微機(jī)原理與接口技術(shù)存儲系統(tǒng)

5.1概(Gai)述5.2半導(dǎo)體存儲器5.3半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接方法5.4外存儲器簡介5.5新型存儲器技術(shù)第一頁，共一百零五頁。2/28/202315.1概(Gai)述存儲系統(tǒng)：計算機(jī)中存放程序和數(shù)據(jù)的各種存儲設(shè)備、控制部件及管理信息調(diào)度的設(shè)備(硬件)和算法(軟件)所組成的系統(tǒng)。其中，存儲器是存儲系統(tǒng)中最核心的設(shè)備。存儲器：具有記憶功能的部件，由大量的記憶單元(基本存儲電路)組成，而記憶單元是用一種具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來表示二進(jìn)制數(shù)的0和1，一個記憶單元能存儲二進(jìn)制數(shù)的1位。第二頁，共一百零五頁。2/28/202321、按構(gòu)成存儲器的介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器2、按存儲器的存取方式分類隨機(jī)存儲器、順序存儲器、直接存取存儲器3、按信息的可保存性分類非永久性記憶存儲器：斷電后信息即消失(如RAM)永久性記憶存儲器：斷電后仍能保存信息(如ROM、硬盤)4、按在計算機(jī)系統(tǒng)(Tong)中位置分類寄存器、緩沖存儲器(Cache)、主存儲器(內(nèi)存)、輔助存儲器(外存)5.1.1存儲器的分類第三頁，共一百零五頁。2/28/20233

內(nèi)存用來存放CPU當(dāng)前要運行的程(Cheng)序和數(shù)據(jù)，CPU可直接用指令對內(nèi)存進(jìn)行讀/寫；外存用來存放CPU當(dāng)前暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，CPU不能直接用指令對外存進(jìn)行讀/寫。在CPU和內(nèi)存中間設(shè)置高速緩存(Cache)是解決存取速度的重要方法，它構(gòu)成了高速緩存與內(nèi)存間的一個存儲層次。從CPU的角度看，它解決了速度與成本之間的矛盾。第四頁，共一百零五頁。2/28/202341、存儲容量存儲容量是指存儲器可以容納的二進(jìn)制信息的總位數(shù)（1）存儲容量=存儲器單元數(shù)×每單元二進(jìn)制位數(shù)(或寄(Ji)存器位數(shù))（2）換算關(guān)系：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB5.1.2存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)微機(jī)系統(tǒng)存儲器的性能指標(biāo)很多，如存儲容量、存取速度、存儲器的可靠性、功耗、價格、性能價格比及電源種類等，但從功能和接口電路的角度來看，最重要的性能指標(biāo)是存儲容量、存取速度、可靠性和性價比。1EB=1024PB

1PB=1024TB第五頁，共一百零五頁。2/28/202352、存取速度（1）存取時間：從CPU發(fā)出有效的存儲器地址到讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)完畢所經(jīng)歷的時間。時間越小，存儲速度越快。如DRAM：100ns～200ns，SRAM：20ns～40ns。（2）存取周期：連(Lian)續(xù)啟動兩次獨立的存儲器讀／寫操作所需的最小時間間隔。一般情況下，存取周期略大于存取時間。3、存儲器的可靠性用平均故障間隔時間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）來衡量。MTBF越長，可靠性越高。第六頁，共一百零五頁。2/28/202364、性價比性能主要包括存儲器容量、存儲周期和可靠性三項內(nèi)容。性價比是衡量存儲器經(jīng)濟(jì)性能好壞的綜合指標(biāo)，對于不同的存儲器有不同的要求：對外存，要求容量大，對緩存，要求速度非常快，容量不一定大。5、其他(Ta)指標(biāo)其他技術(shù)指標(biāo)還有功耗、體積、重量、價格等。第七頁，共一百零五頁。2/28/202371、存儲(Chu)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)把各種不同存儲容量、存取速度和價格的存儲器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲器中。5.1.3存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)第八頁，共一百零五頁。2/28/20238第九頁，共一百零五頁。2/28/20239CPU寄存器組輔助存儲器主存儲器Cache速度快慢容量小大價格高低第十頁，共一百零五頁。2/28/2023105.2半導(dǎo)(Dao)體存儲器半導(dǎo)體存儲器由能夠表示二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”的、具有記憶功能的半導(dǎo)體器件組成。能存放1位二進(jìn)制數(shù)的半導(dǎo)體器件稱為一個存儲元，若干存儲元構(gòu)成一個存儲單元。第十一頁，共一百零五頁。2/28/2023115.2.1半導(dǎo)體存儲器的(De)分類半導(dǎo)體存儲器雙極型(常用作高速緩存)金屬氧化物半導(dǎo)體型(常用作內(nèi)存)由于半導(dǎo)體存儲器具有存取速度快、集成度高、體積小、功耗低、應(yīng)用方便等優(yōu)點，它已被廣泛地采用組成微型計算機(jī)的內(nèi)存儲器。1.按制造工藝分類第十二頁，共一百零五頁。2/28/202312RAM靜態(tài)存儲(Chu)器（SRAM）動態(tài)存儲器（DRAM）半導(dǎo)體存儲器隨機(jī)存取存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）2.按存取方式分類第十三頁，共一百零五頁。2/28/202313ROM掩膜ROMPROM：可(Ke)編程ROMEPROM：可擦除可編程ROME2PROM：電可擦除可編程ROM第十四頁，共一百零五頁。2/28/202314隨機(jī)存(Cun)取存(Cun)儲器（RAM）RAM也稱讀/寫存儲器RAM，即CPU在運行過程中能隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出和寫入。RAM中存放的信息在關(guān)閉電源時會全部丟失，所以，RAM是易失性存儲器，只能用來存放暫時性的輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間運算結(jié)果和用戶程序，也常用它來與外存交換信息或用作堆棧。通常人們所說的微機(jī)內(nèi)存容量就是指RAM存儲器的容量。按照RAM存儲器存儲信息電路原理的不同，RAM可分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。第十五頁，共一百零五頁。2/28/202315靜(Jing)態(tài)RAM(SRAM)其特點是：基本存儲電路一般由MOS晶體管觸發(fā)器組成，每個觸發(fā)器可存放1位二進(jìn)制的0或1。只要不斷電，所存信息就不會丟失。因此SRAM工作速度快，穩(wěn)定可靠，不需要外加刷新電路。但它的基本存儲電路所需的晶體管多，集成度不易做的很高，功耗也較大。一般用作計算機(jī)系統(tǒng)的高速緩沖存儲器Cache第十六頁，共一百零五頁。2/28/202316由于DRAM是以MOS管柵極和襯底間的電容上的電荷來存儲信息的，而MOS管柵極上的電荷會因漏電而泄放，所以存儲單元中的信息只能保持若(Ruo)干毫秒。為此，要求在1~3ms中周期性地刷新存儲單元，而DRAM本身不具備刷新功能，必須附加刷新電路。DRAM的工作速度要比SRAM慢得多。動態(tài)RAM(DRAM)一般用作計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存儲器第十七頁，共一百零五頁。2/28/202317只讀存儲器（ROM）

