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1、第五章第五章 存储器存储器朱亚萍朱亚萍朱亚萍朱亚萍杭州电子科技大学自动化学院杭州电子科技大学自动化学院杭州电子科技大学自动化学院杭州电子科技大学自动化学院微机原理与接口技术12/30/202212/30/2022内容提要pp存储器概述存储器概述存储器概述存储器概述pp随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器RAMRAMpp只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器ROMROMppCPUCPU与存储器的连接与存储器的连接与存储器的连接与存储器的连接第五章第五章 存储器存储器20:2920:292 25-1 存储器概述 功能功能功能功能：用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。
2、用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。特特特特点点点点：快快速速存存取取、容容量量较较小小，CPUCPU可可以以直直接接对对它它进进行行访访问问，一般是用半导体存储器件构成。一般是用半导体存储器件构成。容容容容量量量量大大大大小小小小：受受到到地地址址总总线线位位数数的的限限制制。80868086系系统统，2020条条地地址址总总线线，可可以以寻寻址址内内存存空空间间为为1M1M字字节节；8038680386系系统统，3232条条地地址址总总线，可以寻址线，可以寻址4G4G字节。字节。存存存存放放放放内内内内容容容容：系系统统软软件件（系系统统引引导导程程序序、监监控控程程序序或或者者
3、操操作作系系统中的统中的ROM BIOSROM BIOS等）以及当前要运行的应用软件。等）以及当前要运行的应用软件。1 1内部存储器内部存储器内部存储器内部存储器 一、存储器分类一、存储器分类 20:2920:293 3（1 1）RAMRAM随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器随机存取存储器（Random Access MemoryRandom Access Memory）l lCPUCPU能根据能根据RAMRAM的地址将数据随机地写入或读出。的地址将数据随机地写入或读出。l l电源切断后，所存数据全部丢失。电源切断后，所存数据全部丢失。l l通常所说的计算机内存容量有多少字节，均是指通
4、常所说的计算机内存容量有多少字节，均是指RAMRAM存存储器的容量。储器的容量。SRAMSRAM静态静态静态静态RAMRAM（Static Static RAMRAM）uu静态静态RAMRAM速度非常快，只要电源存在内容就不会自动速度非常快，只要电源存在内容就不会自动消失。消失。uu它的基本存储电路为它的基本存储电路为6 6个个MOSMOS管组成一位，因此集成度管组成一位，因此集成度相对较低，功耗也较大。相对较低，功耗也较大。uu一般，高速缓冲存储器一般，高速缓冲存储器(Cache memoryCache memory)用它组成。用它组成。20:2920:294 4uuDRAMDRAM的内容在
5、的内容在1010-3-3或或1010-6-6秒之后自动消失，因此必须周秒之后自动消失，因此必须周期性地在内容消失之前进行期性地在内容消失之前进行刷新刷新刷新刷新(Refresh)(Refresh)。uu由于它的基本存储电路由一个晶体管及一个电容组成，由于它的基本存储电路由一个晶体管及一个电容组成，因此它的因此它的集成度高，成本较低，另外耗电也少集成度高，成本较低，另外耗电也少集成度高，成本较低，另外耗电也少集成度高，成本较低，另外耗电也少，但它需要，但它需要一个额外的刷新电路。一个额外的刷新电路。uuDRAMDRAM运行速度较慢，运行速度较慢，SRAMSRAM比比DRAMDRAM要快要快252
6、5倍，一般，倍，一般，PCPC机的标准存储器都采用机的标准存储器都采用机的标准存储器都采用机的标准存储器都采用DRAMDRAM组成。组成。组成。组成。DRAMDRAM动态动态动态动态RAMRAM（Dynamic RAMDynamic RAM）20:2920:295 5（2 2）ROMROM只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器（Read Only MemoryRead Only Memory）ROMROM存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出，存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出，不能写入，电源关掉，也不会丢失，不能写入，电源关掉，也不会丢失，ROMROM中通常存储操作系统
