數(shù)字電路chap5new課件

《計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)》第五章存儲(chǔ)器目錄主存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器其他存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的層次化體系與管理虛擬存儲(chǔ)器的概念

存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)二值數(shù)字信息的大規(guī)模集成電路，是進(jìn)一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。它實(shí)際上是將大量寄存器按一定規(guī)律結(jié)合起來(lái)的整體，可以被比喻為一個(gè)由許多房間組成的大旅館。每個(gè)房間有一個(gè)號(hào)碼（地址碼），每個(gè)房間內(nèi)有一定內(nèi)容（一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼，又稱為一個(gè)“字”）。存儲(chǔ)器類別主存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 磁表面存儲(chǔ)器 光學(xué)存儲(chǔ)器按用途分類計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器的要求容量大速度高成本低主要計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器： 內(nèi)存、硬盤、軟盤、光盤、U盤等內(nèi)存磁盤與光盤移動(dòng)存儲(chǔ)§5.1主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)線性譯碼器基本靜態(tài)存儲(chǔ)單元雙向譯碼方式與相應(yīng)的靜態(tài)RAM基本存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展靜態(tài)RAM的概念及其讀寫過(guò)程動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)單元MAR和MDR隨機(jī)存取存儲(chǔ)器2n個(gè)字每字m位存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器緩沖寄存器n位m位線性譯碼器一維存儲(chǔ)矩陣靜態(tài)RAM單向（一維）譯碼方式和雙向（二維）譯碼方式例256×1位二維存儲(chǔ)矩陣RAM及其靜態(tài)基本存儲(chǔ)單元二維矩陣存儲(chǔ)矩陣示意圖字?jǐn)U展各片RAM對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線聯(lián)接在一起；低位地址線也并聯(lián)接起來(lái)，而高位的地址線，首先通過(guò)譯碼器譯碼，然后將其輸出按高低位接至各片的片選控制端。位擴(kuò)展把所有的地址線，R/W,CS連接在一起，數(shù)據(jù)線并列使用,每一片的I/O端作為整個(gè)存儲(chǔ)器的一位。例1：存儲(chǔ)容量為512×4，8K×8和256K×1的SRAM各有多少根地址線和數(shù)據(jù)線？例2：要擴(kuò)展為8K×8的RAM，需要幾片512×4的RAM？例3：2114是1K×4的SRAM1）要用多少片2114芯片組成4K×8的SRAM？2）4K×8的SRAM需要多少地址線？3）擴(kuò)展是否還需要其它芯片？A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0方法：先進(jìn)行位擴(kuò)展，構(gòu)成4×4再進(jìn)行字?jǐn)U展，構(gòu)成8×4（或相反）位擴(kuò)展——地址、控制端并聯(lián)，輸出端分別輸出A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0字?jǐn)U展——地址、R/W端并聯(lián)，輸出端分別并聯(lián)用高位地址控制片選端A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA21A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D01D3D2錯(cuò)誤情況：將8×4做成了16×2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216×2只作了字?jǐn)U展,未做位擴(kuò)展A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×41位地址碼變成了2位地址碼A3A2=01時(shí)選中左邊,A3A2=10時(shí)選中右邊,然則A3A2=00或11時(shí)，二片皆不工作,電路無(wú)輸出.A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0

