微机接口ppt课件第6章微型计算机中的存储器.ppt

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1、微机原理与接口技术,作者：徐建平 成贵学,第6章 微型计算机中的存储器,【本章内容提要】,了解存储器的分类和性能指标掌握两种典型的随机存取存储器的结构和原理掌握两种典型只读存储器的结构和原理掌握高速缓冲存储器的原理了解常用外部存储器的结构和主要性能指标,6.1 存储器入门,存储器是用来存储程序和数据的主要部件，是计算机系统的重要组成部分。有了存储器，计算机就具有了记忆功能，从而保证计算机正常工作。,6.1.1 存储器的分类,按照存储器在微机系统中作用的不同，存储器可分为外存储器和内存储器。按照存储介质的不同，存储器可分为半导体存储器、磁介质存储器和光存储器。按照存取方式的不同，内存储器可分为随

2、机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。,6.1.2 存储器的性能指标,存储器容量：存储器中所包含存储单元的总数，单位是字节（B）。存储器容量越大，存储的信息越多，计算机的性能也就越强。存取时间：存储器完成一次读写操作所需的时间，单位为ns（纳秒，1ns10-9s）。故障平均间隔时间（MTBF）：MTBF越长，可靠性越高。,连续两次读写操作之间所需的最短时间间隔称为存储周期。存储器每秒钟可读写的数据量称为存储器带宽或数据传输速率，单位为Bps（或B/s）。存取周期和存储器带宽也常作为存储器的性能指标。,6.2 随机存取存储器,随机存取存储器RAM（Random Access Memory

3、）也称为随机读/写存储器，它既可以直接从任何一个指定的存储单元中读出数据，也可以将数据写入任何一个指定的存储单元中。随机存取存储器可分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）两大类。,多个基本存储单元排列成矩阵的形式称为存储体一个存储体往往由多个芯片组成。因此，系统每次访问存储器时，首先要选片，CPU对被选中的芯片上的存储单元可进行读/写操作。,6.2.1 静态随机存取存储器6264,静态RAM的基本存储电路是由6个MOS管构成的触发器，每个触发器存储一位二进制信息。静态RAM的集成度低，与动态RAM相比，它不需要设置刷新电路，故扩展电路比较简单。由于静态RAM是通过有

4、源电路来保持存储器中的数据，因此它的功耗大。,静态RAM的单片容量有不同的规格，目前最常用的有6116（2K8）和6264（8K8）。下面介绍典型的静态RAM 6264。,、6264的引脚及其功能,6264是一个8K8位静态随机存取存储器芯片，其引脚包含13条地址线A0A128条双向数据线D0D72个片选控制端CS1和CS21个输出允许端OE1个写允许端WE,2静态RAM 6264的工作过程,从静态RAM 6264芯片某个存储单元中读出数据的时序图如图6-2所示，过程如下：,3与系统的连接,静态RAM 6264与系统的连接方法如下：芯片上的数据线直接连接到系统总线的数据总线上由于CPU总线的低

5、位地址决定了每个存储单元的片内地址，故将芯片的地址线直接连接到系统总线的低位地址线上；OE和WE分别同MEMW和MEMR相接，使系统总线的读/写信号控制芯片的读/写操作；CS2接高电平5V。,由于CPU总线的高位地址决定了芯片的地址范围，故将高位地址线通过一个译码器产生CS1片选信号。将所有高位地址线作为译码器输入，从而得到存储器芯片地址范围的译码连接方式称为全地址译码连接。,计算地址范围的方法是：译码器的输入信号（A19A13）为0011111（高7位地址），低13位地址（A12A0）可以是全0到全1之间。,图6-4 6264的全地址译码连接,只将系统总线的部分高位地址线作为译码器的输入，从

6、而得到存储器芯片地址范围的译码连接方式称为部分地址译码连接。如图6-5所示，A16和A18两条高位地址线未参加译码，故该芯片在内存中的地址范围为AE000HAFFFFH，BE000HBFFFFH，EE000HEFFFFH和FE000HFFFFFH。这意味着系统可用的存储空间减少了。,动态随机存取存储器2164,动态RAM的基本存储电路是MOS电路中的栅极电容，它是以电容上电荷的存储和转移来存储信息的电容上有无电荷被视为逻辑1和0。由于电容上的电荷会泄露，需要定时充电来保证存储内容不丢失，因此，动态RAM需要设置刷新电路扩展电路比较复杂。但与静态RAM相比，动态RAM集成度高、功耗低，故成本也低

