第6章存儲器系統(tǒng)

第6章存儲器系統(tǒng)

本章主要教學內容半導體存儲器的基礎知識半導體存儲器的基本結構、工作原理及與CPU的連接等內容微機系統(tǒng)中的輔助存儲器和新型存儲器技術第6章存儲器系統(tǒng)本章教學目的及要求了解存儲器的分類和層次結構掌握常用的RAM和ROM基本結構、原理和特點運用存儲器與CPU進行連接和擴展了解新型存儲器技術的特性6.1存儲器概述

6.1.1存儲器的分類1.按存儲介質分類半導體存儲器（雙極型和MOS型）、磁表面存儲器和光表面存儲器。2.按讀寫功能分類只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）。3.按作用分類

主存儲器、輔助存儲器和高速緩沖存儲器（Cache）6.1.2存儲器的常用性能指標1．存儲容量存儲器可以存儲的二進制信息總量稱為存儲容量。用字數(shù)×位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動態(tài)存儲器的容量為109位/片。2．存取速度（1）存取時間：啟動一次存儲器操作到完成該操作所用的時間。（2）存取周期：連續(xù)兩次獨立的存儲器操作最小時間間隔。3．價格存儲器價格常用每位價格來衡量。6.1.3存儲系統(tǒng)的層次結構

目前，在計算機系統(tǒng)中通常采用三級層次結構來構成存儲系統(tǒng)，主要由高速緩沖存儲器Cache、主存儲器和輔助存儲器組成。如圖6-1所示。

6.1.4半導體存儲器的結構

半導體存儲器分類雙極型（兩個背靠背PN結晶體管）MOS型隨機存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）半導體存儲器靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）

掩膜式ROM可編程ROM（PROM）光可擦除PROM（EPROM）電可擦除PROM（E2PROM）閃速存儲器（FlashMemory）（MOS：道金屬一氧化物一半導體場效應管

）半導體存儲器的結構：一般由地址譯碼器、存儲矩陣、讀/寫控制邏輯和輸入/輸出控制電路等部分組成，其結構如圖所示。6.1.4半導體存儲器的結構

1、地址譯碼器單譯碼方式雙譯碼方式–大大減少線路數(shù)量6.1.4半導體存儲器的結構

2、讀寫控制邏輯R/W(OE/WE)讀寫允許線(RD/WR)打開數(shù)據(jù)通道，決定數(shù)據(jù)的傳送方向和傳送時刻。CS片選線：選擇存儲器芯片。當CS信號無效，其他信號線不起作用。6.1.4半導體存儲器的結構

3、存儲矩陣，輸入/輸出控制電路存儲矩陣：由若干存儲單元排列成矩陣形式。每個具有唯一地址的單元可存儲一位或者多位二進制數(shù)，常用的是8位，對一個字節(jié)進行唯一編址，獨立訪問。輸入/輸出控制電路：三態(tài)雙向緩沖器，以便和掛接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上。6.2隨機存取存儲器（RAM）

隨機存取指通過指令可隨機地對每個存儲單元進行訪問，根據(jù)程序要求隨時讀/寫，與存儲單元地址無關。根據(jù)存儲原理分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。6.2.1靜態(tài)RAM（SRAM）1．基本存儲電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2隨機存取存儲器（RAM）6.2.1靜態(tài)RAM（SRAM）2．SRAM的結構16x1位2．SRAM的結構2048字節(jié)，128x16個單元，每單元8位6.2.2動態(tài)RAM（DRAM）

1．基本存儲電路DRAM存儲信息基本電路可采用單管、三管和四管電路。單管電路由于集成度高，功耗小，應用越來越多，如圖6-8所示，由一只MOS管和一個電容C組成。2．DRAM的刷新專門安排的存儲器刷新操作不同于存儲器讀/寫操作，主要表現(xiàn)在如下幾點：（1）刷新地址通常由刷新地址計數(shù)器產生，而不是由地址總線提供。（2）DRAM基本存儲電路可按行同時刷新，刷新時只需要行地址，不需要列地址。（3）刷新操作時存儲器芯片數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)，即片內數(shù)據(jù)線與外部數(shù)據(jù)線完全隔離。3．DRAM舉例（64K

×1位）64個存儲單元，每單元1位6.3只讀存儲器（ROM）ROM是一種工作時只能讀出不能寫入的存儲器。使用ROM時，其內部信息不能改變，一般只存放固定程序，如監(jiān)控程序、BIOS程序等。ROM特點是非易失性，所存儲的信息一經(jīng)寫入就可長久保存，不受電源斷電的影響。按存儲單元結構和生產工藝的不同，ROM可分為：掩膜ROM可編程PROM光可擦除EPROM電可擦除E2PROM閃速存儲器6.3.1掩膜ROM

掩膜ROM存儲的信息是在制造過程中寫入的。

圖6-10所示為一個簡單的4×4位MOS管掩膜ROM，采用單譯碼結構，兩位地址線A1、A0譯碼后可譯出4種狀態(tài)，輸出4條行選擇線，分別選中4個單元，每個單元有4個二進制位，有4條列選擇線輸出。

