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1、第5章存储器第1页，本讲稿共65页第五章第五章 存储器存储器 5-1 存储器分类存储器分类 存储器是计算机的主要组成部分之一，存储器是计算机的主要组成部分之一，是用来存储程序和数据的部件，存储器表征是用来存储程序和数据的部件，存储器表征了计算机的了计算机的记忆记忆功能，存储器的容量越功能，存储器的容量越大，计算机的性能也就越好。大，计算机的性能也就越好。一、按用途分类一、按用途分类 按存储器用途分类，可以分成内部存储器按存储器用途分类，可以分成内部存储器和外部存储器。和外部存储器。1.内部存储器内部存储器内部存储器也称为内部存储器也称为内存内存，是主存储器，用来，是主存储器，用来存放当前正在使
2、用的或经常使用的程序和数存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据，据，CPU可以直接对它进行访问。内存的存可以直接对它进行访问。内存的存取速度较快，一般是用半导体存储器件构成。取速度较快，一般是用半导体存储器件构成。内存的容量大小受到地址总线位数的限制，内存的容量大小受到地址总线位数的限制，对对8086系统，系统，20根地址总线，可以寻址内存根地址总线，可以寻址内存空间为空间为1M字节。若是字节。若是80386系统，地址总线系统，地址总线为为32根，可以寻址根，可以寻址4000M字节。字节。在实在实 际使用中，由于内存芯片价格较贵，这际使用中，由于内存芯片价格较贵，这样许多程序和数据要存放在磁
3、盘外存中，使样许多程序和数据要存放在磁盘外存中，使用用 时再调到内存。正是由于内存的快速存取时再调到内存。正是由于内存的快速存取和容量较小的特点，它用来存放系统软件，和容量较小的特点，它用来存放系统软件，如系统引导程序、监控程序或者操作系统中如系统引导程序、监控程序或者操作系统中的的ROM BIOS，以及当前要运行的应用软件。，以及当前要运行的应用软件。第2页，本讲稿共65页 2.外部存储器外部存储器 外部存储器也叫外部存储器也叫外存外存，是辅助存储器。，是辅助存储器。外存的特点是大容量，所存储的信息既可以外存的特点是大容量，所存储的信息既可以修改，也可以保存，存取速度较慢，要有专修改，也可以
4、保存，存取速度较慢，要有专门的设备来管理。门的设备来管理。由于内存容量的限制，一部分系统软件由于内存容量的限制，一部分系统软件必须常驻内存，另外必须常驻内存，另外 一部分系统软件和应用一部分系统软件和应用软件则在用到时，再由外存传送到内存。此软件则在用到时，再由外存传送到内存。此外还有一部分程序或数据需要长期保存。构外还有一部分程序或数据需要长期保存。构成内存的器件是不能实现这个功能的，因此成内存的器件是不能实现这个功能的，因此设计出各种外部存储器，它的容量不受限制，设计出各种外部存储器，它的容量不受限制，也称为也称为海量存储器海量存储器。一般外部存储器由磁表面存储器件构成，一般外部存储器由磁
5、表面存储器件构成，存储速度较慢。在微型计算机中，常见的外存储速度较慢。在微型计算机中，常见的外存有软盘、硬盘、光盘等。但外存要配置专存有软盘、硬盘、光盘等。但外存要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问功能，比门的驱动设备才能完成对它的访问功能，比如要配置软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱如要配置软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器等驱动设备。动器等驱动设备。计算机工作时，一般由内存计算机工作时，一般由内存ROM中的引中的引导程序启动系统，再从外存中读取系统程序导程序启动系统，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行中，程序运行的中间结果放在的中间结果放在R
6、AM中，（内存不够时放在中，（内存不够时放在外存中），程序结束时将最后结果存入外部外存中），程序结束时将最后结果存入外部存储器。存储器。第3页，本讲稿共65页二、按存储器性质分类二、按存储器性质分类 内存按存储器性质分类通常分为随机存取内存按存储器性质分类通常分为随机存取存储器（存储器（RAM）和只读存储器（）和只读存储器（ROM）。）。1.RAM随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access Memory）CPU能根据能根据RAM的地址将数据随机地写入或的地址将数据随机地写入或读出。电源切断后，所存数据全部丢失。通常我们读出。电源切断后，所存数据全部丢失。通常我们所说的计算机内存
