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1、第3章存储器技术第1页，本讲稿共113页3.1 3.1 存储器概述存储器概述 微机系微机系统统必必须须配配备备一定容量的存一定容量的存储储器，存器，存储储器主要用器主要用于存放微机系于存放微机系统统工作工作时时所必需的程序和数据。所必需的程序和数据。内存：内存：主要用于主要用于暂暂存当前正在（将要）存当前正在（将要）执执行的程序行的程序,由半由半导导体存体存储储器材料构成，能器材料构成，能够够通通过总线过总线与与CPUCPU直接直接访问访问。外存：外存：只存放相只存放相对对来来说说不不经经常使用的数据和程序，外常使用的数据和程序，外存中的数据存中的数据须须先先调调入内存，才与入内存，才与CPU
2、CPU直接交直接交换换数据。数据。外存和内存的比较外存和内存的比较：1 1）CPUCPU直接在内存中存取处理的程序和数据。直接在内存中存取处理的程序和数据。2 2）外存中的信息须批量调入内存后）外存中的信息须批量调入内存后,方可被方可被CPUCPU调用。调用。3 3）内存容量小、存取速度快、易失性）内存容量小、存取速度快、易失性4 4）外存容量大、存取速度慢、非易失性）外存容量大、存取速度慢、非易失性第2页，本讲稿共113页1.1.按存按存储储器与器与CPUCPU的位置关系分的位置关系分为为：（1）外存外存：常用的硬：常用的硬盘盘、U U盘盘、光、光盘盘、磁、磁带带等等设备设备以以及它及它们们
3、的的驱动驱动器一般称器一般称为为外存外存储储器，也称器，也称外部外部设备设备。（2）内存内存：用于：用于暂暂存当前存当前正在（将要）正在（将要）执执行的程序。行的程序。也称也称为为主存，一般插在主板上，主存，一般插在主板上，CPUCPU能能够够通通过过总线总线直接直接访问访问，存取速度快但容量，存取速度快但容量较较小。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，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，容量小和数据，在信息交换的过程中起缓冲作用，容量小于内存。于内存。CPUCacheRAM外存
4、外存内存内存第3页，本讲稿共113页2.2.按存储器在计算机中的存取方式分类：按存储器在计算机中的存取方式分类：（1 1）随机存取存储器）随机存取存储器RAMRAM（Random Access MemoryRandom 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，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。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）顺序存取存储器SAMSAM（Sequential Access Sequential Acc
5、ess MemoryMemory）只能）只能以某种预先确定的以某种预先确定的顺序来读写顺序来读写存储单元，存储单元，存取时间与存储单元的物理位置有关。如，磁带存储存取时间与存储单元的物理位置有关。如，磁带存储器。器。（3）半顺序存取存储器（磁盘存储器）。）半顺序存取存储器（磁盘存储器）。第4页，本讲稿共113页 3.3.按存储介质方式分类：按存储介质方式分类：（1）半导体存储器：半导体存储器：内存（2）磁存储器：）磁存储器：（3）光存储器：）光存储器：1按存取信息的功能分为：RAM：主要构成内存，RAM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
6、：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。第5页，本讲稿共113页 3.1.2 存储器的主要性能指标1.1.存储容量存储容量 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，能够存取的二进制数的位数来表示，即：存储容量即：存储容量=基本单元个数基本单元个数位数（位数（b b）=MN=1K8=MN=1K8
7、位位 内存最大容量：由内存最大容量：由ABAB决定。决定。内存的实际容量：小于最大容量内存的实际容量：小于最大容量0000到FFFF的单元个数为64KB8bit物理存储器存储器地址空间ABDB第6页，本讲稿共113页2.2.速度速度 存取时间存取时间TA：内存储器从接收到存储单元的地址开：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。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），称为最大存取通常指存取时间的上限值（最大值），称为最大存取时间。时间。存取周期存取周期TAC：两次存储器访问所需的最小时间间隔。：两次存储器访问所需的最小时间间隔。第7