1A3A3=0時(shí)D1D0有輸出D3D2無(wú)輸出,而A3=1時(shí)D1D0無(wú)輸出D3D2有輸出，輸出并非4位，且不相同A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×4與前面一樣的錯(cuò)誤每一組用2只存儲(chǔ)器只相當(dāng)于一只存儲(chǔ)器A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216k字節(jié)64k字節(jié)字?jǐn)U展8k×18k×8位擴(kuò)展靜態(tài)隨機(jī)操作存儲(chǔ)器（SRAM）以R-S觸發(fā)器為核心在保證電源和沒(méi)有新內(nèi)容寫入操作時(shí)，狀態(tài)能永久保持優(yōu)點(diǎn)：速度快、操作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：功耗大、集成度低、成本高一維矩陣的靜態(tài)基本存儲(chǔ)單元SRAM讀周期工作波形時(shí)序SRAM寫周期工作波形時(shí)序SRAM的特點(diǎn)(1)非破壞性的讀出(2)速度較快:與CPU一樣都是用門或觸發(fā)器等邏輯器件構(gòu)成的,其延遲時(shí)間與CPU在同一數(shù)量級(jí)(3)功耗大:構(gòu)成它的觸發(fā)器中的MOS管任何情況下總有一個(gè)是導(dǎo)通的,那么電源和地之間總有電流流過(guò),因此功耗大,妨礙了集成度提高(4)所用管子數(shù)目多:制作時(shí)占用硅片面積較大,影響集成,且成本高動(dòng)態(tài)隨機(jī)操作存儲(chǔ)器（DRAM）以電容為儲(chǔ)能核心MOS晶體管負(fù)責(zé)電容充放電回路的通斷存儲(chǔ)信號(hào)有漏電問(wèn)題，需要定時(shí)刷新（Refreshing）信號(hào)讀出有破壞性，需要補(bǔ)充再生（Regeneration）DRAM與SRAM的主要區(qū)別是DRAM的存儲(chǔ)元不能長(zhǎng)期保持信息（盡管電源不變）單管存儲(chǔ)單元DRAM工作波形時(shí)序DRAM工作邏輯圖SRAM和DRAM比較DRAM之所以稱之為動(dòng)態(tài)，是因?yàn)镈RAM在儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)，利用的是MOS管的柵極電容存儲(chǔ)電荷的原理，實(shí)際操作時(shí)，一直在重復(fù)著充放電的過(guò)程，因此會(huì)產(chǎn)生時(shí)間的延遲SRAM一般采用6個(gè)MOS管來(lái)儲(chǔ)存1個(gè)位元，不需要反復(fù)充電，所以速度會(huì)比較快，因此稱之為靜態(tài)，即表示只要電源不斷，SRAM的數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失SRAM和DRAM的比較種類用途存取速度成本基本元件揮發(fā)性充電耗電量集成度SRAMCache較快高觸發(fā)器否不需要高低DRAM主存較慢低電容是需要低高只讀存儲(chǔ)器ROM固定ROM可編程ROMEPROM（erasablePROM（紫外線擦除）E2PROM（electricallyEPROM）反熔絲只讀存儲(chǔ)器是存放固定程序信息的器件，它的信息是在制造時(shí)或用專門的寫入裝置寫入的。這種器件在正常工作時(shí)只能讀出而不能寫入信息，即使切斷電源，器件中的信息也不會(huì)消失。只讀存儲(chǔ)器（ROM）地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣讀出控制讀出放大器A0An-1W0W2n-1B0B1Bm-1只讀存儲(chǔ)器在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地修改或重新寫入數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失缺點(diǎn)：只適用于那些存儲(chǔ)固定數(shù)據(jù)的場(chǎng)合ROM基本結(jié)構(gòu)非易失性過(guò)去只能讀出、不能寫入現(xiàn)在寫入機(jī)制不斷完善分兩大類 固定ROM可編程ROM固定ROM字線位線掩模工藝一次性制造成本低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)高12345678輸出電路存儲(chǔ)矩陣字線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0譯碼器K:輸出控制端W3W0W2W1000101111100110011001001地址A1A0D3D2D1D0內(nèi)容A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D00譯碼器K:輸出控制端

給出任意一個(gè)地址碼，譯碼器與之對(duì)應(yīng)的字線變?yōu)楦唠娖?，進(jìn)而從位線上便可輸出四位數(shù)字量。字線位線圖中存儲(chǔ)器的內(nèi)容如左表掩膜ROM

又稱固定ROM，生產(chǎn)廠利用掩膜技術(shù)把信息寫入存儲(chǔ)器中。按使用的器件可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。在這里主要介紹二極管掩膜ROM。（1）ROM電路的結(jié)構(gòu)◆存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)單元可以用二極管、雙極型三極管或MOS管構(gòu)成?！舻刂纷g碼器◆輸出緩沖器

輸出緩沖器的作用有兩個(gè)，一是能提高存儲(chǔ)器的帶負(fù)載能力，二是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)的總線連接。（2）ROM電路的工作原理A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110A1

A0W0

W1

W2

W3001000010100100010110001010100011011可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）一次編程ROMEPROMEEPROM即E2PROMFlashROM一次編程ROM（PROM）（1）熔絲工藝（2）反熔絲工藝

有一種可編程序的ROM，在出廠時(shí)全部存儲(chǔ)“1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為“0”,然而只能改寫一次，稱其為PROM。

若將熔絲燒斷，該單元?jiǎng)t變成“0”。顯然，一旦燒斷后不能再恢復(fù)。EPROM工藝FAMOS(Floating-gateAvalanche-injectionMOS)EPROM的另外一種廣泛使用的存儲(chǔ)器。EPROM可以根據(jù)用戶要求寫入信息，從而長(zhǎng)期使用。當(dāng)不需要原有信息時(shí)，也可以擦除后重寫。若要擦去所寫入的內(nèi)容，可用EPROM擦除器產(chǎn)生的強(qiáng)紫外線，對(duì)EPROM照射20分鐘左右，使全部存儲(chǔ)單元恢復(fù)“1”，以便用戶重新編寫。4.E2PROM

E2PROM是近年來(lái)被廣泛重視的一種只讀存儲(chǔ)器，它稱為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，又可寫為EEPROM。其主要特點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫，并能在斷電的情況下保存數(shù)據(jù)而不需保護(hù)電源。特別是最近的+5V電擦除E2PROM，通常不需單獨(dú)的擦除操作，可在寫入過(guò)程中自動(dòng)擦除，使用非常方便。ROM的應(yīng)用舉例1.用于存儲(chǔ)固定的專用程序2.利用ROM可實(shí)現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能－－查某個(gè)角度的三角函數(shù)