7、容量有多少字节，均是指所说的计算机内存容量有多少字节，均是指RAM存储器的容量。按照集成电路内部结构的不同，存储器的容量。按照集成电路内部结构的不同，RAM又分为两种：又分为两种：第4页，本讲稿共65页（1）SRAM静态静态RAM（Static RAM）静态静态RAM速度非常快，只要电源存在内速度非常快，只要电源存在内容就不会自动消失。但它的基本存储电路为容就不会自动消失。但它的基本存储电路为6个个MOS管组成管组成1位，因此集成度相对来说较位，因此集成度相对来说较低，功耗也较大。一般，高速缓冲存储器低，功耗也较大。一般，高速缓冲存储器Cache用它组成。用它组成。（2）DRAM动态动态RAM
8、（Dynamic RAM）DRAM的内容在的内容在10-3或或10-6秒之后自动消秒之后自动消失，因此必须周期性的在内容消失之前进行失，因此必须周期性的在内容消失之前进行刷新刷新。由于它的基本存储电路由一个晶体管。由于它的基本存储电路由一个晶体管及一个电容组成，因此它的集成度高，成本及一个电容组成，因此它的集成度高，成本较低，另外功耗也小，但它需要一个额外的较低，另外功耗也小，但它需要一个额外的刷新电路。刷新电路。DRAM运行速度较慢，运行速度较慢，SRAM比比DRAM要快要快25倍，一般，倍，一般，PC机的标准存储机的标准存储器都采用器都采用DRAM。刷新刷新放大器放大器 列选列选择信号择信
9、号数据输入输出数据输入输出行选择信号行选择信号QC单管动态单管动态RAM基本存储单元基本存储单元第5页，本讲稿共65页 2.ROM只读存储器（只读存储器（Read Only Memory）ROM存储器是将程序和数据固化在芯片存储器是将程序和数据固化在芯片中，数据只能读出，不能写入，电源关掉，中，数据只能读出，不能写入，电源关掉，数据也不会丢失，数据也不会丢失，ROM中通常存储操作系统中通常存储操作系统的程序（的程序（BIOS）或用户固化的程序。）或用户固化的程序。ROM按集成电路内部结构的不同，可分按集成电路内部结构的不同，可分为下面三种：为下面三种：（1）PROM可编程可编程ROM（Prog
10、rammable ROM）（2）EPROM可擦除、可编程可擦除、可编程ROM （Erasable PROM）（3）EEPROM电可擦除可编程电可擦除可编程ROM （Electrically Erasable PROM）将设计的程序固化进行后，将设计的程序固化进行后，ROM内容不可更改。内容不可更改。可编程固化程序，且在程序固化后可通可编程固化程序，且在程序固化后可通过紫外光照擦除，过紫外光照擦除，以便重新固化新数据。以便重新固化新数据。可编程固化程序，并可利用电压来擦除可编程固化程序，并可利用电压来擦除芯片内容，以重新编程新数据。芯片内容，以重新编程新数据。第6页，本讲稿共65页5-2 随机存
11、取存储器随机存取存储器RAM 随机存取存储器随机存取存储器RAM可以随时在任意可以随时在任意位置上存取信息，根据存储器芯片内部基本位置上存取信息，根据存储器芯片内部基本单元电路的结构，单元电路的结构，RAM分为静态分为静态RAM和动和动态态RAM。一、静态随机存取存储器一、静态随机存取存储器SRAM1.静态静态RAM的构成的构成 静态静态RAM存储一位信息的单元电路可以用双极存储一位信息的单元电路可以用双极型器件构成，也可以用型器件构成，也可以用MOS器件构成。静态器件构成。静态RAM的单元电路通常是由的单元电路通常是由6个个MOS管子组成的双稳态管子组成的双稳态触发器电路，可以用来存储信息触
12、发器电路，可以用来存储信息0或或1，只要不掉电，只要不掉电，0或或1状态能一直保持，除非重新通过写操作写入状态能一直保持，除非重新通过写操作写入 新新的数据。同样对存储器单元信息的读出过程也是非的数据。同样对存储器单元信息的读出过程也是非破坏性的，读出操作后，所保存的信息不变。破坏性的，读出操作后，所保存的信息不变。第7页，本讲稿共65页 使用静态使用静态RAM的优点是访问速度快，访问的优点是访问速度快，访问周期达周期达2040ns。静态。静态RAM工作稳定，不需要工作稳定，不需要进行刷新，外部电路简单，但基本存储单元所包进行刷新，外部电路简单，但基本存储单元所包含的管子数目较多，且功耗也较大