8、页，本讲稿共113页3.3.功耗，半导体存储器的功耗指功耗，半导体存储器的功耗指“维持功耗维持功耗”和和“操作功耗操作功耗”。4.4.可靠性，对电磁场及温度变换的抗干扰能力，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一般用平均无故障时间MTBFMTBF（Main Time Between Main Time Between FailuresFailures）表示，）表示，MTBFMTBF越长，可靠性越高。越长，可靠性越高。5.5.性性/价比价比待机功耗工作功耗第8页，本讲稿共113页3.1.3 存储系统的多层次结构 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
9、Cache，主存和辅存组成，如图。微型机系统的存储器CPU内部的寄存器组高速缓冲存储器主存储器(DRAM、SRAM、ROM)辅存储器磁盘(软磁盘、硬磁盘)磁带、光盘一级Cache二级Cache以以Cache-主存和主存主存和主存-辅存的辅存的两级层次两级层次结构。结构。第9页，本讲稿共113页 3.2 3.2 读写存储器读写存储器半半导导体存体存储储器按存取信息的功能分器按存取信息的功能分为为：RAMRAM：存：存储储的信息可根据需要随的信息可根据需要随时读时读/写，关机后写，关机后信息信息丢丢失，主要用于存放各种失，主要用于存放各种输输入入/出数据、中出数据、中间间运算运算结结果及正在运行程
10、序的数据，可与外存交果及正在运行程序的数据，可与外存交换换信息。信息。RAMRAM按采用器件可分按采用器件可分为为：双极型和双极型和MOSMOS型。型。按存储原理分为：按存储原理分为：SRAMSRAM和和DRAMDRAM 内存一般指RAM ROMROM：存：存储储的信息只能的信息只能读读出不能修改或写入新的信出不能修改或写入新的信息，关机后信息不息，关机后信息不丢丢失，主要用于存放失，主要用于存放BIOSBIOS程序。程序。ROMROM按信息的设置方式可分为：按信息的设置方式可分为：掩模式掩模式ROMROM、PROMPROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM和和Flash Fla
11、sh M Memoryemory。第10页，本讲稿共113页 3.2.1 3.2.1 SRAM:Static RAMSRAM:Static RAM 1.1.基本存储电路基本存储电路 芯片中一个芯片中一个基本存储电路基本存储电路能能存储存储1 1位位二进制数，二进制数，基本存储电路一般由基本存储电路一般由R-S R-S 触发器触发器构成，其两个稳态构成，其两个稳态分别表示存储内容为分别表示存储内容为“0”0”或为或为“1”1”。存储1个字节需要8个基本存储电路第11页，本讲稿共113页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
12、，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截止第12页，本讲稿共113页2.SRAM2.SRAM的结构的结构 利用利用基本存储电路基本存储电路排成阵列，再加上地址译码排成阵列，再加上地址译码电路和读电路和读/写控制电路就可以构成随机存取存储器。写控制电路就可以构成随机存取存储器。一个容量为一个容量为MN的存储器则包含的存储器则包含MN个基本存储电路。个基本存储电路。如，存储器容量为如，存储器容量为1KB=1024B=1K8位位=32行行32列。列。AB的
13、n次幂I/O位数2的10次幂B5+5 2的5次幂第13页，本讲稿共113页行行译译码码列译码0001101100 01 10 110000第14页，本讲稿共113页典型芯片典型芯片Intel6116Intel6116容量：容量：2K82K8位。位。SRAMSRAM，速度快，集成度低，功耗大，成本高，适用于小容，速度快，集成度低，功耗大，成本高，适用于小容量存储，如量存储，如CacheCache。DRAMDRAM，速度慢，集成度高，功耗小，成本低，如内存条。，速度慢，集成度高，功耗小，成本低，如内存条。AB：010I/O：07第15页，本讲稿共113页总结：总结：存储器存储器 1 1 存储器与存
