微機(jī)原理第5章存儲(chǔ)器.ppt

1、微機(jī)原理與接口技術(shù),北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,秦 紅 磊 金天,第五章 存儲(chǔ)器（Memory）,第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng) 第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo) 第三節(jié)：主要存儲(chǔ)器介紹 第四節(jié)：存儲(chǔ)器與CPU的連接,第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),全聯(lián)映像方式,第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),直接映像方式,第一節(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng),第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能

2、指標(biāo),第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),X 地址 譯碼 器,存儲(chǔ)單元矩陣 NXM （4096XI）,Y地址譯碼器,26,A11,A6,26,A11,A6,n個(gè),輸入 緩沖器,數(shù)據(jù)輸入,DIN,寫(xiě)入 讀出,輸入 緩沖器,數(shù)據(jù)輸出,DOUT,R/W讀寫(xiě)輸入,CS片選擇,典型存儲(chǔ)器的組成框圖,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),衡量存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo),存儲(chǔ)器容量,存取速度,功耗和集成度,可靠性,存儲(chǔ)帶寬,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),1. 存儲(chǔ)器容量,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),2. 存取速度,指訪問(wèn)（讀/寫(xiě)）一次存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間。常用存儲(chǔ)器的存取時(shí)間(Memory Access T

3、ime)和存儲(chǔ)周期表示。,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),存儲(chǔ)器容量與速度,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),3. 存取帶寬,表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)容量的大小，表示吞吐數(shù)據(jù)的能力。存儲(chǔ)器的帶寬計(jì)算： B=FD/8 B表示帶寬，F(xiàn)表示存儲(chǔ)器時(shí)鐘頻率，D表示存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線位數(shù)。,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),3. 存取帶寬,例如：PC-100的SDRAM帶寬計(jì)算如下： 100MHz64bit/8=800MB/s 這個(gè)計(jì)算方法是針對(duì)僅靠上升沿信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的SDRAM而言的，對(duì)于上升沿和下降沿都傳輸數(shù)據(jù)的DDR來(lái)說(shuō)計(jì)算方法有點(diǎn)變化，應(yīng)該在最后乘2。 PCI帶寬=33MHz32bit8 =

4、133MB/s AGP 1X總線的帶寬=66MHz64bit8 = 528MB/s AGP 4X帶寬=528MHz4 = 2.1GB/s。,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),4. 功耗和集成度,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),4. 功耗和集成度,新型FCRAM和DDR2 SDRAM的功耗比較,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),4. 功耗和集成度,5. 可靠性,第二節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)基本概念和性能指標(biāo),85攝氏度 重寫(xiě)100萬(wàn)次 保存100年 125攝氏度 重寫(xiě)50萬(wàn)次 保存50年,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,在電子管計(jì)算機(jī)時(shí)期(19461959)，計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。主存儲(chǔ)

5、器是決定計(jì)算機(jī)技術(shù)面貌的主要因素。當(dāng)時(shí)，主存儲(chǔ)器有水銀延遲線存儲(chǔ)器、陰極射線示波管靜電存儲(chǔ)器、磁鼓和磁心存儲(chǔ)器等類型，通常按此對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。 到了晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)期(19591964)，主存儲(chǔ)器均采用磁心存儲(chǔ)器，磁鼓和磁盤(pán)開(kāi)始用作主要的輔助存儲(chǔ)器。不僅科學(xué)計(jì)算用計(jì)算機(jī)繼續(xù)發(fā)展，而且中、小型計(jì)算機(jī)，特別是廉價(jià)的小型數(shù)據(jù)處理用計(jì)算機(jī)開(kāi)始大量生產(chǎn)。 1964年，在集成電路計(jì)算機(jī)發(fā)展的同時(shí)，計(jì)算機(jī)也進(jìn)入了產(chǎn)品系列化的發(fā)展時(shí)期。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器逐步取代了磁心存儲(chǔ)器的主存儲(chǔ)器地位，磁盤(pán)成了不可缺少的輔助存儲(chǔ)器，并且開(kāi)始普遍采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)。隨著各種半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器和可改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器的迅速發(fā)展，以及微程序技

6、術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中開(kāi)始出現(xiàn)固件子系統(tǒng)。,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,“水銀延遲線存儲(chǔ)器”最早最早的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，由研制ENIAC的工程師John W. Mauchly二戰(zhàn)期間為軍用雷達(dá)開(kāi)發(fā)的一種存儲(chǔ)裝置,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,1956年9月13日，IBM推出全球首款硬盤(pán)系統(tǒng)RAMAC 350，使用了50個(gè)24英寸盤(pán)片，總?cè)萘恐挥?MB,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,IBM 硬盤(pán)50年發(fā)展歷史,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,2004年，希捷首次采用垂直磁記錄方式，記錄密度突破100Gbpsi,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,2.