7、，适于作大容量存储器。,12164的引脚及内部结构,2164是一个64K1位的动态RAM芯片其引脚包含8条地址线A0A7数据输入端DIN，数据输出端DOUT行地址选通RAS，列地址选通CAS写允许端WE（高电平时为数据读出，低电平时为数据写入），如图6-6所示。,2164的容量为64K，故应需要16条地址线来对它进行寻址。但实际上2164只有8条地址线为此，采用行地址和列地址分时传送的方法来确定芯片内存储单元的地址行地址和列地址共用8条地址线。,2164芯片的内部结构如图6-7所示，64KB的存储体由4个128128的存储矩阵构成每个存储矩阵由7条行地址线和7条列地址线选择相应的存储单元。7条

8、行地址线经过译码器产生128条行选择线，可选择128行；7条列地址线经过译码器产生128条列选择线，可选择128列。,2动态RAM 2164的工作过程,3动态RAM 2164的刷新,动态RAM与静态RAM最大的不同就是不能长时间保存数据。由于电容不能长期保持其内部存储的电荷，因此它需要在电荷消失之前进行刷新操作，以保持电荷稳定。这种通过对动态RAM的存储单元执行重读操作，以保持电荷稳定的过程称为动态存储器的刷新。,刷新是按行进行的，故只需由行选通信号RAS激活每一行的存储单元，而不需要列选通信号CAS，即可完成对指定行的刷新。例如，在PC/XT微型机中，动态RAM刷新是利用DMA控制器实现的，

9、当DMA控制器接收到DMA请求时，便送出到刷新的行地址，从而完成指定行的刷新。,6.2.3 存储器的扩展,在实际应用中，由于单片存储器芯片的容量很有限，很难满足实际存储容量的要求，因此，常需要用多片存储器芯片构成一个大容量的存储器。,1位扩展,位扩展是指增加存储器的字长，即对每个存储单元的位数进行扩展。例如，怎样用8K1的RAM芯片构成8K8的存储器系统?由于存储器的字数与存储器芯片的字数相同，8K=213，故需要13条地址线（A12A0）对芯片内的存储单元寻址；由于每个芯片只有1条数据线，故需要8片这样的芯片,2字扩展,字扩展是指增加存储器字的数量，即对存储单元的个数进行扩展。例如，怎样用4

10、个16K8芯片构成一个64K8的存储器系统？由于16K=214，故每个芯片有14位地址线，8条数据线。,3字位扩展,字位扩展是指字扩展和位扩展的组合。若使用LK位存储器芯片构成一个容量为MN位(ML，NK)的存储器，那么这个存储器共需要(M/L)(N/K)个存储器芯片。连接时可将这些芯片分成(M/L)个组，每组有(N/K)个芯片，组内采用位扩展法，组间采用字扩展法。,6.3 只读存储器,只读存储器ROM（Read-Only Memory）是一种非易失性的半导体存储器。它的特点是：数据只能读出不能写入，并且存储的数据稳定，不会因断电而消失，常用于存储不需要更改的程序和数据。,ROM有以下几种类型

11、：,掩膜只读存储器ROM：存储的信息在制造过程中就固化好了，用户只能读出其信息而不能加以修改。可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）：只允许写入一次数据，写入后不允许修改。用特殊的方法将信息写入的过程称为编程。紫外线可擦除可编程只读存储器EPROM（Erasable PROM）：具有擦除功能，擦出后可重新写入，可重复使用。利用紫外线照射把存储的内容擦除，再利用高电压重新编程写入。,电可擦除可编程只读存储器EEPROM（Electrically EPROM）：与EPROM类似，只是使用电信号进行擦除，比EPROM更为方便。闪速存储器（Flash Memory）：新型的半导体

12、存储器，具有非易失性、电擦除性和高可靠性。,6.3.1 EPROM 2764,可擦除重写只读存储器EPROM 2764,1EPROM 2764的引脚及其功能,2764是一个8K8位的紫外线可擦除可编程只读存储器芯片，其引脚定义及功能如下：A0A12：13条地址线，该芯片上有8K（2138192）个存储单元。D0D7：8条数据线，每个存储单元存储一个字节的信息。,CE：选片控制端，为低电平时，表示该芯片被选中。OE：输出允许端，为低电平时，表示从数据线输出数据。PGM：编程脉冲输入端。对EPROM编程时，输入编程脉冲；读操作时，输入高电平。Vpp是编程电源；Vcc是主电源。,2EPROM 276

