许写允许写地址空间分析：地址空间分析：ROM的4K空间对应的地址：A11 A7 A0111111111111000000000000RAM的2K空间对应的地址：A10 A7 A01111

13、111111100000000000选择选择ROM芯片为芯片为2K8位的两片，位的两片，RAM芯片为芯片为2K4位的两片位的两片ROM芯片芯片1地址：地址：11111111111111111111100000000000ROM芯片芯片2地址：地址：11110111111111111111000000000000RAM芯片芯片1、2地址：（位扩展）地址：（位扩展）11101111111111111110100000000000CPU与存储器连接图：与存储器连接图：例6-2 设CPU共有16条地址线，8条数据线，并用 作为访存控制信号，作为读/写命令信号。现有这些存储芯片：ROM（2K8位，4K4

14、位，8K8位），RAM(1K4位，2K8位，4K8位)以及74LS138译码器和其他门电路（自选）。（1）最小4K地址为系统程序区，409616383地址范围为用户程序区。（2）指出选用的存储器芯片类型和数量。（3）详细画出片选逻辑和CPU与存储器系统连接图。分析：系统程序区在最小4K地址，可用ROM存放，选择字扩展和位扩展都是2个芯片，这里我们用位扩展方式，选择2片4KX4的ROM芯片。其地址空间为：A11 A7 A0000000000000111111111111用户程序区用RAM，地址范围为409616383，即紧邻ROM地址的12K地址空间，选择3片4KX8的RAM，每片地址范围如下：

15、A11 A7 A0000000000000111111111111000000000000111111111111000000000000111111111111综合分析ROM 和RAM的每组芯片空间：其片内空间都是4K，用低12位地址A11-A0作为片内寻址；每个芯片的A14-A12A14-A12分别为：000、001、010、011，采用138译码器译码的输入，译码输出译码输出的Y0#、Y1#、Y2#、Y3#作为4组芯片的片选信号片选信号，A15和 MREQ#作为138译码器的使能控制信号，连接相应的 R/W#到芯片。CPU与存储器连接图:6.3 微机的存储器微机的存储器8086/8088

16、的内存采用20位地址寻址，寻址空间可达1MB。后来推出的80286、386、486和Pentium系列机的内存逐渐扩大，从16MB到4GB和64GB，为了保持向上兼容，内存配置和结构形成了一定的规则。80486的内存配置：内存区域内存区域地址范围地址范围配置功能配置功能主存储区主存储区（640KB）00000007FFFF系统板的系统板的512KB基本存储区基本存储区08000009FFFF系统板的系统板的128KB I/O通道存通道存储区储区保留内存区保留内存区（384KB）0A00000BFFFF128KB的显存的显存0C00000DFFFF128KB I/O扩展扩展ROM0E00000E

17、FFFF系统板保留的系统板保留的64KB0F00000FFFFF64KB系统板系统板ROM扩展（扩充）内存扩展（扩充）内存区区XMS(EMS)10000010FFFF64KB高位内存区高位内存区HMA110000F5FFFF14.32MB I/O通道扩充区通道扩充区F60000FDFFFF512KB I/O通道扩充区通道扩充区FE0000FEFFFF系统板保留的系统板保留的64KBFF0000FFFFF64KB系统板系统板ROM01000000FFFFFFFF 8086的20条地址线访问范围为1MB空间，是用户编程常访问的区域，DOS编程管理局限在640KB内存空间；对于1MB以上的存储器是扩

18、展内存区域，用符合扩展内存管理规范的程序使用这些区域，Windows突破DOS的主存局限，实施对用户透明的内存管理，采用虚拟内存策略，用户编程和程序运行不受物理内存的限制。对于对于1616位数据总线的位数据总线的CPUCPU，要求能够对任何，要求能够对任何1616位位和和8 8位存储单元访问。位存储单元访问。8086系统16位存储器的存储分体连接：A0BHE#传送的字节传送的字节002个字节个字节01偶地址的偶地址的1个字节个字节10奇地址的奇地址的1个字节个字节11不访问不访问A0和和BHE#的不同组合对存储体的选择的不同组合对存储体的选择 例6-3 设CPU共有20条地址线，16条数据线，

19、并用作为访存控制信号，作为读/写命令信号。现有存储芯片：ROM（64KX8位，32KX8位，32KX16位），RAM(64KX8位，32KX8位，32KX16位)以及74LS138译码器和其他门电路（自选）。请回答：（1）CPU按字节和字访问存储器的地址范围各是多少？（2）CPU按字节访问时，分偶体和奇体，且最大64KB为系统程序区，与其相邻的64KB为用户程序区。请写出每个存储芯片的二进制地址。（3）详细画出片选逻辑和CPU与上述地址范围存储器系统的连接图。CPU通过A0和控制按字节或字访存。解答：（1）20位地址线，按字节寻址的地址范围是01MB，按字访问的范围是0512KB。（2）为满足

20、按字和按字节两种访问方式，选用8位的芯片，又有区分偶体和奇体的需要。所以选择2片32KX8位的芯片分别构成系统程序区和用户程序区。它们对应的地址如下：A19 A19 A15 A15 A11 A11 A7A7 A0 A0111111111111111111111111111111111111 1111；64KX864KX8位的位的ROMROM区区111111110000000000000000000000000000 0000；2片32KX8位分别提供偶体；和奇体A19 A19 A15 A15 A11 A11 A7A7 A0 A0111011101111111111111111111111111

21、111 1111；64KX864KX8位的位的RAMRAM区区111011100000000000000000000000000000 0000；2片32KX8位分别提供偶体；和奇体（3）片选逻辑是设计的重点和难点。每个存储体的访问选择靠A16、作为138译码器的输入，组合输出信号形成各个芯片的片选逻辑。和A0，A16区分ROM、RAM;BHE#和A0的组合控制偶体、奇体 的访问;详见教材详见教材P120的表的表6-3 CPU与存储器芯片的连接图 习 题 六1.某微机的寻址范围为64KB，接有8片8KB的存储芯片，存储芯片的片选信号为CS(低电平有效)，试回答下列问题。（1）画出选片译码逻辑电路（可选用74LS138译码器）。（2）写出每片RAM的地址范围。（3）如果运行时发现不论往哪片RAM存放8K数据，以4000H为起始地址的存储芯片都有与之相同的数据，分析故障原因。（4）若出现译码中的地址A13与CPU断线，并搭接到低电平上的故障，问后果如何？2.试说明16位机、32位机的分体存储体的字节、半字和字的访问规律。3.8086CPU执行的一个4字节指令MOV 2001H，AX存放在2000H：0300H处，试问该指令从取指到执行完毕最少需要多少时间？假设CPU时钟频率为10MHz。