第2章 微型计算机的存储器要点课件.ppt
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1、第2章微型计算机的存储器,2.1 微型计算机存储器概述2.2只读存储器2.3随机存取存储器2.4 FLASH存储器2.5 微机存储器的组成与扩展,2.1 微型计算机存储器概述,一般一个储存电路能存储1位2进制信息,通常将8位储存电路结合在一起构成1个最基本的储存单元,称为1个字节(Byte),一个存储器芯片的容量定义为:存储器芯片的容量=单元数位数/单元,存储器从它与CPU的位置关系可以分为内部存储器和外部存储器两种。正在运行的程序和相应的数据都要存放在内部存储器中。外部存储器则是相当于程序和数据的仓库,用来长期保存程序和数据。显然,存储器的容量越大,则存储的信息越多,计算机的功能就越强。同时
2、如前所述,计算机中大量的操作是CPU与存储器交换信息。但是,存储器的工作速度相对于CPU总是要低12个数量级。所以,存储器的工作速度又是影响计算机系统数据处理速度的主要因素。,计算机系统对存储器的要求是:容量要大、存储速度要快。但容量大、速度快与成本低是矛盾的,容量大、速度快必然使成本增加。为了使容量、速度与成本适当折中,现代计算机系统都采用多级存储体系结构:主存储器(内部存储器)、辅助(外部)存储器及网络存储器。,在实际使用中,越靠近CPU的存储器,与CPU的数据交流越频繁,其速度自然是越快越好,容量越大越好,实际情况是其容量一般都不大。为了使大容量的主存储器能与CPU进行信息快速交换,在C
3、PU与主存储器之间还有1-2级高速缓冲存储器(Cache),一般集成在CPU芯片内。Cache容量较小,目前一般为几MB,其工作速度几乎与CPU相当。,主存储器(内存条)容量较大,又称为内部存储器,目前一般为2GB或4GB,工作速度比Cache慢。但目前所用的SDRAM、DDR SDRAM和RDRAM性能已有极大的提高。外部存储器容量大,目前一般为几百GB,但工作速度慢。目前主要采用的是半导体存储器。随着大规模集成电路技术的发展,半导体存储器的集成度大大提高,体积急剧减小,成本迅速降低。,除内部存储器之外的存储器统称为外部存储器,目前主流是磁介质存储器,容量迅速提高,现在主流的是几百GB的硬盘
4、,速度也提高很快,成本不断下降,已成为微型计算机的主流外部存储器。另外,由NAND闪存组成的固态硬盘、光存储等也在迅速发展。半导体存储器,特别是MOS存储器,具有体积小、功耗低、价格便宜的优点。MOS存储器的普遍使用,是微型计算机得以推广使用的一个必不可少的条件。,微型计算机用到的存储器分类:1、按制造工艺分 可将半导体存储器分为双极型和MOS型两类。(1)双极型 由TTL晶体管逻辑电路构成。该类存储器件工作速度快,但集成度低、功耗大、价格偏高。(2)金属氧化物半导体型 简称MOS型。该类型有多种制作工艺,如N沟道MOS、HMOS(高密度MOS)、CMOS(互补型MOS)、CHMOS(高速CM
5、OS)等。 该类存储器的集成度高、功耗低、价格便宜,但速度较双极型器件慢。,2、按使用属性分 可将半导体存储器分为ROM和RAM两类。,(1)ROM 在一般情况下只能读出所存信息,而不能重新写入。信息的写入是通过工厂的制造环节或采用特殊的编程方法进行的。信息一旦写入,就能长期保存,掉电亦不丢失,所以ROM属于非易失性存储器件。一般用它来存放固定的程序或数据。,ROM可分为以下5种类型。 掩模式ROM,简称ROM。该类芯片通过工厂的掩模制作,已将信息做在芯片当中,出厂后不可更改。 可编程ROM,简称PROM。该类芯片允许用户进行一次性编程,此后便不可更改。 可擦除PROM,简称EPROM。一般指
6、可用紫外光擦除的PROM。该类芯片允许用户多次编程和擦除。擦除时,通过向芯片窗口照射紫外光的办法来进行。 电可擦除PROM,简称EEPROM,也称E2PROM。该类芯片允许用户多次编程和擦除。用户可在线进行擦除、编程等操作。 闪存(Flash memory),是一种新型的容量大、速度快、电可擦除可编程只读存储器。,(2)RAM RAM,随机存储器,信息可以根据需要随时写入或读出。对于一般的RAM芯片,掉电时信息将会丢失。 静态(Static)RAM,即SRAM。它以触发器为基本存储单元,所以只要不掉电,其所存信息就不会丢失。该类芯片的集成度不如动态RAM,功耗也比动态RAM高,但它的速度比动态
