微機(jī)原理與接口技術(shù)第6章-存儲器課件

1、第6章 存儲器本章要點(diǎn)了解存儲器的基本概念、層次化結(jié)構(gòu)和組織方式了解存儲器的分類以及RAM、ROM和Flash的內(nèi)部結(jié)構(gòu)掌握半導(dǎo)體存儲器的分類及其各自的特征重點(diǎn)掌握存儲器與CPU的連接，存儲器的位擴(kuò)展、字?jǐn)U展和位字?jǐn)U展 了解Cache的三種組織方式、數(shù)據(jù)更新方法和Cache控制器的功能6.1 存儲器概述6.1.1 存儲器的分類1按用途分類微型計算機(jī)的存儲器按照用途可以分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類。2按存儲介質(zhì)分類 根據(jù)存儲介質(zhì)的材料不同存儲器可分為磁性存儲器、半導(dǎo)體存儲器和光存儲器等。其中常用的磁性存儲器由軟盤和硬盤，光存儲器由光盤等。6.1.2 存儲器的性能指標(biāo)1.存儲容量2. 存取速度

2、3. 可靠性4. 功耗5. 性能/價格比6.1.3存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 一般由寄存器、高速緩沖存儲器（Cache）、主存儲器和輔助存儲器等組成存儲的層次結(jié)構(gòu)，形成優(yōu)勢互補(bǔ)的存儲器系統(tǒng)。如圖6-1所示。6.2 半導(dǎo)體存儲器6.2.1 半導(dǎo)體存儲器的基本分類半導(dǎo)體存儲器可分為隨機(jī)存取存儲器 (RAM) 和只讀存儲器(ROM)。 雙極型RAM的主要特點(diǎn)是： 存取速度快對于射極耦合邏輯電路制作的RAM存取速度可達(dá)10ns，對于肖特基TTL邏輯電路制作的RAM存取速度可達(dá)25ns。 以晶體管觸發(fā)器作為基本存儲電路，管子較多，集成度較低。 功耗大，成本高。靜態(tài)RAM的主要特點(diǎn)是： 靜態(tài)RAM的集成度高于雙極

3、型但低于動態(tài)RAM。 功耗低于雙極型但高于動態(tài)RAM。 讀寫速度快，可用電池作為電源，不需要刷新。動態(tài)RAM的主要特點(diǎn)是： 集成度高，功耗低。 利用電容器存儲信息，需要刷新電路。 成本低，被廣泛用于微型計算機(jī)中。ROM是一種預(yù)先存入程序或數(shù)據(jù)且斷電后信息不會丟失，工作時只能讀出不能寫入的存儲器。ROM可分為掩膜式ROM、可編程PROM、可擦除EPROM和電可擦除EEPROM等幾種類型。 6.2.2 半導(dǎo)體存儲器的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體存儲器的基本結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。由圖6-2可知半導(dǎo)體存儲器由地址寄存器、地址譯碼電路、存儲體、讀寫驅(qū)動器、數(shù)據(jù)寄存器和控制邏輯部件等部分組成。主存儲器通過地址總線AB、

4、數(shù)據(jù)總線DB以及控制總線同CPU相連并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。6.2.3 隨機(jī)存取存儲器RAM 隨機(jī)存取存儲器(RAM)是指既可以進(jìn)行讀操作又可以進(jìn)行寫操作的半導(dǎo)體存儲器（常被稱為讀寫存儲器），其讀寫位置是任意的。根據(jù)存儲芯片內(nèi)部基本存儲單元電路的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，RAM分為靜態(tài)RAM即SRAM(static RAM)和動態(tài)RAM即DRAM(dynamic RAM)。1SRAM SRAM基本存儲單元的結(jié)構(gòu)靜態(tài)RAM存儲一位信息的單元電路可以用雙極型器件構(gòu)成，也可用MOS管構(gòu)成。通常是由6個MOS管組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，可以用來存儲一位信息“0”或者“1”，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。 圖6-3 六管靜

5、態(tài)存儲單元 SRAM芯片的結(jié)構(gòu) 把一些基本存儲單元電路集成在一個芯片上，就構(gòu)成了SRAM芯片，典型的靜態(tài)RAM芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。 常見的SRAM的芯片 常見的SRAM芯片有：6116 (2K8位)、6264 (8K8位) 和62256 (32K8位)等等，圖6-5給出了6116、6264和62256芯片各引腳的功能。下面以6116 (2K8位)為例說明各參數(shù)的意義。 6116 芯片的存儲容量為2K8=16384bits，排成128128的存儲矩陣，構(gòu)成2K個字，字長為8位，需要有11根地址線。其中7條行地址線A4A10，4條列地址線A0A3。把128列分成128/8=16組，即16列

