第5章存儲(chǔ)器系統(tǒng).ppt

1 第5章存儲(chǔ)器系統(tǒng) 2 第5章節(jié)目錄 5 1概述5 2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM5 3只讀存儲(chǔ)器5 4高速緩沖存儲(chǔ)器 章 3 第五章作業(yè) 1 習(xí)題5 6 7 8 9 12 13 2 查看INTEL公司 或AMD 雙核CPU 1 支持的內(nèi)存類型 最大容量 2 CACHE指標(biāo) 包括容量 分級(jí) 存取時(shí)間等 章 4 存儲(chǔ)器由一些能夠表示二進(jìn)制 0 和 1 的狀態(tài)的物理器件組成 這些器件本身具有記憶功能 一 存儲(chǔ)器的一般概念 存儲(chǔ)器有兩種基本操作 讀和寫 讀操作 讀出信息 不破壞原有的內(nèi)容 寫操作 把信息寫入 存入 存儲(chǔ)器 新寫入的數(shù)據(jù)將覆蓋原有的內(nèi)容 所以寫操作是破壞性的 5 1存儲(chǔ)器概述 5 二 存儲(chǔ)器的分類 存儲(chǔ)器從位置上可分為內(nèi)存 外存 存儲(chǔ)器使用的存儲(chǔ)介質(zhì)有半導(dǎo)體器件 磁性材料 光盤等 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 也叫讀寫存儲(chǔ)器 和只讀存儲(chǔ)器 ROM 按其制造工藝可以分為雙極型半導(dǎo)體RAM和金屬氧化物半導(dǎo)體 MOS RAM 主要優(yōu)點(diǎn)是存取時(shí)間短 為幾到幾十納秒 ns 價(jià)格高 功耗大 主要用于高速緩存Cache 1 雙極型RAM 1 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM 6 2 MOS型RAM用MOS器件構(gòu)成的RAM又可分為靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器 SRAM 和動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器 DRAM 1 SRAMa 存儲(chǔ)元由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成 只要不掉電 其存儲(chǔ)的信息可以始終穩(wěn)定地存在 故稱其為 靜態(tài) RAM b 存取時(shí)間較短 幾十到幾百納秒 c 外部電路簡單 便于使用d 功耗比雙極型RAM低 價(jià)格也比較便宜 用在用戶設(shè)計(jì)的微機(jī)系統(tǒng) 儀器儀表 智能家電等場合 7 2 DRAM a 以電容來存儲(chǔ)信息 電路簡單b 需要定時(shí)充電 即 刷新 c DRAM的存取速度與SRAM差不多d 集成度非常高 目前容量已達(dá)幾百兆比特e 功耗低 價(jià)格比較便宜 目前微型計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存條主要由MOS型DRAM組成 8 掩膜式ROM是芯片制造廠根據(jù)ROM要存儲(chǔ)的信息 對芯片圖形 掩膜 通過二次光刻生產(chǎn)出來的 故稱為掩膜ROM 其存儲(chǔ)的內(nèi)容固化在芯片內(nèi) 用戶不能改變 這種芯片存儲(chǔ)的信息穩(wěn)定 成本最低 適用于存放一些可批量生產(chǎn)的固定不變的程序或數(shù)據(jù) 2 只讀存儲(chǔ)器ROM 根據(jù)制造工藝不同 可分為ROM PROM EPROM E2PROM等幾類 1 掩膜式只讀存儲(chǔ)器 ROM 9 如果用戶要根據(jù)自己的需要來確定ROM中的存儲(chǔ)內(nèi)容 則可使用可編程ROM PROM PROM允許用戶對其進(jìn)行一次編程 使用編程器 寫入數(shù)據(jù)或程序 一旦編程之后 信息就永久性地固定下來 用戶可以讀出其內(nèi)容 但再也無法改變它的內(nèi)容 2 可編程ROM PROM 10 上述兩種芯片存放的信息只能讀出而無法修改 這給許多方面的應(yīng)用帶來不便 由此又出現(xiàn)了兩類可擦除的ROM芯片 這類芯片允許用戶通過一定的方式多次寫入數(shù)據(jù)或程序 也可修改和擦除其中所存儲(chǔ)的內(nèi)容 且寫入的信息不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴣G失 由于這些特性 可擦除的PROM芯片在系統(tǒng)開發(fā) 科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 3 可擦除的PROM 11 通過紫外線照射 約20分鐘左右 