7、基本原理,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,2. 基本原理,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3. 存儲(chǔ)器的分類,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,“水銀延遲線存儲(chǔ)器”最早最早的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，由研制ENIAC的工程師John W. Mauchly二戰(zhàn)期間為軍用雷達(dá)開(kāi)發(fā)的一種存儲(chǔ)裝置,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3. 1 ROM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.1.1 掩模式ROM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.1.2 OTP-ROM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.1.3 EPROM,Erasable Programmable Read-Only Memory 特點(diǎn)

8、：芯片的上方有一個(gè)石英玻璃的窗口，通過(guò)紫外線照射，芯片電路中的浮空晶柵上的電荷會(huì)形成光電流泄漏走，使電路恢復(fù)起始狀態(tài)，從而將寫(xiě)入的信號(hào)擦去。,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.1.4 EPROM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.1.5 E2PROM,電可擦除可編程的ROM（E2PROM） Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory 應(yīng)用特性： （1）對(duì)硬件電路沒(méi)有特殊要求，編程簡(jiǎn)單。 （2）采用5V電源擦寫(xiě)的E2PROM，通常不需要設(shè)置單獨(dú)的擦除操作，可在寫(xiě)入過(guò)程中自動(dòng)擦除。 （3）E2PROM器件大多是并行總線傳輸?shù)?第三節(jié)：存儲(chǔ)

9、系統(tǒng)的分類和原理,3.1.6 E2PROM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.2. 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM,1） RAM也稱讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，對(duì)該存儲(chǔ)器內(nèi)部的任何一個(gè)存儲(chǔ)單元，既可以讀出（?。?，也可以寫(xiě)入（存）； 2）存取用的時(shí)間與存儲(chǔ)單元所在的物理地址無(wú)關(guān)； 3）主要用作主存，也可作為高速緩存使用； 通常說(shuō)的內(nèi)存容量均指RAM容量。 4）一般RAM芯片掉電時(shí)信息將丟失，目前有內(nèi)帶電池芯片，掉電后信息不丟失的RAM，稱為非易失性RAM（NVRAM）。 5）微機(jī)中大量使用MOS型（按制造工藝分成MOS型和雙極型）RAM芯片。 6）按集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，RAM又可以分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM。,第三節(jié)

10、：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.2.1 靜態(tài) RAM (SRAM),典型的靜態(tài)RAM芯片：6116（2KB8位）、6264（8KB8位）、62256（32KB8位）、628128（128KB8位）等。,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.2.2 動(dòng)態(tài) RAM (DRAM),第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM,從1972年到現(xiàn)在，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在RAM中占有絕對(duì)統(tǒng)治的地位，它與CPU同步發(fā)展，半節(jié)距從250nm縮小到90nm，單片容量從1KB提升到32MB，存儲(chǔ)密度提高了幾千萬(wàn)倍 近十年來(lái)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的研究工作取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中最突出的成就是閃存的應(yīng)用。在一些對(duì)速度要求不是特別高

11、的系統(tǒng)中，內(nèi)存和外存已經(jīng)合而為一，統(tǒng)一使用閃存了。不過(guò)，因?yàn)殚W存只是在擦除數(shù)據(jù)時(shí)放電速度很快，而在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)需要一個(gè)較長(zhǎng)的充電時(shí)間，想提升其存取速度是很困難的，因此在主流的電腦中閃存還只能充當(dāng)外存的角色。,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM - Flash,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,閃存的原理,3.3 非易失RAM Flash,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,Samsung 32Gb閃存芯片,3.3 非易失RAM - Flash,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,同樣作為非易失性存儲(chǔ)器的MRAM速度為25ns，PCM的速度最快，為5ns（200MHz）。MRAM是靠磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)

12、0和1的轉(zhuǎn)換，理論上速度可與SRAM相匹敵，且沒(méi)有讀寫(xiě)壽命的限制。但是，由于工藝上一直未能突破尺寸和存儲(chǔ)密度上的約束，目前單顆MRAM芯片的容量最多也只有512KB。PCM也是依靠材料的特性變化以記錄數(shù)字信息，記憶原理與光盤(pán)刻錄相似。PCM的核心是一小片特殊材質(zhì)合金，可以在兩種結(jié)構(gòu)之間改變，不同的結(jié)構(gòu)有不同的電阻，要改變PCM的狀態(tài)，也是透過(guò)電力加熱核心然后停止加熱，藉由快速停止或緩慢停止加熱，將會(huì)導(dǎo)致PCM進(jìn)入無(wú)定形（amorphous）或水晶（crystalline）兩種狀態(tài)。,3.3 非易失RAM - MRAM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,MRAM compared with DRAM