7、中通常存储操作系统的程序的程序(BIOS)(BIOS)或用户固化的程序。或用户固化的程序。PROMPROM可编程可编程ROMROM（ProgramableProgramable ROM ROM）由厂家生产出的由厂家生产出的 空白空白 存储器，根据用户需要，利用存储器，根据用户需要，利用特殊方法写入程序和数据，即对存储器进行编程，但只特殊方法写入程序和数据，即对存储器进行编程，但只能写入一次，写入后信息是固定的，不能更改，适合于能写入一次，写入后信息是固定的，不能更改，适合于小批量使用。小批量使用。20:2920:296 6EPROMEPROM可擦除、可编程可擦除、可编程ROMROM（Erasa
8、ble PROMErasable PROM）可由用户按规定的方法多次编程，可通过紫外光照擦除，可由用户按规定的方法多次编程，可通过紫外光照擦除，以便重新固化新数据。这对研制和开发特别有利，因此以便重新固化新数据。这对研制和开发特别有利，因此用于十分广泛。用于十分广泛。EEPROMEEPROM电可擦除可编程电可擦除可编程ROMROM（Electrically Erasable Electrically Erasable PROMPROM）可编程固化程序，并可利用电压来擦除芯片内容，以重可编程固化程序，并可利用电压来擦除芯片内容，以重新编程固化新数据。新编程固化新数据。闪存闪存（Flash Mem
9、oryFlash Memory）闪存用设备写入内容后，可由加电擦除其部分内容，闪存用设备写入内容后，可由加电擦除其部分内容，芯片可反复使用。闪存允许芯片可反复使用。闪存允许多线程重写多线程重写，速度快，灵活，速度快，灵活性好。性好。20:2920:297 7功功功功能能能能：用用来来存存放放相相对对来来说说不不经经常常使使用用的的程程序序或或者者数数据据或或者者需要长期保存的信息。需要长期保存的信息。特特特特点点点点：存存取取速速度度慢慢、容容量量大大，可可以以保保存存和和修修改改存存储储信信息息，CPUCPU不不直直接接对对它它进进行行访访问问，有有专专用用的的设设备备（硬硬盘盘驱驱动动器器
10、、软软驱驱、光光驱驱等等）来来管管理理，一一般般外外部部存存储储器器由由磁磁表表面面存存储储器器件构成件构成 。容量大小：容量大小：容量大小：容量大小：不受限制不受限制存存存存放放放放内内内内容容容容：系系统统软软件件、应应用用软软件件、其其他他长长期期保保存存程程序序和和数数据。据。2 2外部存储器外部存储器外部存储器外部存储器20:2920:298 8外部存储器主要有：外部存储器主要有：外部存储器主要有：外部存储器主要有：l l磁记录存储器，包括磁记录存储器，包括软盘和硬盘软盘和硬盘；l l光盘存储器光盘存储器：光盘是利用激光技术存储信息的装置，光：光盘是利用激光技术存储信息的装置，光盘存
11、储器由光盘片和光盘驱动器组成；盘存储器由光盘片和光盘驱动器组成；l lFlashFlash存储器存储器：集成度高；是固体的存储介质，没有硬盘：集成度高；是固体的存储介质，没有硬盘那样的机械装置，可靠性好，不易损坏；既有那样的机械装置，可靠性好，不易损坏；既有SRAMSRAM读写读写的灵活性和较快的访问速度，又有掉电后不丢失信息的特的灵活性和较快的访问速度，又有掉电后不丢失信息的特点。点。20:2920:299 9二、存储器组织二、存储器组织l l1616位微机系统配置两个存储体，分别连接数据总线位微机系统配置两个存储体，分别连接数据总线D D7 7D D0 0和和D D1515D D8 8，一
12、次数据总线传送，一次数据总线传送1616位数据；位数据；l l3232位微机系统配置位微机系统配置4 4个存储体，分别连接数据总线个存储体，分别连接数据总线D D7 7D D0 0，D D1515D D8 8，D D2323D D1616及及D D3131D D2424，一次数，一次数据总线传送据总线传送3232位数据；位数据；l lPentiumPentium以上微机系统配置以上微机系统配置8 8个存储体，分别连接个存储体，分别连接6464位数据总线。位数据总线。20:2920:291010三、半导体存储器的指标三、半导体存储器的指标 衡量半导体存储器的指标很多，诸如可靠性、功耗、价格、衡量