把變量值（角度）作為地址碼，其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值作為存放在該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，這稱為“造表”。使用時(shí)，根據(jù)輸入的地址(角度)，就可在輸出端得到所需的函數(shù)值，這就稱為“查表”。

碼制變換－－把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應(yīng)存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容即可。3.實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)例:試用ROM實(shí)現(xiàn)下列各函數(shù)：RAM和ROM之比較種類RAMROM讀取數(shù)據(jù)可可寫入數(shù)據(jù)可傳統(tǒng)的通過(guò)掩模工藝生產(chǎn)的ROM只能一次性制造，EPROM、EEPOM、Flash-ROM等可編程的ROM可透過(guò)特殊方式重新寫入數(shù)據(jù)記憶資料隨外部電源關(guān)閉而消失（易失性）不隨外部電源關(guān)閉而消失（非易失性）功能儲(chǔ)存計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)用到的一般的數(shù)據(jù)和資料儲(chǔ)存固定不變的數(shù)據(jù)和程序，如開(kāi)機(jī)程序計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器又稱磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。所謂磁表面存儲(chǔ)，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來(lái)存儲(chǔ)信息。磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。磁表面存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)容量大，位成本低，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等大量程序與數(shù)據(jù)信息EPROM。磁表面存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息。缺點(diǎn)：存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境要求較高。磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器寫電流磁環(huán)磁化磁環(huán)缺口處形成漏磁場(chǎng)磁層小區(qū)域磁化撤去寫電流，剩磁仍存在

寫入信息磁層在磁頭下高速運(yùn)動(dòng)磁通不斷變化讀線圈感應(yīng)電勢(shì)放大整形處理磁化元的磁力線通過(guò)磁頭形成閉合磁通回路讀出信息磁頭與磁表面存儲(chǔ)器磁層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)非歸零碼的讀出波形（a）歸零碼（b）歸偏碼（c）非歸零碼非歸零碼的讀出技術(shù)歸零碼與歸偏碼的讀出波形磁表面存儲(chǔ)器的特點(diǎn)（1）非破壞性讀出（2）非易失性存儲(chǔ)、可重復(fù)使用（3）記錄密度高，容量大，價(jià)格/位低（4）存取速度慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜光學(xué)存儲(chǔ)原理與光學(xué)存儲(chǔ)器激光穿孔代替機(jī)械穿孔存儲(chǔ)密度高、信息保存時(shí)間長(zhǎng)成本不斷下降可寫/可擦除光盤（CD-R/CD-RW）已推廣1.

類型：a.只讀光盤存儲(chǔ)器,如，CD-ROMb.只寫一次型光盤存儲(chǔ)器，如，CD-Rc.可擦除型光盤存儲(chǔ)器，如，MO、PC2.存儲(chǔ)原理利用激光束在記錄表面上存儲(chǔ)信息:將激光束聚焦成1μm左右的微小光點(diǎn)，使能量高度集中，在記錄介質(zhì)上產(chǎn)生物理或化學(xué)變化而存儲(chǔ)信息。讀出時(shí)，激光束在介質(zhì)上掃描，根據(jù)反射光的變化判斷記錄的數(shù)據(jù)。寫入方式:(1)形變：只讀型和只寫一次寫入情況。(2)相變（PC）：可擦除型

(3)磁光（MO）存儲(chǔ)：可擦除型存儲(chǔ)介質(zhì)為吸光能力很強(qiáng)、熔點(diǎn)較低的金屬薄膜。激光照射能形成凹坑。有些光存儲(chǔ)介質(zhì)在激光照射下，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)。擦除時(shí)，用較長(zhǎng)時(shí)間、光度稍弱些的光脈沖使它恢復(fù)原狀。存儲(chǔ)介質(zhì)是易于垂直磁化的磁性薄膜。利用激光照射降低介質(zhì)的嬌頑力。在弱磁場(chǎng)下，使磁化翻轉(zhuǎn)。擦除時(shí)，外加與寫入相反的磁場(chǎng)，使它恢復(fù)原狀。存儲(chǔ)器的層次化體系解決存儲(chǔ)器速度與成本之間的矛盾光盤機(jī)外機(jī)內(nèi)磁帶輔存（磁表面存儲(chǔ)器）主存（半導(dǎo)體存儲(chǔ)器）超高速緩存SRAMCPUDRAM超高速緩存與主存之間的數(shù)據(jù)交換輔存主存CacheCPUCacheCache能高速向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，加快程序的執(zhí)行速度超高速緩存數(shù)據(jù)調(diào)回主存原則先進(jìn)先出原則（FIFO）最少使用者先出（LeastRecentlyUsed）命中率與平均訪問(wèn)時(shí)間Cache的命中率H：