微機(jī)的存儲(chǔ)器

微機(jī)的存儲(chǔ)器第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用來存儲(chǔ)信息的部件，正是因?yàn)橛辛舜鎯?chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有了對(duì)信息的記憶功能。計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器可以分為兩大類：一類叫內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為內(nèi)存或主存，另一類叫外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為外存或輔存。內(nèi)存是計(jì)算機(jī)主機(jī)的重要組成部分，它用來存儲(chǔ)當(dāng)前正在使用的或者經(jīng)常要使用的程序和數(shù)據(jù)。

第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器由能夠表示二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”的、具有記憶功能的一些物理器件組成。存儲(chǔ)器中存放一位二進(jìn)制數(shù)的物理器件稱為一個(gè)存儲(chǔ)元。若干存儲(chǔ)元構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月存儲(chǔ)系統(tǒng)三個(gè)基本參數(shù)：容量、速度、成本1、容量：以字節(jié)數(shù)表示。2、速度：以訪問時(shí)間TA、存儲(chǔ)周期TM或帶寬BM表示

TA:從接收讀申請(qǐng)到讀出信息到存儲(chǔ)器輸出端的

時(shí)間。TM:連續(xù)兩次啟動(dòng)存儲(chǔ)器所需的最小時(shí)間間隔

TM>TAw——數(shù)據(jù)總線寬度3、成本：以每位價(jià)格表示。BM:

3.1存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)系統(tǒng)第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類共有五種分類法：1）按存儲(chǔ)介質(zhì)分2）按存取方式分3）按存儲(chǔ)器的讀/寫功能分4）按信息的可保存性分5）按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分存儲(chǔ)系統(tǒng)第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月RAM靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）ROM掩膜型ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（E2PROM）3）按存儲(chǔ)器的讀/寫功能分存儲(chǔ)系統(tǒng)第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)寄存器Cache主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器(磁盤)大容量存儲(chǔ)器(磁帶、光盤)外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月速度成本低磁帶磁盤半導(dǎo)體主存儲(chǔ)器Cache寄存器慢存儲(chǔ)系統(tǒng)高快第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月CPU與存儲(chǔ)器的連接結(jié)構(gòu)示意圖存儲(chǔ)系統(tǒng)第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器3.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理

1.SRAM的存儲(chǔ)原理

當(dāng)行選擇X電平和列選擇Y電平有效時(shí)，I/O的電平與存儲(chǔ)電路的內(nèi)部狀態(tài)相通。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理1.SRAM的存儲(chǔ)原理1）要選定一個(gè)存儲(chǔ)單元，首先必須確定一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的地址碼A0～A11。2）要讓存儲(chǔ)單元的狀態(tài)輸出或外部改變存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，必須讓“片選”信號(hào)有效。3）讀操作與寫操作由“讀/寫”信號(hào)區(qū)分。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月SRAM通常用來做Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)SRAM的特點(diǎn)：讀寫速度快所用管子數(shù)目多，單個(gè)器件容量小T1、T2總有一個(gè)處于到通狀態(tài)，功耗較大第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.DRAM的存儲(chǔ)原理基本存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)

3.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月存儲(chǔ)系統(tǒng)DIMM——DualInlineMemoryModule雙列直插式內(nèi)存模塊168線：64位數(shù)據(jù)、14位行列公用地址、RAS#、CAS#等可單數(shù)使用FPM/EDO/SDRAMDRAM內(nèi)存條的種類SDRAM第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)例存儲(chǔ)系統(tǒng)第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)例存儲(chǔ)系統(tǒng)1、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖CPU時(shí)序CPU時(shí)序此刻數(shù)據(jù)讀入CPU此刻有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)例2、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器寫時(shí)序圖存儲(chǔ)系統(tǒng)第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的刷新方式DRAM存儲(chǔ)器采用“讀出”方式進(jìn)行刷新。從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束，到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍為止，這一段時(shí)間間隔叫刷新周期，一般應(yīng)小于2ms。

集中式刷新：在整個(gè)刷新間隔內(nèi)，前一段時(shí)間重復(fù)進(jìn)行讀/寫周期或維持周期，等到需要進(jìn)行刷新操作時(shí)，便暫停讀/寫或維持周期，而逐行刷新整個(gè)存儲(chǔ)器，它適用于高速存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)系統(tǒng)第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的刷新方式分散式刷新：把一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)周期tc分為兩半，周期前半段時(shí)間tm用來讀/寫操作或維持信息，周期后半段時(shí)間tr作為刷新操作時(shí)間。這樣，每經(jīng)過128個(gè)系統(tǒng)周期時(shí)間，整個(gè)存儲(chǔ)器便全部刷新一遍。異步式刷新：是前兩種方式的結(jié)合，DRAM存儲(chǔ)器的刷新需要有硬件電路的支持，包括刷新計(jì)數(shù)器、刷新/訪存裁決、刷新控制邏輯等。這些控制線路形成DRAM控制器，它將CPU的信號(hào)變換成適合DRAM芯片的信號(hào)。存儲(chǔ)系統(tǒng)第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)例存儲(chǔ)系統(tǒng)1、SDRAM簡(jiǎn)介