13、半导体存储器的指标很多，诸如可靠性、功耗、价格、电源种类等，但从接口电路来看，最重要的指标是存储器的容电源种类等，但从接口电路来看，最重要的指标是存储器的容量和存取时间。量和存取时间。1.1.容量容量容量容量存储器芯片的容量是以存储存储器芯片的容量是以存储1 1位二进制数（位二进制数（bitbit）为单位）为单位的，故存储器的容量即指每个存储器芯片所能存储的二的，故存储器的容量即指每个存储器芯片所能存储的二进制数的位数。进制数的位数。由于在微型机中，数据大多以字节（由于在微型机中，数据大多以字节（bytebyte）为单位并行）为单位并行传送的。因此，对存储器的读写也是以字节为单位寻址传送的。因
14、此，对存储器的读写也是以字节为单位寻址的。的。20:2920:291111存储器芯片因为要适用于存储器芯片因为要适用于1 1位、位、4 4位、位、8 8位、位、1616位等计算机位等计算机的需要，或因工艺上的原因，其数据线也有的需要，或因工艺上的原因，其数据线也有1 1位、位、4 4位、位、8 8位、位、1616位之不同。位之不同。虽然微型计算机的字长已经达到虽然微型计算机的字长已经达到1616位、位、3232位，甚至位，甚至6464位，位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对一次可同时对2 2、4 4、8 8个单
15、元进行访问。个单元进行访问。存储器芯片容量单元数存储器芯片容量单元数存储器芯片容量单元数存储器芯片容量单元数 数据线位数数据线位数数据线位数数据线位数20:2920:2912122.2.存取时间存取时间存取时间存取时间存储器接收到从存储器接收到从CPUCPU给出的有效地址到给出的有效地址到完成一次读出和写完成一次读出和写入数据所需要的时间。入数据所需要的时间。MOSMOS型型存存储储器器的的功功耗耗小小于于相相同同容容量量的的双双极极性性存存储储器器，CMOSCMOS器器件件功功耗耗低低，速速度度慢慢；HMOSHMOS的的存存储储器器件件在在速速度度、功耗、容量方面进行了折衷。功耗、容量方面进
16、行了折衷。3.3.功耗功耗功耗功耗20:2920:291313Flash Flash MemoryMemory寿寿 命命 大大 于于 EEPROMEEPROM，EEPROMEEPROM寿寿 命命 大大 于于EPROMEPROM。4.4.可靠性可靠性可靠性可靠性5.5.寿命寿命寿命寿命6.6.价格价格价格价格指指存存储储器器对对电电磁磁场场和和温温度度变变化化等等的的抗抗干干扰扰能能力力，以以及及高高速速使使用时的正确存取能力。用时的正确存取能力。存存储储器器本本身身的的价价格格、附附加加电电路路的的价价格格。SRAMSRAM的的价价格格高高，但速度快；但速度快；DRAMDRAM相对廉价，但是速
17、度较慢。相对廉价，但是速度较慢。20:2920:2914145-2 随机存取存储器RAM 1 1静态静态静态静态RAMRAM的构成的构成的构成的构成 一、静态随机存取存储器（一、静态随机存取存储器（SRAM）T T1 1T T4 4构构成成双双稳稳态态触触发发器器，两两个个稳稳定定状状态态分分别别表表示示1 1和和0 0；T T5 5、T T6 6为为门门控控管管，当当行行选选择择线线X X1 1为为高高电电平平时时，T T5 5、T T6 6管管导导通通，T T7 7、T T8 8也也是是门门控控管管，当当列列选选择择线线Y Y1 1也也为为高高电电平平时时，T T7 7、T T8 8管管导
18、导通通，内内部部数数据据线线与与外外部部数数据据线接通，可读线接通，可读/写该存储单元。写该存储单元。图图5-1 6MOS5-1 6MOS管静态存储电路管静态存储电路单元电路单元电路单元电路单元电路20:2920:291515 静态静态静态静态RAMRAM的特点的特点的特点的特点 访访问问速速度度快快，访访问问周周期期达达202040ns40ns；工工作作稳稳定定，不不需需要要进进行行刷刷新新，外外部部电电路路简简单单；但但基基本本存存储储单单元元所所包包含含的的管管子子数目较多，且功耗也较大，它适合在小容量存储器中使用。数目较多，且功耗也较大，它适合在小容量存储器中使用。通通常常由由地地址址