14、储器与CPUCPU的位置关系将存储器分为：的位置关系将存储器分为：2 2 存储器在计算机中的存取方式分类：存储器在计算机中的存取方式分类：3 3 存储器按存储介质方式分类：存储器按存储介质方式分类：4 4 半导体存储器按存取信息的功能分为：半导体存储器按存取信息的功能分为：RAMRAM（SRAMSRAM和和DRAMDRAM）、）、ROMROM（PROMPROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM和和FlashMFlashM）。）。5 5 半导体存储器按材料分为：半导体存储器按材料分为：双极型、双极型、MOSMOS型（型（ROMROM、DRAMDRAM及及SRAMSRAM）。）。6
15、6 存储器按照和存储器按照和CPUCPU的位置关系分为三级：的位置关系分为三级：7 7 内存储器的性能指标：内存储器的性能指标：8 8 SRAMSRAM：MNMN，存储，存储1 1位的基本存储电路由双稳态触发器。位的基本存储电路由双稳态触发器。DRAMDRAM：基本存储电路用基本存储电路用MOSMOS管栅和源极之间的电容管栅和源极之间的电容C C来存来存慢/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。RAM，SAM和半顺序外存，内存和Cache半导体，磁性和光存储器第16页，本讲稿共113页3.2.2 3.2.2 动态读写存储器动态读写存
16、储器DRAM(Dynamic RAM)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刷新放大器列选择信号数据输入/输出线行选择信号TC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。第17页，本讲稿共113页2.DRAM2.DRAM的刷新的刷新 DRAMDRAM的的基本存储电路原理是利
17、用基本存储电路原理是利用MOS管栅极和源管栅极和源极之间的极之间的电容电容C来存储来存储存储电荷存储电荷信息。电容的信息。电容的有、无有、无表示存储的表示存储的0或或1。由于任何电容都存在漏电现象，由于任何电容都存在漏电现象，故每次数据读出故每次数据读出后，要重新恢复后，要重新恢复C C上的电荷量。即使无读操作，电荷上的电荷量。即使无读操作，电荷泄漏也会造成信息丢失。泄漏也会造成信息丢失。为了保持为了保持DRAMDRAM电容电容C C中信息中信息(电荷电荷)，需周期性地，需周期性地（一般每隔一般每隔2ms2ms）就必须对动态）就必须对动态RAMRAM进行读出和再写入进行读出和再写入操作，使原来
18、处于逻辑电平操作，使原来处于逻辑电平“1”1”的电容上所释放的的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于电平电荷又得到补充，而原来处于电平“0”0”的电容仍保的电容仍保持持“0”0”，这个过程叫这个过程叫DRAMDRAM的刷新的刷新。刷新周期通常为刷新周期通常为2ms8ms2ms8ms。CCD刷新第18页，本讲稿共113页存储器专门的刷新电路操作，主要有：存储器专门的刷新电路操作，主要有：（1 1）刷新地址刷新地址通常由通常由刷新地址计数器刷新地址计数器产生，而不是产生，而不是由地址总线提供。由地址总线提供。（2 2）由于）由于DRAMDRAM的基本存储电路可的基本存储电路可按行按行同时刷新，
19、所同时刷新，所以刷新只需要行地址，不需要列地址。以刷新只需要行地址，不需要列地址。（3 3）刷新操作时，数据线是呈高阻状态，片内数据）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。线与外部数据线完全隔离。第19页，本讲稿共113页3 3 典型典型DMARDMAR芯片芯片Intel 2164AIntel 2164A (1)(1)内部结构：内部结构：容量是容量是64K164K1位位行、列行、列地址分时送入地址分时送入。利用内部多路开关，利用内部多路开关，行地址选通信号行地址选通信号RAS/RAS/；列地址选通信号列地址选通信号CAS/CAS/AB：015I/O：1(2)(2)读读
20、/写控制写控制当当WE/WE/低电平有效低电平有效时写入时写入被被选中单元；选中单元；当当WE/WE/高电平高电平无效时表示读无效时表示读。64KB需8片8+8,先行后列第20页，本讲稿共113页8位地址锁存器128 128存储矩阵行时钟缓冲器RASWECASA1128读出放大器1/2（1/128列译码器）128 读出放大器128 128存储矩阵128 128存储矩阵128读出放大器1/2（1/128列译码器）128 读出放大器128 128存储矩阵1/128行译码器1/128行译码器1/4I/O门输出缓冲器列时钟缓冲器写允许时钟缓冲器数据输入缓冲区A7A6A5A4A3A2A0DINVSSVD
