微机原理及其应用 教学课件 ppt 作者 邓蓓 微机原理与应用-第5章

微机原理及其应用 第5章 存储器,5.1 半导体存储器,5.2 随机存取存储器（RAM）,5.3 只读存储器（ROM）,5.4 存储器与CPU的连接,5.5 高速缓存技术,5.6 虚拟存储器技术,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,5.1 半导体存储器,5.1.1 存储器概述,存储器是一种记忆部件，其最基本的存储电路是由具有两种稳态的元件组成，它可存储一位二进制信息，称为位或bit（比特），用b表示，它具有0和1两种状态。 由于8086是16位微处理器，它每次访问存储器可以读写1个字节，也可以同时读写1个字（两个字节）。 存储单元的数据内容与其地址号之间并没有直接关系，即内容和地址是两件事，不要混淆。地址规定了存储单元的位置，而在这个位置内部的信息才是数据，它可能是指令操作码，可能是CPU要处理的数据，也可能是指令要寻址的数据的地址等。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,在微机中存储器常分为内存储器和外存储器，如图5-1所示。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,1内存储器 用于存放CPU当时正要处理的程序和数据，要求其存取速度应和CPU的处理速度相匹配，但存储容量可相对小一些。目前微机中通常采用半导体存储器。 （1）主存储器。主存储器用来存放计算机运行期间正在执行的程序和数据。CPU的指令系统能直接读写主存中的存储单元，主存储器是主机内部的存储器，故又称之为内存。 （2）高速缓冲存储器。通常位于主存储器和CPU之间，存放当前要执行的程序和数据，以便向CPU高速提供马上要执行的指令。目前，高速缓冲存储器一般采用双极型半导体存储器，速度较高，可以与CPU速度匹配，存储时间短，存储容量较小。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,2外存储器。外存储器也称辅助存储器或后缓存储器。它用来存放程序，数据文件等大量信息。外存设在主机外部，容量极大而速度较低。CPU不能直接访问它，必须通过专门的程序把所需的信息与主存储器进行成批的交换，调入主存储器后，才能使用。磁带、磁盘（软盘、硬盘）和光盘等都是常见的外存储器，属于外部设备的范畴。 本章着重介绍半导体存储器。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,5.1.2 半导体存储器分类与性能,1半导体存储器的分类 半导体存储器是用半导体器件组成的存储器，按功能不同可分为随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）。 （1）随机存取存储器RAM（Random Access Memory）读写随机，既可读又可写，一旦断电，保存在其中的数据就会全部丢失。对RAM内部的任何存储单元的读出和写入时间是一样的，与其所处的位置无关，即存取时间是相同的，固定不变的。 RAM按生产工艺又可分为双极型和MOS型两类，前者速度比后者高，但集成度低一些。MOS型RAM又可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。SRAM的读写速度远快于DRAM，但集成度低于DRAM，因此SRAM大都作为高速缓存（Cache）使用，DRAM由于它的集成度高，容量大则作为普通的内存和显示内存使用。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,1）静态存储器SRAM（Static RAM）：所谓“静态”，是指它在通电情况下可以长时间保持电量，因此无须每隔一段时间重新加电。所以一般说来，SRAM比DRAM的数据传输速度要快，但因为制造成本较高，工艺较复杂，所以容量不能做得很大。 2）动态存储器DRAM（Dynamic RAM）。所谓“动态”，是指它在通电情况下不能长时间保持电量，需要每隔一段时间就进行一次重新加电，否则会因电量自然放尽而丢失数据。它的制作成本较低，容量可以做得较大。DRAM按制造工艺的不同，又可分为动态随机存储器（Dynamic RAM）、扩展数据输出随机存储器（Extended Data Out RAM）和同步动态随机存储器（Synchromized Dynamic RAM），它们的速度一个比一个快。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,（2）只读存储器ROM（Read Only Memory）。这类存储器只能随机地读出信息而不能写入信息。信息一旦写入存储器就固定不变了，不受电源关闭的影响，所以又称为固定存储器，常用来存放不需要改变的信息。ROM有几种不同的种类。 1）掩膜ROM（Mask Programmed ROM）：掩膜ROM用最后一道掩膜工艺来控制每一个基本存储电路的输出，达到预先写入信息的目的。制造完毕后用户不能更改所存信息。由于它结构简单、可靠性高、集成度高、容易连接，适于程序固定、大批量生产的场合。缺点是灵活性差。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,2）可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）：在产品出厂时并未存储任何信息，其初始内容为全“0”或全“1”。使用时，用户可利用专门设备（编程器或写入器）自行写入信息。注意，信息一旦写入便是永久的，不可更改。因此，它是一种一次性可编程的ROM。PROM的典型应用是作为高速计算机的微程序存储器，其双极型产品的功耗较大。 3）紫外光擦除可编程只读存储器EPROM（Ultraviolet Erasable Programmable ROM）：用户既可对EPROM写入信息，又可将信息全部擦除，擦除后还可重新写入。