第五章 存儲器系統(tǒng)

第5章存儲器還有什么事來著？第5章：存儲器系統(tǒng)主要內(nèi)容存儲器和存儲器件存儲器芯片的擴展及其與系統(tǒng)總線的連接微機系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu)高速緩沖存儲器Cache§5.1存儲器和存儲器件存儲器是計算機(包括微機)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，有了存儲器，計算機才具有“記憶”功能，才能把程序及數(shù)據(jù)的代碼保存起來，才能使計算機系統(tǒng)脫離人的干預，而自動完成信息處理的功能。

程序的自動運行§5.1存儲器和存儲器件存儲器系統(tǒng)的三項主要性能指標:存儲容量是存儲器系統(tǒng)的首要性能指標，因為存儲容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應計算機系統(tǒng)的功能就越強；存儲器的存取速度直接決定了整個微機系統(tǒng)的運行速度，因此，存取速度也是存儲器系統(tǒng)的重要的性能指標；存儲器的成本也是存儲器系統(tǒng)的重要性能指標。為了在存儲器系統(tǒng)中兼顧以上三個方面的指標，目前在計算機系統(tǒng)中通常采用三級存儲器結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和輔助存儲器，由這三者構(gòu)成一個統(tǒng)一的存儲系統(tǒng)。從整體看，其速度接近高速緩存的速度，其容量接近輔存的容量，而其成本則接近廉價慢速的輔存平均價格。也就是說，采用了一種層次化的體系結(jié)構(gòu)。

§5.1存儲器和存儲器件存儲器的分類1.按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)分類

主要可分為：磁芯存儲器、半導體存儲器、光電存儲器、磁膜、磁泡和其它磁表面存儲器以及光盤存儲器等。2.按制造工藝雙極型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低§5.1存儲器和存儲器件3.按使用屬性（存取方式）隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）：

又稱讀寫存儲器，指能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫操作的一類存儲器?？勺x可寫、斷電丟失。

按照存放信息原理的不同，隨機存儲器又可分為兩種：

靜態(tài)：雙穩(wěn)態(tài)元件，不斷電不丟失；

動態(tài)：極間電容，需要刷新。§5.1存儲器和存儲器件只讀存儲器ROM（Read-OnlyMemory）：

在微機系統(tǒng)的在線運行過程中，只能對其進行讀操作，而不能進行寫操作的一類存儲器。

ROM通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號等。正常只讀、斷電不丟失。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，只讀存儲器也出現(xiàn)了不同的種類。

§5.1存儲器和存儲器件4.按在微機系統(tǒng)中位置分類主存儲器：又稱為系統(tǒng)的主存或者內(nèi)存，位于系統(tǒng)主機的內(nèi)部，CPU可以直接對其中的單元進行讀/寫操作；輔存存儲器：又稱外存，位于系統(tǒng)主機的外部，CPU對其進行的存/取操作，必須通過內(nèi)存才能進行；緩沖存儲器：位于主存與CPU之間，其存取速度非常快，但存儲容量更小，可用來解決存取速度與存儲容量之間的矛盾，提高整個系統(tǒng)的運行速度。

詳細分類，請看圖示§5.1：圖5.1存儲器的分類主存儲器只讀存儲器（ROM）隨機存儲器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）快擦型存儲器輔助存儲器磁盤磁帶光盤緩沖存儲器存儲器§5.1存儲器和存儲器件除采用磁、光原理的輔存外，其它存儲器主要都是采用半導體存儲器本章介紹采用半導體存儲器及其組成主存的方法CPUCACHE主存（內(nèi)存）輔存（外存）§5.1存儲器和存儲器件二.選擇存儲器要考慮的因素易失性只讀性存儲容量速度功耗價格§5.1存儲器和存儲器件每個存儲單元具有一個唯一的地址，可存儲1位（位片結(jié)構(gòu)）或多位（字片結(jié)構(gòu)）二進制數(shù)據(jù)存儲容量與地址、數(shù)據(jù)線個數(shù)有關(guān)：芯片的存儲容量 ＝存儲單元數(shù)×存儲單元的位數(shù)＝2M×N

M：芯片的地址線根數(shù)

N：芯片的數(shù)據(jù)線根數(shù)

示例：32K×8的SRAM芯片6225612345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVcc62256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256邏輯圖M=15,N=8§5.1存儲器和存儲器件四隨機存取存儲器RAMRAM(RandomAccessMemory)意指隨機存取存儲器，其工作特點是：在微機系統(tǒng)的工作過程中，可以隨機地對其中的各個存儲單元進行讀／寫操作。讀寫存儲器分為靜態(tài)RAM與動態(tài)RAM兩種?！?.1存儲器和存儲器件