19、译译码码器器、存存储储矩矩阵阵、控控制制逻逻辑辑、三三态态数数据据缓缓冲器组成，如图冲器组成，如图5-25-2所示。所示。静态静态静态静态RAMRAM存储器芯片内部结构存储器芯片内部结构存储器芯片内部结构存储器芯片内部结构20:2920:291616图图5 52 SRAM2 SRAM组成结构原理图组成结构原理图20:2920:291717存储矩阵存储矩阵存储矩阵存储矩阵一一个个基基本本存存储储单单元元存存放放一一位位二二进进制制信信息息，一一块块存存储储器器芯芯片片由由基本存储单元构成矩阵；两种构成方式：基本存储单元构成矩阵；两种构成方式：字字字字结结结结构构构构方方方方式式式式：一一个个字字
20、节节的的8 8位位制制作作在在一一块块芯芯片片上上，选选中中芯芯片片可可一一次次性性读读/写写8 8位位信信息息，封封装装时时引引线线较较多多。例例如如：4K4K的的存存储器芯片由储器芯片由51285128组成，访问它要组成，访问它要9 9根地址线和根地址线和8 8根数据线。根数据线。位位位位结结结结构构构构方方方方式式式式：一一个个芯芯片片内内的的基基本本单单元元作作不不同同字字的的同同一一位位，8 8位位由由8 8块块芯芯片片组组成成。优优点点是是芯芯片片封封装装时时引引线线少少，例例如如：4K4K存存储器芯片由储器芯片由4096140961组成，访问它要组成，访问它要1212根地址线和根
21、地址线和1 1根数据线。根数据线。20:2920:291818 地址译码器地址译码器地址译码器地址译码器 CPUCPU读读/写写一一个个存存储储单单元元时时，先先将将地地址址送送到到地地址址总总线线，高高位位地地址址经经译译码码后后产产生生片片选选信信号号选选中中芯芯片片，低低位位地地址址送送到到存存储储器器，由由地地址址译译码码器器选选中中所所需需要要的的片片内内存存储储单单元元，最最后后在在读读/写写信信号号控控制制下读出或写入。下读出或写入。址址译译码码器器完完成成存存储储单单元元的的选选择择，有有线线性性译译码码和和复复合合译译码码两两种种方式，一般采用复合译码。方式，一般采用复合译码
22、。如如4096140961的的位位结结构构芯芯片片排排列列成成64646464矩矩阵阵，A A0 0AA6 6达达到到X X译译码码器器（行行译译码码），A A7 7AA1111送送到到Y Y译译码码器器（列列译译码码）。如如图图5-25-2所所示示，X X和和Y Y译译码码器器各各输输出出6464根根线线，X X和和Y Y同同时时选选中中的的单单元元为为所所访访问问的的存存储储单单元元；若若采采用用线线性性译译码码器器，1212根根地地址址线线输输入入到到地地址址译译码码器器后后，有有40964096根输出线来选择存储单元。根输出线来选择存储单元。20:2920:291919 控制逻辑与三态
23、数据缓冲器控制逻辑与三态数据缓冲器控制逻辑与三态数据缓冲器控制逻辑与三态数据缓冲器 存存储储器器读读/写写操操作作由由CPUCPU控控制制，CPUCPU送送出出的的高高位位地地址址经经译译码码后后，送送到到逻逻辑辑控控制制器器的的CSCS端端，即即产产生生片片选选信信号号，选选中中存存储储器器芯芯片片，当当读读/写写控控制制信信号号送送到到存存储储器器的的R/WR/W端端时时，存存储储器器中中的的数数据据经经三三态态数数据据缓缓冲冲器器送送到到数数据据总总线线上上或或将将数数据据写写入存储器。入存储器。20:2920:2920202 2静态静态静态静态RAMRAM的例子的例子的例子的例子图图5
24、 53 21143 2114内部结构图内部结构图21142114（1K41K4位）位）61166116（2K82K8位）位）62646264（8K88K8位）位）6212862128（16K816K8位）位）6225662256（32K832K8位）位）20:2920:292121图图5 54 21144 2114引脚图引脚图20:2920:292222图图5 55 62645 6264内部结构图及引脚图内部结构图及引脚图20:2920:292323图图5 56 621286 62128芯片引脚图芯片引脚图图图5 57 622567 62256芯片引脚图芯片引脚图20:2920:292424二
25、、动态随机存取存储器（二、动态随机存取存储器（DRAM）1 1动态动态动态动态RAMRAM的构成的构成的构成的构成 l l最简单的动态最简单的动态RAMRAM的基本存储单元是一个晶体管和一个电的基本存储单元是一个晶体管和一个电容，因而集成度高，成本低，耗电少，但它利用电容存储电容，因而集成度高，成本低，耗电少，但它利用电容存储电荷来保存信息的，电容通过荷来保存信息的，电容通过MOSMOS管的栅极和源极缓慢放电管的栅极和源极缓慢放电而丢失信息，必须定时对电容充电，也称作而丢失信息，必须定时对电容充电，也称作刷新刷新刷新刷新。l l为了提高集成度，减少引脚的封装数，为了提高集成度，减少引脚的封装数