6.3.2可編程PROM為便于用戶根據(jù)需要決定ROM中所存儲信息，出現(xiàn)可編程只讀存儲器PROM。由用戶在使用前一次性寫入信息，寫入后只能讀出，不能修改。6.3.3光可擦除EPROM(紫外線)這種存儲器利用編程器寫入后，信息可長久保持。當其內容需要變更時，可利用擦除器將其所存儲信息擦除，使各單元內容復原為FFH，再根據(jù)需要利用EPROM編程器編程。

6.3.4電可擦除E2PROM能在應用系統(tǒng)中進行在線讀寫，即用加電的方式來實現(xiàn)芯片擦除和重新寫入，在斷電情況下芯片所保存的數(shù)據(jù)信息也不會丟失。6.3.5閃速存儲器具有RAM的易讀易寫、體積小、集成度高、速度快等優(yōu)點，又有ROM斷電后信息不丟失等優(yōu)點。6.4存儲器的擴展與尋址

要組成一個大容量定字長的存儲器模塊，通常需要幾片或幾十片存儲器采用一定的連接方式在字向和位向兩方面進行擴展。

6.4.1位擴展芯片中每個單元位數(shù)不能滿足系統(tǒng)要求，需在位向上進行擴展。目的：1024×8位RAM每片2114：1024×4位，有10根地址線和4根數(shù)據(jù)線。地址線寬度夠即尋址1024個單元數(shù)據(jù)線寬度不夠，只有4位進行[拼裝]，拓展數(shù)據(jù)寬度位擴展特點：

①存儲芯片的地址線，片選信號線及控制信號線均并聯(lián)

②數(shù)據(jù)線按數(shù)據(jù)位的高低順序分別連到數(shù)據(jù)總線上 (數(shù)據(jù)線拼裝)6.4.2字擴展字擴展是芯片每個單元數(shù)據(jù)位數(shù)可滿足系統(tǒng)要求，但存儲容量(單元總數(shù))不夠，需要在字向上擴展。用16K×8芯片組成64K×8的存儲器字擴展如圖。圖6-13字擴展示意圖字擴展特點：①存儲器芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀、寫控制信號線均并聯(lián)

②片選信號線是各自獨立被選中的6.4.3字位擴展芯片單元數(shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)都不能滿足存儲器的要求，要在字、位兩個方向上擴展。如采用2114（1K×4位）組成2K×8位RAM，字、位進行同時擴展。6.4.4存儲器的尋址1.線選法簡單微機系統(tǒng)存儲容量不大，存儲器芯片數(shù)也不多，可用單根地址線作為片選信號，每個存儲芯片或每個I/O端口只用一根地址線選通。

2.全譯碼片選法將低位地址總線直接連至各芯片的地址線，余下高位地址總線全部參加譯碼，譯碼輸出作為各芯片片選信號。3.局部譯碼片選法只對部分高位地址總線譯碼產生片選信號，剩余高位線或空或直接用做其他芯片片選信號。是介于全譯碼片選法和線選法間的尋址方法。

6.5存儲器與微處理器的連接

6.5.1連接時應注意的問題

1.CPU總線的帶負載能力(加接緩沖器或總線驅動器)2.存儲器與CPU之間的速度匹配（Tw時鐘）

3.存儲器組織、地址分配和譯碼（一般涉及到多片存儲芯片的地址安排和連接，片選信號的產生辦法等）

6.5.2典型CPU與存儲器的連接

1．8086與ROM的連接2．8086與SRAM的連接8086與ROM的連接地址譯碼器1M/IO2732O7-0A11-0OECECS2732A11-0O7-0CEOERDA11-A0D15-D8D7-D0組成ROM:兩片4Kx8位按照位擴展連接成4Kx16位存儲器，這種連接方法只能按字訪問8086與SRAM的連接組成RAM:四片1Kx4位按照位擴展連接成1Kx16位存儲器，A0和BHE單獨的信號提供使得可以按字節(jié)或字訪問CSRDA9-A0A0BHEWRA9-A0D7-D02142WEODCS1CS2A9-A0WED15-D82142ODCS1CS26.6輔助存儲器6.6.1硬盤存儲器及其接口1.硬盤分類：分為固定磁頭磁盤機、活動磁頭固定盤片磁盤機和活動磁頭可換盤片磁盤機等三類。

2.溫徹斯特技術：將硬盤盤片、讀寫磁頭、小車、導軌、主軸及控制電路等組裝在一起，制成一個密封式不可拆卸的整體的技術。具有防塵性能好、工作可靠，對使用環(huán)境要求不高的突出優(yōu)點。3.硬盤驅動器4.硬盤控制器5.硬盤驅動器接口：IDE、EIDE和SCSI等。

6.6輔助存儲器6.6.2光盤存儲器及其接口

1.概述

2.光盤存儲器的種類只讀型光盤（CD-ROM）只寫一次型光盤（WORM）可擦寫型光盤3.光盤驅動器

6.7新型存儲器技術

6.7.1多體交叉存儲器

6.7.2高速緩沖存儲器（Cache）

1.工作原理基于程序訪問的局部性原理。2.基本結構全相聯(lián)Cache直接映像Cache組相聯(lián)Cache3.替換算法6.7.3虛擬存儲器1.虛擬存儲器的概念2.頁式虛擬存儲器3.段式虛擬存儲器4.段頁式虛擬存儲器本章小結半導體存儲器按存取方式分為隨機存取存儲器