13、，它适合在小含的管子数目较多，且功耗也较大，它适合在小容量存储器中使用。容量存储器中使用。静态静态RAM通常由地址译码器、存储矩阵、通常由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态数据缓冲器组成，存储器芯片控制逻辑和三态数据缓冲器组成，存储器芯片内部结构框图如图内部结构框图如图5-2所示。所示。第8页，本讲稿共65页 控制控制 电路电路输出输出驱动驱动3232=1024存储单元存储单元驱驱动动器器X译译码码器器地地址址反反相相器器I/O电路电路Y译码器译码器地址反相器地址反相器123132 123132 A0A1A2A3A41321 23132A5 A6 A7 A8A9输入输入读读/写写输出输出CS
14、图图5-2 存储器芯片内部结构框图存储器芯片内部结构框图第9页，本讲稿共65页（1）存储矩阵）存储矩阵 一个基本存储单元存放一位二进制信息，一个基本存储单元存放一位二进制信息，一块存储器芯片中的基本存储单元电路按一块存储器芯片中的基本存储单元电路按字字结构结构或或位结构位结构的方式排列成矩阵。的方式排列成矩阵。按字结构方式排列时，读按字结构方式排列时，读/出一个字节的出一个字节的8位制作在一块芯片上，若选中则位制作在一块芯片上，若选中则8位信息从位信息从一个芯片中同时读出，但芯片封装时引线较一个芯片中同时读出，但芯片封装时引线较多。例如多。例如1K的存储芯片由的存储芯片由1288组成，访问组成
15、，访问它要它要7根地址线和根地址线和8根数据线。根数据线。位结构是位结构是1个芯片内的基本单元作不同个芯片内的基本单元作不同字的同一位，片内按矩阵排列，字的同一位，片内按矩阵排列，8位由位由8块芯块芯片组成。优点是芯片封装时引线较少，例如片组成。优点是芯片封装时引线较少，例如1K存储器芯片由存储器芯片由10241组成，访问它要组成，访问它要10根根地址线和地址线和1根数据线，但使用芯片为根数据线，但使用芯片为8块。封块。封装引线减少，成品合格率就会提高。装引线减少，成品合格率就会提高。（2）地址译码器）地址译码器 CPU读读/写一个存储单元时，先将地址送到写一个存储单元时，先将地址送到地址总线
16、，高位地址经译码后产生片选信号地址总线，高位地址经译码后产生片选信号选中芯片，低位地址送到存储器，由地址译选中芯片，低位地址送到存储器，由地址译码器选中所需要的片内存储单元，最后在读码器选中所需要的片内存储单元，最后在读/写信号控制下将存储单元内容读出或写入。写信号控制下将存储单元内容读出或写入。地址译码器完成存储单元的选择，通常有线地址译码器完成存储单元的选择，通常有线性译码和复合译码两种方式，一般采用复合性译码和复合译码两种方式，一般采用复合译码。如译码。如10241的位结构芯片排列成的位结构芯片排列成3232矩阵，矩阵，A0A4送到送到X译码器（行译码），译码器（行译码），A5A9送到送
17、到Y译码器（列译码）。译码器（列译码）。如图如图5-2所示，所示，X和和Y译码器各输出译码器各输出32根线，根线，由由X和和Y方向同时选中的单元为所访问的存储方向同时选中的单元为所访问的存储单元。若采用线性译码器，单元。若采用线性译码器，10根地址线输入根地址线输入到地址译码器后，有到地址译码器后，有1024根输出线来选择存根输出线来选择存储单元，结构复杂化了。储单元，结构复杂化了。（3）控制逻辑与三态数据缓冲器）控制逻辑与三态数据缓冲器 控制控制 电路电路输出输出驱动驱动3232=1024存储单元存储单元驱驱动动器器X译译码码器器地地址址反反相相器器I/O电路电路Y译码器译码器地址反相器地址
18、反相器123132 123132 A0A1A2A3A41321 23132A5 A6 A7 A8A9输入输入读读/写写输出输出CS图图5-2 存储器芯片内部结构框图存储器芯片内部结构框图第10页，本讲稿共65页 控制控制 电路电路输出输出驱动驱动3232=1024存储单元存储单元驱驱动动器器X译译码码器器地地址址反反相相器器I/O电路电路Y译码器译码器地址反相器地址反相器123132 123132 A0A1A2A3A41321 23132A5 A6 A7 A8A9输入输入读读/写写输出输出CS图图5-2 存储器芯片内部结构框图存储器芯片内部结构框图第11页，本讲稿共65页2.静态静态RAM的例
