數(shù)字電路chap5new課件

《計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計》第五章存儲器目錄主存儲器只讀存儲器其他存儲器存儲器的層次化體系與管理虛擬存儲器的概念

存儲器是用來存儲二值數(shù)字信息的大規(guī)模集成電路，是進一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。它實際上是將大量寄存器按一定規(guī)律結(jié)合起來的整體，可以被比喻為一個由許多房間組成的大旅館。每個房間有一個號碼（地址碼），每個房間內(nèi)有一定內(nèi)容（一個二進制數(shù)碼，又稱為一個“字”）。存儲器類別主存儲器半導體存儲器輔助存儲器 磁表面存儲器 光學存儲器按用途分類計算機對存儲器的要求容量大速度高成本低主要計算機存儲器： 內(nèi)存、硬盤、軟盤、光盤、U盤等內(nèi)存磁盤與光盤移動存儲§5.1主存儲器存儲器的基本結(jié)構(gòu)線性譯碼器基本靜態(tài)存儲單元雙向譯碼方式與相應(yīng)的靜態(tài)RAM基本存儲單元存儲器的容量擴展靜態(tài)RAM的概念及其讀寫過程動態(tài)RAM的基本存儲單元MAR和MDR隨機存取存儲器2n個字每字m位存儲器地址寄存器存儲器緩沖寄存器n位m位線性譯碼器一維存儲矩陣靜態(tài)RAM單向（一維）譯碼方式和雙向（二維）譯碼方式例256×1位二維存儲矩陣RAM及其靜態(tài)基本存儲單元二維矩陣存儲矩陣示意圖字擴展各片RAM對應(yīng)的數(shù)據(jù)線聯(lián)接在一起；低位地址線也并聯(lián)接起來，而高位的地址線，首先通過譯碼器譯碼，然后將其輸出按高低位接至各片的片選控制端。位擴展把所有的地址線，R/W,CS連接在一起，數(shù)據(jù)線并列使用,每一片的I/O端作為整個存儲器的一位。例1：存儲容量為512×4，8K×8和256K×1的SRAM各有多少根地址線和數(shù)據(jù)線？例2：要擴展為8K×8的RAM，需要幾片512×4的RAM？例3：2114是1K×4的SRAM1）要用多少片2114芯片組成4K×8的SRAM？2）4K×8的SRAM需要多少地址線？3）擴展是否還需要其它芯片？A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0方法：先進行位擴展，構(gòu)成4×4再進行字擴展，構(gòu)成8×4（或相反）位擴展——地址、控制端并聯(lián)，輸出端分別輸出A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0字擴展——地址、R/W端并聯(lián)，輸出端分別并聯(lián)用高位地址控制片選端A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WCSD3D2D1D0A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA21A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1A0R/WD1D01A2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D01D3D2錯誤情況：將8×4做成了16×2A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216×2只作了字擴展,未做位擴展A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×41位地址碼變成了2位地址碼A3A2=01時選中左邊,A3A2=10時選中右邊,然則A3A2=00或11時，二片皆不工作,電路無輸出.A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0