7、RAM快,也不需要刷新电路。在构成小容量的存储系统时如单片机应用系统一般选用SRAM,在微型计算机中普遍用SRAM构成高速缓冲存储器。, 动态(Dynamic)RAM,即DRAM。一般用MOS型半导体存储器件构成,最简单的存储形式以单个MOS管为基本单元,以极间的分布电容是否持有电荷作为信息的存储手段,其结构简单,集成度高。但是必须为它配备专门的刷新电路。动态RAM芯片的集成度高、价格低廉,所以多用在存储容量较大的系统中。目前,微型计算机中的主存几乎都是使用动态RAM。(3)新型存储器件 FRAM(铁电存储器),利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储,特点是速度快,能够像RAM一样操作,掉电数据不
8、丢失。MRAM(非挥发性随机存取存储器),具有静态随机存储器(SRAM)的高速存储能力、高集成度,基本上可以无限次地重复写入。,2.2 只读存储器,ROM的特点:把信息写入存储器以后,能长期保存,存储器断电后存储器所存信息不变。 ROM器件有两个显著的优点: 结构简单,所以位密度比可读/写存储器高; 具有非易失性,所以可靠性高。 通常采用ROM存放调试的程序或数据,如存放系统监控程序、数据表格等。,2.2.1 只读存储器的结构及分类 ROM电路主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成。,只读存储器的分类1.掩膜工艺ROM2.可编程的只读存储器PROM3.可擦除可编程只读存储器EPROM4.可
9、用电擦除的EEPROM可编程只读存储器5.快闪存储器ROM(FLASH ROM),1掩模工艺ROM,在ROM的生产过程的最后一道掩模工艺时,根据用户提出的存储内容制作一块决定MOS管连接方式的掩模,然后把存储内容制作在芯片上。这种ROM的结构简单,集成度高,但制作掩模的成本也很高。掩模型ROM可用来存储计算机用的某些标准程序。 根据制造技术,掩模型ROM又可分为MOS型和双极型两种.MOS型功耗小,但速度比较慢,微型机系统中用的ROM主要是这种类型。双极型速度比MOS型快,但功耗大,只用在速度较高的系统中。,存储器从译码方式上来看,有字译码结构和复合译码结构两种,MOS只读存储器也不例外。 (
10、1)字译码结构 ROM的内容,44位的MOS ROM图,(2)复合译码结构,2可编程的只读存储器PROM,PROM 指的是“可编程只读存储器”,这样的产品只允许写入一次。PROM在出厂时,存储的内容全为1,用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0以实现对其“编程”的目的。,3可擦除可编程只读存储器EPROM,EPROM 擦除后即可进行再编程,可反复编程使用,擦除需要使用紫外线照射一定的时间。这类芯片在芯片外壳上方的中央有一个圆形窗口“石英玻璃窗”,在紫外线照射下,存储器中的各位信息均变“1”,擦除干净的EPROM可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。由于阳光中有紫外线的成分,一个编程后的芯片
11、的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住,以防止遭到阳光直射而破坏程序。,EPROM的典型芯片是Intel公司的27系列产品,按存储容量不同有多种型号。例如2716(2KB)、2732(4KB)、2764(8KB)、27128(16KB)、27256(32KB)等,该系列芯片都为8位/单元的,所以27后面的数字表示其存储容量,单位为Kbit,除以8就是该芯片的单元数,单位为KB。 不同的EPROM芯片,容量不同,引脚也就不一样,但是它们的使用方法相似。,4可电擦除的可编程只读存储器EEPROM,EEPROM又称E2PROM,可直接用电信号擦除,也可用电信号写入。具有ROM的非易失性,又具有RA
