《存储器4班2组》PPT课件.ppt

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1、第2章 存储器,2.1 存储器 2.1.1 读写存储器（RAM）2.1.2 只读存储器（RAM）2.2 80C51中的存储器组织的特点2.3 程序存储器2.4 数据存储器 2.4.1 外部数据存储器空间 2.4.2 内部数据存储器 2.4.3 堆栈 2.4.4 特殊功能寄存器空间,目标,1.了解存储器的基本组成、分类和性能指标2.掌握RAM和ROM的基本原理3.掌握80C51中存储器的特点,计算机的 存 储 器,外存储器,作用：用于存放当前运行的程序和数据，是主机一部分。特点：通常用半导体存储器作为内存储器。内存速度较高，CPU可直接读写。,作用：用于存放暂时不用的程序和数据。特点：容量大、速

2、度较低、CPU不能直接读写。,内存储器,存储器的分类,一、有关存储器几种分类存储介质分类 半导体存储器 磁盘和磁带等磁表面存储器 光电存储器 按存取方式分类 随机/读写存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器ROM（Read-Only Memory）串行访问存储器(Serial Access Storage)按在计算机中的作用分类 主存储器(内存)辅助存储器(外存)高速缓冲存储器,存储器的分类,存储器的分类,存储器的分类,静态SRAM 动态DRAM,一般用双稳触发器作为基本存储电路，采用 NMOS 电路,特点是集成度介于双极型RAM与动态RAM之间，不需要刷新，易用电

3、池备用电源，功耗也在双极型和动态RAM之间。,靠电容存储电荷来记录信息，而总是存在有泄漏电荷的情况,须定时刷新,大约每隔 15ms 刷新一遍。集成度最高，比静态RAM功耗低，价格便宜。,2.1.1 读写存储器RAM的分类及特点,T1、T2为控制管，T3、T4是负载管，T5、T6、T7、T8是控制管。该电路有两种稳定状态：T1截止，T2导通为状态“1”；T2截止，T1导通为状态“0”。,1.静态存储器（SRAM）,由两个增强型的NMOS反相器交叉耦合而成，静态RAM基本存储电路用来存储1位二进制信息，是组成存储器的基础。(通道金属氧化半导体N-channel metal oxide semico

4、nductor),1.静态存储器（SRAM）,1,1,0,0,1,0,六管静态存储器电路如图2-1所示。其中T1、T2为控制管，T3、T4为负载管，T5、T6为控制管。根据T1、T2的状态，便可确定该存储单元是存放“0”还是“1”。,当行选线(字选线)X输出为高电平时，T5、T 6管导通，触发器就和数据线相通了；当 这个电路被选中时，相应的列选线 Y 译码输出也是高电平，则 T7、T8 管也是导通的，于 是 D 和D/就与输入输出电路 I/O 以及I/O(这是指存储器外部的数据线)相通。,D,D,1,1,0,0,1,0,写入时，写入信号 自I/O 以及I/O 线输入，当写“1”时，I/O 线“

5、1”，而 I/O 非为“0”。I/O线上的高电平通过 T7 管、D 线、T5 管送到 A 点，而I/O 线上的低电平经 T8 管、D/、T6 送到 B 点，这样就强迫 T2 管导通，T1 管截止，相当于把输入电荷存储于 T1 和 T2 管的 栅极。,在读数时：由地址译码器选中基本存储器，T5和T6导通，T1的状态被送到I/O线上，而T2的状态被送到I/O非线上，于是就读出取了原来存储的信息。,特点:管子多，位容量少；集成度低，功耗较大。速度快，稳定；无刷新电路。,D,D,1.静态存储器（SRAM）,2.动态读写存储器（DRAM）,动态读写原理,DRAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，它将

6、晶体管电容的充电状态和放电状态分别作为1和0。特点：集成度高，功耗低。速度慢于SRAM，需要不断刷新。,电容 Cs 上有电荷表示存储的二进制信息是“1”，无电荷表示“0”。因此每个数据读出后，要重新恢复 Cs 上的电荷量，称为刷新。,写入信号：行选择线为“1”，Ts管导通，写入信号由位线（数据线）存入电容Cs中；读出时：行选择线为“1”，存储在Cs上的电荷，通过Ts管输出到数据(I/O)线上,通过读出放大镜得到存储信息。,（2）ROM的分类及特点 掩膜只读存储器MROM,掩膜只读存储器MROM是芯片厂家用光刻工艺掩膜对存储器进行编程，一旦制造完毕，其内容就不可更改。,2.1.2 只读存储器(R

7、OM),（2）ROM的分类及特点 掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器PROM,可编程只读存储器PROM 允许用户烧断管子熔丝的方法一次性写入，一旦写入也不可更改。,2.1.2 只读存储器(ROM),（2）ROM的分类及特点 掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器PROM 可擦除只读存储器EPROM,EPROM允许用户由专用编程器完成多次写入信息。写入之前应先擦除原来写入的信息。用紫外光照射15分钟左右，芯片中信息被擦除。,2.1.2 只读存储器(ROM),（2）ROM的分类及特点 掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器PROM 可擦除只读存储器EPROM 可电改写的只读存储器EEPR