只讀存儲器（ROM）是一種工作時只能讀出，不能寫入信息的存儲器。在使用ROM時，其內(nèi)部信息是不能被改變的，故一般只能存放固定程序，如監(jiān)控程序、BIOS程序等。只要(Yao)一接通電源，這些程序就能自動地運行。根據(jù)ROM信息寫入的方式，ROM可分為4種：掩膜型ROM：其編程只能由器件制造廠在生產(chǎn)時定型，即一旦制作完畢，其內(nèi)容就固定了，用戶自己無法操作編程。由于其使用可靠，大量生產(chǎn)成本很低所以當(dāng)產(chǎn)品已被定型而大批量生產(chǎn)時可選擇使用它。第十八頁，共一百零五頁。2/28/202318可編程ROM(PROM)：出廠時無信息，允許用戶根據(jù)需要編寫其中的內(nèi)容，但只允許編程一次。信息一旦寫入便永久固定，不能再改變。EPROM：擦除信息時要從電路上取下，置于紫外線或X光下照射十幾分鐘，才能將芯片上的信息全部擦除，然后在專用的編程器上將新的信息寫入。E2PROM：用特定的設(shè)備寫入，用一定的通電方式可擦除重(Zhong)寫，擦除信息時，不需要將芯片從電路板上拔下，而是直接用電信號進(jìn)行擦除，對其編程也是在線操作，因此改寫步驟簡單。第十九頁，共一百零五頁。2/28/202319半導(dǎo)體存儲器隨機(jī)存取存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）雙極型RAMMOS型RAM掩膜ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（E2PROM）靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）半導(dǎo)體存儲器的分(Fen)類（主存儲器）第二十頁，共一百零五頁。2/28/2023205.2.2半導(dǎo)體存儲器(Qi)的一般結(jié)構(gòu)1.基本存儲單元2.存儲體3.地址譯碼器4.片選與讀/寫控制電路5.數(shù)據(jù)線6.地址線7.I/O讀寫電路8.其他外圍電路第二十一頁，共一百零五頁。2/28/202321存儲體讀寫放大器數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼器控制電路地址寄存器數(shù)據(jù)線OEWECS存儲器的組成框圖AB第二十二頁，共一百零五頁。2/28/2023221基本存儲(Chu)單元一個基本存儲單元可以存放1位二進(jìn)制信息，其內(nèi)部具有兩個穩(wěn)定的且相對獨立的狀態(tài)0和1，并能夠在外部對其進(jìn)行識別和改變。不同類型的基本存儲單元，決定了由其所組成的存儲器的類型不同。第二十三頁，共一百零五頁。2/28/202323

它是用來存儲信息的模塊，是由許多存儲單元按一定規(guī)則排列而(Er)成的矩陣。由于ASCII碼和漢字內(nèi)碼都是按8或16位來制定的，所以，通常把八個存儲元件作為一個整體來對待，即一個存儲單元。