21、DDout64KB*1=4个128*128128行选1行16位AB1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/O4个128的读出放大器第21页，本讲稿共113页SRAMSRAM：MNMN，存储，存储1 1位的基本存储电路由双稳态触发器。位的基本存储电路由双稳态触发器。快快/容量小容量小/功耗大，成本高，适用于小容量存储，如功耗大，成本高，适用于小容量存储，如CacheCache。DRAMDRAM：基本存储电路用基本存储电路用MOSMOS管栅和源极之间的电容管栅和源极之间的电容C C来存。来存。需要刷新电路，需要刷新电路，慢慢/容量大容量大/
22、功耗小，集成度高，价格低，如功耗小，集成度高，价格低，如内存。内存。第22页，本讲稿共113页3.2.3 ROM 根据制造工艺可分为掩膜式ROM、PROM、EPROM以及EEPROM等。1)1)掩掩膜膜编程的编程的ROMROM(Mask Programmed ROM)(Mask Programmed ROM)简称简称ROMROM 用最后一道掩模工艺来控制某特定基本存储电路的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，制造完晶体管能否工作，以达到预先写入信息的目的，制造完成后成后用户不能更改用户不能更改所存信息。由于只有读出所需的电路，所存信息。由于只有
23、读出所需的电路，所以结构简单、集成度高、容易接口，大批量生产时也所以结构简单、集成度高、容易接口，大批量生产时也很便宜。很便宜。掩掩膜膜ROMROM主要用做微型机的标准程序存储器，如主要用做微型机的标准程序存储器，如BASICBASIC语言的解释程序、汇编语言的汇编程序、语言的解释程序、汇编语言的汇编程序、FORTRANFORTRAN语言的编译程序等。也可用来存储数学用表、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。管或打印机用的由字符产生图形的数据等。可存放BIOS，系统
24、自检、初始化等程序。第23页，本讲稿共113页 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。第24页，本讲稿共113页 可改写的可改写的PROMPROM也称反复编程也称反复编程ROMROM，简称，简称EPROMEPROM（Erasable Erasable PROMPROM），信息的存储是通过信息的存储是通过电荷分布电荷分布来决定的来决定的,是指用户既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可以采取某种方法自行写入信息
25、，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。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根据擦去信息的方法不同EPROMEPROM又可分为两种：又可分为两种：（1 1）紫外线擦除的）紫外线擦除的EPROMEPROM(Ultraviolet EPROM)(Ultraviolet EPROM)，简称简称UVEPROMUVEPROM；（2 2）电擦除的）电擦除的EPROM(Electrically EPROM)EPROM(Electrically EPROM)，简称，简称 EEPROMEEPROM或称电改写的或称电改写的ROM(Electrically ROM(Elec
26、trically Alterable ROM Alterable ROM，简称，简称EAROM)EAROM)，也称，也称E2PROME2PROM。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，第25页，本讲稿共113页3.2.5 EEPROM（E2PROM）电擦除可编程只读存储器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。第26页，本讲稿共113页3.2.6 3.2.6 闪速闪速EEPROMEEPROM（FLASHFLASH），又称），又
