機電-第5章存儲器系統(tǒng)

第五章存儲器本章主要內(nèi)容：1.半導(dǎo)體存儲器2.隨機存取存儲器3.只讀存儲器4.主存與CPU的連接5.PC機存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和對內(nèi)存的管理5.1半導(dǎo)體存儲器

存儲器是計算機硬件系統(tǒng)中用于存放程序和數(shù)據(jù)等二進制代碼的部件。它利用存儲介質(zhì)兩個穩(wěn)定狀態(tài)表示二進制數(shù)的“1”和“0”。存儲一個二進制代碼位的電路稱為存儲位（存儲元）。由于8086是16b微處理器，它每次訪問存儲器可以讀寫1個字節(jié)，也可以同時讀寫2個字節(jié)，這連續(xù)的兩個字節(jié)稱為字（Word）。通常把8個bit組合起來使用，稱為字節(jié)（Byte），用B表示。字節(jié)是存儲器基本的存取單位。

為了便于CPU存取信息，每一個字節(jié)用一組二進制代碼進行編號，這一組二進制代碼稱為地址。地址的位數(shù)越多，可以表示的不同字節(jié)數(shù)越多，可尋址的地址空間就越大。16b地址表示64KB（0~FFFFH）的地址空間，20b地址可表示1MB（0~FFFFFH）的地址空間。

存儲單元的地址和它的內(nèi)容之間沒有直接關(guān)系，即地址和內(nèi)容是兩件事，不要混淆。地址規(guī)定了存儲單元的位置，在這個位置內(nèi)部的信息是數(shù)據(jù)，它可能是指令操作碼，可能是CPU要處理的數(shù)據(jù)，也可能是指令要尋找的數(shù)據(jù)的地址等。磁盤、磁帶、光盤高速緩沖存儲器（Cache）FlashMemory存儲器內(nèi)存儲器外存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)RAM動態(tài)RAM按在計算機中的作用分類CPU主存儲器外存儲器存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖高速緩沖存儲器對存儲器系統(tǒng)的要求具備容量大、速度快、成本低的特點。當(dāng)前存儲器系統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)組成，如圖所示。1、主存儲器用來存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)，CPU可直接訪問，一般由MOS型半導(dǎo)體存儲器組成；2、高速緩沖存儲器（cache）

是計算機系統(tǒng)中的一個高速但容量小的存儲器，用來臨時存放CPU正在使用和可能就要使用的局部指令和數(shù)據(jù)。通常用雙極型半導(dǎo)體存儲器組成；3、外存儲器用來存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫等。外存儲器中的數(shù)據(jù)和程序必須調(diào)到內(nèi)存中CPU才能執(zhí)行或調(diào)用，所以其特點是：存儲器容量大、成本低但存取速度慢，目前主要有磁盤、光盤、磁帶存儲器。隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)

又稱讀寫存儲器，指能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫操作的一類存儲器。按照存放信息原理的不同，隨機存儲器又可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM是以雙穩(wěn)態(tài)元件作為基本的存儲單元來保存信息的，因此，其保存的信息在不斷電的情況下，是不會被破壞的；而動態(tài)RAM是靠電容的充、放電原理來存放信息的，由于保存在電容上的電荷，會隨著時間而泄露，因而會使得這種器件中存放的信息丟失，必須定時進行刷新。1.半導(dǎo)體存儲器的分類只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)

在微機系統(tǒng)的在線運行過程中，只能對其進行讀操作，而不能進行寫操作的一類存儲器。ROM通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，只讀存儲器也出現(xiàn)了不同的種類，如：可編程的只讀存儲器PROM(ProgrammableROM)，可擦除的可編程的只讀存儲器EPROM(ErasibleProgrammableROM)和EEPROM(ElectricErasibleProgrammableROM)以及掩膜型只讀存儲器MROM(MaskedROM)等，近年來發(fā)展起來的快擦型存儲器(FlashMemory)具有EEPROM的特點。(2)存儲速度4.主存的技術(shù)指標(biāo)(1)存儲容量(3)可靠性主存存放二進制代碼的總位數(shù)

讀出時間寫入時間存儲器的訪問時間

存取時間TA存取周期TMC

通常TMC>TA

連續(xù)兩次獨立的存儲器操作（讀或?qū)懀┧璧淖钚￠g隔時間

以平均無故障時間來衡量(4)功耗功耗是一個不可忽視的問題，它反映了存儲器耗電的多少，同時也反映了發(fā)熱的程度。(5)集成度集成度是指一片數(shù)平方毫米的芯片上能集成多少個基本存儲電路，每個基本存儲電路存儲一個二進制位，所以集成度常表示為位/片。(6)性能價格比性能價格比是一個綜合性指標(biāo)，它反映了存儲器選擇方案的優(yōu)劣。5.2