19、子的例子 典型的静态典型的静态RAM芯片有：芯片有：2114（1K4位）位）:10根地址线，根地址线，4根数据线根数据线 6116（2K8位）位）:11根地址线，根地址线，8根数据线根数据线 6264（8K8位）位）:13根地址线，根地址线，8根数据线根数据线 62128（16K8位）位）:14根地址线，根地址线，8根数据线根数据线 62256（32K8位）位）:15根地址线，根地址线，8根数据线根数据线第12页，本讲稿共65页6264（8K8）A12A0：12根地址线根地址线D7D0：8根数据线根数据线 ：写允许信号：写允许信号 ：读允许信号：读允许信号 、CS2：读允许信号：读允许信号 6
20、264真值表真值表 第13页，本讲稿共65页二、动态随机存取存储器二、动态随机存取存储器DRAM1.动态动态RAM的构成的构成动态动态RAM与静态与静态RAM一样，由许多基本存储一样，由许多基本存储单元按行和列排列组成矩阵。最简单的动态单元按行和列排列组成矩阵。最简单的动态RAM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，但它容，因而集成度高，成本低，耗电少，但它是利用电容存储电荷来保存信息的，电容通是利用电容存储电荷来保存信息的，电容通过过MOS管的栅极和源极会缓慢放电而丢失信管的栅极和源极会缓慢放电而丢失信息，必须定时对电容充电，也
21、称作息，必须定时对电容充电，也称作刷新刷新。另外，为了提高集成度，减少引脚的封装数，另外，为了提高集成度，减少引脚的封装数，DRAM的地址线分成行地址和列地址两部分，的地址线分成行地址和列地址两部分，因此，在对存储器进行访问时，总是先由行因此，在对存储器进行访问时，总是先由行地址选通信号地址选通信号 把行地址送入内部设置的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行地址锁存器，再由列地址选通信号 把把列地址送入列地址锁存器，并由读列地址送入列地址锁存器，并由读/写信号控写信号控制数据的读出或写入。所以制数据的读出或写入。所以刷新刷新和和地址两次地址两次打入打入是是DRAM芯片的主要
22、特点。芯片的主要特点。第14页，本讲稿共65页 刷新刷新放大器放大器 列选列选择信号择信号数据输入输出数据输入输出行选择信号行选择信号QC图图5-4 单管动态单管动态RAM基本存储单元基本存储单元 动态动态RAM依靠电容存储电荷来依靠电容存储电荷来决定存放信息是决定存放信息是1或或0。图。图5-4以单管以单管动态动态RAM为例说明其工作原理。为例说明其工作原理。读操作时先由行地址译码，读操作时先由行地址译码，某行选择信号为高电平时，某行选择信号为高电平时，此行上管子此行上管子Q导通，由刷导通，由刷新放大器读取电容新放大器读取电容C上的上的电压值折合为电压值折合为0或或1，再由，再由列地址译码，
23、使某列选通。列地址译码，使某列选通。行和列均选通的基本存储行和列均选通的基本存储单元允许驱动，并读出数单元允许驱动，并读出数据，读出信息后由刷新放据，读出信息后由刷新放大器对其进行重写，以保大器对其进行重写，以保存信息。存信息。写操作时，行和列的选择写操作时，行和列的选择信号为信号为1，基本存储单元被，基本存储单元被选中，数据输入选中，数据输入/输出线送的输出线送的信息通过刷新放大器和信息通过刷新放大器和Q管管送到电容送到电容C，数据写入存储，数据写入存储单元。单元。第15页，本讲稿共65页2.动态动态RAM的刷新的刷新动态动态RAM都是利用电容存储电荷的原理来保都是利用电容存储电荷的原理来保
24、存信息的，由于存信息的，由于MOS管输入阻抗很高，存储管输入阻抗很高，存储的信息可以保存一段时间，但时间较长时电的信息可以保存一段时间，但时间较长时电容会逐渐放电使信息丢失，所以动态容会逐渐放电使信息丢失，所以动态RAM需需要在预定的时间内不断刷新。所谓要在预定的时间内不断刷新。所谓刷新刷新，即即把写入到存储单元的数据进行读出，经过读把写入到存储单元的数据进行读出，经过读放大器放大以后再写入以保存电荷上的信息放大器放大以后再写入以保存电荷上的信息。DRAM控制器是控制器是CPU和和DRAM之间的接口电之间的接口电路，由它把路，由它把CPU的信号转换成适合的信号转换成适合DRAM芯芯片的信号，解
25、决片的信号，解决DRAM芯片地址两次打入和芯片地址两次打入和刷新控制等问题。刷新控制等问题。DRAM控制器的逻辑框图控制器的逻辑框图如图如图5-5所示，包括下列功能电路：所示，包括下列功能电路：第16页，本讲稿共65页CPU仲裁仲裁电路电路 定时定时发生器发生器数据缓冲器数据缓冲器刷新定时器刷新定时器 地址地址 多路器多路器刷新地址刷新地址 计数器计数器DRAM地址地址地址总线地址总线读读/写写图图5-5 DRAM控制器逻辑框图控制器逻辑框图（1）地址多路器：把来自）地址多路器：把来自CPU的地址转的地址转换成行地址和列地址，分两次送到换成行地址和列地址，分两次送到DRAM芯片，实现芯片，实现