13、4的读出操作,3EPROM 2764的编程写入,对EPROM的编程方式有两种：标准编程方式和快速编程方式。标准编程方式是指每出现一个编程负脉冲就写入一个字节的数据。,具体编程过程如下：,VCC接5V，VPP加上芯片要求的高电压（如Vpp+25V）；将要编程存储单元的地址送到A0A12；使CE为低电平，OE为高电平；将要写入的数据送到D0D7；上述信号稳定后，在PGM端加上505ms的负脉冲；将一个字节的数据写入相应的存储单元中。重复这个过程，即可完成整个芯片的写入。,如果其他操作不变，只是在每写入一个单元的数据后将OE变为低电平，则可以对每次写入的数据进行校验，或者全部写完后再进行校验。快速编

14、程方式使用的是宽度很窄的编程脉冲，编程过程与标准编程方式相同，可对出现错误的单元进行多次重写。,4EPROM 2764的擦除操作,EPROM允许擦除上万次，一片新的或擦除干净的EPROM芯片，其每个存储单元的内容都是0FFH。擦除时，用紫外线照射EPROM窗口1520分钟即可擦除干净。只有擦除干净的EPROM才能对其进行编程。,6.3.2 电可擦除只读存储器EEPROM 98C64,电可擦除只读存储器,1EEPROM98C64的引脚及其功能,98C64是一个8K8位电可擦除可编程只读存储器芯片,引脚定义及功能如下,A0A12：13条地址线，该芯片上有8K（2138192）个存储单元。D0D7：

15、8条数据线，每个存储单元存储一个字节的信息。CE：选片控制端，为低电平时，表示该芯片被选中。OE：输出允许端，当CE和OE为低电平、WE为高电平时，可以将选中内存单元中的数据读出。WE：写允许端，当CE为低电平、OE为高电平、WE为低电平时，可以将数据写入选定的存储单元。READY/BUSY：状态输出端，写入数据时，输出低电平；写操作结束后，输出高电平。,2EEPROM 98C64的读出操作,98C64的读出操作的过程与EPROM和RAM芯片相似，只要当CE和OE为低电平、WE为高电平时，就可以将选中内存单元中的数据读出。,3EEPROM 98C64的编程写入,对EPROM的编程方式有两种：字

16、节写入方式和自动页写入方式。字节写入方式是指每次写入一个字节的数据。,自动页写入方式是指每次写完一页的数据。一页数据包含32个字节，低位地址A4A0用于在页内寻址；高位地址A12A5为页地址，用于决定访问哪一页数据。只有当一页数据写入完成后，即READY/BUSY端的状态由低电平变为高电平时，才能开始下一页数据的写入。,4EEPROM 98C64的擦除操作,98C64的擦除操作的过程与编程写入是一样的，只是擦除时向存储单元中写入的都是0FFH。擦除的方式可以是字节擦除和整片擦除。字节擦除操作的过程同字节写入的过程相同。整片擦除的方法是：将FFH送到D0D7上，使CE为低电平，WE为低电平，并在

17、OE端加上15V电压，保持10ms，即可将整个芯片擦除干净。,6.4 高速缓冲存储器,在存储系统的层次结构中，高速缓冲存储器（Cache）是介于中央处理器和主存储器之间的一级存储器。它采用的是速度更快、价格更高的半导体静态存储器，用来存放当前使用最频繁的程序和数据，目的是提高CPU对存储器的访问速度。,6.4.1 Cache的工作原理,Cache的实现原理是：将CPU最近最可能用到的指令或数据从主存复制到Cache中当CPU下次再用到这些信息时，就不必访问慢速的主存，而直接从快速的Cache中得到从而提高访问速度。,6.4.2 Cache的地址映射,被复制到Cache中的数据在内存中的地址与在

18、Cache中的地址之间的对应关系称为Cache的地址映射。,为了方便管理，将主存和Cache都分成大小相等的若干页。设主存容量为2n，Cache容量为2m，页的大小为2p（即页内地址有p位），则主存的页号（即页地址）共有np位，Cache页号共有mp位。这样，在进行地址映射时，就是把主存页映射到Cache页上（即页号的映射）。,Cache通常使用的映射方法有三种：全相联映射：允许主存的任意一页映射到Cache的任意一页。这种方法的冲突概率小，但实现的硬件价格昂贵。直接映射：主存的页号B与Cache的页号b需满足：bB mod 2m-p。这种方法实现简单、速度快，但冲突概率高。,组相联映射：将主

19、存和Cache分组，再将主存进一步分区，采用组间直接映射和组内全相联映射的方法。,6.4.3 Cache的替换策略,当CPU访问的数据不在Cache中（即Cache不命中）时，要访问主存，并把数据所在的页调入Cache，以替换Cache中的页。,Cache的替换策略有：随机替换算法：从Cache中随机地选一页替换。先进先出（FIFO）算法：选择最先调入的页替换。最近最少使用（LRU）算法：选择最近最少使用的页替换。最久没有使用（LFU）算法：选择最长时间不使用的页替换。,6.4.4 Cache与主存的一致性,Cache中保存的数据实际上是主存中相应数据的副本。当CPU要访问的数据在Cache中