13、,3.3 非易失RAM - MRAM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM - MRAM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,光驅(qū)工作原理,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,RAID存儲(chǔ)器（廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列）：基本思想是用多個(gè)小的磁盤(pán)存儲(chǔ)器，通過(guò)合理的分布數(shù)據(jù)，支持多個(gè)磁盤(pán)同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)，從而改善磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能。RAID是RedundantArrayofIndependentDisk的縮寫(xiě)，中文意思是

14、獨(dú)立冗余磁盤(pán)陣列。冗余磁盤(pán)陣列技術(shù)誕生于1987年，由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出。初衷是為了將較廉價(jià)的多個(gè)小磁盤(pán)進(jìn)行組合來(lái)替代價(jià)格昂貴的大容量磁盤(pán)，希望單個(gè)磁盤(pán)損壞后不會(huì)影響到其它磁盤(pán)的繼續(xù)使用，使數(shù)據(jù)更加的安全。RAID作為一種廉價(jià)的磁盤(pán)冗余陣列，能夠提供一個(gè)獨(dú)立的大型存儲(chǔ)設(shè)備解決方案。在提高硬盤(pán)容量的同時(shí)，還能夠充分提高硬盤(pán)的速度，使數(shù)據(jù)更加安全，更加易于磁盤(pán)的管理。,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,光驅(qū)工作原理,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,主要技術(shù)：1分塊技術(shù)：把數(shù)據(jù)分塊寫(xiě)到陣列中的磁盤(pán)上；2交叉技術(shù)：對(duì)分布式的數(shù)據(jù)采用交叉式進(jìn)行讀寫(xiě)，提高訪問(wèn)速度

15、；3重聚技術(shù)：對(duì)多個(gè)磁盤(pán)空間重新編址，數(shù)據(jù)按照編址后的空間存放；,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,第三節(jié)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器芯片與CPU的連接方式，是指與CPU總線相關(guān)的信號(hào)線的連接，控制總線由芯片類型決定。 (1) 根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)確定主存結(jié)構(gòu) (2) 根據(jù)CPU外部地址總線的位數(shù)與存儲(chǔ)器的容量 確定主存儲(chǔ)器芯片連接原則 (3） 8位數(shù)據(jù)總線CPU與存儲(chǔ)器接口,第四節(jié)：存儲(chǔ)器與CPU的鏈接, 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM（2114芯片）, 2114的引腳和邏輯符號(hào)如下圖示：,A0 A9,I/O1 I/O4,2114,寫(xiě)允許 WE,片選 CS,(

16、1) 根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)確定主存結(jié)構(gòu),第四節(jié)：存儲(chǔ)器與CPU的鏈接,(1) 根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)確定主存結(jié)構(gòu),第四節(jié)：存儲(chǔ)器與CPU的鏈接, 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM（ 6116芯片 ）,6116存儲(chǔ)芯片為2K 8位,8088 CPU數(shù)據(jù)總線是8位的, 2K容量的存儲(chǔ)器用一片6116實(shí)現(xiàn)。 6116的引腳圖如下,(1) 根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)確定主存結(jié)構(gòu),第四節(jié)：存儲(chǔ)器與CPU的鏈接,A19,A18,A16,A17,A15,A13,A14,A12,WR,IO/M,RD,CPU,&,1,1,1,A11=0,74LS30,74LS245,74LS32,6116,WE,OE,CS,M

17、EMR,MEMW,D7 D0,A,DIR,D7 D0,B,G,A10 A0,D7 D0,存儲(chǔ)地址為： A0000A07FFH,采用門(mén)電路譯碼, 6116與8088CPU的連接,1 0 1 0 0 0 0 0,74LS245 存儲(chǔ)器寫(xiě) DIR=1,AB 存儲(chǔ)器讀 DIR=0,BA, 只讀存儲(chǔ)器ROM（ 2716）,2716存儲(chǔ)芯片為2K 8位的,8088 CPU數(shù)據(jù)總線是8位的，2K容量的存儲(chǔ)器用一片2716實(shí)現(xiàn)。 其引腳圖如下:,1 1 1 1 1 1,y0,y7,存儲(chǔ)器地址： FC000FC7FFH FC800FCFFFH FF800FFFFFH,(2) 根據(jù)CPU外部地址總線的位數(shù)與 存儲(chǔ)