26、DRAM芯片地址的两次打入。芯片地址的两次打入。（2）刷新定时器：完成对）刷新定时器：完成对DRAM芯片进芯片进行定时刷新的功能，目前使用较多的行定时刷新的功能，目前使用较多的1M位位DRAM芯片，要求芯片，要求8ms内刷新内刷新512次。次。（3）刷新地址计数器：只用）刷新地址计数器：只用/RAS的刷新的刷新操作，需要提供刷新地址计数器。对于操作，需要提供刷新地址计数器。对于1M位的芯片，需要位的芯片，需要512个地址，因此刷新个地址，因此刷新地址计数器要由地址计数器要由9位来构成。但是，目前位来构成。但是，目前256K位以上的芯片，多数内部具有这种位以上的芯片，多数内部具有这种刷新地址计数
27、器。刷新地址计数器。（4）仲裁电路：来自）仲裁电路：来自CPU的访问存储器的访问存储器的请求和来自刷新定时电路的刷新请求同的请求和来自刷新定时电路的刷新请求同时产生时，由仲裁电路对两者的优先权进时产生时，由仲裁电路对两者的优先权进行裁决。行裁决。（5）定时发生器：提供行地址选通信）定时发生器：提供行地址选通信号号 ，列地址选通信号，列地址选通信号 和写信和写信号号 ，供，供DRAM芯片使用。芯片使用。第17页，本讲稿共65页3.动态动态RAM的例子的例子 Intel 2164是是64K1的的DRAM芯片，它的芯片，它的内部有内部有4个个128128基本存储电路矩阵，图基本存储电路矩阵，图5-6
28、给出了它的引脚图。给出了它的引脚图。/RASGND12345678NCDin/WEA0A1A2161514131211109VCC/CASDOUTA6A3A4A5A7 2164 图图5-6 2164引脚图引脚图A0A7：行列地址线各：行列地址线各8根，根，共共16根所以可访问根所以可访问64K单元。单元。：行选通信号，为：行选通信号，为0时，时，8位行地址打入。位行地址打入。：列选通信号，为：列选通信号，为0时，时，8位列地址打入。位列地址打入。：读：读/写控制线，为写控制线，为0时为时为写入数据；为写入数据；为1时为读出数据。时为读出数据。DIN：数据输入：数据输入DOUT：数据输出：数据输
29、出第18页，本讲稿共65页三、存储器的工作时序三、存储器的工作时序 1.静态静态RAM器件对存储器读周期和写周期时序器件对存储器读周期和写周期时序 为了使存储器与为了使存储器与CPU很好地配合构成一个微型计算机系很好地配合构成一个微型计算机系统，存储器芯片的工作时序应和统，存储器芯片的工作时序应和CPU的读的读/写时序密切配合，写时序密切配合，因此有必要分析一下存储器的工作时序。选择存储器时最重因此有必要分析一下存储器的工作时序。选择存储器时最重要的参数是存取时间，在存储器读周期中，具体是指读取时要的参数是存取时间，在存储器读周期中，具体是指读取时间，在存储器写周期中，就是指写入时间。访问存储
30、器所需间，在存储器写周期中，就是指写入时间。访问存储器所需要的时间是指存储器接收到稳定的地址输入到读要的时间是指存储器接收到稳定的地址输入到读/写操作所需写操作所需时间，访问时间的长短与存储器制造工艺有关，例如用双极时间，访问时间的长短与存储器制造工艺有关，例如用双极型技术制造的器件速度快，但功耗大，价格贵，用互补金属型技术制造的器件速度快，但功耗大，价格贵，用互补金属氧化物半导体技术制造的器件功耗低，但速度慢。氧化物半导体技术制造的器件功耗低，但速度慢。第19页，本讲稿共65页图图5-7 给出了静态给出了静态RAM存储器对读存储器对读/写周期的时序要求。写周期的时序要求。tA：读取时间，地址
31、有效到：读取时间，地址有效到数据读出有效之间的时间。数据读出有效之间的时间。tCO：片选到稳定输出，从：片选到稳定输出，从 片选信号有效到数据输片选信号有效到数据输出稳定的时间，一般出稳定的时间，一般tA tCOtCX：片选到输出有效，从：片选到输出有效，从/CS片选信号有效到数据输片选信号有效到数据输出有效的时间。出有效的时间。tAR：读恢复时间，输出数据：读恢复时间，输出数据有效之后，存储器不能立即有效之后，存储器不能立即输入新的地址来启动下一次输入新的地址来启动下一次 读操作，因为存储器在输出数据后要有一定的时间来内部操读操作，因为存储器在输出数据后要有一定的时间来内部操作，这段时间称恢