27、称块擦写块擦写可编程可编程ROMROM。FLASHFLASH高速耐用的高速耐用的非易失性半导体存储器非易失性半导体存储器，不，不用电池供电的，能在线擦除和重写，掉电后信息可用电池供电的，能在线擦除和重写，掉电后信息可保持十年。保持十年。FLASHFLASH具有具有EEPROMEEPROM的特点，又可在计算机内进的特点，又可在计算机内进行擦除和编程。读取时间与行擦除和编程。读取时间与DRAMDRAM相似，而写时间与相似，而写时间与磁盘驱动器相当。磁盘驱动器相当。广泛应用于主板的广泛应用于主板的ROM BIOSROM BIOS、激光打印机、条、激光打印机、条码阅读器、码阅读器、U U盘等设备中。盘
28、等设备中。第27页，本讲稿共113页3.3 3.3 存储器的连接存储器的连接3.3.1 3.3.1 存储器的扩展存储器的扩展1.1.位扩展，位扩展，2.2.字扩展，字扩展，3.字、位扩展字、位扩展 1.1.位扩展，位扩展，指增加存储的字长。指增加存储的字长。存储芯片可以是存储芯片可以是1 1位，位，4 4位或位或8 8位的，位的，如如DRAMDRAM芯片芯片Intel 2164Intel 2164为为64Kl64Kl位，位，SRAMSRAM芯片芯片Intel 2114Intel 2114为为1K41K4位，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位第28页，
29、本讲稿共113页12位高低8位AB,CB全并联，DB分别对应连接。12位AB4位DB例，若单片容量为例，若单片容量为4K4位，连接为位，连接为4K8位需要几片：位需要几片：两片第29页，本讲稿共113页2.2.字扩展字扩展 字扩展是对字扩展是对存储器容量存储器容量或存储空间的扩展。或存储空间的扩展。存储芯片上每个存储单元的字长己为存储芯片上每个存储单元的字长己为8 8位位），只是），只是存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数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。即用多片字长为量，就需要进行字扩展。即用多片字长为8 8位的存位的存储芯片构成所需要的存储空间。储芯
30、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位第30页，本讲稿共113页11位AB8位DBAB,DB和CB全并联，CS/分别连接译码器。例如，用例如，用2K8位的存储器芯片组成位的存储器芯片组成4K8位的存储器。位的存储器。两片第31页，本讲稿共113页3.3.字、位扩展字、位扩展 在构成一个实际的存储器时，需要在构成一个实际的存储器时，需要同时同时进行位进行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。例，若使用例，若使用LKLK位的芯片（位的芯片（LMLM，KNKN），则构成），则构成MN位的存储器位的存储器需要这样的存储器芯片？个。需要这样的存储器芯
31、片？个。例如，若系统要构成例如，若系统要构成4KB4KB的存储器，用的存储器，用21142114芯片芯片1K41K4位，则需片？位，则需片？（4K8）/（1K4）=8（MN）/（LK）第32页，本讲稿共113页综上所述，存储器容量的扩展可以分为以下三步：综上所述，存储器容量的扩展可以分为以下三步：1 1）选择合适的芯片；）选择合适的芯片；2 2）根据要求将芯片）根据要求将芯片“多片并联多片并联”进行位扩展，设进行位扩展，设计出满足字长要求的计出满足字长要求的“存储模块存储模块”；3 3）对）对“存储模块存储模块”进行字扩展，构成符合要求的进行字扩展，构成符合要求的存储器。存储器。第33页，本讲
32、稿共113页【例例3-13-1】用用1K41K4位的位的21142114芯片组成芯片组成2K82K8位的存位的存储器系统。储器系统。分析：芯片为分析：芯片为1K41K4位，组成位，组成1K81K8位的，因此首位的，因此首先先位扩展，用位扩展，用两片为一组两片为一组组成组成lK8lK8位的存储模块，位的存储模块，再再字扩展用两组字扩展用两组lK8lK8位的扩充为位的扩充为2K82K8位的存储位的存储器系统。器系统。第34页，本讲稿共113页A0 A9 2114 (1)D7D4CSWEA0 A9 2114 (1)D3 D0CSWEA0 A9 2114 (2)D7 D4CSWECSWEA0 A9 2