EPROM芯片上有一个石英窗口，要擦除信息时，将窗口置于紫外线灯下照射20min以上，紫外线使浮栅上的电荷得以泄放，恢复到原来不带电荷的状态（“1”状态）。要写入信息时需使用专用的编程器。 EPROM擦除信息时需要将器件从系统上拆卸下来，并在紫外光下照射较长时间才能擦除信息，使用不太方便，也不能对芯片中个别存储单元进行修改。EPROM常用作微型机的标准程序或专用程序存储器，通常主板BIOS都烧录在这里。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,4）电可擦除可编程只读存储器E2PROM（Electrical Erasable Programmable ROM）：E2PROM是一种可用电信号进行擦除、可编程的只读存储器。由于使用电信号来清除内部信息，清除时不必将器件从系统上拆卸下来，一次可擦除一个字，也可全部擦除，而后再用电信号重新写入。这种E2PROM能在系统内进行擦除和写入，且是非易失性的。它既有类似于RAM的灵活性，也有ROM的非易失性，还克服了EPROM的不足之处。E2PROM通常采用MNOS（金属氮化物氧化物硅）工艺。E2PROM用电信号擦去信息的时间为若干秒，比EPROM的擦去时间短得多，但E2PROM写入数据的次数是有限的。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,此外，还有两种ROM：一种为OTROM（ONE TIME ROM），顾名思义就是只能烧录一次的ROM。OTROM在工厂制造出来后，里面是空白的，我们可依需要烧录资料进去。另一种为Flash ROM（闪速存储器），这是比较先进的ROM，它可让我们在不到1s的时间就将其中的资料清除。由于它具有可靠的非易失性、电可擦除性以及低成本，对于需要实施代码或数据更新的嵌入式应用是一种理想的存储器。以前它用在笔记本电脑上比较多，现在的主板基本上都已采用Flash ROM。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,2存储器的性能指标 （1）存储容量。这是存储器的一个重要指标，通常用该存储器所能存储的字数及其字长的乘积来表示，即： 存储容量 = 字数 × 字长 存储容量越大，能存的信息就越多，其功能越强。 （2）速度。衡量存储器速度指标的参数有： 1）存取时间TA ：指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，例如，从发读命令到将数据读出为止。存取时间取决于存储介质的物理特征及所使用的读出机构类型。 2）存取周期时间TM ：把两个独立的存储操作之间的最短延迟时间，定义为存取周期，它表征存储器的工作速度。常用的存取周期单位是微秒和毫微秒级。显然，TMTA。 存储器的速度是一个很重要的指标，当然是越快越好，但速度较快的存储器通常功耗大，集成度低，因而成本较高，要根据系统的要求统筹考虑。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,（3）功耗。功耗是一个不可忽视的问题，它反映了存储器耗电的多少，同时也反映了发热的程度。半导体存储器的功耗包括“维持功耗”和“操作功耗”，应在保证速度的前提下尽可能地减小功耗，特别要减小“维持功耗”。 （4）可靠性。可靠性一般是指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰能力。通常用平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）来衡量可靠性，MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，间隔越长，可靠性越高。半导体存储器由于采用大规模集成电路，可靠性较高，平均无故障间隔时间为几千小时以上。 （5）集成度。集成度是指在一片数平方毫米的芯片上能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存储一个二进制位，所以集成度常表示为位/片。集成度关系到存储器的容量，所以也是一个重要的指标 （6）性能价格比。存储器的性能包括前面几项指标，存储器成本在计算机成本中占有很大比重。因此，降低存储器成本，可降低计算机造价。性能价格比是一个综合性指标，它反映了存储器选择方案的优劣。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,5.2 随机存取存储器（RAM）,5.2.1 静态RAM（SRAM）,1SRAM组成 不管是RAM还是ROM，其基本的存储电路存储一位二进制信息。芯片内部由若干位（通常1、4或8位）组成一个基本存储单元。基本存储单元按一定的规律组合起来，一般按矩阵方式排列，构成存储体。 SRAM（Static RAM）采用触发器（Flip-Flop）电路构成一个二进制位信息的存储电路。其内部除存储体外，还有地址译码驱动电路、控制逻辑电路和三态双向缓冲器等。图5-2是1024×1的SRAM结构示意图。,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,图5-2 SRAM结构示意图,机械工业出版社 http:/www.cmpbook.com 电子制作：孙锋,第5章 存储器,（1）地址译码电路。地址译码器接受来自CPU的地址信号，并产生地址译码信号，以便选中存储矩阵中某存储单元，使其在存储器控制逻辑的控制下进行读/写操作。图5-3中把地址划分成两组：行地址和列地址，每组地址分别译码，两组译码输出信号共同选择某个存储单元电路。 （2）控制逻辑电路。接受来自CPU或外部电路的控制信号，经过组合变换后，对存储、地址译码驱动电路和三态双向缓冲器进行控制，控制对选中的单元进行读写操作。 （3）三态双向缓冲器。使系统中各存储器芯片的数据输入/输出端能方便地挂接到系统数据总线上。对存储器芯片进行读写操作时，存储器芯片的数据线与系统数据总线经三态双向缓冲器传送数据