8、OM,即用特定的电信号对其进行在线擦除、改写操作，因此很方便。特点是写入时电压要求较高（12V以上）、速度较慢。保存信息100年。,2.1.2 只读存储器(ROM),（2）ROM的分类及特点 掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器PROM 可擦除可编程只读存储器EPROM 可电改写的只读存储器EEPROM 闪速存储器（Flash Memory）,特点是在不加电的情况下可以长期保存数据，又具有非易失性，还可以在线进行快速擦写与重写，兼有EPROM和SRAM的优点。,只读存储器(ROM),图2-3 掩膜ROM举例,掩膜ROM是在制造制造过程中根据需求以不同的掩膜做成，用户不能修改。若地址信号为0

9、0，选中字线1，它的输出为高电平，与它相连的管子的位线输出为“0”(如位线1、4)，不相连的输出为“1”(如位线2、3)。ROM的特点：信息不易丢失，即掉电后接通电源时，它所存储的信息是不变的。,表2-1 ROM的内容,2可擦除的可编程序的只读存储器（EPROM）,图2-4 EPROM的基本存储电路,2.2 80C51中的存储器组织的特点,8051系列存储器组织的特点是程序存储器与数据存储器在逻辑上分离。程序存储器与数据存储器截然分开，分为两个不同的地址空间，并且配备各自独立的寻址机构、寻址方式与操作指令。这种体系结构是由Harward Aiken于1944年提出的，称为“Harward（哈佛

10、）体系结构”。8051系列采用的就是这种哈佛体系结构。,存储器层次结构,把不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助外存组成。,核心是解决容量、速度、价格间的矛盾，建立起多层存储结构。一个金字塔结构的多层存储体系 充分体现出容量和速度关系,存储器层次结构,呈现金字塔形结构，越往上存储器件的速度越快，CPU的访问频度越高；同时价格也越高，系统拥有量越小。,寄存器位于塔顶端，数量有限、存取速度最快。向下依次是Cache、主存储器、辅助存储器。

11、位于塔底的存储设备，其容量最大，每位价格最低，但速度最慢。,存储器层次结构,狭义三层：Cache、内存、外存。广义四层：加上CPU寄存器构成微处理器四层存储体系。存储器的层次结构主要体现在缓存主存和主存辅存这两个存储层次上。,存储器层次结构,速度方面，内存比CPU大约慢一个数量级，存在速度匹配的瓶颈。在CPU和内存中间增加一层高速Cache，又构成了高速缓存（Cache）-内存层次。要求Cache速度与 CPU速度匹配或接近。高速缓存（Cache）-内存层次：解决了提高存储速度问题。,内存-外存存储层次：解决了大容量和低成本的矛盾。,存储器层次结构,内存一般用来存放当前活跃的程序和数据。目前主

12、要采用半导体存储器，使用随机存取方式,外存用于存放当前不活跃的程序和数据。一般采用软盘、硬磁盘、光盘、优盘,cache用在CPU与内存之间，在交换信息时起缓冲作用。,CacheCPU,内存储器,外 存 储 器,2个层次三级体系：,存储器层次结构,半导体存储器的性能指标,性能指标:功耗、可靠性、容量、价格、集成度、存取速度从功能和接口电路角度，最重要是芯片的存取容量和速度。（1）存储容量 存储容量是指存储器存放二进制信息的总位数 即：存储容量=存储单元数单元的位数。芯片的容量通常采用比特（Bit）作为单位。如N8、N4、N1这样的形式来表示芯片的容量(集成方式)。计算机中一般以字节B（Byte）

13、为单位，如256KB、512KB等。大容量的存储器用MB、GB、TB为单位。,主存储器及存储控制,（2）存取时间 是反映存储器工作速度的一个重要指标，是指从CPU给出有效的存储器地址启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。读操作：存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有效之间的时间，通常在101102ns之间。写操作：而对一次写操作，存取时间就是写入时间。（一般大于读）存取速度是以存储器的存取时间来衡量的，一般为几ns到几百ns，存取时间越短，存取速度越快，存取时间主要是与存储器的制造工艺有关，一般双极型速度高于MOS型速度。,（3）存取周期 指连续启动两次独立的存储器 读/写操作所需的最小间隔时间 注意!存在内部操作的恢复时间，读/写周期=读出/写入时间+恢复时间。（4）功耗 包括“维持功耗”和“操作功耗”，反映了存储器在一定时间内耗电的多少，同时也反映了它的发热程度。大多数半导体存储器的维持功耗小于操作功耗。,读周期时间写周期时间,（5）可靠性 指存储器对环境温度与电磁场等变化的抗干扰能力。大规模集成电路结构的平均无故障时间MTBF（表示两次故障之间的平均时间间隔）一般都在几千小时以上。平均无故障时间越长，则可靠性越高。（6）集成度 对于半导体存储器来说，集成度是一个重要的衡量指标。集成度是指在平方毫米芯片上集成基本电路的数量。（7）性价比,