33、114 (2)D4 D02:4译码器CSWEW/RIO/MA0 A9D0 D7A10A11图图3-10 用用2114芯片芯片1K4位组成位组成2K8位的存储器连线位的存储器连线10位AB4位DB两组，一组两片高低8位10位第35页，本讲稿共113页3.3.2 3.3.2 存储器寻址存储器寻址 CPUCPU通过通过地址译码地址译码实现对存储器芯片的实现对存储器芯片的片选片选，3 3种方法：种方法：1.1.线选法线选法 在简单的微机系统中，每个存储芯片或在简单的微机系统中，每个存储芯片或I/OI/O端口端口只只用一根用一根地址线作片选信号。地址线作片选信号。2.2.全译码片选法全译码片选法 将低位
34、地址总线直接连到各芯片的地址线上，剩将低位地址总线直接连到各芯片的地址线上，剩余的余的高位地址总线高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯全部参加译码，译码输出作为各芯片的片选信号。片的片选信号。3.3.局部译码片选法局部译码片选法 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，又不要求提供线选法地址线又不够，又不要求提供CPUCPU可直接寻址可直接寻址的全部存储单元，也可用全译码法。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第36页，本讲稿共113页例，某存储体只需例，某存储
35、体只需l6KBl6KB存储容量。若采用存储容量。若采用2KB2KB存储芯存储芯片构成，则共需要？片。片构成，则共需要？片。分析：分析：A10A10A0A0作为存储芯片的片内地址线。作为存储芯片的片内地址线。可采用局部译码法，即用可采用局部译码法，即用A15A15A13A13作译码，通过作译码，通过3-83-8译码器译码输出作为译码器译码输出作为8 8个存储芯片的片选信号，个存储芯片的片选信号，A11A11A12A12置空。置空。8AB:010AB:013第37页，本讲稿共113页3.3.3 3.3.3 存储器芯片的选配存储器芯片的选配 主存储器包括主存储器包括RAMRAM和和ROMROM，设计
36、时首先根据需要、，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。用途和性价比选用合适的存储器芯片类型和容量。然后还应根据然后还应根据CPUCPU读写周期对速度的要求确定所选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。存储器芯片类型是否满足速度要求。第38页，本讲稿共113页1.1.存储器芯片类型的选择存储器芯片类型的选择 存储器容量存储器容量较小较小的专用设备中，应选用的专用设备中，应选用SRAMSRAM芯片；芯片；存储器容量存储器容量较大较大的系统中，应选用集成度较高的的系统中，应选用集成度较高的DRAMDRAM。2.2.存储器芯片容量的选择存储器芯片容量的
37、选择 原则是应用较原则是应用较少数量少数量的芯片构成存储器系统，并考虑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。总成本和硬件设计的简单性。3.3.存储器芯片速度的选择存储器芯片速度的选择 根据根据CPUCPU读写速度选择合理的存储芯片的存取速度。读写速度选择合理的存储芯片的存取速度。4.4.存储器芯片功耗的选择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。来决定。第39页，本讲稿共113页3.3.4 3.3.4 存储器与存储器与CPUCPU的连接的连接 连接应注意：连接应注意：1.1.地址线地址线ABAB、
38、数据线、数据线DBDB、控制线、控制线CBCB的连接的连接2.2.总线的负载能力总线的负载能力3.3.存储器芯片与存储器芯片与CPUCPU的速度匹配的速度匹配4.4.存储器的地址分配和片选控制。存储器的地址分配和片选控制。第40页，本讲稿共113页【例例3-23-2】一个存储器系统包括一个存储器系统包括2KB RAM2KB RAM和和8KB ROM8KB ROM。分别用分别用1K41K4位的位的21142114芯片和芯片和2K82K8位的位的27162716芯片组芯片组成。要求成。要求ROMROM的地址从的地址从1000H1000H开始，开始，RAMRAM的地址从的地址从3000H3000H开
39、始。完成硬件连线及相应的地址分配表。开始。完成硬件连线及相应的地址分配表。分析：分析：1 1、2KB RAM2KB RAM需需1K41K4位的位的21142114芯片：芯片：8KB ROM8KB ROM需需2K82K8位的位的27162716芯片：芯片：一组两片共两组AB:010DB:07AB:09DB:034个AB:012DB:07AB:010DB:07第41页，本讲稿共113页第42页，本讲稿共113页分析：分析：2 2、ROMROM的地址从的地址从1000H1000H开始，开始，8KB ROM8KB ROM需需2K82K8位的位的27162716芯片：芯片：AB:010:0111 111