從使用的角度來考慮，半導(dǎo)體存儲器芯片有兩種結(jié)構(gòu)：字結(jié)構(gòu)——把存儲單元的8位制造在一個芯片中，選中某一存儲單元時，該存儲單元的8位信息同時從一個芯片讀出或?qū)懭?。位結(jié)構(gòu)——把多個存儲單元的同一位或某幾位制造在一個芯片中。2存儲體(存儲矩陣)第二十四頁，共一百零五頁。2/28/202324其功能是根據(jù)輸入的地址編碼，選中芯片內(nèi)某個特定的單元。地址譯碼有兩種工作方式：線選譯碼方式---將地址編碼的全部位用一個譯碼器進(jìn)行譯碼。雙譯碼方式---將地址編碼分為兩部分，用兩個譯碼器(行譯碼器與列譯碼器)分別進(jìn)行譯碼，這樣可(Ke)大大簡化芯片的設(shè)計。3地址譯碼電路第二十五頁，共一百零五頁。2/28/202325譯碼器單元單元單元A0A1

A9單元121024線選譯碼結(jié)構(gòu)……….……….第二十六頁，共一百零五頁。2/28/202326行譯碼32行×32列構(gòu)成1024個單元列譯碼和I/O控制A0A1A2A3A41231321232數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出R/WCEA9A8A7A6A5雙譯碼結(jié)構(gòu)（32行×32列組成的矩陣和外部的連接）第二十七頁，共一百零五頁。2/28/202327片選信號用以實現(xiàn)芯片的(De)選擇。對于一個芯片來講，只有當(dāng)片選信號有效時，才能對其進(jìn)行讀/寫操作。片選信號一般由地址譯碼器的輸出及一些控制信號來形成，而讀/寫控制電路則用來控制對芯片的讀/寫操作。4片選與讀/寫控制電路第二十八頁，共一百零五頁。2/28/2023285數(shù)(Shu)據(jù)線數(shù)據(jù)線是雙向的，其位數(shù)與芯片可讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)，數(shù)據(jù)線的位數(shù)與容量有關(guān)。6地址線地址線是單向的，其位數(shù)與芯片容量有關(guān)。地址線和數(shù)據(jù)線共同決定了存儲芯片的容量。例如，地址線10根，數(shù)據(jù)線8根，則芯片容量為210*8=1KB第二十九頁，共一百零五頁。2/28/2023297I/O讀寫(Xie)電路I/O讀寫電路位于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與被選中的存儲單元之間，用來控制信息的讀出和寫入，必要時，還可包含對I/O信號的驅(qū)動及放大處理功能。8其他外圍電路對不同類型的存儲系統(tǒng)，有時，還需要一些特殊的外圍電路，如動態(tài)RAM中的預(yù)充電及刷新操作控制電路等，這也是存儲系統(tǒng)的重要組成部分。第三十頁，共一百零五頁。2/28/2023305.2.3半導(dǎo)體存儲器的主要(Yao)技術(shù)指標(biāo)存儲容量存儲單元個數(shù)×每單元的二進(jìn)制數(shù)位數(shù)存取時間實現(xiàn)一次讀/寫所需要的時間存取周期連續(xù)啟動兩次獨立的存儲器操作所需間隔的最小時間可靠性：對環(huán)境溫度與電磁場變化的抗干擾能力。其他指標(biāo)第三十一頁，共一百零五頁。2/28/2023311、SRAM的基本存儲(Chu)電路基本存儲電路是指存儲一位二進(jìn)制數(shù)的電路，又稱單元電路，是組成存儲器的基礎(chǔ)和核心。5.2.4靜態(tài)RAM（SRAM）X地址選擇Y地址選擇T8BT7AT6T5