1A3A3=0時D1D0有輸出D3D2無輸出,而A3=1時D1D0無輸出D3D2有輸出，輸出并非4位，且不相同A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×28×4與前面一樣的錯誤每一組用2只存儲器只相當于一只存儲器A1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSA1D1A0D0R/WCSD3D2D1D0BIN/FOUR10012EN3A3A2&&&&ME4×216k字節(jié)64k字節(jié)字擴展8k×18k×8位擴展靜態(tài)隨機操作存儲器（SRAM）以R-S觸發(fā)器為核心在保證電源和沒有新內(nèi)容寫入操作時，狀態(tài)能永久保持優(yōu)點：速度快、操作簡單缺點：功耗大、集成度低、成本高一維矩陣的靜態(tài)基本存儲單元SRAM讀周期工作波形時序SRAM寫周期工作波形時序SRAM的特點(1)非破壞性的讀出(2)速度較快:與CPU一樣都是用門或觸發(fā)器等邏輯器件構(gòu)成的,其延遲時間與CPU在同一數(shù)量級(3)功耗大:構(gòu)成它的觸發(fā)器中的MOS管任何情況下總有一個是導通的,那么電源和地之間總有電流流過,因此功耗大,妨礙了集成度提高(4)所用管子數(shù)目多:制作時占用硅片面積較大,影響集成,且成本高動態(tài)隨機操作存儲器（DRAM）以電容為儲能核心MOS晶體管負責電容充放電回路的通斷存儲信號有漏電問題，需要定時刷新（Refreshing）信號讀出有破壞性，需要補充再生（Regeneration）DRAM與SRAM的主要區(qū)別是DRAM的存儲元不能長期保持信息（盡管電源不變）單管存儲單元DRAM工作波形時序DRAM工作邏輯圖SRAM和DRAM比較DRAM之所以稱之為動態(tài)，是因為DRAM在儲存數(shù)據(jù)時，利用的是MOS管的柵極電容存儲電荷的原理，實際操作時，一直在重復著充放電的過程，因此會產(chǎn)生時間的延遲SRAM一般采用6個MOS管來儲存1個位元，不需要反復充電，所以速度會比較快，因此稱之為靜態(tài)，即表示只要電源不斷，SRAM的數(shù)據(jù)就不會丟失SRAM和DRAM的比較種類用途存取速度成本基本元件揮發(fā)性充電耗電量集成度SRAMCache較快高觸發(fā)器否不需要高低DRAM主存較慢低電容是需要低高只讀存儲器ROM固定ROM可編程ROMEPROM（erasablePROM（紫外線擦除）E2PROM（electricallyEPROM）反熔絲只讀存儲器是存放固定程序信息的器件，它的信息是在制造時或用專門的寫入裝置寫入的。這種器件在正常工作時只能讀出而不能寫入信息，即使切斷電源，器件中的信息也不會消失。只讀存儲器（ROM）地址譯碼器存儲矩陣讀出控制讀出放大器A0An-1W0W2n-1B0B1Bm-1只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地修改或重新寫入數(shù)據(jù)。優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失缺點：只適用于那些存儲固定數(shù)據(jù)的場合ROM基本結(jié)構(gòu)非易失性過去只能讀出、不能寫入現(xiàn)在寫入機制不斷完善分兩大類 固定ROM可編程ROM固定ROM字線位線掩模工藝一次性制造成本低設(shè)計風險高12345678輸出電路存儲矩陣字線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0譯碼器K:輸出控制端W3W0W2W1000101111100110011001001地址A1A0D3D2D1D0內(nèi)容A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D00譯碼器K:輸出控制端

給出任意一個地址碼，譯碼器與之對應(yīng)的字線變?yōu)楦唠娖剑M而從位線上便可輸出四位數(shù)字量。字線位線圖中存儲器的內(nèi)容如左表掩膜ROM

又稱固定ROM，生產(chǎn)廠利用掩膜技術(shù)把信息寫入存儲器中。按使用的器件可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。在這里主要介紹二極管掩膜ROM。（1）ROM電路的結(jié)構(gòu)◆存儲矩陣存儲單元可以用二極管、雙極型三極管或MOS管構(gòu)成?！舻刂纷g碼器◆輸出緩沖器

輸出緩沖器的作用有兩個，一是能提高存儲器的帶負載能力，二是實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)的總線連接。（2）ROM電路的工作原理A1

A0D3

D2

D1

D0000101011011100100111110A1

A0W0

W1

W2

W3001000010100100010110001010100011011可編程只讀存儲器（PROM）一次編程ROMEPROMEEPROM即E2PROMFlashROM一次編程ROM（PROM）（1）熔絲工藝（2）反熔絲工藝

有一種可編程序的ROM，在出廠時全部存儲“1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為“0”,然而只能改寫一次，稱其為PROM。

若將熔絲燒斷，該單元則變成“0”。顯然，一旦燒斷后不能再恢復。EPROM工藝FAMOS(Floating-gateAvalanche-injectionMOS)EPROM的另外一種廣泛使用的存儲器。EPROM可以根據(jù)用戶要求寫入信息，從而長期使用。當不需要原有信息時，也可以擦除后重寫。若要擦去所寫入的內(nèi)容，可用EPROM擦除器產(chǎn)生的強紫外線，對EPROM照射20分鐘左右，使全部存儲單元恢復“1”，以便用戶重新編寫。4.E2PROM

E2PROM是近年來被廣泛重視的一種只讀存儲器，它稱為電擦除可編程只讀存儲器，又可寫為EEPROM。其主要特點是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進行在線改寫，并能在斷電的情況下保存數(shù)據(jù)而不需保護電源。特別是最近的+5V電擦除E2PROM，通常不需單獨的擦除操作，可在寫入過程中自動擦除，使用非常方便。ROM的應(yīng)用舉例1.用于存儲固定的專用程序2.利用ROM可實現(xiàn)查表或碼制變換等功能