40、1 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 1111B=07FFH(2716-4)2FFFH第43页，本讲稿共113页RAMRAM的地址从的地址从3000H3000H开始。开始。2KB R
41、AM2KB RAM需需1K41K4位的位的21142114芯片：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 第44页，本讲稿共113页第45页，本讲稿共113页总结：总结：1 1 SRAMSRAM：MNMN，存储
42、，存储1 1位的基本存储电路由位的基本存储电路由R-SR-S触发器。触发器。DRAMDRAM：基本存储电路用：基本存储电路用MOSMOS管栅和源极间的电容管栅和源极间的电容C C。2 DRAM2 DRAM为什么要进行为什么要进行刷新刷新？DRAMDRAM的刷新过程？的刷新过程？3 ROM3 ROM可分为掩膜式可分为掩膜式ROMROM、PROMPROM、EPROMEPROM以及以及EEPROMEEPROM等。等。4 4 存储器的三种扩展：存储器的三种扩展：5 5 CPUCPU访问存储器芯片的通过地址译码方法：访问存储器芯片的通过地址译码方法：6 6 存储器芯片考虑：类型、容量、速度、功耗选择。存
43、储器芯片考虑：类型、容量、速度、功耗选择。7 7 存储器与存储器与CPUCPU的连接注意：的连接注意：ABAB、DBDB、CBCB的连接，总线的连接，总线的负载，速度匹配，存储器的地址分配和片选控制。的负载，速度匹配，存储器的地址分配和片选控制。位扩展：增加每个单元的位数；字扩展：增加片数；字、位扩展：（MN）/（LK）线选法全译码片选法局部译码片选法为保持电容C中电荷，需周期性地充电，须对DRAM进行读出和再写入操作，使原来处于1的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于0的电容仍保持0。第46页，本讲稿共113页3.4 3.4 存储器管理存储器管理3.4.1 IBM PC/XT3.4.1
44、IBM PC/XT中的存储空间分配中的存储空间分配 首先，选择计算机系统的主存储器首先，选择计算机系统的主存储器容量容量和和RAMRAM、ROMROM芯芯片数片数。其次，为各个存储器芯片其次，为各个存储器芯片分配分配存储地址空间。存储地址空间。使用不同使用不同CPUCPU的计算机系统对的计算机系统对RAMRAM、ROMROM的存储地址的存储地址空间的分配有不同的要求。空间的分配有不同的要求。使用使用8088CPU8088CPU的的PC/XTPC/XT微机的存储器地址分配如微机的存储器地址分配如图图3-143-14所示。所示。第47页，本讲稿共113页1KB:00000H003FFH存放中断服务
45、子程序用户程序使用地址复位地址：FFFF0H第48页，本讲稿共113页3.4.2 3.4.2 扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理 1 1)8086)8086的工作模式属于实模式。的工作模式属于实模式。2)802862)80286的两种工作模式的两种工作模式:实模式和保护模式。实模式和保护模式。3)803863)80386的三种工作模式的三种工作模式:实模式、保护模式和虚实模式、保护模式和虚拟拟80868086模式。虚拟模式。虚拟80868086模式是在保护模式下仿真模式是在保护模式下仿真80868086的工作模式。的工作模式。1MB16MB4GB 虚拟存储器地址虚拟存储器地址:在外存在外存-
46、内存内存-CACHE-CACHE的基础上，通过存储器的基础上，通过存储器管理部件管理部件MMUMMU，进行虚拟地址和实际地址自动变换而实现的，编址空，进行虚拟地址和实际地址自动变换而实现的，编址空间大。间大。段界限的最大值为段界限的最大值为4GB,4GB,地址变换采用地址变换采用CACHECACHE和转换后备缓冲器，加和转换后备缓冲器，加速了地址变换，速了地址变换，80386/48680386/486的虚拟存储空间通过段页映像最大可到的虚拟存储空间通过段页映像最大可到64TB64TB。分段分页管理第49页，本讲稿共113页3.5 3.5 内部存储器技术发展内部存储器技术发展3.5.1 3.5.