T2T1T4T3VCC所有存儲元共用此電路I/O

I/OT1、T2為工作管，T3、T4是負(fù)載管，T5、T6、T7、T8是控制管。該電路有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：T1截止，T2導(dǎo)通為狀態(tài)“1”；T2截止，T1導(dǎo)通為狀態(tài)“0”。第三十二頁，共一百零五頁。2/28/202332特點：速度快，只要電源存在內(nèi)容就不會丟失。由于基本存儲電路由六個MOS管組成，集成度較低。由于T1、T2中必有一個管子導(dǎo)通，功耗較大。應(yīng)用：高速緩沖存儲器（Cachememory）用它組成。簡單的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)(Tong)用SRAM作存儲器。電路結(jié)構(gòu)簡單。2、SRAM的結(jié)構(gòu)特點第三十三頁，共一百零五頁。2/28/2023333、典型(Xing)SRAM芯片靜態(tài)RAMIntel2114引腳圖123456789A6A5A4A3A0A1A2CSGNDVccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE1817161514131211102114靜態(tài)RAMIntel6116引腳圖A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D31234567891011126116242322212019181716151413第三十四頁，共一百零五頁。2/28/2023342114芯(Xin)片的主要引腳功能如下：A0～A9：10根地址信號輸入引腳。WE：讀/寫控制信號輸入引腳，當(dāng)WE為低電平時，使輸入三態(tài)門導(dǎo)通，信息由數(shù)據(jù)總線通過輸入數(shù)據(jù)控制電路寫入被選中的存儲單元；反之從所選中的存儲單元讀出信息送到數(shù)據(jù)總線。I/O1～I(xiàn)/O4：4根數(shù)據(jù)輸入/輸出信號引腳。CS:低電平有效，通常接地址譯碼器的輸出端。VCC：+5V電源。GND：地。第三十五頁，共一百零五頁。2/28/2023355.2.5動態(tài)隨機(jī)(Ji)存取存儲器（DRAM）1、單管DRAM基本存儲電路刷新放大器T行選擇線列選擇線C數(shù)據(jù)輸入/輸出線第三十六頁，共一百零五頁。2/28/2023363、典型(Xing)DRAM芯片Intel2164A引腳圖NCDinWERASA0A1A2VDDVssCASDoutA6A3A4A5A7123456781615141312111092164A2、DRAM的刷新方式周期性地對動態(tài)存儲器進(jìn)行讀出、放大、再寫回。

