微機原理第5章存儲器.ppt

1、微機原理與接口技術(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 存儲器（Memory）,第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng) 第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標 第三節(jié)：主要存儲器介紹 第四節(jié)：存儲器與CPU的連接,第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),全聯(lián)映像方式,第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),直接映像方式,第一節(jié)：計算機存儲器系統(tǒng),第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能

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

3、ime)和存儲周期表示。,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,存儲器容量與速度,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,3. 存取帶寬,表示單位時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)容量的大小，表示吞吐數(shù)據(jù)的能力。存儲器的帶寬計算： B=FD/8 B表示帶寬，F(xiàn)表示存儲器時鐘頻率，D表示存儲器數(shù)據(jù)總線位數(shù)。,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,3. 存取帶寬,例如：PC-100的SDRAM帶寬計算如下： 100MHz64bit/8=800MB/s 這個計算方法是針對僅靠上升沿信號傳輸數(shù)據(jù)的SDRAM而言的，對于上升沿和下降沿都傳輸數(shù)據(jù)的DDR來說計算方法有點變化，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)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,4. 功耗和集成度,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,4. 功耗和集成度,新型FCRAM和DDR2 SDRAM的功耗比較,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,4. 功耗和集成度,5. 可靠性,第二節(jié)：存儲系統(tǒng)基本概念和性能指標,85攝氏度 重寫100萬次 保存100年 125攝氏度 重寫50萬次 保存50年,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,在電子管計算機時期(19461959)，計算機主要用于科學(xué)計算。主存儲

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

6、術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計算機系統(tǒng)中開始出現(xiàn)固件子系統(tǒng)。,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,“水銀延遲線存儲器”最早最早的計算機的內(nèi)存，由研制ENIAC的工程師John W. Mauchly二戰(zhàn)期間為軍用雷達開發(fā)的一種存儲裝置,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,1956年9月13日，IBM推出全球首款硬盤系統(tǒng)RAMAC 350，使用了50個24英寸盤片，總?cè)萘恐挥?MB,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,1. 歷史,IBM 硬盤50年發(fā)展歷史,第三節(jié)：存儲系統(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)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,2.

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

8、：芯片的上方有一個石英玻璃的窗口，通過紫外線照射，芯片電路中的浮空晶柵上的電荷會形成光電流泄漏走，使電路恢復(fù)起始狀態(tài)，從而將寫入的信號擦去。,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.1.4 EPROM,第三節(jié)：存儲系統(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）對硬件電路沒有特殊要求，編程簡單。 （2）采用5V電源擦寫的E2PROM，通常不需要設(shè)置單獨的擦除操作，可在寫入過程中自動擦除。 （3）E2PROM器件大多是并行總線傳輸?shù)?第三節(jié)：存儲

9、系統(tǒng)的分類和原理,3.1.6 E2PROM,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.2. 隨機存取存儲器 RAM,1） RAM也稱讀寫存儲器，對該存儲器內(nèi)部的任何一個存儲單元，既可以讀出（?。?，也可以寫入（存）； 2）存取用的時間與存儲單元所在的物理地址無關(guān)； 3）主要用作主存，也可作為高速緩存使用； 通常說的內(nèi)存容量均指RAM容量。 4）一般RAM芯片掉電時信息將丟失，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和動態(tài)RAM。,第三節(jié)

10、：存儲系統(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)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.2.2 動態(tài) RAM (DRAM),第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM,從1972年到現(xiàn)在，半導(dǎo)體存儲器在RAM中占有絕對統(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，存儲密度提高了幾千萬倍 近十年來對非易失性存儲器的研究工作取得了長足的進步，其中最突出的成就是閃存的應(yīng)用。在一些對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，因為閃存只是在擦除數(shù)據(jù)時放電速度很快，而在寫入數(shù)據(jù)時需要一個較長的充電時間，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外存的角色。,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM - Flash,第三節(jié)：存儲系統(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)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,同樣作為非易失性存儲器的MRAM速度為25ns，PCM的速度最快，為5ns（200MHz）。MRAM是靠磁場翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)

12、0和1的轉(zhuǎn)換，理論上速度可與SRAM相匹敵，且沒有讀寫壽命的限制。但是，由于工藝上一直未能突破尺寸和存儲密度上的約束，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，將會導(dǎo)致PCM進入無定形（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)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM - MRAM,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.3 非易失RAM,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,光驅(qū)工作原理,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,RAID存儲器（廉價磁盤冗余陣列）：基本思想是用多個小的磁盤存儲器，通過合理的分布數(shù)據(jù)，支持多個磁盤同時進行訪問，從而改善磁盤存儲器的性能。RAID是RedundantArrayofIndependentDisk的縮寫，中文意思是