SDRAM具有高速的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以和CPU的時(shí)鐘同步，容量大，成本比靜態(tài)存儲(chǔ)器低廉。SDRAM可在高速嵌入式處理器中用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。但是，SDRAM的操作需要專門的控制器，對(duì)工作時(shí)序的要求非常嚴(yán)格，使用遠(yuǎn)不如靜態(tài)存儲(chǔ)器方便。SDRAM內(nèi)部存儲(chǔ)器單元是一個(gè)存儲(chǔ)陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有兩個(gè)地址（行地址與列地址）。一個(gè)SDRAM基本上都分割成4個(gè)Bank，在尋址時(shí)要先確定是哪個(gè)Bank。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)例存儲(chǔ)系統(tǒng)2、SDRAM操作機(jī)制SDRAM內(nèi)部有一個(gè)命令控制器，向它發(fā)送命令碼可實(shí)現(xiàn)各種控制。命令形式如：設(shè)置模式寄存器；讓Bank有效；讀操作；寫操作；為所有Bank預(yù)充電；對(duì)選擇的Bank充電；自動(dòng)刷新。另外，SDRAM還有一個(gè)模式寄存器，用于設(shè)置讀寫的操作模式。不過SDRAM模式寄存器控制的參數(shù)是通過地址線來提供的。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器（ROM）3.3.1EPROM

EPROM的基本存儲(chǔ)元采用浮柵雪崩注入MOS管，又稱FAMOS管。FAMOS管的柵極完全被二氧化硅絕緣層包圍，無導(dǎo)線外引呈懸浮狀態(tài)，故稱為浮柵。P溝道EPROM結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-10所示，基本存儲(chǔ)元電路圖如圖5-11所示。1）掩膜ROM2）PROM3）EPROM4）E2PROM第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

閃速存儲(chǔ)器是在EPROM功能的基礎(chǔ)上，增加了電路的電擦除和重新編程能力的一種高密度、非易失性的讀/寫半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它突破了傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系，改善了現(xiàn)有存儲(chǔ)器的特性。28F256A閃速存儲(chǔ)器芯片邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖5-12所示。3.3.2閃速存儲(chǔ)器（FLASHROM）第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2閃速存儲(chǔ)器（FlashROM）實(shí)例1、閃速存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2閃速存儲(chǔ)器（FlashROM）實(shí)例2、閃速存儲(chǔ)器寫時(shí)序圖注：與SRAM不同的是其寫操作的對(duì)象有內(nèi)部指令寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2閃速存儲(chǔ)器（FlashROM）實(shí)例3、閃速存儲(chǔ)器編程時(shí)序圖第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4多體交叉存儲(chǔ)器和雙端口存儲(chǔ)器3.4.1多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

讓模塊字長(zhǎng)等于數(shù)據(jù)總線寬度，模塊存取一個(gè)字的存儲(chǔ)周期為T，總線傳送周期為τ，存儲(chǔ)器的交叉模塊數(shù)為m，為了實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)當(dāng)滿足T=mτ（m=T/τ，稱為交叉存取度）。交叉存儲(chǔ)器要求其模塊數(shù)必須大于或等于m，以保證啟動(dòng)某模塊后，經(jīng)mτ時(shí)間再次啟動(dòng)該模塊時(shí)，它的上次存取操作已經(jīng)完成。這樣，連續(xù)讀取m個(gè)字所需的時(shí)間為t1=T+(m-1)τ，而順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為t2=mT，可見交叉存儲(chǔ)器的帶寬確實(shí)大大提高了。第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4多體交叉存儲(chǔ)器和雙端口存儲(chǔ)3.4.2雙端口存儲(chǔ)器的工作原理

1．雙端口存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)雙端口存儲(chǔ)器是指同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀/寫控制線路，是一種高速工作的存儲(chǔ)器。它提供了兩個(gè)相互獨(dú)立的端口，即左端口和右端口。它們分別具有各自的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，可以對(duì)存儲(chǔ)器中任何位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的存取操作。第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4多體交叉存儲(chǔ)器和雙端口存儲(chǔ)3.4.2雙端口存儲(chǔ)器的工作原理

2．無沖突讀/寫控制當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行讀/寫操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)任一端口被選中驅(qū)動(dòng)時(shí)，就可對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取，每一個(gè)端口都有自己的片選控制和輸出驅(qū)動(dòng)控制。

第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4多體交叉存儲(chǔ)器和雙端口存儲(chǔ)3.4.2雙端口存儲(chǔ)器的工作原理

3．有沖突的讀/寫控制當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，便發(fā)生讀/寫沖突。為解決此問題，特設(shè)置了BUSY標(biāo)志。由片上的判斷邏輯決定對(duì)哪個(gè)端口優(yōu)先進(jìn)行讀/寫操作，而暫時(shí)關(guān)閉另一個(gè)被延遲的端口。

第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

3.5.1什么是存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

在CPU和主存儲(chǔ)器中間設(shè)置一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器，也稱為Cache，它的速度很快，能夠很好地配合高速CPU的工作，由于價(jià)格較高，所配容量要小一些，否則價(jià)格無法容忍。它能夠在CPU和主存之間起到承上啟下的作用。這就形成了一種Cache—主存層次結(jié)構(gòu)。從CPU的角度看，Cache—主存層次結(jié)構(gòu)的速度接近于Cache，容量與每位價(jià)格則接近于主存。因此，很好地解決了速度與成本之間的矛盾。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6虛擬存儲(chǔ)器3.6.1虛擬存儲(chǔ)器的基本概念

虛擬存儲(chǔ)器只是一個(gè)容量非常大的存儲(chǔ)器的邏輯模型，并不是任何實(shí)際的物理存儲(chǔ)器。它指的是主存－輔存存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。能夠以透明的方式給用戶提供一個(gè)比實(shí)際主存空間大得多的程序地址空間。此時(shí)程序的邏輯地址稱為虛擬地址（虛地址），程序的邏輯地址空間稱為虛擬地址空間。第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6虛擬存儲(chǔ)器3.6.1虛擬存儲(chǔ)器的基本概念

主存－輔存