20、时，CPU将直接访问Cache而不是访问主存。如果CPU改变了Cache中的内容，而主存的内容没有变，这时，就要考虑Cache与主存的一致性问题。,对于这种情况，常用的解决方法有：写贯穿法（WT）：在对Cache进行写操作的同时，也写入主存，如图6-18所示。回写法（WB）：在对Cache进行些操作时，不写入主存，只是在Cache中加以标记。只有当Cache中的数据被再次更改时，才将原更新的数据写入主存，如图6-19所示。,6.5 外部存储器,6.5.1 硬盘的结构与主要性能指标,硬盘由具有磁性物质的多个盘片制成，并且这些盘片重叠起来被密封于金属壳体内。磁盘片是硬盘存储数据的载体，磁盘片的表面

21、为记录面，被划分成若干个不同半径的同心圆，称为磁道。硬盘是通过磁道上磁性物质的状态来存储信息的。磁盘的每个记录面都有一个磁头，磁头固定在磁头架上，用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态。磁盘片在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，磁头通过磁头架的径向移动实现磁道的选择。,磁盘上的信息是按区域存放的，称为记录区。将磁盘上的每个磁道划分为若干个扇形区域，每个区域叫做一个扇区。为了定位每个记录区，首先应为磁头、磁道和扇区进行编号。对磁道的编号按照由外向内的顺序，依次是0磁道到n磁道。因此，信息的存放位置可以表示为：磁头，磁道，扇区。,决定硬盘性能的几个重要指标的意义如下：,容量：目前常见的硬盘存储容量有

22、120GB，160GB、180GB、250GB、500GB等。转速：转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，也是区别硬盘档次的重要标志。现在主流的硬盘转速一般为7200rpm（转/分钟）或更高。高速缓存：高速缓存是为解决硬盘与CPU之间的速度不匹配问题而设置的，缓存越大越有利于提高硬盘的读写速度。目前主流硬盘的缓存主要有2MB、8MB和16MB。平均寻道时间：平均寻道时间是指磁头移动到数据所在磁道需要的时间。目前主流硬盘的平均寻道时间一般在9ms以下。,6.5.2 光盘的构造与光驱的主要性能指标,光盘是利用光信号进行读/写信息的存储介质，具有存取速度快、存储容量大、可靠性高等优点。,常见光

23、盘有CD和DVD两种类型。如果从使用的角度来划分，CD光盘和DVD光盘又可分为：CD-ROM与DVD-ROM（只读型光盘）：生产厂家在出厂时已预先写入数据信息，用户只能读取不能写入或修改。CD-R与DVD-R（一次写入型光盘）：用户可以写入信息，但只能写入一次，信息一旦写入后，将永久地保存在光盘上，只能读取不能重写或修改。CD-RW与DVD-RW（可擦写光盘）：用户可重复读写。,CD-ROM的构造,光盘驱动器的主要性能指标有：,数据传输速率：指光驱在1秒内所能读取的最大数据量，150KB/s的数据传输速率为单倍速光驱，目前CD-ROM所能达到的最大CD读取速度是56倍速。平均访问时间：又称平均

24、寻道时间，指光驱从接到读取命令后到实际读出第一个数据位之间的时间延迟，单位为ms（毫秒）。,高速缓存：提供一个数据缓冲，用于临时存放从光盘中读取的数据，能在一定程度上提高数据传输效率。目前市面上流行的光驱都在128KB256KB，甚至有的达到512KB。CPU占用时间：指光驱在维持一定的转速和数据传输速率时所占用CPU的时间,6.5.3 U盘的结构与主要性能指标,U盘是基于USB接口、以闪存芯片为存储介质的无需驱动器的新一代存储设备。U盘的结构基本上由以下几部分组成：USB端口：负责连接直接，是数据输入和输出的通道。主控芯片：负责各部件的协调管理和各项动作指令的发布。FLASH（闪存）芯片：是保存数据的主体，可长期保存，断电后数据不会丢失。PCB底板：将各部件连接在一起，提供数据处理的平台。,U盘的主要性能指标,存储容量数据读取速率数据写入速率支持接口类型支持的操作系统是否支持分区加密功能数据保存时间等。,高端的还有：智能纠错技术（指在数据写入时，由其内部的数据纠错软件对写入数据及时巡检并同原始数据进行核对）。,