32、复时间。作，这段时间称恢复时间。tRC：存储器的读周期，是指启动一个读操作到启动下一次内：存储器的读周期，是指启动一个读操作到启动下一次内存操作（读或写）之间所需要的时间，存操作（读或写）之间所需要的时间，tRC=tA+tAR。tRCtAtCOtCXtARABCD地址地址数据数据输出输出图图5-7（a）存储器的读周期）存储器的读周期第20页，本讲稿共65页存储器对读周期的时序要求是：存储器对读周期的时序要求是：（1）CPU送出存储单元地址（图中送出存储单元地址（图中A点），读周期开始，点），读周期开始，读周期比读取时间长，为了保证读周期比读取时间长，为了保证tA时间后，读出数据在数时间后，读出
33、数据在数据线上稳定，要求地址信号有效后，不超过据线上稳定，要求地址信号有效后，不超过tA tCO的时间的时间段中，片选信号段中，片选信号 有效。若有效。若 不能及时到达，则不能及时到达，则tA之后之后可能数据仅出现在内部内部数据总线上，而不能将数据送可能数据仅出现在内部内部数据总线上，而不能将数据送到系统总线上。到系统总线上。（2）输出数据有效后（图中）输出数据有效后（图中C点），只要地址信号和输出点），只要地址信号和输出允许信号没有撤消，输出数据一直保持有效。允许信号没有撤消，输出数据一直保持有效。（3）在整个读周期，要求）在整个读周期，要求R/应保持高电平。应保持高电平。第21页，本讲稿共
34、65页存储器对写周期时序要求，如图存储器对写周期时序要求，如图5-7（b）所示。）所示。（2）从片选信号有效到）从片选信号有效到CPU要求的数据稳定之间的时间要求的数据稳定之间的时间间隔必须大于间隔必须大于tCO，否则外部电路必须产生，否则外部电路必须产生 信号，信号，迫使迫使CPU插入周期插入周期TW来满足上面的时间要求。来满足上面的时间要求。（1）从地址信号有效到）从地址信号有效到CPU要求的数据稳定之间的时间要求的数据稳定之间的时间间隔必须大于间隔必须大于tA。在存储器芯片和在存储器芯片和CPU连接时连接时,必须保证下面时间要求：必须保证下面时间要求：第22页，本讲稿共65页图图5-7（
35、b）存储器的写周期）存储器的写周期第23页，本讲稿共65页四、高速缓冲存储器四、高速缓冲存储器 DRAM芯片存取时间在芯片存取时间在100ns200ns之之间，随着间，随着CPU速度的不断提高，速度的不断提高，DRAM的速的速度难以满足度难以满足CPU的要求，一般情况下，的要求，一般情况下，CPU访问存储器时要插入等待周期，对高速访问存储器时要插入等待周期，对高速CPU来说这是一种极大的浪费。来说这是一种极大的浪费。SRAM的访问周期可达的访问周期可达20ns40ns，CPU工作在工作在16MHz时，使用时，使用40ns的的SRAM足足以在两个时钟周期内完成访问存储器的操作，以在两个时钟周期内
36、完成访问存储器的操作，也就是说总线访问可以在零等待的情况下完也就是说总线访问可以在零等待的情况下完成。成。系统设计时，为了使系统设计时，为了使CPU全速运行，可全速运行，可采用采用CACHE技术，将经常访问的代码和数据技术，将经常访问的代码和数据保存到保存到SRAM组成的高速缓冲器中，把不常组成的高速缓冲器中，把不常访问的数据保存到访问的数据保存到DRAM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。又提供了接近零等待的性能。CACHE技术是为了把主存储器看成是高技术是为了把主存储器看成是高速存储器而设置的
37、小容量局部存储器，它有速存储器而设置的小容量局部存储器，它有效地利用了某些程序访问存储器在时间上和效地利用了某些程序访问存储器在时间上和空间上有局部区域的特性，如子程序的反复空间上有局部区域的特性，如子程序的反复调用，变量的重复使用，都是使用某个特定调用，变量的重复使用，都是使用某个特定区域。这样如果针对某个特定的时间片，用区域。这样如果针对某个特定的时间片，用连接在局部总线上的由连接在局部总线上的由SRAM组成的高速缓组成的高速缓冲存储器冲存储器CACHE代替低速大容量的主存储器，代替低速大容量的主存储器，作为作为CPU集中重复访问的区域，系统的性能集中重复访问的区域，系统的性能就会取得明显
38、的改善。就会取得明显的改善。第24页，本讲稿共65页CPU 80386（80486）CACHERAM2040ns32256KBDRAM80120ns116MB硬盘硬盘240MB1GBCACHE控制器控制器DRAM控制器控制器图图5-9 CACHE在系统存储器中的位置在系统存储器中的位置 图图5-9所示，所示，CACHE RAM是位于是位于CPU和主存储器之和主存储器之间容量小而速度快的存储器，通常由间容量小而速度快的存储器，通常由SRAM组成。可以把组成。可以把CACHE看作是主存储器中面向看作是主存储器中面向CPU的一组高速暂存寄存的一组高速暂存寄存器，它保存有一份主存储器的器，它保存有一份