隨機存取存儲器一、SRAM組成

SRAM芯片的構(gòu)成由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、讀寫電路和控制電路等組成。1.基本存儲單元基本存儲單元是存儲體的最小組成部件。一個基本存儲單元可以存放一位二進制信息，其內(nèi)部具有兩個穩(wěn)定的且相互對立的狀態(tài)，并能夠在外部對其狀態(tài)進行識別和改變。2.存儲矩陣一個基本存儲單元只能保存一個二進制信息，若要存放M×N個二進制信息，就需要用M×N個基本存儲單元，它們按一定的規(guī)則排列起來，由這些基本存儲單元所構(gòu)成的陣列稱為存儲體或存儲矩陣。3.地址譯碼器接受來自CPU的地址信號，并產(chǎn)生地址譯碼信號，以便選中存儲矩陣中的一個存儲單元，使其在存儲器控制邏輯的控制下進行讀寫操作。圖5-2SRAM結(jié)構(gòu)示意圖4.控制邏輯和三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器控制邏輯接收CPU發(fā)來的讀/寫信號及片選信號（ChipSelect），對存儲器進行讀/寫操作。有效的芯片才能操作：若進行讀，則被尋址的存儲單元的信息通過數(shù)據(jù)緩沖器出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，供CPU讀?。蝗暨M行寫，則CPU將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，經(jīng)三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器寫入到相應(yīng)的存儲單元。2114邏輯結(jié)構(gòu)框圖Intel2114芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)②Intel2114外部結(jié)構(gòu)Intel2114RAM存儲器芯片為雙列直插式集成電路芯片，共有18個引腳：?A0-A9：10根地址信號輸入引腳。?：讀／寫控制信號輸入引腳，當(dāng)為低電平時，使輸入三態(tài)門導(dǎo)通，信息由數(shù)據(jù)總線通過輸入數(shù)據(jù)控制電路寫入被選中的存儲單元；反之從所選中的存儲單元讀出信息送到數(shù)據(jù)總線。?I/O1~I/O4：4根數(shù)據(jù)輸入／輸出信號引腳，?：低電平有效，通常接地址譯碼器的輸出端。?+5V：電源。?GND：地。

2.動態(tài)存儲器的刷新由于ＭＯＳ動態(tài)存儲元是在電容中以電荷形式存儲信息的，柵極電容會緩慢放電，為維持所存信息，需定時補充電荷，這就是刷新。刷新是指存儲單元的內(nèi)容原樣再寫入一次，而不是將所有單元都清0。讀出過程就是補充電荷（刷新）的過程，但訪問的隨機性不能保證定期按序的刷新。刷新周期為2ms、4ms或8ms。DD預(yù)充電信號讀選擇線寫數(shù)據(jù)線寫選擇線讀數(shù)據(jù)線VCgT4T3T2T11

3.動態(tài)RAM讀出與原存信息相反讀出時數(shù)據(jù)線有電流為“1”數(shù)據(jù)線CsT字線DDV010110寫入與輸入信息相同寫入時CS充電為“1”放電為“0”T3T2T1T無電流有電流DRAM的基本存儲電路簡單，幫故集成度高、功耗小。DRAM一般組成大容量、高速的RAM存儲器。

Intel2164A內(nèi)部結(jié)構(gòu)

存儲體：64K×1的存儲體由4個128×128的存儲陣列構(gòu)成；

地址鎖存器：由于Intel2164A采用雙譯碼方式，故其16位地址信息要分兩次送入芯片內(nèi)部。但由于封裝的限制，這16位地址信息必須通過同一組引腳分兩次接收，因此，在芯片內(nèi)部有一個能保存8位地址信息的地址鎖存器；

數(shù)據(jù)輸入緩沖器：用以暫存輸入的數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)輸出緩沖器：用以暫存要輸出的數(shù)據(jù)；1/4I/O門電路：由行、列地址信號的最高位控制，能從相應(yīng)的4個存儲矩陣中選擇一個進行輸入／輸出操作；

行、列時鐘緩沖器：用以協(xié)調(diào)行、列地址的選通信號；

寫允許時鐘緩沖器：用以控制芯片的數(shù)據(jù)傳送方向；128讀出放大器：與4個128×128存儲陣列相對應(yīng)，共有4個128讀出放大器，它們能接收由行地址選通的4×128個存儲單元的信息，經(jīng)放大后，再寫回原存儲單元，是實現(xiàn)刷新操作的重要部分；1/128行、列譯碼器：分別用來接收7位的行、列地址，經(jīng)譯碼后，從128×128個存儲單元中選擇一個確定的存儲單元，以便對其進行讀/寫操作。…控制邏輯Y譯碼X譯碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Y控制128×128存儲矩陣…………PD/ProgrCSA10A7…A6A0..…DO0…DO7112………………A7A1A0VSSDO2DO0DO1……27162413………………VCCA8A9VPPCSA10PD/ProgrDO3DO7…2716EPROM的邏輯圖和引腳PD/ProgrPD/Progr功率下降/編程輸入端讀出時