來擦除 這種用紫外線擦除的PROM稱為EPROM 通過加電的方法 通常是加上一定的電壓 來擦除 這種PROM稱為EEPROM 或E2PROM 盡管EPROM EEPROM 芯片既可讀出也可以對其編程寫入和擦除 但它們和RAM還是有本質(zhì)區(qū)別的 a 它們不能夠象RAM芯片那樣隨機(jī)快速地寫入和修改 它們的寫入需要一定的條件 b RAM中的內(nèi)容在掉電之后會(huì)丟失 而EPROM EEPROM 則不會(huì) 內(nèi)容一般可保存幾十年 12 存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 每存儲(chǔ)單元的位數(shù) SRAM芯片6264的容量為8K 8bit 即它有8K個(gè)單元 1K l024 每個(gè)單元存儲(chǔ)8位 一個(gè)字節(jié) 二進(jìn)制數(shù)據(jù) DRAM芯片NMC4l257的容量為256K lbit 即它有256K個(gè)單元 每個(gè)單元存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)據(jù) 三 存儲(chǔ)器芯片的主要技術(shù)指標(biāo) 1 存儲(chǔ)容量 存取時(shí)間又稱存儲(chǔ)器訪問時(shí)間 即啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作 讀或?qū)?到完成該操作所需要的時(shí)間 2 存取時(shí)間和存取周期 13 4 可靠性計(jì)算機(jī)要正確地運(yùn)行 必然要求存儲(chǔ)器系統(tǒng)具有很高的可靠性 內(nèi)存發(fā)生的任何錯(cuò)誤會(huì)使計(jì)算機(jī)不能正常工作 而存儲(chǔ)器的可靠性直接與構(gòu)成它的芯片有關(guān) 目前所用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的平均故障間隔時(shí)間 MTBF 約為5 l06 l 108小時(shí)左右 3 功耗使用功耗低的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng) 不僅可以減少對電源容量的要求 而且還可以提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性 14 四 存儲(chǔ)器的組成結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)陣列中共有2n 1個(gè) 地址線n 1條 存儲(chǔ)單元 每個(gè)存儲(chǔ)單元有唯一地址編號(hào) 0000 000000 1111 111111 地址范圍 15 8088在最小模式下的典型配置 16 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 如何設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器系統(tǒng) 17 節(jié) 18 隨機(jī)存儲(chǔ)器的用處 存放當(dāng)前運(yùn)行的程序 各種數(shù)據(jù) 中間結(jié)果 堆棧等 5 2隨機(jī)存儲(chǔ)器 隨機(jī)存儲(chǔ)器的特點(diǎn) 可讀 可寫 掉電后 數(shù)據(jù)丟失 目前微機(jī)上使用隨機(jī)存儲(chǔ)器的地方 內(nèi)存條 高速緩存 Cache 隨機(jī)存儲(chǔ)器的分類 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 SRAM 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 DRAM 19 特點(diǎn) 只要不掉電 數(shù)據(jù)就一直保存 不丟失 一 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 應(yīng)用場合 儀器 儀表 電子產(chǎn)品等要求結(jié)構(gòu)簡單的場合 常用的SRAM有6116 2K 8 6264 8K 8 626128 16K 8 62256 32K 8 等 20 6264芯片是一個(gè)8K 8bit的CMOSSRAM芯片 它共有28條引出線 包括13根地址線 8根數(shù)據(jù)線以及4根控制信號(hào)線 A0 Al2 13根地址信號(hào)線 地址信號(hào)編碼最大為213 即8192 8K 個(gè) D0 D7 8根雙向數(shù)據(jù)線 