第6章存儲(chǔ)器系統(tǒng)

第6章存儲(chǔ)器系統(tǒng)

本章主要教學(xué)內(nèi)容半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及與CPU的連接等內(nèi)容微機(jī)系統(tǒng)中的輔助存儲(chǔ)器和新型存儲(chǔ)器技術(shù)第6章存儲(chǔ)器系統(tǒng)本章教學(xué)目的及要求了解存儲(chǔ)器的分類(lèi)和層次結(jié)構(gòu)掌握常用的RAM和ROM基本結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)運(yùn)用存儲(chǔ)器與CPU進(jìn)行連接和擴(kuò)展了解新型存儲(chǔ)器技術(shù)的特性6.1存儲(chǔ)器概述

6.1.1存儲(chǔ)器的分類(lèi)1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（雙極型和MOS型）、磁表面存儲(chǔ)器和光表面存儲(chǔ)器。2.按讀寫(xiě)功能分類(lèi)只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。3.按作用分類(lèi)

主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）6.1.2存儲(chǔ)器的常用性能指標(biāo)1．存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量稱(chēng)為存儲(chǔ)容量。用字?jǐn)?shù)×位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量為109位/片。2．存取速度（1）存取時(shí)間：?jiǎn)?dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所用的時(shí)間。（2）存取周期：連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作最小時(shí)間間隔。3．價(jià)格存儲(chǔ)器價(jià)格常用每位價(jià)格來(lái)衡量。6.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

目前，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采用三級(jí)層次結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)，主要由高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器組成。如圖6-1所示。

6.1.4半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)雙極型（兩個(gè)背靠背PN結(jié)晶體管）MOS型隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)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(chǔ)器（FlashMemory）（MOS：道金屬一氧化物一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)：一般由地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀/寫(xiě)控制邏輯和輸入/輸出控制電路等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。6.1.4半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

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(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

2、讀寫(xiě)控制邏輯R/W(OE/WE)讀寫(xiě)允許線(RD/WR)打開(kāi)數(shù)據(jù)通道，決定數(shù)據(jù)的傳送方向和傳送時(shí)刻。CS片選線：選擇存儲(chǔ)器芯片。當(dāng)CS信號(hào)無(wú)效，其他信號(hào)線不起作用。6.1.4半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

3、存儲(chǔ)矩陣，輸入/輸出控制電路存儲(chǔ)矩陣：由若干存儲(chǔ)單元排列成矩陣形式。每個(gè)具有唯一地址的單元可存儲(chǔ)一位或者多位二進(jìn)制數(shù)，常用的是8位，對(duì)一個(gè)字節(jié)進(jìn)行唯一編址，獨(dú)立訪問(wèn)。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(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）

隨機(jī)存取指通過(guò)指令可隨機(jī)地對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問(wèn)，根據(jù)程序要求隨時(shí)讀/寫(xiě)，與存儲(chǔ)單元地址無(wú)關(guān)。根據(jù)存儲(chǔ)原理分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM。6.2.1靜態(tài)RAM（SRAM）1．基本存儲(chǔ)電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）6.2.1靜態(tài)RAM（SRAM）2．SRAM的結(jié)構(gòu)16x1位2．SRAM的結(jié)構(gòu)2048字節(jié)，128x16個(gè)單元，每單元8位6.2.2動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）

1．基本存儲(chǔ)電路DRAM存儲(chǔ)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(yīng)用越來(lái)越多，如圖6-8所示，由一只MOS管和一個(gè)電容C組成。2．DRAM的刷新專(zhuān)門(mén)安排的存儲(chǔ)器刷新操作不同于存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)操作，主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：（1）刷新地址通常由刷新地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，而不是由地址總線提供。（2）DRAM基本存儲(chǔ)電路可按行同時(shí)刷新，刷新時(shí)只需要行地址，不需要列地址。（3）刷新操作時(shí)存儲(chǔ)器芯片數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)，即片內(nèi)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(gè)存儲(chǔ)單元，每單元1位6.3只讀存儲(chǔ)器（ROM）ROM是一種工作時(shí)只能讀出不能寫(xiě)入的存儲(chǔ)器。使用ROM時(shí)，其內(nèi)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(diǎn)是非易失性，所存儲(chǔ)的信息一經(jīng)寫(xiě)入就可長(zhǎng)久保存，不受電源斷電的影響。按存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)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(chǔ)器6.3.1掩膜ROM

掩膜ROM存儲(chǔ)的信息是在制造過(guò)程中寫(xiě)入的。

圖6-10所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的4×4位MOS管掩膜ROM，采用單譯碼結(jié)構(gòu)，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(gè)單元，每個(gè)單元有4個(gè)二進(jìn)制位，有4條列選擇線輸出。