26、，DRAMDRAM的的地址线分地址线分地址线分地址线分成行地址和列地址成行地址和列地址成行地址和列地址成行地址和列地址两部分，因此，对存储器进行访问时，总两部分，因此，对存储器进行访问时，总是先由行地址选通信号是先由行地址选通信号RASRAS把行地址送入内部设置的行地址把行地址送入内部设置的行地址锁存器，再由列地址选通信号锁存器，再由列地址选通信号CASCAS把列地址送入内部设置的把列地址送入内部设置的列地址锁存器，并由读列地址锁存器，并由读/写信号控制数据的读出或写入。写信号控制数据的读出或写入。刷新和地址两次打入是刷新和地址两次打入是刷新和地址两次打入是刷新和地址两次打入是DRANDRAN
27、芯片的主要特点！芯片的主要特点！芯片的主要特点！芯片的主要特点！20:2920:292525 单元电路单元电路单元电路单元电路 动动态态RAMRAM基基本本单单元元主主要要有有：4 4管管动动态态RAMRAM、3 3管管动动态态RAMRAM、单管动态单管动态RAMRAM。它们各有特点：它们各有特点：4 4管管管管动动动动态态态态RAMRAM：使使用用管管子子多多，使使芯芯片片容容量量小小，但但器器件件的的读读出出过程就是刷新过程，不用为刷新而外部另加逻辑电路；过程就是刷新过程，不用为刷新而外部另加逻辑电路；3 3管管管管动动动动态态态态RAMRAM：所所用用管管子子少少一一点点，但但读读/写写
28、数数据据线线分分开开，读读/写选择线也分开，要另加刷新电路；写选择线也分开，要另加刷新电路；单单单单管管管管动动动动态态态态RAMRAM：所所用用器器件件最最少少，但但读读出出信信号号弱弱，要要采采用用灵灵敏敏度高的读出放大器来完成读出功能。度高的读出放大器来完成读出功能。20:2920:292626存储信息的原理存储信息的原理存储信息的原理存储信息的原理以单管动态以单管动态以单管动态以单管动态RAMRAMRAMRAM为例说明其工作原理。为例说明其工作原理。为例说明其工作原理。为例说明其工作原理。图图5 58 8 单管动态单管动态RAMRAM基本存储单元基本存储单元数据输入输出数据输入输出数据
29、输入输出数据输入输出列选择信号列选择信号列选择信号列选择信号行选择信号行选择信号行选择信号行选择信号 刷新刷新刷新刷新放大器放大器放大器放大器QC 读操作读操作读操作读操作 行行地地址址译译码码使使行行选选择择信信号号为为高高电电平平行行上上管管子子QQ导导通通刷刷新新放放大大器器读读取取电电容容C C上上的的电电压压值值折折合合为为“0”0”或或“1”1”列列地地址址译译码码使使某某列列选选通通行行和和列列均均选选通通的的基基本本存存储储单单元元允允许许驱驱动动读读出出数数据。据。20:3020:302727图图5 58 8 单管动态单管动态RAMRAM基本存储单元基本存储单元数据输入输出数
30、据输入输出数据输入输出数据输入输出列选择信号列选择信号列选择信号列选择信号行选择信号行选择信号行选择信号行选择信号 刷新刷新刷新刷新放大器放大器放大器放大器QC 写操作写操作写操作写操作 行行和和列列的的选选择择信信号号为为“1”1”基基本本存存储储单单元元被被选选中中数数据据输输入入/输输出出线线送送来来的的信信息息通通过过刷刷新新放放大大器器和和QQ管管送送到到电电容容C C数数据据写写入入存存储单元。储单元。20:3020:302828 2 2动态动态动态动态RAMRAM的刷新的刷新的刷新的刷新 刷新刷新刷新刷新 把把存存储储单单元元的的数数据据读读出出，经经过过读读放放大大器器放放大大
31、之之后后再再写写入入，以保存电荷上的信息。以保存电荷上的信息。原因原因原因原因 动动态态RAMRAM都都是是利利用用电电容容存存储储电电荷荷的的原原理理来来保保存存信信息息的的，由由于于MOSMOS管管输输入入阻阻抗抗很很高高，存存储储的的信信息息可可以以保保存存一一段段时时间间，但但时时间间较较长长时时电电容容会会逐逐渐渐放放电电使使信信息息丢丢失失，所所以以动动态态RAMRAM需需要在预定的时间内不断进行刷新。要在预定的时间内不断进行刷新。注意注意注意注意 两次刷新的时间间隔与温度有关。两次刷新的时间间隔与温度有关。动动态态存存储储器器的的刷刷新新是是一一行行一一行行进进行行的的，每每刷刷
