微机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 胡 蔷 第6章 存储技术

1、1,第六章 存储技术,内容提要：本章讲述存储器的相关概念和实现技术。首先介绍半导体存储器的分类、结构与性能指标；然后介绍几种典型ROM与RAM芯片的引脚信号、操作方式及存储器的扩展设计方法；最后介绍高速缓冲存储器技术、虚拟存储器及其管理技术。 学习目标：重点掌握常用存储器的型号，RAM、ROM、EPROM、EEPROM、高速缓存的基本概念，存储器与CPU的连接，地址线的连接（线选法、译码法），典型CPU与存储器的连接。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,2,第六章 存储技术,本章目录 6.1 概述 6.2 常用存储器 6.3 存储器与CPU的连接 小结,机械工业出版社 微机原理及接口技术,3,6.1 概述,计算机之所以能自动、连续地工作，是因为采用了“程序存储原理”。要实现这一原理，在计算机中就必须设置存储器。存储器不仅用来存放程序，还用来存放各种数据信息。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,随着CPU速度的不断提高和软件规模的不断扩大，人们当然希望存储器能同时满足速度快、容量大、价格低的要求。但实际上，这一点很难办到。解决这一问题的较好方法是设计一个快慢搭配，具有层次结构的存储系

2、统。,4,6.1.1存储器的概念和分类,存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。 虚拟存储技术：基本思想是将存储系统中的一部分外存储器（磁盘等）与主存储器组合起来并视为一个整体，把两者的地址空间进行统一编址，形成逻辑地址空间，允许用户自由、充分地使用整个逻辑地址空间（除系统指定的保留区域外）。,1存储器的概念,机械工业出版社 微机原理及接口技术,5,（1）按制造工艺分类 半导体存储器可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。 双极型（bipolar）由TTL晶体管逻辑电路构成。该类存储器件的工作速度快，与CPU处在同一量级，但集成度低，功耗大，价格偏高，在微机系统中常用做高速缓冲存储器cache。 金属氧化物半导体型，简称MOS型。该类存储器有多种制造工艺，如NMOS, HMOS, CMOS, CHMOS等，可用来制造多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。该类存储器的集成度高，功耗低，价格便宜，但速度较双极

3、型器件慢。微机的内存主要由MOS型半导体构成。,2存储器的分类,机械工业出版社 微机原理及接口技术,6,（2）按存取方式分类 半导体存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。ROM是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，就固定不变，掉电后，信息也不会丢失。RAM是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，一旦掉电，信息就会自动丢失，常用做内存，存放正在运行的程序和数据。,ROM的类型 根据不同的编程写入方式，ROM分为以下几种。 掩膜ROM 掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在生产过程中采用掩膜工艺（即光刻图形技术）一次性直接写入的。掩膜ROM一旦制成后，其内容不能再改写，因此它只适合于存储永久性保存的程序和数据。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,7,机械工业出版社 微机原理及接口技术,8,PROM PROM（programmable ROM）为一次编程ROM。它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储的信息：出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。, EPROM EPROM（e

4、rasable programmable ROM）是一种紫外线可擦除可编程ROM，如图6-4。写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的功能。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,9,机械工业出版社 微机原理及接口技术,10, EEPROM EEPROM也称E2PROM（electrically erasable programmable ROM）是一种电可擦除可编程ROM。它是一种在线（或称在系统，即不用拔下来）可擦除可编程只读存储器。 闪速存储器 闪速存储器（flash memory），简称Flash或闪存。它与EEPROM类似，也是一种电擦写型ROM。 Flash是近年来发展非常快的一种新型半导体存储器。由于它具有在线电擦写，低功耗，大容量，擦写速度快的特点，同时，还具有与DRAM等同的低价位，低成本的优势，因此受到广大用户的青睐。目前，Flash在微机系统、寻呼机系统、嵌入式系统和智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,11,2）RAM的类型 SRAM SRAM（static RAM）是一种静态随机存储器。它的存储电路由MOS管触发器构成

5、，用触发器的导通和截止状态来表示信息“0”或“1”。 DRAM DRAM（dynamic RAM）是一种动态随机存储器。它的存储电路是利用MOS管的栅极分布电容的充放电来保存信息，充电后表示“1”，放电后表示“0”。 NVRAM NVRAM（non volatile RAM）是一种非易失性随机存储器，它的存储电路由SRAM和E2PROM共同构成，在正常运行时和SRAM的功能相同，既可以随时写入，又可以随时读出。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,12,微型计算机中半导体存储器的分类如图6-5所示,机械工业出版社 微机原理及接口技术,13,（3）按存储器用途分类 根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。 为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,14,半导体存储器由存储体、地址寄存器、地址译码驱动电路、读/写控制逻辑、数据寄存器、读/写驱动器等六个部分组成，如图6-6所示，通过系统数据总线、地址总线和控制总