12、M的随机读写的特性。芯片储存的信息能保留长达20年之久,具有几百次到几万次不等的改写次数,只是内容擦除和写入的时间比较长,大约10ms。E2PROM通过读写操作进行逐个存储单元读出和写入,且读写操作与RAM一样,但写入速度慢一些,而断电后却能保存信息。因E2PROM重编程时间比较长,有效重编程次数也比较低,所以E2PROM不能取代RAM。E2PROM芯片对硬件电路没有特殊要求,操作也简单,作为ROM使用时就按照EPROM方式连线及进行单元地址编址即可。典型E2PROM芯片有24C04、28C16、2864、CAT24C256、CAT25256等。,5快闪存储器ROM(Flash ROM),Fl
13、ash ROM读写速度很快,存取时间可达20ns。目前很多单片机内均采用Flash作为程序存储器,其使用与扩展方法和E2PROM一样。闪存具有擦写快、非易失、在系统编程(ISP)等特点,存储容量可达16128MB,重复擦写10万次以上,数据可靠保持超过10年。,闪速存储器必须按块擦除(每个区块的大小不定), 而E2PROM是一次只擦除一个字节,因此目前闪存也被广泛用在PC的主板上,用来保存BIOS程序,便于进行程序的升级,同时也广泛用作硬盘的替代,但是将其用来取代RAM就显得不合适,因为RAM需要能够按字节改写。常见典型Flash ROM芯片有AT29C256(32K8位)、AT29LV040
14、A(512K8位)和Am29F016B(2M8位)、28F256、MX29LV320ET(4M8位)、MX29LV128D(16M8位)等。,2.2.2 只读存储器典型产品举例,1. 27256 EPROM 32K8位,15条地址,8条数据线。,27256工作方式选择表,(1)读方式VCC和VPP都接+5V,CPU先通过地址引线送来地址信号,接着用控制信号,使CE和OE都有效,经过一段时间,指定单元的内容就可以读出到数据输出引脚上。(2)备用方式未被选中时,最大电流由125mA降为50mA,输出端处于高阻状态。(3)编程方式VCC接5V,VPP接12V;CE端保持低电平,OE而保持高电平,O0
15、O7被用于数据输入,端口上的数据将被写入到EPROM中,地址信息决定写入到哪个存储单元中。,(4)编程禁止若在编程时,有若干个27256并联,有的芯片的编程要禁止,则只要将该芯片的CE端变为高电平即可。(5)校验为了检查编程时写入数据是否正确,通常在编程过程中包含校验操作,在一个字节的编程完成以后,电源的接法不变,CE保持高电平,令OE变为低电平,则同一单元的数据在O0O7上输出,就可以与要输入的数据相比较,校验编程是否正确。,内部分成32页,每页16字节,存储空间为32 * 16 = 512 个字节(4096 / 8 = 512)。 24C04支持I2C总线数据传送协议,通过控制器件地址输入
16、端A0、A1和A2可以实现将最多8个24C04器件连接到总线上。,2. 24C04 4K位串行 EEPROM,2.3 随机存取存储器(RAM) 存储单元的内容可按需随意取出或存入,在断电时将丢失其存储内容,它和ROM的区别在于RAM不但可以随时读取,而且还能随时直接写入新的信息。 按制造工艺分类,RAM分为双极型和MOS型两大类。,基本工作过程是:首先得到地址信号和片选信号,片选信号有效该芯片被选中,地址信号决定是对存储器的哪个单元进行操作;然后得到读/写控制信号,根据读/写信号的电平来确定是进行读操作还是写操作。若是读操作,芯片就将地址总线所对应存储体单元的数据送到输出缓冲器,在得到输出控制
17、信号有效时,再将该数据放到数据总线上。若是写操作,在写信号有效时就将数据总线上的数据写入到芯片存储体的一个单元,到底写到哪个单元,由地址总线信号决定。若片选信号无效,该芯片不进行任何操作,输出缓冲器输出线呈高阻状态,可实现该芯片输出缓冲器与外部数据总线的隔离。,按制造工艺分类,RAM分为双极型和MOS型两大类。1双极型RAM的特点 存储速度快点; 以晶体管的触发器作为基本存储电路,故管子较多些; 与MOS相比集成度较低; 功耗大; 成本高。所以,双极型RAM主要用在对速度要求较高的微型机中或作为Cache。,2MOS型RAM 又可分为静态SRAM和动态DRAM两种。(1)静态RAM的特点 多管
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