32、新新一一行行的的时时间间称称为为刷刷新新周周期期。刷刷新新方方式式有有集集集集中中中中刷刷刷刷新新新新方方方方式式式式和和和和分分分分散散散散刷刷刷刷新新新新方方方方式式式式两种。两种。20:3020:302929CASCPUCPUDRAMDRAM刷新地址刷新地址刷新地址刷新地址 计数器计数器计数器计数器 地址地址地址地址 多路器多路器多路器多路器刷新定时器刷新定时器刷新定时器刷新定时器 定时定时定时定时 发生器发生器发生器发生器仲裁仲裁仲裁仲裁电路电路电路电路数据缓冲器数据缓冲器地址总线地址总线地址总线地址总线地址地址地址地址读读读读/写写写写RASWR图图5 59 DRAM9 DRAM控制
33、器逻辑框图控制器逻辑框图DRAMDRAM控制器控制器控制器控制器20:3020:303030CPUCPU和和DRAMDRAM之之间间的的接接口口电电路路，把把CPUCPU的的信信号号转转换换成成适适合合DRAMDRAM芯芯片片的的信信号号，解解决决DRAMDRAM芯芯片片地地址址两两两两次次次次打打打打入入入入和和刷刷刷刷新新新新控控控控制制制制等问题。等问题。DRAMDRAM控制器包括下列功能电路：控制器包括下列功能电路：l l地地地地址址址址多多多多路路路路器器器器：把把来来自自CPUCPU的的地地址址转转换换成成行行地地址址和和列列地地址址，分两次送到分两次送到DRAMDRAM芯片，实现
34、芯片，实现DRAMDRAM芯片地址的两次打入。芯片地址的两次打入。l l刷新定时器刷新定时器刷新定时器刷新定时器：完成对完成对DRAMDRAM芯片进行定时刷新的功能。芯片进行定时刷新的功能。l l刷刷刷刷新新新新地地地地址址址址计计计计数数数数器器器器：只只用用RASRAS的的刷刷新新操操作作，需需要要提提供供刷刷新新地地址址计计数数器器。对对内内部部具具有有这这种种刷刷新新地地址址计计数数器器的的芯芯片片，可可以以采采用用CASCAS在在RASRAS之前的刷新方式。之前的刷新方式。20:3020:303131l l仲仲仲仲裁裁裁裁电电电电路路路路：来来自自CPUCPU的的访访问问存存储储器器
35、的的请请求求和和来来自自刷刷新新定定时时电电路路的的刷刷新新请请求求同同时时产产生生时时，由由仲仲裁裁电电路路对对两两者者的的优优先先权权进行裁定。进行裁定。l l定定定定时时时时发发发发生生生生器器器器：提提供供行行地地址址选选通通信信号号RASRAS、列列地地址址选选通通信信号号CASCAS和写信号和写信号WEWE，供，供DRAMDRAM芯片使用。芯片使用。20:3020:303232图图5-10 Intel 2164A 5-10 Intel 2164A 内部结构示意图内部结构示意图Intel 2164Intel 2164是是64K164K1的的DRAMDRAM芯片，内部有芯片，内部有4
36、4个个128128128128基基本存储电路矩阵，如图本存储电路矩阵，如图5 51010所示。所示。3 3动态动态动态动态RAMRAM例子例子例子例子20:3020:303333图图5-11 Intel 2164A 5-11 Intel 2164A 引脚与逻辑符号引脚与逻辑符号说明：说明：说明：说明：l lIntel Intel 21642164片片内内有有64K64K个个地地址址单单元元，需需要要1616条条地地址址线线寻寻址址。采用行和列两部分地址，地址线只需采用行和列两部分地址，地址线只需8 8条。条。l l内内部部有有地地址址锁锁存存器器，利利用用外外接接多多路路开开关关，先先由由RA
37、SRAS信信号号选选通通8 8位位行行地地址址并并锁锁存存。再再由由CASCAS信信号号选选通通8 8位位列列地地址址并并锁锁存存，1616位地址选中位地址选中64K64K存储单元之中一个。存储单元之中一个。20:3020:303434l l64K64K存存储储体体有有4 4个个128128128128的的存存储储矩矩阵阵，每每个个128128128128的的存存储储矩矩阵阵，由由7 7条条行行地地址址和和7 7条条列列地地址址进进行行选选择择，再再由由1/4 1/4 I/OI/O门选中一个单元进行读写。门选中一个单元进行读写。l l刷刷新新时时由由一一个个行行地地址址同同时时对对4 4个个存