39、主存储器的内容拷贝内容拷贝，该，该内容拷内容拷贝贝是最近曾被是最近曾被CPU使用过的。使用过的。平时，系统程序、应用程序以及用户数据是存平时，系统程序、应用程序以及用户数据是存放在硬盘中的。正在执行中的程序或需要常驻的程放在硬盘中的。正在执行中的程序或需要常驻的程序由操作系统装入到存储器，而在主存储器中经常序由操作系统装入到存储器，而在主存储器中经常被被CPU使用的一部分内容，要使用的一部分内容，要“拷贝拷贝”到到CACHE存储器中。存储器中。所以，开机时所以，开机时CACHE中无任何内容，当中无任何内容，当CPU送出一组地址去读取主存储器时，读取的存储器的送出一组地址去读取主存储器时，读取的
40、存储器的内容被同时内容被同时“拷贝拷贝”到到CACHE之中。之中。此后，每次此后，每次CPU读取存储器时，读取存储器时，CACHE控制控制器要检查器要检查CPU送出的地址，判断送出的地址，判断CPU要读取的数据要读取的数据是否在是否在CACHE存储器中。若是存在于存储器中。若是存在于CACHE之，之，则称为则称为CACHE命中命中，CPU可以用极快的速度从可以用极快的速度从CACHE中读取数据。中读取数据。若若CPU要读取的数据不是存要读取的数据不是存在于在于CACHE之中，则称为之中，则称为CACHE未命中未命中，这时就，这时就需要从主存储器中读取数据。需要从主存储器中读取数据。第25页，本
41、讲稿共65页5-3 只读存储器只读存储器 除了随机存取存储器外，另一类为只读除了随机存取存储器外，另一类为只读存储器（存储器（ROM）。）。ROM存储的内容一般不存储的内容一般不会改变，掉电时也不会丢失，使用时可随时会改变，掉电时也不会丢失，使用时可随时将内容读出。将内容读出。ROM器件具有结构简单，位密器件具有结构简单，位密度比读度比读/写存储器高，非易失性和可靠性高等写存储器高，非易失性和可靠性高等特点，一般用来存放系统启动程序，常驻内特点，一般用来存放系统启动程序，常驻内存的监控程序，参数表，字库等，用户设计存的监控程序，参数表，字库等，用户设计的单片机或单板机系统中也可用它来存放用的单
42、片机或单板机系统中也可用它来存放用户程序。户程序。根据根据ROM信息写入的方式，信息写入的方式，ROM分为分为4种种:1.掩膜型掩膜型ROM ROM中信息是在芯片制造时由厂家写入中信息是在芯片制造时由厂家写入的，用户对这类芯片无法进行任何修改。的，用户对这类芯片无法进行任何修改。2.可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 这种这种ROM出厂时，里面没有信息，用户出厂时，里面没有信息，用户采用一些设备可以将内容写入采用一些设备可以将内容写入PROM。但。但PROM中内容一旦写入，就不能再改变了。中内容一旦写入，就不能再改变了。3.可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器EPROM 用户可以
43、用特定设备将内容写入，之后用户可以用特定设备将内容写入，之后可用紫外光照将内容擦除，再重新写入。可用紫外光照将内容擦除，再重新写入。4.电可擦除的可编程只读存储器电可擦除的可编程只读存储器EEPROM 用户可以用特定设备对芯片编程，用一用户可以用特定设备对芯片编程，用一定的通电方式将其内容擦除，再重新写入。定的通电方式将其内容擦除，再重新写入。第26页，本讲稿共65页一、掩膜型一、掩膜型ROM 掩膜型掩膜型ROM中信息是厂家根据用户给定的程中信息是厂家根据用户给定的程序或数据对芯片图形掩膜进行两次光刻而决定的。序或数据对芯片图形掩膜进行两次光刻而决定的。这类这类ROM可由二极管、双极型晶体管和
44、可由二极管、双极型晶体管和MOS型型晶体管构成，在数量较少时，掩膜晶体管构成，在数量较少时，掩膜ROM造价很贵，造价很贵，如果进行批量生产，就相当便宜了。适用于计算机如果进行批量生产，就相当便宜了。适用于计算机系统开发完成后，大批量使用。系统开发完成后，大批量使用。第27页，本讲稿共65页二、可编程二、可编程ROM（PROM）可编程只读存储器的内容可以由用户编写，但可编程只读存储器的内容可以由用户编写，但只允许编程一次。只允许编程一次。PROM由二极管矩阵组成，用由二极管矩阵组成，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。子的熔丝