6.3.2可編程PROM為便于用戶(hù)根據(jù)需要決定ROM中所存儲(chǔ)信息，出現(xiàn)可編程只讀存儲(chǔ)器PROM。由用戶(hù)在使用前一次性寫(xiě)入信息，寫(xiě)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(chǔ)器利用編程器寫(xiě)入后，信息可長(zhǎng)久保持。當(dāng)其內(nèi)容需要變更時(shí)，可利用擦除器將其所存儲(chǔ)信息擦除，使各單元內(nèi)容復(fù)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(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線讀寫(xiě)，即用加電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片擦除和重新寫(xiě)入，在斷電情況下芯片所保存的數(shù)據(jù)信息也不會(huì)丟失。6.3.5閃速存儲(chǔ)器具有RAM的易讀易寫(xiě)、體積小、集成度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，又有ROM斷電后信息不丟失等優(yōu)點(diǎn)。6.4存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與尋址

要組成一個(gè)大容量定字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器模塊，通常需要幾片或幾十片存儲(chǔ)器采用一定的連接方式在字向和位向兩方面進(jìn)行擴(kuò)展。

6.4.1位擴(kuò)展芯片中每個(gè)單元位數(shù)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，需在位向上進(jìn)行擴(kuò)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(gè)單元數(shù)據(jù)線寬度不夠，只有4位進(jìn)行[拼裝]，拓展數(shù)據(jù)寬度位擴(kuò)展特點(diǎn)：

①存儲(chǔ)芯片的地址線，片選信號(hào)線及控制信號(hào)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?jǐn)U展字?jǐn)U展是芯片每個(gè)單元數(shù)據(jù)位數(shù)可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，但存儲(chǔ)容量(單元總數(shù))不夠，需要在字向上擴(kuò)展。用16K×8芯片組成64K×8的存儲(chǔ)器字?jǐn)U展如圖。圖6-13字?jǐn)U展示意圖字?jǐn)U展特點(diǎn)：①存儲(chǔ)器芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀、寫(xiě)控制信號(hào)線均并聯(lián)

②片選信號(hào)線是各自獨(dú)立被選中的6.4.3字位擴(kuò)展芯片單元數(shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)都不能滿(mǎn)足存儲(chǔ)器的要求，要在字、位兩個(gè)方向上擴(kuò)展。如采用2114（1K×4位）組成2K×8位RAM，字、位進(jìn)行同時(shí)擴(kuò)展。6.4.4存儲(chǔ)器的尋址1.線選法簡(jiǎn)單微機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量不大，存儲(chǔ)器芯片數(shù)也不多，可用單根地址線作為片選信號(hào)，每個(gè)存儲(chǔ)芯片或每個(gè)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(hào)。3.局部譯碼片選法只對(duì)部分高位地址總線譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，剩余高位線或空或直接用做其他芯片片選信號(hào)。是介于全譯碼片選法和線選法間的尋址方法。

6.5存儲(chǔ)器與微處理器的連接

6.5.1連接時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1.CPU總線的帶負(fù)載能力(加接緩沖器或總線驅(qū)動(dòng)器)2.存儲(chǔ)器與CPU之間的速度匹配（Tw時(shí)鐘）

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

6.5.2典型CPU與存儲(chǔ)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(kuò)展連接成4Kx16位存儲(chǔ)器，這種連接方法只能按字訪問(wèn)8086與SRAM的連接組成RAM:四片1Kx4位按照位擴(kuò)展連接成1Kx16位存儲(chǔ)器，A0和BHE單獨(dú)的信號(hào)提供使得可以按字節(jié)或字訪問(wèn)CSRDA9-A0A0BHEWRA9-A0D7-D02142WEODCS1CS2A9-A0WED15-D82142ODCS1CS26.6輔助存儲(chǔ)器6.6.1硬盤(pán)存儲(chǔ)器及其接口1.硬盤(pán)分類(lèi)：分為固定磁頭磁盤(pán)機(jī)、活動(dòng)磁頭固定盤(pán)片磁盤(pán)機(jī)和活動(dòng)磁頭可換盤(pán)片磁盤(pán)機(jī)等三類(lèi)。

2.溫徹斯特技術(shù)：將硬盤(pán)盤(pán)片、讀寫(xiě)磁頭、小車(chē)、導(dǎo)軌、主軸及控制電路等組裝在一起，制成一個(gè)密封式不可拆卸的整體的技術(shù)。具有防塵性能好、工作可靠，對(duì)使用環(huán)境要求不高的突出優(yōu)點(diǎn)。3.硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器4.硬盤(pán)控制器5.硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口：IDE、EIDE和SCSI等。

6.6輔助存儲(chǔ)器6.6.2光盤(pán)存儲(chǔ)器及其接口

1.概述

2.光盤(pán)存儲(chǔ)器的種類(lèi)只讀型光盤(pán)（CD-ROM）只寫(xiě)一次型光盤(pán)（WORM）可擦寫(xiě)型光盤(pán)3.光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器

6.7新型存儲(chǔ)器技術(shù)

6.7.1多體交叉存儲(chǔ)器

6.7.2高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）

1.工作原理基于程序訪問(wèn)的局部性原理。2.基本結(jié)構(gòu)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(chǔ)器1.虛擬存儲(chǔ)器的概念2.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器3.段式虛擬存儲(chǔ)器4.段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器本章小結(jié)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按存取方式分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器