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器6264 21 片選信號(hào) 地址譯碼 0000000000000 1111111111111 A12 A0 22 二 地址譯碼的兩種方式 1 全地址譯碼方式 所有地址線都要使用 CPU的高位地址線做譯碼 低位地址線直接連接存儲(chǔ)器的地址輸入線 以6264為例 在全地址譯碼時(shí) A19 A13參加地址譯碼 譯碼信號(hào)作為片選信號(hào) 其余A12 A0直接接入到6264的A12 A0引腳 23 地址譯碼器可由門電路或?qū)Ｓ米g碼器構(gòu)成 24 XXXX 1111111111111 A12 A0 0011111 A19A18A17A16A15A14A13 0011111 0011111 0000000000000 6264的地址范圍 最低地址 最高地址 6264的地址范圍 3E000H 3FFFFH 25 XXXX 1111111111111 A12 A0 1100000 A19A18A17A16A15A14A13 1100000 1100000 0000000000000 6264的地址范圍 最低地址 最高地址 6264的地址范圍 C0000H C1FFFH 26 WR RD IO M 27 用譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn) 28 輸入 輸出真值表 29 G1為高時(shí) 74LS138的控制端信號(hào) A19 0 A18 0 A17 1 A16 1 A15 1 A14 1 A13 1 30 A19A11A0 譯碼電路舉例 31 2 部分地址譯碼方式 高位地址線的一部分參加譯碼 A19 A13中 A18 A16未參加譯碼 因此A18 A16為任何值都可以 32 XXXX A12 A0 1X1X111 A19A18A17A16A15A14A13 四個(gè)地址范圍指向同一個(gè)存儲(chǔ)器空間 部分地址譯碼的特點(diǎn) 電路簡單 但地址重復(fù)嚴(yán)重 占用地址范圍多 適用于存儲(chǔ)器芯片較少的場合 33 例題1 使用SRAM6116芯片 設(shè)計(jì)4KB的RAM存儲(chǔ)器系統(tǒng) 其地址為78000H 78FFFH 6116存儲(chǔ)容量為2KB 8 4KB存儲(chǔ)器因此需要2片6116 34 35 CS0 CS1 XXX A10 A0 011110000 A19A18A17A16A15A14A13A12A11 011110001 A19A18A17A16A15A14A13A12A11 78000H 787FFH XXX A10 A0 011110001 A19A18A17A16A15A14A13A12A11 78800H 78FFFH 011110000 A19A18A17A16A15A14A13A12A11 36 例題2 使用SRAM8256芯片 設(shè)計(jì)1MB的RAM存儲(chǔ)器系統(tǒng) 其地址為00000H FFFFFH 8256存儲(chǔ)容量為256KB 8 1MB存儲(chǔ)器因此需要4片8256 37 四片存儲(chǔ)器的空間分別為 00 00000H 3FFFFH 01 40000H 7FFFFH 10 80000H BFFFFH 11 C0000H FFFFFH A19A18XXXXXXXXXXXXXX A19A18 38 常用的SRAM有6116 2K 8 6264 8K 8 628128 16K 8 62256 32K 8 等 上述存儲(chǔ)器容量不同 芯片管腳數(shù)可能不同 但主要區(qū)別在地址線的數(shù)目不同 其他控制信號(hào)一樣 39 三 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器集成度高 價(jià)格低 應(yīng)用于微機(jī)內(nèi)存條等場合 40 2164為64K 1的DRAM芯片 A0 A7 8條地址輸入線 將地址分兩次輸入到芯片中 分別稱為行地址和列地址 分別鎖存在行地址和列地址鎖存寄存器中 DIN DOUT 芯片的數(shù)據(jù)輸入 輸出線 WE 低電平時(shí) 為寫入 高電平時(shí)為讀出 41 DRAM的工作過程 42 DRAM的刷新周期為2 8ms 因此需要專用的刷新電路 刷新時(shí)禁止進(jìn)行讀寫操作 43 一 存儲(chǔ)矩陣排列的兩種結(jié)構(gòu) 1 字節(jié)結(jié)構(gòu)方式 每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一個(gè)字節(jié) 每個(gè)字節(jié)包含8位二進(jìn)制信息 常用N 8形式描述 如ROM存儲(chǔ)器2732 其容量為4K 8位 