第三十七頁，共一百零五頁。2/28/202337主要引腳功(Gong)能：RAS：行地址選通信號，用于鎖存行地址。CAS：列地址選通信號。地址總線上先送上行地址，后送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在鎖存器中。DIN：數(shù)據(jù)輸入DOUT：數(shù)據(jù)輸出WE=O數(shù)據(jù)寫入WE=1數(shù)據(jù)讀出WE：寫允許信號A0~A7：地址線輸入引腳，用來分時接收CPU送來的8位行、列地址。VDD:電源+5V，VSS：地N/C:未用引腳第三十八頁，共一百零五頁。2/28/202338只讀存儲器（ROM）是一種工作時只能讀出，不能寫入信息的存儲器。在使用ROM時，其內(nèi)部信息是不能被改變的，故一般只能存放固定程序，如監(jiān)控程序等。只要一接通電源，這些程序就能自動地運行。根據(jù)ROM信息寫入的方式，ROM可分為4種：掩膜型ROM：信息由芯片生產(chǎn)廠家寫入，用戶無法修改。PROM：出廠時無信息，用戶采用專用設(shè)備寫入。一旦寫入，就不能再修改。EPROM：用戶可用特定設(shè)備寫入，可用紫外光照將其內(nèi)容擦除(Chu)，再重新寫入。E2PROM：用特定的設(shè)備寫入，用一定的通電方式可擦除重寫。5.2.6只讀存儲器ROM第三十九頁，共一百零五頁。2/28/202339掩膜ROM在制造時設(shè)計掩模版，用其來控制存儲內(nèi)容，在出廠時已完全固定下來，用戶使用時無法更改。由(You)于其使用可靠，大量生產(chǎn)成本很低，所以當(dāng)產(chǎn)品已被定型而大批量生產(chǎn)時可選擇使用它。D2D1D0VccD3單元0（0101）字地址譯碼器字線1字線2字線3字線4單元1（1101）單元2（1010）單元3（0100）A1A01掩膜ROM第四十頁，共一百零五頁。2/28/202340第四十一頁，共一百零五頁。2/28/2023412可編(Bian)程ROM(PROM)PROM存儲矩陣內(nèi)所有字線與位線的交叉處均連接有二極管或三級管，即出廠時，存儲單元的內(nèi)容是全“1”（或全“0”），使用時，用戶根據(jù)自己的需要，將某些位的內(nèi)容改寫（燒斷熔絲）即可，但只能改寫一次。PROM基本存儲電路字線Vcc位線熔絲第四十二頁，共一百零五頁。2/28/2023423可擦(Ba)除可編程ROM(EPROM)SiO2浮柵P+P+DSN襯底++++EPROM基本存儲電路EPROM芯片的頂部有一個圓形的石英窗口，通過紫外線的照射可將片內(nèi)所有存儲信息擦除，根據(jù)需要可利用EPROM的專用編程器對其編程寫入，寫入后的信息可長久保持，EPROM芯片可反復(fù)使用。第四十三頁，共一百零五頁。2/28/202343EPROM芯片上方有一個石英玻璃窗口，當(dāng)用一定波長、一定光強(qiáng)的紫外線透過窗口照射時，所有存儲電路中浮柵上的電荷會形成光電流泄放掉，使浮柵恢復(fù)初態(tài)。一般照射20～30分鐘后，讀出各單元的內(nèi)容均為FFH，說明EPROM中內(nèi)容已被擦除。EPROM雖然可以多次編程，具有較好的靈活性，但在整個芯片中即使只有一個二進(jìn)制位需要修改，也(Ye)必須將芯片從機(jī)器(或板卡)上拔下來利用紫外線光源擦除后重寫，因而給實際使用帶來不便。第四十四頁，共一百零五頁。2/28/2023444電可擦(Ba)除可編程ROM(E2PROM)E2PROM是一種可用電擦除和編程的只讀存儲器，既可以像RAM一樣隨機(jī)地進(jìn)行在線改寫，又可以像ROM一樣在掉電的情況下非易失地保存數(shù)據(jù)，其擦寫次數(shù)可達(dá)1萬次以上，數(shù)據(jù)可保存10年以上，可作為系統(tǒng)中可靠保存數(shù)據(jù)的存儲器，故E2PROM比EPROM具有更大的優(yōu)越性。第四十五頁，共一百零五頁。2/28/2023455Flash存(Cun)儲器FlashMemory兼有ROM和RAM的性能和高密度性，具有可靠的非易失性、快速電擦除性，其制造成本低、功耗低、可重復(fù)使用，可以擦寫百萬次以上。閃存也稱快擦寫存儲器，有人也簡稱之Flash。從基本工作原理上看，閃存屬于ROM型存儲器，但由于它又可以隨時改寫其中的信息，所以從功能上看，它又相當(dāng)于隨機(jī)存儲器RAM。從這個意義上說，傳統(tǒng)的ROM與RAM的界限和區(qū)別在閃存上已不明顯。第四十六頁，共一百零五頁。2/28/202346(1)閃存的主要特點①可按字節(jié)、區(qū)塊或頁面快速進(jìn)行擦除和編程操作，也可按整片進(jìn)行擦除和編程，其頁面訪問速度可達(dá)幾十至200ns；②片內(nèi)設(shè)(She)有命令寄存器和狀態(tài)寄存器，因而具有內(nèi)部編程控制邏輯，當(dāng)進(jìn)行擦除和編程寫入時，可由內(nèi)部邏輯控制操作；第四十七頁，共一百零五頁。2/28/202347③采用命令方式可(Ke)以使閃存進(jìn)入各種不同的工作方式，例如整片擦除、按頁擦除、整片編程、分頁編程、字節(jié)編程、進(jìn)入備用方式、讀識別碼等；④可進(jìn)行在線擦除與編程，擦除和編程寫入均無需把芯片取下；⑤某些產(chǎn)品可自行產(chǎn)生編程電壓(VPP)，因而只用VCC供電，在通常的工作狀態(tài)下即可實現(xiàn)編程操作；⑥可實現(xiàn)很高的信息存儲密度。第四十八頁，共一百零五頁。2/28/202348第四十九頁，共一百零五頁。2/28/202349自編程序，用于工業(yè)控制或電器中PROM用于產(chǎn)品試制階段試編程序EPROMIC卡上存儲信息E2PROM固態(tài)盤、IC卡FlashMemory固化程序、微程序控制器ROM主存儲器DRAMCacheSRAM應(yīng)用存儲器第五十頁，共一百零五頁。2/28/2023505.2.7高速緩沖(Chong)存儲器（Cache)微型計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存通常采用動態(tài)RAM構(gòu)成，具有價格低、容量大的特點，但由于DRAM采用MOS管電容的充放電原理來表示與存儲信息，其存取速度相對于CPU的信息處理速度來說較低。導(dǎo)致兩者速度不匹配，慢速存儲器限制了高速CPU的性能，影響了微機(jī)系統(tǒng)的運行速度。第五十一頁，共一百零五頁。2/28/202351Cache的(De)基本概念設(shè)置Cache的理由：CPU與主存之間在執(zhí)行速度上存在較大差異；高速存儲器芯片的價格較高；設(shè)置Cache的條件：程序的局部性原理時間局部性：最近的訪問項可能在不久的將來再次被訪問空間局部性：一個進(jìn)程所訪問的各項，其地址彼此很接近第五十二頁，共一百零五頁。2/28/202352Cache的(De)命中率訪問內(nèi)存時，CPU首先訪問Cache，找到則“命中”，否則為“不命中”。命中率影響系統(tǒng)的平均存取速度。

Cache存儲器系統(tǒng)的平均存取速度=Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×不命中率Cache與內(nèi)存的空間比一般為：1128第五十三頁，共一百零五頁。2/28/202353

將當(dāng)前使用頻率較高的程序和數(shù)據(jù)通過(Guo)一定的替換機(jī)制從主存調(diào)入到Cache中，CPU在取指令或讀取操作數(shù)時，同時對Cache和主存進(jìn)行訪問，如果Cache命中，則終止對主存的訪問，直接從Cache中將指令或數(shù)據(jù)送到CPU處理。由于Cache的速度比主存快得多，因此，Cache的使用大大提高了CPU讀取指令或數(shù)據(jù)的速度。所有這一切都是由操作系統(tǒng)完成的。第五十四頁，共一百零五頁。2/28/202354Cache的工(Gong)作原理CPUCache主存DBDBDB命中存在不命中第五十五頁，共一百零五頁。2/28/202355Cache的(De)分級體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的二級Cache速度和存儲容量兼?zhèn)涮岣叽嫒∷俣菴PUL1CacheL2Cache主存內(nèi)存提供存儲容量第五十六頁，共一百零五頁。2/28/202356Cache的(De)讀寫操作讀操作寫操作貫穿讀出式旁路讀出式寫穿式回寫式第五十七頁，共一百零五頁。2/28/202357貫穿(Chuan)讀出式CPUCache主存CPU對主存所有數(shù)據(jù)請求都首先送到Cache，在Cache中查找。若命中，切斷CPU對主存的請求，并將數(shù)據(jù)送出；