SRAM的基本存儲單元是觸發(fā)器電路每個基本存儲單元存儲二進制數(shù)一位許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣每個存儲單元存放多位（4、8、16等）每個存儲單元具有一個地址SRAM2114SRAM6264典型芯片1.靜態(tài)RAM（SRAM）第5章：SRAM芯片2114存儲容量為1024×418個引腳：10根地址線A9～A04根數(shù)據(jù)線I/O4～I/O1片選CS*讀寫WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GNDSRAM2114的功能工作方式CS*WE*I/O4~I/O1未選中讀操作寫操作100×10高阻輸出輸入第5章：SRAM芯片6264存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CS1*、CS2讀寫WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615SRAM6264的功能工作方式CS1*CS2WE*OE*D7~D0未選中未選中讀操作寫操作1×00×011××01××10高阻高阻輸入輸出2.動態(tài)RAM（需要動態(tài)刷新電路才能保持信息）利用電容存儲電荷的原理來保存信息，它將晶體管結(jié)電容的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)分別作為1和0。必須配備“讀出再生放大電路”進行刷新DRAM2164典型芯片§5.1存儲器和存儲器件組成單元速度集成度應用SRAM觸發(fā)器快低小容量系統(tǒng)DRAM極間電容慢高大容量系統(tǒng)NVRAM帶微型電池慢低小容量非易失§5.1存儲器和存儲器件只讀存儲器ROM

指在微機系統(tǒng)的在線運行過程中，只能對其進行讀操作，而不能進行寫操作的一類存儲器，因此一個顯著的特點是非易失性。用于存取不需要經(jīng)常改變的信息。在不斷發(fā)展變化的過程中，ROM器件也產(chǎn)生了掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM等各種不同類型。

§5.1存儲器和存儲器件掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改可編程ROM（PROM）：允許一次編程，此后不可更改，寫入過程稱為固化程序EPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶多次擦除和編程EPROM頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息一般使用專門的編程器（燒寫器）編程編程后，應該貼上不透光封條EPROM2716EPROM2764EPROM芯片2716存儲容量為2K×824個引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線DO7～DO0片選/編程CE*/PGM讀寫OE*編程電壓VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2VssEPROM芯片2764存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CE*編程PGM*讀寫OE*編程電壓VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615EPROM2764的功能工作方式CE*OE*PGM*A9VPPDO7~DO0讀出001×＋5V輸出讀出禁止011×＋5V高阻待用1×××＋5V高阻Intel標識00＋12V1＋5V輸出編碼標準編程01負脈沖×＋25V輸入Intel編程01負脈沖×＋25V輸入編程校驗001×＋25V輸出編程禁止1×××＋25V高阻EEPROM（E2PROM）：采用加電方法在線進行擦除和編程，用加電方法，進行在線（無需拔下，直接在電路中）擦寫（擦除和編程一次完成）。也可多次擦寫有字節(jié)擦寫、塊擦寫和整片擦寫方法并行EEPROM：多位同時進行串行EEPROM：只有一位數(shù)據(jù)線EEPROM芯片2864A存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線I/O7～I/O0片選CE*讀寫OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615§5.1存儲器和存儲器件FlashMemory（閃存）：能夠快速擦寫的EEPROM，但只能按塊（Block）擦除快擦型存儲器是不用電池供電的、高速耐用的非易失性半導體存儲器，它以性能好、功耗低、體積小、重量輕等特點活躍于便攜機(膝上型、筆記本型等)存儲器市場，但價格較貴。快擦型存儲器具有EEPROM的特點，又可在計算機內(nèi)進行擦除和編程，它的讀取時間與DRAM相似，而寫時間與磁盤驅(qū)動器相當?？觳列痛鎯ζ饔?V或12V兩種供電方式。對于便攜機來講，用5V電源更為合適。快擦型存儲器操作簡便，編程、擦除、校驗等工作均已編成程序，可由配有快擦型存儲器系統(tǒng)的中央處理機予以控制?！?.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展一、存儲器芯片與CPU的連接在微型系統(tǒng)中，CPU對存儲器進行讀寫操作，首先要由地址總線給出地址信號，選擇要進行讀/寫操作的存儲單元，然后通過控制總線發(fā)出相應的讀/寫控制信號，最后才能在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)交換。所以，存儲器芯片與CPU之間的連接，實質(zhì)上就是其與系統(tǒng)總線的連接，包括：地址線的連接；數(shù)據(jù)線的連接；控制線的連接；§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展存儲芯片與CPU總線的連接，有兩個很重要的問題：CPU的總線負載能力CPU能否帶動總線上包括存儲器在內(nèi)的連接器件？存儲芯片與CPU總線時序的配合CPU能否與存儲器的存取速度相配合？§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展CPU的總線驅(qū)動能力有限單向傳送的地址和控制總線，可采用三態(tài)鎖存器和三態(tài)單向驅(qū)動器等來加以鎖存和驅(qū)動雙向傳送的數(shù)據(jù)總線，可以采用三態(tài)雙向驅(qū)動器來加以驅(qū)動§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展1.存儲芯片的數(shù)據(jù)線2.存儲芯片的地址線3.存儲芯片的片選端4.存儲芯片的讀寫控制線§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展若芯片的數(shù)據(jù)線正好8根：一次可從芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線相連若芯片的數(shù)據(jù)線不足8根：一次不能從一個芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)利用多個芯片擴充數(shù)據(jù)位這個擴充方式簡稱“數(shù)據(jù)寬度的擴充或位擴充”1.數(shù)據(jù)線2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE多個位擴充的存儲芯片的數(shù)據(jù)線連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的不同位數(shù)其它連接都一樣這些芯片應被看作是一個整體常被稱為“芯片組”位擴充§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展芯片的地址線通常應全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連尋址時，這部分地址的譯碼是在存儲芯片內(nèi)完成的，我們稱為“片內(nèi)譯碼”2.地址線第5章：片內(nèi)譯碼A9～A0存儲芯片000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全1000000000000000000010000000010…111111110111111111101111111111范圍（16進制)A9~A0§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴充容量，也就是擴充了主存儲器地址范圍這種擴充簡稱為“地址擴充”或“字擴充”進行“地址擴充”，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進行尋址這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)3.片選（字擴充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0A9～A0D7～D0CE1K×8（1）A9～A0D7～D0CE譯碼器000000000100000000001K×8（2）A19A18A17A16A15A14～A0