38、存储储矩矩阵阵的的同同一一行行，即即41284128512512个单元个单元进行刷新。进行刷新。l l由由WEWE控控制制数数据据的的读读或或写写，21642164芯芯片片无无专专门门的的片片选选信信号号，行选通信号行选通信号可认为是可认为是片选信号。片选信号。20:3020:3035354.4.内存条内存条内存条内存条同步动态随机存取存储器（同步动态随机存取存储器（SDRAMSDRAM）处处理理器器访访问问SDRAMSDRAM时时，SDRAMSDRAM的的地地址址信信号号、数数据据信信号号以以及及控控制制信信号号都都是是在在系系统统时时钟钟的的上上升升沿沿采采样样或或者者驱驱动动的的，这这样
39、样就就可可以以使使得得SDRAMSDRAM的的操操作作和和系系统统严严格格同同步步进进行行，避避免免产产生生盲盲目的等待状态，从而提高了存储器的访问速度。目的等待状态，从而提高了存储器的访问速度。双双倍倍数数据据率率同同步步动动态态随随机机存存取取存存储储器器（Double Double Data Data Rate Rate SDRAMSDRAM，DDR SDRAMDDR SDRAM）DDR DDR SDRAMSDRAM存存储储器器在在一一个个时时钟钟周周期期内内传传输输两两次次数数据据，它它能能够在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据。够在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据。20:3020:
40、303636第第二二代代双双倍倍数数据据率率同同步步动动态态随随机机存存取取存存储储器器（DDR2 DDR2 SDRAMSDRAM）DDR2 DDR2 SDRAMSDRAM存存储储器器每每个个时时钟钟能能够够以以4 4倍倍外外部部总总线线的的速速度度读读/写数据，并且能够以内部控制总线写数据，并且能够以内部控制总线4 4倍的速度运行。倍的速度运行。20:3020:303737 有效数据有效数据 指定地址WE为高电平为高电平三、存储器的工作时序（自学）三、存储器的工作时序（自学）1.1.静态存储器对读周期的时序要求静态存储器对读周期的时序要求静态存储器对读周期的时序要求静态存储器对读周期的时序要
41、求20:3020:303838 有效数据有效数据 指定地址指定地址A0-A192.2.静态存储器对写周期时序要求静态存储器对写周期时序要求静态存储器对写周期时序要求静态存储器对写周期时序要求20:3020:3039391 1CACHECACHE技术技术技术技术l l将经常访问的代码和数据保存到将经常访问的代码和数据保存到SRAMSRAM组成的高速缓冲组成的高速缓冲器中，把不常访问的数据保存到器中，把不常访问的数据保存到DRAMDRAM组成的大容量存储组成的大容量存储器中，这样使存储器系统的价格降低，同时又提供了接近器中，这样使存储器系统的价格降低，同时又提供了接近零等待的性能。零等待的性能。l
42、 lCACHECACHE在系统中的位置在系统中的位置在系统中的位置在系统中的位置：位于：位于CPUCPU和主存储器之间容量和主存储器之间容量小而速度快的存储器，通常由小而速度快的存储器，通常由SRAMSRAM组成。组成。l l开开机机时时，CACHECACHE中中无无任任何何内内容容，当当CPUCPU送送出出一一组组地地址址去去读读取取主主存存储储器器时时，读读取取的的存存储储器器的的内内容容被被同同时时“拷拷贝贝”到到CACHECACHE之中。之中。四、高速缓冲存储器四、高速缓冲存储器Cache20:3020:304040l l此后，每次此后，每次CPUCPU读取存储器时，读取存储器时，CA
43、CHECACHE控制器要检查控制器要检查CPUCPU送出的地址，判别送出的地址，判别CPUCPU要读取的数据是否在要读取的数据是否在CACHECACHE存储器中。若是存在于存储器中。若是存在于CACHECACHE之中，则称为之中，则称为CACHECACHE命中命中命中命中，CPUCPU可以用极快的速度从可以用极快的速度从CACHECACHE中读取数据。若不存在中读取数据。若不存在于于CACHECACHE之中，则称为之中，则称为CACHECACHE未命中未命中未命中未命中。DRAM 50100ns 512MB1GB 硬盘硬盘硬盘硬盘 120GB120GBCACHE RAM 240ns 3264K
44、BCPU 80386(80486)CACHECACHE控制器控制器 DRAMDRAM控制器控制器图图5 512 CACHE12 CACHE在系统存储器中的位置在系统存储器中的位置20:3020:304141CacheCache的组成：主存储器来的数据的组成：主存储器来的数据 +数据在主存储器中的地数据在主存储器中的地址址2 2CACHECACHE的结构的结构的结构的结构全相联全相联全相联全相联CACHECACHE（Fully Associative CacheFully Associative Cache）l lCACHECACHE中存放中存放中存放中存放：互不相关的数据块：互不相关的数据块