如果不命中，則將數(shù)據(jù)請求傳給主存。第五十八頁，共一百零五頁。2/28/202358旁路讀(Du)出式CPU向Cache和主存同時發(fā)出數(shù)據(jù)請求。命中，則Cache將數(shù)據(jù)回送給CPU，并同時中斷CPU對主存的請求；若不命中，則Cache不做任何動作，由CPU直接訪問主存。CPUCache主存第五十九頁，共一百零五頁。2/28/20235960寫(Xie)穿式從CPU發(fā)出的寫信號送Cache的同時也寫入主存。CPUCache主存第六十頁，共一百零五頁。2/28/202360回(Hui)寫式數(shù)據(jù)一般只寫到Cache，當(dāng)Cache中的數(shù)據(jù)被再次更新時，將原更新的數(shù)據(jù)寫入主存相應(yīng)單元，并接受新的數(shù)據(jù)。CPUCache主存更新寫入第六十一頁，共一百零五頁。2/28/202361Cache的分級體系(Xi)結(jié)構(gòu)一級Cache：容量一般為8KB---64KB一級Cache集成在CPU片內(nèi)。L1Cache分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。使指令和數(shù)據(jù)的訪問互不影響。指令Cache用于存放預(yù)取的指令。數(shù)據(jù)Cache中存放指令的操作數(shù)。

二級Cache：容量一般為128KB---2MB在PentiumⅡ之后的微處理器芯片上都配置了二級Cache，其工作頻率與CPU內(nèi)核的頻率相同。第六十二頁，共一百零五頁。2/28/202362Cache可以提高CPU訪問存儲器時的存取速(Su)度，減少處理器的等待時間，使程序員能使用一個速度與CPU相當(dāng)而容量與主存相當(dāng)?shù)拇鎯ζ?。Cache的優(yōu)點Cache的讀寫速度幾乎能夠與CPU進(jìn)行匹配，所以微機(jī)系統(tǒng)的存取速度可以大大提高。Cache的容量相對主存來說并不是太大，所以整個存儲器系統(tǒng)的成本并沒有上升很多。第六十三頁，共一百零五頁。2/28/202363用多片存儲芯片構(gòu)成一個需要的內(nèi)存空間；各存儲器芯片在整個內(nèi)存中占據(jù)不同的地(Di)址范圍；任一時刻僅有一片（或一組）被選中。存儲器芯片的存儲容量等于：

單元數(shù)×每單元的位數(shù)字節(jié)數(shù)字長擴(kuò)展單元擴(kuò)展字長5.3半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接方法5.3.1存儲器容量的擴(kuò)展第六十四頁，共一百零五頁。2/28/202364存儲器容量擴(kuò)展(Zhan)方法位擴(kuò)展字?jǐn)U展字位擴(kuò)展擴(kuò)展字長擴(kuò)展單元數(shù)既擴(kuò)展字長也擴(kuò)展單元數(shù)第六十五頁，共一百零五頁。2/28/2023651位擴(kuò)(Kuo)展存儲器芯片的字長小于存儲器系統(tǒng)的字長時——需進(jìn)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展：每單元字長的擴(kuò)展。第六十六頁，共一百零五頁。2/28/202366位擴(kuò)展方(Fang)法將每片的地址線、控制線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴(kuò)展特點：存儲器的單元數(shù)不變，位數(shù)增加。第六十七頁，共一百零五頁。2/28/202367用位(Wei)擴(kuò)展法擴(kuò)展存儲器第六十八頁，共一百零五頁。2/28/202368位擴(kuò)展示(Shi)意圖用8片2164A芯片構(gòu)成64K×8存儲器。LS158A0~A7A8~A152164A2164A2164ADBABD0D1D70000HFFFFH.…64K×1第六十九頁，共一百零五頁。2/28/202369A15A0……64K×1位I/OWE