為低電平5.3半導(dǎo)體只讀存儲器5.4主存與CPU的連接在微型系統(tǒng)中，CPU對存儲器進行讀寫操作，首先要由地址總線給出地址信號，選擇要進行讀/寫操作的存儲單元，然后通過控制總線發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號，最后才能在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)交換。所以，存儲器芯片與CPU之間的連接，實質(zhì)上就是其與系統(tǒng)總線的連接，包括：地址線的連接、數(shù)據(jù)線的連接、控制總線的連接。在連接中要考慮的問題有以下幾個方面：1．CPU總線的負載能力在設(shè)計CPU芯片時，一般考慮其輸出線的直流負載能力，為帶一個TTL負載。現(xiàn)在的存儲器一般都為MOS電路，直流負載很小，主要的負載是電容負載，故在小型系統(tǒng)中，CPU是可以直接與存儲器相連的，而較大的系統(tǒng)中，若CPU的負載能力不能滿足要求，可以（就要考慮CPU能否帶得動，需要時就要加上緩沖器，）由緩沖器的輸出再帶負載。2．CPU的時序和存儲器的存取速度之間的配合問題

CPU在取指和存儲器讀或?qū)懖僮鲿r，是有固定時序的，用戶要根據(jù)這些來確定對存儲器存取速度的要求，或在存儲器已經(jīng)確定的情況下，考慮是否需要Tw周期，以及如何實現(xiàn)。3．存儲器的地址分配和片選問題內(nèi)存通常分為RAM和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)(即機器的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的區(qū)域)和用戶區(qū)，用戶區(qū)又要分成數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)，ROM的分配也類似，所以內(nèi)存的地址分配是一個重要的問題。另外，目前生產(chǎn)的存儲器芯片，單片的容量仍然是有限的，通?？偸且稍S多片才能組成一個存儲器，這里就有一個如何產(chǎn)生片選信號的問題。4．控制信號的連接

CPU在與存儲器交換信息時，通常有以下幾個控制信號(對8088/8086來說)：（），

以及WAIT信號。這些信號如何與存儲器要求的控制信號相連，以實現(xiàn)所需的控制功能。一、存儲器的擴展如前面提到，目前生產(chǎn)的存儲器芯片，單片的容量仍然是有限的，通?？偸且稍S多片才能組成一個存儲器。存儲器芯片擴展的方法以下三種：1.位擴展法若芯片每個存儲單元的位數(shù)小于存儲器字長，需進行位擴展?！纠?.1】用1M×1位存儲芯片組成1M×8位（1MB）的RAM，每片存儲同一位權(quán)的一位數(shù)據(jù)（片的I/O端接Di），A19～A0是訪問芯片所需的20位地址碼，是讀寫控制信號。位擴展法組成的1MBRAM示意圖如圖5.18所示。圖5.19字擴展法組成1MRAM2.字擴展法若芯片每個存儲單元的位數(shù)等于存儲器字長，但容量（字數(shù)）不夠，需進行字擴展?！纠?.2】用256K×8位芯片組成1MB的RAM，1MB容量需20位地址碼（A19～A0），256KB芯片需18位片內(nèi)地址碼（A17～A0），用高二位地址A19A18經(jīng)2/4譯碼器（74139）選擇芯片讀/寫，每片8條I/O線分別接D7～D0。字擴展法組成的1MBRAM示意圖如圖5.19所示。圖5.19字擴展法組成1MRAM3.字位同時擴展法若單片芯片的字長和位數(shù)均小于主存的要求，則字擴展和位擴展法同時進行。【例1】用16K×4位芯片組成64KB的RAM，其中2片組成16KB，4×2=8片組成64KB。可見，所需芯片數(shù)量S為S＝(M/L)×(N/K)式中：M為主存存儲單元數(shù)量；

L為單片存儲單元數(shù)量；

N為主存存儲單元字長（二進制位）；

K為單片存儲單元字長。在本例中，有S=(64/16)×(8/4)＝8片【例2】一個存儲器系統(tǒng)包括2KRAM和8KROM，分別用1K×4的2114RAM芯片和2K×8的2716ROM芯片組成。要求ROM的地址從1000H開始，RAM的地址從3000H開始。完成硬件連線及相應(yīng)的地址分配表。地址碼芯片的地址范圍對應(yīng)芯片編號A15A14A13A12A11A10A9...A0000100001000H

：：2716-10001011117FFH000110001800H

：：2716-2000111111FFFH001000002000H

：：2716-30010011127FFH001010002800H

：