45、都是连着的。可编程可编程ROM原理示意图原理示意图 (a)编程前；编程前；(b)编程后编程后 写入时，利用外部引脚输入地址，对其中的二写入时，利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，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，这些被烧断的二极管代把所选定回路的熔丝烧断，这些被烧断的二极管代表表1，未烧断的二极管代表，未烧断的二极管代表0，从而实现了，从而实现了一次性信息存储，不能再进行修改。一次性信息存储，不能再进行修改。第28页，本讲稿共65页三、可编程可擦除三、可编程可擦除ROM（EPROM）1.EPROM工作原理工作原理 掩
46、膜型掩膜型ROM和和PROM中的内容一旦写入，中的内容一旦写入，就无法改变，而就无法改变，而EPROM却允许用户根据需要对却允许用户根据需要对它编程，且可以多次进行擦除和重写，因而它编程，且可以多次进行擦除和重写，因而EPROM得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。第29页，本讲稿共65页 实现实现EPROM的技术是浮栅雪崩注入式技术，信息存储由电的技术是浮栅雪崩注入式技术，信息存储由电荷分布决定，荷分布决定，MOS管的栅极被管的栅极被SiO2包围，称为浮置栅，控制栅包围，称为浮置栅，控制栅连到字线。平时浮置栅上没有电荷，若控制栅上加正向电压使连到字线。平时浮置栅上没有电荷，若控制栅上加正向电压
47、使管子导通，则管子导通，则ROM存储信息为存储信息为1。EPROM的存储单元电路原的存储单元电路原理图如图理图如图5-11（a）所示。）所示。EPROM字线字线位线位线图图5-11（a）EPROM电路原理图电路原理图 编程写入时若在漏极和衬底编程写入时若在漏极和衬底、漏极和源极间加上、漏极和源极间加上+25V电电压，使内部压，使内部PN结反向击穿，结反向击穿，形成较大的电流，部分电荷形成较大的电流，部分电荷会在浮置栅上捕获注入。当会在浮置栅上捕获注入。当电压移去后由于绝缘层的包电压移去后由于绝缘层的包围，注入的电荷无法泄露，围，注入的电荷无法泄露，相当于管子开启电压提高，相当于管子开启电压提高
48、，控制栅上加上正向电压控制栅上加上正向电压（+5V）后，管子仍截止，）后，管子仍截止，ROM存储信息为存储信息为0。第30页，本讲稿共65页2.EPROM的例子的例子1234567891011121314282726252423222120A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1918171615VCC/PGMNCA11A9A8/OEA10/CED7D6D5D4D3图5-11（b）2764引脚图VppA12A0：13根地址线。根地址线。D7D0：8根数据线，根数据线，编程时作数据输入，编程时作数据输入，读出时为数据输出。读出时为数据输出。：芯片允许端，：芯片允许端，输入，低电
49、平有效，输入，低电平有效，连地址译码器输出。连地址译码器输出。：输出允许，输入，：输出允许，输入，连连 。：编程脉冲控制：编程脉冲控制端，输入，连编程控端，输入，连编程控制信号。制信号。Vpp：编程电压输入。：编程电压输入。VCC：电源电压，：电源电压，+5V。第31页，本讲稿共65页 EPROM 2764有有4种工作方式，即读方种工作方式，即读方式、编程方式、式、编程方式、检验方式和备用方式，如表检验方式和备用方式，如表5-2所示。所示。信号端信号端 VCC VPP D7D0读方式读方式 +5V +5V 低低 低低 低低 输出输出编程方式编程方式 +5V +25V 高高 高高 正脉冲正脉冲
50、输入输入检验方式检验方式 +5V +25V 低低 低低 低低 输出输出备用方式备用方式 +5V +5V 无关无关 无关无关 高高 高阻高阻 未选中未选中 +5V +5V 高高 无关无关 无关无关 高阻高阻 表表5-2 EPROM2764的工作方式的工作方式 1.读方式：读方式：VCC和和VPP接接+5V电压，从地址线电压，从地址线A12A0输入所选单元的地址，当输入所选单元的地址，当 和和 端为低电平时，数端为低电平时，数据线上出现所寻址单元的数据。当据线上出现所寻址单元的数据。当 为低电平时，允为低电平时，允许把数据读出。许把数据读出。2.编程方式：编程方式：VCC加加+5V电压，电压，VP