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CED7D6D5D4D3D2D1D0讀/寫片選位數(shù)的擴(kuò)展：地址線、片選線及讀/寫信號線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線單(Dan)獨引出。第七十頁，共一百零五頁。2/28/202370存儲器工作時，各芯片同時進(jìn)行相同的操作。在這種方式中，對存儲芯片實際上沒有選片的要求，只進(jìn)行數(shù)據(jù)位(Wei)數(shù)的擴(kuò)展，而整個存儲器的字?jǐn)?shù)(存儲單元數(shù))與單個存儲芯片的字?jǐn)?shù)是相同的(如本例中兩者均為64K)。在這種連接方式下，地址線的負(fù)載數(shù)等于芯片數(shù)，而數(shù)據(jù)線的負(fù)載數(shù)為1。第七十一頁，共一百零五頁。2/28/202371芯片每個單元中的字長滿足，但存儲單元數(shù)不滿足。利用這種(Zhong)方法進(jìn)行存儲器擴(kuò)展時，只在字的方向上進(jìn)行擴(kuò)充，而存儲器的位數(shù)不變。整個存儲器的位數(shù)等于單個存儲芯片的位數(shù)。這種(Zhong)方法將存儲器的地址分成兩部分，低位地址部分接到各存儲芯片作為芯片的片內(nèi)地址，高位地址部分經(jīng)過片選譯碼器譯碼后送到各存儲芯片的片選輸入端；各存儲芯片的數(shù)據(jù)線中的對應(yīng)位連接在一起。2字?jǐn)U展第七十二頁，共一百零五頁。2/28/202372用字(Zi)擴(kuò)展法擴(kuò)展存儲器2Kx8CSWE2Kx8CSWE2Kx8CSWED0D1D7A0～A13WEA11～A13D0D1D7D0D1D7D0D1D7Y0Y73-8譯碼器A0～A10高位地址低位地址第七十三頁，共一百零五頁。2/28/202373A0～A10DBABD0～D7A0~A10R/WCS2K×8D0～D7A0～A102K×8D0～D7D0～D7A0~A10CS譯(Yi)碼器Y0Y1高位地址R/W字?jǐn)U展示意圖第七十四頁，共一百零五頁。2/28/202374RDWEA13A0…單元個數(shù)的擴(kuò)展：地址線、讀(Du)寫信號線和數(shù)據(jù)線并聯(lián),片選線單獨引出地址譯碼器Y3Y2Y1Y0BAA15A14D7…D0WECERDP016K×8位WECERDP116K×8位WECERDP216K×8位WECERDP316K×8位第七十五頁，共一百零五頁。2/28/202375D7D0RDWEA13A0…地址譯碼Y3Y2Y1Y0BAA15A14WECERDP016K×8位WECERDP116K×8位WECERDP216K×8位WECERDP316K×8位A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0P0P1P2P30001101100０００００００００００（0000H）1111111111111（3FFFH）…………00０００００００００００（4000H）1111111111111（7FFFH）…………00０００００００００００（8000H）1111111111111（BFFFH）…………00０００００００００００（C000H）1111111111111（FFFFH）…………第七十六頁，共一百零五頁。2/28/202376采用字位擴(kuò)展法，就是既在位方向上進(jìn)行擴(kuò)展，又在字方向上進(jìn)行擴(kuò)展，如下圖所(Suo)示。圖中的擴(kuò)展方法是選用8片2K×1位的存儲芯片構(gòu)成2K×8位的存儲組(位擴(kuò)展)，再用8個這樣的存儲組構(gòu)成16K×8位的存儲器(字?jǐn)U展)，整個存儲器共計用了64片2K×1位的存儲芯片。3字位擴(kuò)展第七十七頁，共一百零五頁。2/28/202377用字位擴(kuò)(Kuo)展法擴(kuò)(Kuo)展存儲器第七十八頁，共一百零五頁。2/28/202378WECERDP3'16K×4位WECERDP2'16K×4位WECERDP1'16K×4位WECERDP0'16K×4位RDWEA13A0…地址譯碼器Y3Y2Y1Y0BAA15A14D7…D4D3…D0WECERDP016K×4位WECERDP116K×4位WECERDP216K×4位WECERDP316K×4位分析：用16K×4位的存儲器芯片組成64K×8位的存儲器，需多少片這樣的芯片？如(Ru)何連接？分析：64K16K=4(片/組)字?jǐn)U展：8位4位=2(片)位擴(kuò)展：64K×8位16K×4位=8(片)第七十九頁，共一百零五頁。2/28/2023795.3.2CPU與(Yu)主存儲器的連接1、地址線的連接存儲器芯片容量不同，其地址線數(shù)也不同，CPU的地址線數(shù)往往比存儲器芯片的地址線數(shù)多。存儲器芯片的地址線通常與CPU的低位地址總線相連，尋址時這部分地址的譯碼是在存儲器芯片內(nèi)部完成的，成為片內(nèi)部譯碼。CPU地址線的高位或在存儲器擴(kuò)充時使用或當(dāng)作片選信號使用。2、數(shù)據(jù)線的連接CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲器芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)也不一定相等，此時必須對存儲器芯片擴(kuò)位，使其數(shù)據(jù)位數(shù)與CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)相等。第八十頁，共一百零五頁。2/28/2023803、讀(Du)/寫控制線的連接CPU的讀/寫控制線一般可直接與存儲器的讀/寫控制端相連，通常高電平為讀，低電平為寫。4、片選端的連接