45、+每个数据块在主存每个数据块在主存储器中的地址（存放在地址标志存储器储器中的地址（存放在地址标志存储器TagTag中）。中）。l lCPUCPU访问时：访问时：访问时：访问时：先以欲访问的地址和地址标志存储器先以欲访问的地址和地址标志存储器TagTag中地中地址逐一比较，相同则命中。址逐一比较，相同则命中。直接映象直接映象直接映象直接映象CACHECACHE（Direct Mapped CacheDirect Mapped Cache）l l主存储器分成若干页，每一页与主存储器分成若干页，每一页与CACHECACHE存储器的大小相同存储器的大小相同l lCACHECACHE中的中的TagTag
46、存储器保存主存储器的页号存储器保存主存储器的页号l lCACHECACHE中的索引字段保存主存储器在此页中的偏移地址中的索引字段保存主存储器在此页中的偏移地址l l只要比较只要比较TagTag中的页号即可。中的页号即可。20:3020:304242通写式通写式通写式通写式 CACHECACHE中数据一经修改，即写入主存储器相关的存储块中数据一经修改，即写入主存储器相关的存储块中。中。回写法回写法回写法回写法 CACHECACHE中数据一经修改，不立即改写主存，只有当中数据一经修改，不立即改写主存，只有当CACHECACHE中的数据块被其他数据替换时，才写回到主存。中的数据块被其他数据替换时，才
47、写回到主存。成组相联成组相联成组相联成组相联CACHECACHE（Set Associative CacheSet Associative Cache）l lCACHECACHE中具有多组直接映象的中具有多组直接映象的CACHECACHE。l l每组每组CACHECACHE中采用直接映象结构中采用直接映象结构l l组之间采用全相联结构组之间采用全相联结构l l先确定所在先确定所在“组组”，再确定，再确定“CACHECACHE页页”。3 3CACHECACHE的数据更新的数据更新的数据更新的数据更新20:3020:3043435-3 只读存储器只读存储器ROM n ROMROM中中信信息息是是在
48、在芯芯片片制制造造是是由由厂厂家家写写入入的的，用用户户对对这这类类芯片无法进行任何修改。芯片无法进行任何修改。n n这这类类ROMROM可可由由二二极极管管、双双极极型型晶晶体体管管和和MOSMOS型型晶晶体体管管构构成，每个存储单元只用一个耦合元件，集成度高。成，每个存储单元只用一个耦合元件，集成度高。n nMOSMOS型型ROMROM功功耗耗小小，但但速速度度比比较较慢慢，微微型型计计算算机机系系统统中中用的用的ROMROM主要是这种类型。主要是这种类型。n n双双极极型型ROMROM速速度度比比MOSMOS型型快快，但但功功耗耗大大，只只用用在在速速度度要要求较高的系统中。求较高的系统
49、中。n n在在数数量量较较少少时时，掩掩膜膜ROMROM造造价价很很贵贵，如如果果进进行行批批量量生生产产，就就相相当当便便宜宜了了。适适用用于于计计算算机机系系统统开开发发完完成成后后，大大批批量量使使用。用。一、掩膜型一、掩膜型ROM20:3020:304444n n将设计的程序固化进去后，将设计的程序固化进去后，ROMROM内容不可更改。内容不可更改。n nPROMPROM由二极管矩阵组成，用可熔金属丝连接存储单元由二极管矩阵组成，用可熔金属丝连接存储单元发射极，出厂时所有管子的熔丝都是连着的。写入时，利发射极，出厂时所有管子的熔丝都是连着的。写入时，利用外部引脚输入地址，对其中的二极管
50、进行选择，使某些用外部引脚输入地址，对其中的二极管进行选择，使某些二极管上通以足够大的电流，把所选定回路的熔丝烧断，二极管上通以足够大的电流，把所选定回路的熔丝烧断，这些被烧断的二极管代表这些被烧断的二极管代表“0”0”，未烧断的二极管代表，未烧断的二极管代表“1”1”，从而实现了一次性信息存储，不能再进行修改。，从而实现了一次性信息存储，不能再进行修改。n nPROMPROM价格与生产批量无关，但造价比较贵，非批量使价格与生产批量无关，但造价比较贵，非批量使用时可用用时可用PROMPROM，批量使用时用掩膜型，批量使用时用掩膜型ROMROM比较便宜。比较便宜。二、可编程只读存储器二、可编程只