6、，每一組共用一個列地址，需要4根列地址線用來選中一個字節(jié)。6116芯片共有8根數(shù)據(jù)線，一次可完成8位二進(jìn)制數(shù)的讀或?qū)懖僮鳌?2DRAM DRAM的基本存儲單元的結(jié)構(gòu) 在結(jié)構(gòu)上DRAM與SRAM一樣，都是由許多基本存儲單元按行和列排列組成矩陣。最簡單的動態(tài)RAM的基本存儲單元是一個MOS管和一個電容器組成，如圖6-6所示。3其他RAMEDO RAM（Extend Data Out）即擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存，在90年代中后期廣泛地用于80486和奔騰級微型計算機(jī)中。SDRAM（Synchronous Dynamic RAM）即同步動態(tài)隨即存儲器，廣泛用于Pentium微型計算機(jī)中。DDR（Double

7、Data Rate）即雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率。DDR2是DDR的改進(jìn)型，它在一個時鐘周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù)達(dá)到四次，相同時間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量再次加倍，這使得DDR2成為比DDR更快速的內(nèi)存。4. 存儲器的工作時序 CPU對存儲器的操作由存儲器讀和存儲器寫兩種，對動態(tài)存儲器而言還包括刷新操作。CPU啟動一次存儲器讀操作時，先將地址信息通過地址線送入 MAR，然后發(fā)出讀命令。MAR中的地址信息經(jīng)地址譯碼器譯碼后選中對應(yīng)的存儲單元，并通過讀/寫驅(qū)動器把該存儲單元的數(shù)據(jù)送MDR，再通過數(shù)據(jù)總線送至CPU。寫操作與讀操作相似，只是數(shù)據(jù)傳送的方向相反。存儲器寫操作時序如圖6-7所示，各信號的前后關(guān)系為： CPU送地

8、址碼到地址總線上； 存儲器的地址譯碼器對該地址碼進(jìn)行譯碼，選中相應(yīng)單元； 要寫入的數(shù)據(jù)由CPU送到數(shù)據(jù)總線上； CPU發(fā)寫信號把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的存儲單元。 6.2.4 只讀存儲器ROM1.掩膜型ROM 2可編程只讀存儲器PROM3可擦除可編程只讀存儲器EPROM4電可擦除的可編程只讀存儲器EEPROM6.2.5 存儲器的擴(kuò)展一塊存儲芯片的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足微型計算機(jī)系統(tǒng)的需要，常常需要把若干塊存儲芯片連接成一個整體，作為微型計算機(jī)系統(tǒng)的存儲器，這就需要對存儲芯片進(jìn)行擴(kuò)展。存儲器的擴(kuò)展包括位擴(kuò)展、字?jǐn)U展和字位擴(kuò)展三種形式。1位擴(kuò)展 存儲器位擴(kuò)展的目的是保持每個芯片的總存儲單元數(shù)不變，把幾

9、個芯片“并聯(lián)”在一起，使每個單元存儲的位數(shù)增加，達(dá)到滿足實(shí)際需要的目的。圖6-8是使用2 片4K8 位的存儲芯片組成4K16的存儲模塊的示意圖。 圖6-8 存儲器的位擴(kuò)展2字?jǐn)U展 存儲器字?jǐn)U展的目的是保持每個芯片的存儲單元位數(shù)不變，把幾個芯片“串聯(lián)”在一起，使存儲單元個數(shù)增加，達(dá)到滿足實(shí)際需要的目的。圖6-9是使用2 片4K8 位的存儲芯片組成4K8的存儲模塊的示意圖。 圖6-9 存儲器的字?jǐn)U展3字位擴(kuò)展在實(shí)際應(yīng)用中，往往是存儲芯片的存儲單元數(shù)和一個存儲單元中的位數(shù)都不能滿足需要，這樣既要進(jìn)行位擴(kuò)展又要進(jìn)行字?jǐn)U展，才能滿足存儲容量的需求。一般是先按照位擴(kuò)展的方法進(jìn)行位擴(kuò)展，然后再按照字?jǐn)U展的方

10、法進(jìn)行字?jǐn)U展，就可以達(dá)到實(shí)際需求。6.2.6 CPU與存儲器的連接 CPU與存儲器的連接包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的連接三個部分。1.CPU與存儲器的連接CPU與存儲器的連接需要考慮以下幾個問題： CPU總線的負(fù)載能力 CPU的時序和存儲器存取速度之間的配合 存儲器的地址分配和片選 控制信號的連接2地址譯碼器常用的地址譯碼器是74LS138，如圖6-10所示。該地址譯碼器由6個輸入端和8個輸出端，其中E3、和為啟動信號，只有當(dāng)E3=100時，該芯片才能工作，C、B和A為信號輸入端，為輸出端，低電平有效。輸入信號與輸出信號的對應(yīng)關(guān)系如表6-1所示。圖6-10 地址譯碼器74LS138 3譯碼方式

11、根據(jù)片外地址線與地址譯碼器的連接不同，譯碼可分為線性譯碼、全譯碼和部分譯碼三種方式。6.3 輔助存儲器 在微型計算機(jī)系統(tǒng)中常用的輔助存儲器，即外存儲器，主要有硬盤、軟盤、磁帶、CD-ROM及U盤等。與內(nèi)存相比，外存儲器的容量大，存取速度慢，信息能夠長期保存。外存儲器作為數(shù)據(jù)和程序的存儲設(shè)備是微型計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。6.3.1 硬盤存儲器1硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理硬盤又稱為硬磁盤。微型計算機(jī)系統(tǒng)中配置的硬盤均為固定盤片結(jié)構(gòu)，由封裝在鑄鋁腔體中的磁頭、磁盤組件與控制電路組成。這種結(jié)構(gòu)的硬盤又稱為溫徹斯特磁盤，簡稱溫盤。2硬盤與主機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)最常用的硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)有IDE（又稱ATA）和SCSI