2 位結(jié)構(gòu)方式 每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一個(gè)或幾個(gè)二進(jìn)制位 如SRAM存儲(chǔ)器2114 其容量為1K 4位 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器2164容量為64K 1位等 四 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 44 二 存儲(chǔ)器的位擴(kuò)展 字?jǐn)U展 位字?jǐn)U展 保證兩片同時(shí)選中 一次讀寫一個(gè)字節(jié) 每一個(gè)字節(jié)的8位分為兩個(gè)4位 存在兩個(gè)芯片中 45 8位數(shù)據(jù)線 46 保證兩片的地址連續(xù) 若第一片 0000H 1FFFH 第二片 2000H 3FFFH共16K 47 用兩片64K 8位的SRAM芯片構(gòu)成容量為128KB的存儲(chǔ)器 兩片芯片的地址范圍分別為 20000H 2FFFFH和30000H 3FFFFH 48 49 例 用2164構(gòu)成容量為128KB的內(nèi)存 首先進(jìn)行位擴(kuò)展 使用8片2164構(gòu)成容量為64KB的內(nèi)存模塊 兩個(gè)這樣的模塊進(jìn)行字?jǐn)U展 實(shí)現(xiàn)128KB容量 128KB的存儲(chǔ)容量需要17根數(shù)據(jù)線 故用A16進(jìn)行模塊選擇 節(jié) 50 5 3只讀存儲(chǔ)器 ROM 根據(jù)制造工藝不同 可分為ROM PROM EPROM E2PROM等幾類 51 一 EPROM是一種可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器 用紫外線擦除芯片內(nèi)的數(shù)據(jù) 用專用編程器寫入程序或數(shù)據(jù) EPROM2764芯片是一個(gè)8K 8bit的EPROM芯片 它共有28條引出線 包括13根地址線 8根數(shù)據(jù)線以及4根控制信號(hào)線 52 A0 Al2 13根地址信號(hào)線 地址信號(hào)編碼最大為213 即8192 8K 個(gè) D0 D7 8根數(shù)據(jù)線 VPP為編程電壓輸入端 當(dāng)對存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí) 根據(jù)要求接電壓12 5v 15v或21v 當(dāng)對存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作時(shí) 接高電平 53 2764芯片的地址范圍為70000H 71FFFH 0111 54 常用EPROM有2716 2K 8 2732 4K 8 2764 8K 8 27128 16K 8 27256 32K 8 27512 64K 8 27010 27020 27040等 上述存儲(chǔ)器容量不同 芯片管腳數(shù)可能不同 但主要區(qū)別在地址線的數(shù)目不同 其他控制信號(hào)一樣 55 56 二 E2PROM 可在線編程寫入掉電后內(nèi)容不丟失電可擦除 E2PROM芯片98C64A 57 工作方式 字節(jié)寫入 每一次寫入一個(gè)字節(jié)自動(dòng)頁寫入 每一次寫入一頁 1 32字節(jié) 字節(jié)擦除 一次擦除一個(gè)字節(jié) 寫入FF 片擦除 一次擦除整片 1 數(shù)據(jù)讀出 2 編程寫入 3 擦除 58 例 將一片98C64A接到系統(tǒng)總線上 使其地址范圍在3E000H 3FFFFH之間 編程將芯片的所有存儲(chǔ)單元寫入66H 59 程序1 延時(shí)等待 START MOVAX 3E00HMOVDS AXMOVSI 0000HMOVCX 2000HAGAIN MOVAL 66HMOV SI ALCALLDELAY15MS 調(diào)延時(shí)子程序INCSILOOPAGAINHLT 程序2 查詢狀態(tài) START MOVAX 3E00HMOVDS AXMOVSI 0000HMOVCX 2000HAGAIN MOVDX 2E0HWAIT INAL DXTESTAL 01HJZWAITMOV SI ALINCSILOOPAGAINHLT 60 三 閃存 通過向內(nèi)部控制寄存器寫入命令的方法來控制芯片的工作方式 61 1 地址線的連接 地址線數(shù)目取決于芯片的容量 2 數(shù)據(jù)線的連接 數(shù)據(jù)線的數(shù)目取決于芯片的位數(shù) 3 控制信號(hào)的連接 讀 