18、器的容量確定主存儲(chǔ)器芯片連接原則,確定好電路結(jié)構(gòu)后，存儲(chǔ)器芯片選擇應(yīng)盡量選用容量相同的芯片。 連接原則： 芯片的地址線與CPU的低地址總線相連，以確定存儲(chǔ)器片內(nèi)地址，剩下的高位地址通過(guò)譯碼產(chǎn)生片選控制信號(hào)。,根據(jù)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器分配情況可以選擇不同的譯碼方式： 線選 全譯碼 常用的譯碼器有以下三種 與非門(mén)譯碼器 38譯碼器（74LS138） PLD可編程譯碼器, 譯碼方式,線選（地址有重疊區(qū)）,全譯碼（地址無(wú)重疊區(qū)）,38譯碼器（74LS138）,常用的譯碼器,38譯碼器應(yīng)用舉例,存儲(chǔ)器地址為：2000H23FFH， 2400H27FFH,片 選 譯 碼,74LS138,線選方式實(shí)現(xiàn) 有些地址線不

19、參加譯碼,電路簡(jiǎn)單,但地址不唯一,有重疊,存儲(chǔ)器容量小時(shí)可采用。 例如：系統(tǒng)RAM為2K的情況下,為了區(qū)分不同的兩個(gè)1K,可用A15A10中任一位來(lái)控制片選端。有32K的地址重疊區(qū)例用A11來(lái)控制。有32K的地址重疊區(qū)。如下圖示,XXXX ，0 000，0000，0000 XXXX，0 111，1111，1111,XXXX，1 000，0000，0000 XXXX，1 111，1111，1111,（3）8位數(shù)據(jù)總線CPU與存儲(chǔ)器接口,8088/80188CPU的數(shù)據(jù)總線是8位。 在最小方式下，與存儲(chǔ)器的接口要考慮三方面問(wèn)題： 數(shù)據(jù)總線可以直連； 必須對(duì)地址總線進(jìn)行譯碼以選擇存儲(chǔ)單元； 必須使用

20、8088、80188提供的 、 、IO/ 控制信號(hào)去控制存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 最大模式與最小模式主要區(qū)別在于： IO/ 與 形成 ； IO/ 與 產(chǎn)生 ； 、 信號(hào)均由8288總線控制器產(chǎn)生。,8088與EPROM 2732接口,8088與EPROM 2732接口如下圖所示， 由圖可見(jiàn)， 8片2732組成32K8bit的8088 EPROM物理地址空間，譯碼器尋址范圍為0F8000H 0FFFFFH，構(gòu)成內(nèi)存高32KB存儲(chǔ)空間。 對(duì)于PC系統(tǒng)機(jī)， 0FFFF0H是8088的冷啟動(dòng)（COLD-START）地址，并且在該處安排一條JMP指令，該指令轉(zhuǎn)到0F8000H，繼續(xù)執(zhí)行程序。,8088與EPROM

21、2732接口,附加：大小字節(jié)順序,字節(jié)序（Endianness） 又稱端序，尾序 字節(jié)序是指存放多字節(jié)數(shù)據(jù)的字節(jié)的順序，用于解決通信雙方交流的信息單元（比特、字節(jié)、字、雙字等等）應(yīng)該以什么樣的順序進(jìn)行傳送 Little-Endian 主要用在目前的PC的CPU中 Big-Endian 主要用在目前的Mac機(jī)器中（Power系列）,附加：大小字節(jié)順序,由來(lái) 來(lái)源于Jonathan Swift在1726年寫(xiě)的諷刺小說(shuō) “Gullivers Travels”（格利佛游記）。描述Gulliver暢游小人國(guó)時(shí)碰到了如下的一個(gè)場(chǎng)景 小人國(guó)里的小人有一次因?yàn)閷?duì)水煮蛋該從大的一端（Big-End）剝開(kāi)還是小的一端（Little-End）剝開(kāi)的爭(zhēng)論而引發(fā)了一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng) 形成了兩支截然對(duì)立的隊(duì)伍： 支持從Big-End剝開(kāi)的人Blefuscu就稱作Big-Endians 支持從Little-End剝開(kāi)的人Lilliput就稱作Little-Endians 后綴ian表明的就是支持某種觀點(diǎn)的人,附加：大小字節(jié)順序,MSB MSB是Mo