6、线与CPU相连。,6.1.2半导体存储器,1存储器的构成原理,机械工业出版社 微机原理及接口技术,15,（1）存储体 存储体是存储器的核心，是存储单元的集合体。它由若干个存储单元组成，每个存储单元又由若干个基本存储电路（或称存储元）组成，每个存储单元可存放一位二进制数。 （2）地址寄存器 地址寄存器用于存放CPU访问存储单元的地址，经译码驱动后指向相应的存储单元。 （3）地址译码驱动电路 译码器将地址总线输入的地址码转换成与其对应的译码输出线上的高电平或低电平信号，以表示选中了某一单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读/写电路，完成对被选中单元的读/写操作。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,16,（4）读/写驱动器 读/写驱动器用以完成对被选中单元中各位的读/写操作，包括读出放大器、写入电路和读/写控制电路。 （5）数据寄存器 数据寄存器用于暂时存放从存储单元读出的数据，或从CPU输出I/O端口输入的要写入存储器的数据。暂存的目的是为了协调CPU与存储器之间在速度上的差异，故又称之为存储器数据缓冲器。 （6）读/写控制逻辑 读/写控制逻辑接收来自CPU的启动、片选、读/写及清除

7、命令，经控制电路综合处理后，发出一组时序信号来控制存储器的读/写操作。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,17,2存储器的扩展,在实际应用中，由于单片存储芯片的容量总是有限的，很难满足实际存储容量的要求，因此需要将若干个存储芯片连接在一起，构成大容量的存储器。存储器的扩展通常有位扩展、字扩展，以及字和位同时扩展三种方式。 （1）位扩展 位扩展是指增加存储字长。位扩展可利用芯片地址并联的方式实现，即将各芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而各芯片的地址线、读/写信号线和片选信号线对应地并联在一起。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,18,(2)字扩展 字扩展是指增加存储器字的数量，字扩展可利用芯片地址串联的方式实现。 (3)字和位扩展 字和位扩展是字扩展和位扩展的组合。,例6-2 用两片2K8b的RAM芯片6116组成4K8b的存储器。 地址分配情况见表6-3。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,表6-3 存储器字扩展地址分配情况表,19,机械工业出版社 微机原理及接口技术,字扩展设计如图6-9所示。图中两片6116的片内信号线A10A0、D7D0、分别与系统的地址线A10A0、数

8、据线D7D0和读/写控制线、连接。1#芯片的片选信号线与A11连接，2#芯片的片选信号线与A11反相之后连接。当A11为低电平时，选择1#芯片读/写；当A11为高电平时，选择2#芯片读/写。由图可见，1#芯片的地址范围是000H7FFH，2#芯片的地址范围是800HFFFH。,20,3存储器的地址译码,(1)存储器与微处理器的接口电路设计 存储器同微处理器相连接时，通常按以下思路考虑电路的设计 1）数据线的连接； 2）地址线的连接； 3）控制线的连接。 在微机系统中，常采用集 成电路芯片74LS138作为地址 译码器，其引脚信号如图6-11 所示，功能见表6-5。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,21,表6-5 74LS138功能表,机械工业出版社 微机原理及接口技术,22,(2)存储器片选信号的产生方法 一个存储体通常由多个存储器芯片组成，CPU要实现对存储单元的访问，首先要选择存储器芯片，然后再从选中的芯片中依照地址码选择相应的存储单元读/写数据。 1）线选法 线选法是指用存储器芯片片内寻址线以外的系统高位地址线，作为存储器芯片的片选控制信号。 2）部分译码法 部分译码法是指用

9、存储器芯片片内寻址以外的系统高位地址的一部分地址线，经过译码电路产生片选信号。 3）全译码法 全译码法是使存储器芯片片内寻址以外的系统的全部高位地址线都参与地址译码，经译码电路全译码后输出，作为各存储器芯片的片选信号，以实现对存储器芯片的读/写操作。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,23,6.1.3 半导体存储器的性能指标,存储器是微机系统的重要部件之一，计算机在运行过程中，大部分的总线周期都是对存储器进行读/写操作，因此存储器性能的好坏在很大程度上直接影响计算机的性能。衡量半导体存储器性能的指标很多，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的有以下几项。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,1存储容量,存储容量是衡量存储器性能的一个主要指标，对于字节编址的计算机，以字节数来表示存储容量；对于字编址的计算机，以字数与其字长的乘积来表示存储容量。,24,2存取速度,主存的存取速度通常由存取时间Ta、存取周期Tm和主存带宽Bm等参数来描述。 （1）存取时间Ta 存取时间又称为访问时间或读/写时间，它是指从启动一次主存操作到完成该操作所经历的时间。 （2）存取周期Tm 存取周期又可称做读/写周期、访问周期，是指主存进行一次完整的读/写操作所需的全部时间，即连续两次访问主存操作之间所需要的最短时间。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,（3）主存带宽Bm 与存取周期密切相关的指标是主存的带宽，它又称为数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒或位/秒。目前主存提供信息的速度还跟不上CPU处理指令和数据的速度，所以主存的带宽是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。,25,4功耗,3可靠性,可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。,功耗是一个不可忽视的问题，它反映了存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,为了提高主存的带宽，可以采取的措施有： a 缩短存取周期； b 增加存储字长； c

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