寫 片選信號(hào) ROM只連 RD RAM連 RD和 WR 最小模式讀寫信號(hào)由CPU產(chǎn)生 最大模式由8288產(chǎn)生 片選信號(hào)由譯碼電路產(chǎn)生 含IO M信號(hào) 4 CPU與存儲(chǔ)器連接注意的問題 1 CPU總線的負(fù)載能力 2 CPU的時(shí)序與存儲(chǔ)器存取速度的配合 3 譯碼電路設(shè)計(jì) 地址分配和片選 4 位擴(kuò)展 字?jǐn)U展 位字?jǐn)U展 四 存儲(chǔ)器與CPU的連接 62 RAM地址 3E000H 3FFFFH ROM地址 3C000H 3DFFFH 63 8088最小模式下的原理圖 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 64 譯碼電路 ROM RAM 地址總線A0 A19低部分 數(shù)據(jù)總線D0 D7 IO M 地址總線A0 A19高部分 讀寫信號(hào)RD WR 65 用譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn) 66 2764芯片的地址范圍為70000H 71FFFH 0111 67 RAM地址 3E000H 3FFFFH ROM地址 3C000H 3DFFFH 68 應(yīng)用舉例 使用8088CPU最小系統(tǒng)提供的地址 數(shù)據(jù) 控制總線信號(hào)設(shè)計(jì)其存儲(chǔ)器系統(tǒng) 要求為 1 SRAM存儲(chǔ)器為6264 能夠存儲(chǔ)中斷向量 2 ROM為2764 在上電或復(fù)位后系統(tǒng)能夠自動(dòng)啟動(dòng) 2 6264為8K 8存儲(chǔ)器 由于要存儲(chǔ)中斷向量 依此可推出其地址應(yīng)從00000H開始 即范圍是 00000H 01FFFH 3 2764為8K 8存儲(chǔ)器 由于上電或復(fù)位后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)地址為FFFF0H開始 依此可推出其范圍是 FE000H FFFFFH 69 00000H 01FFFH 0000000000000000000000000001111111111111 A19 A16A15A13A12A11 A0 70 FE000H FFFFFH 1111111000000000000011111111111111111111 A19 A16A15A13A12A11 A0 節(jié) 71 5 4高速緩沖存儲(chǔ)器 一 CPU與普通內(nèi)存之間速度的差異 普通內(nèi)存的工作頻率遠(yuǎn)低于CPU的工作頻率 如PIII主頻為733MHZ的CPU 執(zhí)行一條指令需要時(shí)間1 35ns 而相配的SDRAM為7ns 二 解決速度差異 提高計(jì)算機(jī)性能的辦法 在基本周期中插入總線等待周期 CPU效率低 采用快速存儲(chǔ)器 價(jià)格高 在CPU與慢速的DRAM內(nèi)存之間插入速度快 容量較小的SRAM 即CACHE 72 三 CACHE的工作原理 1 程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性 程序 在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi) 由程序產(chǎn)生的內(nèi)存訪問地址往往集中在存儲(chǔ)器的一個(gè)很小范圍的地址空間內(nèi) 數(shù)據(jù) 對數(shù)組的存儲(chǔ)和訪問 內(nèi)存變量的安排使其地址相對集中 73 把在一段時(shí)間內(nèi)一定地址范圍中頻繁訪問的信息集合 成批地讀到一個(gè)能高速存取的小容量存儲(chǔ)器中存放起來 供程序在這段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)使用 從而減少或者不再去訪問內(nèi)存 加快程序的執(zhí)行時(shí)間 2 CACHE的原理 3 命中率 CPU在讀取指令或數(shù)據(jù)時(shí) 先在CACHE內(nèi)尋找 若能找到 稱為 命中 若找不到 則再去內(nèi)存中查找 稱為 未命中 并將有關(guān)指令或數(shù)據(jù)讀入CACHE 保證下次命中 CACHE的內(nèi)容不斷更新 74 CACHE容量與內(nèi)存的比例為1 128時(shí) 可以保證約90 的命中率 即90 情況下訪問CACHE 10 訪問內(nèi)存 3 CACHE容量的選擇 CACHE的命中率與CACHE的大小 替換算法 程序特性等因素有關(guān) 系統(tǒng)存儲(chǔ)器