查表功能－－查某個角度的三角函數(shù)

把變量值（角度）作為地址碼，其對應(yīng)的函數(shù)值作為存放在該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，這稱為“造表”。使用時，根據(jù)輸入的地址(角度)，就可在輸出端得到所需的函數(shù)值，這就稱為“查表”。

碼制變換－－把欲變換的編碼作為地址，把最終的目的編碼作為相應(yīng)存儲單元中的內(nèi)容即可。3.實現(xiàn)邏輯函數(shù)例:試用ROM實現(xiàn)下列各函數(shù)：RAM和ROM之比較種類RAMROM讀取數(shù)據(jù)可可寫入數(shù)據(jù)可傳統(tǒng)的通過掩模工藝生產(chǎn)的ROM只能一次性制造，EPROM、EEPOM、Flash-ROM等可編程的ROM可透過特殊方式重新寫入數(shù)據(jù)記憶資料隨外部電源關(guān)閉而消失（易失性）不隨外部電源關(guān)閉而消失（非易失性）功能儲存計算機運行時用到的一般的數(shù)據(jù)和資料儲存固定不變的數(shù)據(jù)和程序，如開機程序計算機的外存儲器又稱磁表面存儲設(shè)備。所謂磁表面存儲，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁盤存儲器、磁帶存儲器均屬于磁表面存儲器。磁表面存儲器由于存儲容量大，位成本低，在計算機系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)信息EPROM。磁表面存儲器優(yōu)點：存儲容量大，位價格低；記錄介質(zhì)可以重復使用；記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機存檔；非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息。缺點：存取速度較慢，機械結(jié)構(gòu)復雜，對工作環(huán)境要求較高。磁表面存儲器磁表面存儲器寫電流磁環(huán)磁化磁環(huán)缺口處形成漏磁場磁層小區(qū)域磁化撤去寫電流，剩磁仍存在

寫入信息磁層在磁頭下高速運動磁通不斷變化讀線圈感應(yīng)電勢放大整形處理磁化元的磁力線通過磁頭形成閉合磁通回路讀出信息磁頭與磁表面存儲器磁層之間的相對運動非歸零碼的讀出波形（a）歸零碼（b）歸偏碼（c）非歸零碼非歸零碼的讀出技術(shù)歸零碼與歸偏碼的讀出波形磁表面存儲器的特點（1）非破壞性讀出（2）非易失性存儲、可重復使用（3）記錄密度高，容量大，價格/位低（4）存取速度慢，機械結(jié)構(gòu)復雜光學存儲原理與光學存儲器激光穿孔代替機械穿孔存儲密度高、信息保存時間長成本不斷下降可寫/可擦除光盤（CD-R/CD-RW）已推廣1.

類型：a.只讀光盤存儲器,如，CD-ROMb.只寫一次型光盤存儲器，如，CD-Rc.可擦除型光盤存儲器，如，MO、PC2.存儲原理利用激光束在記錄表面上存儲信息:將激光束聚焦成1μm左右的微小光點，使能量高度集中，在記錄介質(zhì)上產(chǎn)生物理或化學變化而存儲信息。讀出時，激光束在介質(zhì)上掃描，根據(jù)反射光的變化判斷記錄的數(shù)據(jù)。寫入方式:(1)形變：只讀型和只寫一次寫入情況。(2)相變（PC）：可擦除型

(3)磁光（MO）存儲：可擦除型存儲介質(zhì)為吸光能力很強、熔點較低的金屬薄膜。激光照射能形成凹坑。有些光存儲介質(zhì)在激光照射下，晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)。擦除時，用較長時間、光度稍弱些的光脈沖使它恢復原狀。存儲介質(zhì)是易于垂直磁化的磁性薄膜。利用激光照射降低介質(zhì)的嬌頑力。在弱磁場下，使磁化翻轉(zhuǎn)。擦除時，外加與寫入相反的磁場，使它恢復原狀。存儲器的層次化體系解決存儲器速度與成本之間的矛盾光盤機外機內(nèi)磁帶輔存（磁表面存儲器）主存（半導體存儲器）超高速緩存SRAMCPUDRAM超高速緩存與主存之間的數(shù)據(jù)交換輔存主存CacheCPUCacheCache能高速向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，加快程序的執(zhí)行速度超高速緩存數(shù)據(jù)調(diào)回主存原則先進先出原則（FIFO）最少使用者先出（LeastRecentlyUsed）命中率與平均訪問時間Cache的命中率H：