片選線的連接是CPU與存儲器芯片正確工作的關(guān)鍵，存儲器由許多存儲芯片組成，哪一片被選中完全取決于該存儲芯片的片選控制端是否能接收來自CPU的片選有效信號。第八十一頁，共一百零五頁。2/28/202381存儲(Chu)器地址片選地址片內(nèi)地址高位地址低位地址內(nèi)存地址5.3.3CPU與存儲器連接要解決的關(guān)鍵問題第八十二頁，共一百零五頁。2/28/202382(1)線選法線選法是將地址總線的高位地址線中某一位直接作為片選信(Xin)號接至各存儲芯片的片選輸入端，用低位地址線實現(xiàn)片內(nèi)尋址。下圖給出了一個采用線選法實現(xiàn)片選控制的示例原理圖。第八十三頁，共一百零五頁。2/28/202383線選法實現(xiàn)片選控制示(Shi)例Ⅱ___CSⅠ___CSA17～A0(片內(nèi)地址)A19A18地址總線第八十四頁，共一百零五頁。2/28/202384必須注意的是：A19和A18不能同時為0，否則，將(Jiang)會同時選中兩個存儲芯片，造成訪問存儲器操作錯誤。即在采用線選方式的存儲系統(tǒng)中，軟件上必須保證在存儲器尋址時片選線中只能有一位有效(例如定義為邏輯“0”)，而不允許多于一位的片選線同時有效。否則，將導(dǎo)致存儲器操作的差錯。第八十五頁，共一百零五頁。2/28/202385線選方式(Shi)的地址空間分布A19A18A17～A0000～0101～1100～0011～1110～0001～1010～0111～1不能使用（256K）存儲芯片I地址空間(256K)存儲芯片II地址空間(256K)不能使用（256K）第八十六頁，共一百零五頁。2/28/202386▲方(Fang)法：用某一擴(kuò)展位直接作為片選信號。▲優(yōu)點：無譯碼電路，線路簡單，成本低?！秉c：有地址重疊現(xiàn)象,浪費大量的存儲空間。我們稱一個存儲單元有多個地址與其對應(yīng)的現(xiàn)象為“地址重疊”。第八十七頁，共一百零五頁。2/28/202387(2)全譯碼法全譯碼方式就是除了將地址總線的低位地址直接連至各存儲芯片的地址線外，將所有余下的高位地址全部用于譯碼，譯碼輸出作為各存儲芯片的片選信號。采用全譯碼方式的優(yōu)點是存儲器中每一存儲單元都有唯一確定的地址。缺點是譯碼電路比較(Jiao)復(fù)雜(相對于部分譯碼)。第八十八頁，共一百零五頁。2/28/202388▲方法：低位地址線作(Zuo)片內(nèi)字選；高位擴(kuò)展線全部參加譯碼。▲缺點：需加譯碼電路▲優(yōu)點：無地址重疊現(xiàn)象，地址空間唯一性。第八十九頁，共一百零五頁。2/28/202389A2A1A0Yi000001010

01110010111011174LS-138是常(Chang)用的3-8譯碼器圖6.6片選控制譯碼邏輯011011101110常用譯碼器有雙2-4譯碼器、3-8譯碼和4-16譯碼器等。第九十頁，共一百零五頁。2/28/202390(3)部分譯碼法所謂部分譯碼方式就是只選用地址總線高位地址的某幾位(而不是全部)進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生各個(Ge)存儲器芯片的片選信號。它的優(yōu)點是片選譯碼電路比較簡單，缺點是存儲空間中存在地址重疊區(qū)，會造成系統(tǒng)地址空間的部分浪費。第九十一頁，共一百零五頁。2/28/202391部分地址譯碼(Ma)例兩組地址：F0000H——F1FFFHB0000H——B1FFFHA19A17A16A15A14A13&16264CS1111000高位地址：1×110001011000，1111000第九十二頁，共一百零五頁。2/28/2023925.3.4內(nèi)(Nei)存條技術(shù)內(nèi)存芯片(內(nèi)存條的關(guān)鍵部件)1．EDODRAM（ExtendedDataOutDRAM,數(shù)據(jù)擴(kuò)展、輸出內(nèi)存），存取速度較慢，現(xiàn)在計算機(jī)已不在使用。2．RDRAM與VCM，價格偏高，支持主板較少，沒有得到廣泛應(yīng)用。3．SDRAM（SynchronousBurstDRAM,同步突發(fā)內(nèi)存）4．DDRSDRAM（DoubleDataRate,雙倍數(shù)據(jù)速率）SDRAM在一個時鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)，是在時鐘的上升期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；DDR內(nèi)存是一個時鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，它在時鐘的上升期、下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)，因此稱為雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器。目前計算機(jī)使用最多的就是DDRSDRAM。第九十三頁，共一百零五頁。2/28/202393SPD芯片(系列參數(shù)預(yù)置檢測)是一塊E2PROM，其中保存由生產(chǎn)廠(Chang)家預(yù)置的內(nèi)存工作參數(shù)，這次參數(shù)基本上代表了芯片的實際性能和質(zhì)量。內(nèi)存條的技術(shù)規(guī)范在SDRAM和RDRAM內(nèi)存條的技術(shù)規(guī)范中，“PC—XXX”中的XXX代表內(nèi)