47、1 多模块交叉存储器多模块交叉存储器 设计思想：物理上将主存分成设计思想：物理上将主存分成多个模块多个模块。每个模。每个模块都包括一个存储体、地址缓冲寄存器和数据缓冲块都包括一个存储体、地址缓冲寄存器和数据缓冲寄存器等，寄存器等，CPUCPU就能就能同时访问同时访问各个存储模块，任何时各个存储模块，任何时候都允许对多个模块并行地进行读候都允许对多个模块并行地进行读/写操作。写操作。将主存地址空间划分为将主存地址空间划分为多个同样大小多个同样大小多模块地址多模块地址分空间。采用交叉编址的方案，即利用主存地址的分空间。采用交叉编址的方案，即利用主存地址的低低K K位来选择模块（可确定位来选择模块（
48、可确定2 2K K个模块），高个模块），高M M位用来指位用来指定模块中的存储单元。定模块中的存储单元。第50页，本讲稿共113页第51页，本讲稿共113页 若某微机系统中有内部若某微机系统中有内部L1CacheL1Cache，又有外部，又有外部L2CacheL2Cache，CPUCPU将将首先首先访问内部高速缓存，若未命中，访问内部高速缓存，若未命中，再再访问外部高速缓存，只有当又未命中，访问外部高速缓存，只有当又未命中，才才访问内存。访问内存。采用两级高速缓存时，高速缓存未命中率非常低。采用两级高速缓存时，高速缓存未命中率非常低。可将小块的程序段副本预先送入高速缓存中，供可将小块的程序段副
49、本预先送入高速缓存中，供CPUCPU快速调用和执行。快速调用和执行。90%-98%3.5.2 高速缓冲存储器（Cache）Cache：解决CPU和主存之间的速度匹配问题。1.Cache的工作原理，基于程序访问的局部性原理。第52页，本讲稿共113页 Cache Cache的存取速度至少是内存的几倍，存储容量不的存取速度至少是内存的几倍，存储容量不能太大，也不能太小。能太大，也不能太小。u 若若CacheCache的容量的容量过大过大：则一方面使从内存调入缓存的：则一方面使从内存调入缓存的信息量过大，调信息量过大，调入时间长入时间长，影响，影响CPUCPU的工作效率；另一的工作效率；另一方面又使
50、硬件方面又使硬件电路复杂电路复杂，成本增加。，成本增加。u 若若CacheCache的容量的容量太小太小：则：则CPUCPU从高速缓存中取得所需从高速缓存中取得所需信息的信息的几率降低几率降低，若，若CPUCPU未能从高速缓存中取得所需信未能从高速缓存中取得所需信息，就必须息，就必须重新到内存中查找重新到内存中查找，并将找到的信息重新，并将找到的信息重新调入高速缓存，以备后用，这显然也降低了调入高速缓存，以备后用，这显然也降低了CPUCPU的工作的工作效率。效率。第53页，本讲稿共113页2.Cache2.Cache的基本结构的基本结构（1 1）全相联）全相联CacheCache，当请求数据时