全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE第5章：片選端常有效令芯片（組）的片選端常有效不與系統(tǒng)的高位地址線發(fā)生聯(lián)系芯片（組）總處在被選中的狀態(tài)雖簡單易行、但無法再進行地址擴充，會出現(xiàn)“地址重復”×表示任意（0或1均可）§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸出”的過程譯碼電路可以使用門電路組合邏輯譯碼電路更多的是采用集成譯碼器常用的2:4譯碼器：74LS139常用的3:8譯碼器：74LS138常用的4:16譯碼器：74LS154⑴譯碼和譯碼器§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展（2）常用的譯碼方法：全譯碼、部分譯碼、線譯碼全譯碼：所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址，采用全譯碼，每個存儲單元的地址都是唯一的，不存在地址重復譯碼電路可能比較復雜、連線也較多全譯碼示例A15A14A13A16CBAE3138

2764A19A18A17A12～A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全0全100011100001110地址范圍A12~A0A19A18A17A16A15A14A13§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展部分譯碼：只有部分高位地址線參與對存儲芯片的譯碼每個存儲單元將對應多個地址（地址重復），需要選取一個可用地址可簡化譯碼電路的設計但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費部分譯碼示例138A17

A16A11～A0A14

A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19~A15A14~

A12A11~A0一個可用地址1234××10×××10×××10×××10×000001010011全0~全1全0~全1全0~全1全0~全120000H~20FFFH21000H~21FFFH22000H~22FFFH23000H~23FFFH§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展線選譯碼：只用少數(shù)幾根高位地址線進行芯片的譯碼，且每根負責選中一個芯片（組）雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴重浪費必然會出現(xiàn)地址重復（一個存儲單元對應多個存儲地址）一個存儲地址會對應多個存儲單元多個存儲單元共用的存儲地址不應使用示例線選譯碼示例A14A12～A0A13(1)2764(2)2764

CECEA19~

A15A14A13A12~A0一個可用地址12××××××××××1001全0~全1全0~全104000H~05FFFH02000H~03FFFH切記：

A14A13＝00的情況不能出現(xiàn)00000H～01FFFH的地址不可使用§5.2存儲器芯片與CPU的連接及其擴展片選端譯碼小結(jié)存儲芯片的片選控制端可以被看作是一根最高位地址線在系統(tǒng)中，主要與地址發(fā)生聯(lián)系：包括地址空間的選擇（例如接系統(tǒng)的IO/M*信號）和高位地址的譯碼選擇（與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)）對一些存儲芯片通過片選無效可關(guān)閉內(nèi)部的輸出驅(qū)動機制，起到降低功耗的作用第5章：4.存儲芯片的讀寫控制芯片OE*與系統(tǒng)的讀命令線相連當芯片被選中、且讀命令有效時，存儲芯片將開放并驅(qū)動數(shù)據(jù)到總線芯片WE*與系統(tǒng)的寫命令線相連當芯片被選中、且寫命令有效時，允許總線數(shù)據(jù)寫入存儲芯片二存儲芯片的擴展位擴充（數(shù)據(jù)寬度的擴充）當實際存儲芯片每個單元的位數(shù)和系統(tǒng)需要內(nèi)存單元字長不等時采用的方法。字擴充（字節(jié)數(shù)的擴充）當存儲芯片上每個存儲單元的字長已滿足要求，但存儲單元的個數(shù)不夠，需要增加的是存儲單元的數(shù)量，就稱為字擴展。字位擴充需要同時進行位擴充和字擴充才能滿足系統(tǒng)存儲容量需求的方法稱為字位擴充。（字擴充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0A9～A0D7～D0CE1K×8（1）A9～A0D7～D0CE譯碼器000000000100000000001K×8（2）2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114