14、獨立冗余磁盤陣列。冗余磁盤陣列技術(shù)誕生于1987年，由美國加州大學(xué)伯克利分校提出。初衷是為了將較廉價的多個小磁盤進行組合來替代價格昂貴的大容量磁盤，希望單個磁盤損壞后不會影響到其它磁盤的繼續(xù)使用，使數(shù)據(jù)更加的安全。RAID作為一種廉價的磁盤冗余陣列，能夠提供一個獨立的大型存儲設(shè)備解決方案。在提高硬盤容量的同時，還能夠充分提高硬盤的速度，使數(shù)據(jù)更加安全，更加易于磁盤的管理。,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,光驅(qū)工作原理,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,主要技術(shù)：1分塊技術(shù)：把數(shù)據(jù)分塊寫到陣列中的磁盤上；2交叉技術(shù)：對分布式的數(shù)據(jù)采用交叉式進行讀寫，提高訪問速度

15、；3重聚技術(shù)：對多個磁盤空間重新編址，數(shù)據(jù)按照編址后的空間存放；,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,第三節(jié)：存儲系統(tǒng)的分類和原理,3.4 其它存儲器,存儲器芯片與CPU的連接方式，是指與CPU總線相關(guān)的信號線的連接，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)與存儲器的容量 確定主存儲器芯片連接原則 (3） 8位數(shù)據(jù)總線CPU與存儲器接口,第四節(jié)：存儲器與CPU的鏈接, 讀寫存儲器RAM（2114芯片）, 2114的引腳和邏輯符號如下圖示：,A0 A9,I/O1 I/O4,2114,寫允許 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)：存儲器與CPU的鏈接, 讀寫存儲器RAM（ 6116芯片 ）,6116存儲芯片為2K 8位,8088 CPU數(shù)據(jù)總線是8位的, 2K容量的存儲器用一片6116實現(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,存儲地址為： A0000A07FFH,采用門電路譯碼, 6116與8088CPU的連接,1 0 1 0 0 0 0 0,74LS245 存儲器寫 DIR=1,AB 存儲器讀 DIR=0,BA, 只讀存儲器ROM（ 2716）,2716存儲芯片為2K 8位的,8088 CPU數(shù)據(jù)總線是8位的，2K容量的存儲器用一片2716實現(xiàn)。 其引腳圖如下:,1 1 1 1 1 1,y0,y7,存儲器地址： FC000FC7FFH FC800FCFFFH FF800FFFFFH,(2) 根據(jù)CPU外部地址總線的位數(shù)與 存儲

18、器的容量確定主存儲器芯片連接原則,確定好電路結(jié)構(gòu)后，存儲器芯片選擇應(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，以確定存儲器片內(nèi)地址，剩下的高位地址通過譯碼產(chǎn)生片選控制信號。,根據(jù)系統(tǒng)對存儲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,存儲器地址為：2000H23FFH， 2400H27FFH,片 選 譯 碼,74LS138,線選方式實現(xiàn) 有些地址線不

19、參加譯碼,電路簡單,但地址不唯一,有重疊,存儲器容量小時可采用。 例如：系統(tǒng)RAM為2K的情況下,為了區(qū)分不同的兩個1K,可用A15A10中任一位來控制片選端。有32K的地址重疊區(qū)例用A11來控制。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與存儲器接口,8088/80188CPU的數(shù)據(jù)總線是8位。 在最小方式下，與存儲器的接口要考慮三方面問題： 數(shù)據(jù)總線可以直連； 必須對地址總線進行譯碼以選擇存儲單元； 必須使用

20、8088、80188提供的 、 、IO/ 控制信號去控制存儲器系統(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， 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存儲空間。 對于PC系統(tǒng)機， 0FFFF0H是8088的冷啟動（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機器中（Power系列）,附加：大小字節(jié)順序,由來 來源于Jonathan Swift在1726年寫的諷刺小說 “Gullivers Travels”（格利佛游記）。描述Gulliver暢游小人國時碰到了如下的一個場景 小人國里的小人有一次因為對水煮蛋該從大的一端（Big-End）剝開還是小的一端（Little-End）剝開的爭論而引發(fā)了一場戰(zhàn)爭 形成了兩支截然對立的隊伍： 支持從Big-End剝開的人Blefuscu就稱作Big-Endians 支持從Little-End剝開的人Lilliput就稱作Little-Endians 后綴ian表明的就是支持某種觀點的人,附加：大小字節(jié)順序,MSB MSB是Mo