12、 兩種，它們定義了外存儲器（如硬盤、光盤等）和主機(jī)的物理接口。其中IDE接口又分為并行接口（P-ATA）和串行接口（S-ATA）兩種。3硬盤的性能指標(biāo) 轉(zhuǎn)速 平均尋道時間 數(shù)據(jù)傳輸率 緩沖區(qū)大小 硬盤表面溫度6.3.2 光盤存儲器光盤存儲器是使用光學(xué)方式進(jìn)行信息讀寫的存儲器。根據(jù)讀寫方式不同可分為只讀光盤、一次寫入多次讀出光盤和可擦寫光盤。6.4 新型存儲器技術(shù)6.4.1 閃速存儲器 用閃速存儲器制作的外部存儲體被稱為USB存儲盤或閃存盤或U（優(yōu)）盤，是一種移動存儲產(chǎn)品，可用于存儲任何格式的數(shù)據(jù)文件，采用USB接口與主機(jī)相連。1閃速存儲器的特點(diǎn) 可靠性高，信息不易丟失性。 擦寫靈活性，實(shí)現(xiàn)了大

13、規(guī)模電擦除。 讀寫速度快，存儲大容量，成本低。2閃速存儲器的分類按擦除和使用的方式，閃速存儲器有三種類型： 整體型：擦除和重寫是按整體進(jìn)行的。 塊結(jié)構(gòu)型：將存儲器分為大小相等的塊，每塊都可以獨(dú)立進(jìn)行擦除和重寫。 帶自舉塊型：在塊的基礎(chǔ)上，用自舉塊增加自舉功能，自舉塊受信號控制，只有自舉塊開放時，才能進(jìn)行擦除和重寫，自舉塊被鎖定時，只能讀不能寫。3閃速存儲器工作原理以TMS287040芯片為例簡單介紹閃存的工作原理。圖6-11 MS28F040的引腳（1）TMS28F040的引腳及結(jié)構(gòu)（2）工作過程（3）閃速存儲器的應(yīng)用6.4.2 高速緩沖存儲器 高速緩沖存儲器是介于CPU和主存之間的存儲體，存

14、儲容量較小，一般在數(shù)KB到數(shù)MB，存取速度是主存的510倍，其內(nèi)容是主存的部分副本，主要用來存放指令和數(shù)據(jù)。如圖6-12所示。 圖6-12 Cache與主存間的邏輯關(guān)系按照主存和Cache之間的映像關(guān)系，Cache有三種組織方式。即：全相聯(lián)方式：主存中的一個區(qū)塊可以映像到Cache中任何地方（隨機(jī)性，靈活，查詢速度慢）。直接映像方式：主存中的一個區(qū)塊可以映像到Cache中一個對應(yīng)地方（如12/8的余數(shù)）。組相聯(lián)方式：主存中的一個區(qū)塊可以映像到Cache中對應(yīng)組中的任何區(qū)塊中（如12/4的余數(shù)）。數(shù)據(jù)更新時兩類不一致性問題解決方法： 數(shù)據(jù)丟失問題：Cache中數(shù)據(jù)已更新，而內(nèi)存中的數(shù)據(jù)未更新。解

15、決方法： 通寫式(write through) ：在更改Cache中數(shù)據(jù)時， Cache控制器立即把數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。 緩沖通寫式(buffered write through)：先寫入緩沖器，在CPU進(jìn)入下一個操作時，再寫入內(nèi)存。 回寫式(write back) ：區(qū)塊中設(shè)置一更新位，當(dāng)Cache中數(shù)據(jù)要更新且更新位為1時，先寫內(nèi)存再更新。 數(shù)據(jù)過時問題:當(dāng)多個主設(shè)備的Cache中某一區(qū)塊對應(yīng)一個主存區(qū)數(shù)據(jù)時，會發(fā)生其中一個Cache更新主存的數(shù)據(jù)，使其它Cache中數(shù)據(jù)過時的問題。解決方法： 總線監(jiān)視法 ：Cache控制器監(jiān)視地址總線，如發(fā)現(xiàn)某Cache把自己也有的數(shù)據(jù)塊更改時，自動使自己的數(shù)據(jù)無效。 硬件監(jiān)視法 ：通過外加電路，使Cache能觀察到主存已影響區(qū)所有讀寫。 劃出不可高速緩存存儲區(qū)法 ：主存中一個區(qū)塊不能映像到多個Cache中。 Cache清除法 ：當(dāng)Cache寫主存時，就清楚其它Cache中數(shù)據(jù)。3. 新的融合型存儲器 作為閃存后繼技術(shù)的新型存儲器,當(dāng)前開發(fā)中的MRAM(磁阻RAM),OUM(相變