微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)第五章

1、第五章第五章 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 一、存儲(chǔ)器的分類一、存儲(chǔ)器的分類 存儲(chǔ)器就是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的，程序和存儲(chǔ)器就是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的，程序和數(shù)據(jù)都是信息的表現(xiàn)形式。存儲(chǔ)器的容量越大，數(shù)據(jù)都是信息的表現(xiàn)形式。存儲(chǔ)器的容量越大，記憶的信息也就越多，計(jì)算機(jī)的功能也就越強(qiáng)。記憶的信息也就越多，計(jì)算機(jī)的功能也就越強(qiáng)。1.按照構(gòu)成存儲(chǔ)器的材料分類按照構(gòu)成存儲(chǔ)器的材料分類:半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器;磁存儲(chǔ)器磁存儲(chǔ)器;激光存儲(chǔ)器激光存儲(chǔ)器. 2.按照存儲(chǔ)器設(shè)在主機(jī)內(nèi)部還是外部可分為兩按照存儲(chǔ)器設(shè)在主機(jī)內(nèi)部還是外部可分為兩大類：內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱內(nèi)存，又稱主存儲(chǔ)器）大類：內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱內(nèi)存，又稱主存儲(chǔ)器）和外存儲(chǔ)器。

2、和外存儲(chǔ)器。內(nèi)存：內(nèi)存： 目前微機(jī)中作為內(nèi)存儲(chǔ)器的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，目前微機(jī)中作為內(nèi)存儲(chǔ)器的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其主要特點(diǎn)是采用大規(guī)模集成電路技術(shù)構(gòu)成單個(gè)其主要特點(diǎn)是采用大規(guī)模集成電路技術(shù)構(gòu)成單個(gè)芯片形式或者大容量的條形動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片形式或者大容量的條形動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器( (SIMM SIMM DRAM)DRAM)形式，因而使用方便，價(jià)格較低。形式，因而使用方便，價(jià)格較低。 a a讀寫存儲(chǔ)器讀寫存儲(chǔ)器RAM(Random Access Memory RAM(Random Access Memory 的種類：按工藝可分為雙極型和的種類：按工藝可分為雙極型和MOSMOS型兩大類。用型兩大類。用MOSMOS器件構(gòu)成

3、的器件構(gòu)成的RAMRAM，可分為靜態(tài)可分為靜態(tài)RAMRAM和動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)RAMRAM兩兩種。種。 b b只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM(Read Only Memory) ROM(Read Only Memory) 的的種類：種類：1 1）掩膜）掩膜ROMROM；2 2）可編程的只讀存儲(chǔ)器可編程的只讀存儲(chǔ)器PROMPROM；3 3）可擦除的可擦除的EPROMEPROM；4 4）電擦除的電擦除的EEPROMEEPROM；5 5）快快速擦寫存儲(chǔ)器速擦寫存儲(chǔ)器Flash Memory Flash Memory 又稱快閃存儲(chǔ)器又稱快閃存儲(chǔ)器外存外存: CPU要通過要通過I/O接口電路才能訪問的存接口電路才能

4、訪問的存儲(chǔ)器儲(chǔ)器, 存儲(chǔ)容量大存儲(chǔ)容量大,速度較低速度較低.又稱海量存儲(chǔ)又稱海量存儲(chǔ)器或二級(jí)存儲(chǔ)器。器或二級(jí)存儲(chǔ)器。 外存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前外存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。CPU不能直接用不能直接用指令對(duì)外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀指令對(duì)外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作，寫操作， 如要執(zhí)如要執(zhí)行外存儲(chǔ)器存放的程序，必須先將該程序行外存儲(chǔ)器存放的程序，必須先將該程序由外存儲(chǔ)器調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器。由外存儲(chǔ)器調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器。 在微機(jī)中常用在微機(jī)中常用硬磁盤、軟磁盤、光盤和磁帶作為外存儲(chǔ)硬磁盤、軟磁盤、光盤和磁帶作為外存儲(chǔ)器器。二、二、 存儲(chǔ)器件的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)器件的主要性能指標(biāo)（1）存儲(chǔ)容量）存儲(chǔ)容

5、量 ：存儲(chǔ)容量是存儲(chǔ)器的一個(gè)重要指標(biāo)。存儲(chǔ)容量是存儲(chǔ)器的一個(gè)重要指標(biāo)。存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，它一般存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，它一般是以能存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)乘以字長(zhǎng)表示的。即存儲(chǔ)容量是以能存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)乘以字長(zhǎng)表示的。即存儲(chǔ)容量=字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字長(zhǎng)如一個(gè)存儲(chǔ)器能存字長(zhǎng)如一個(gè)存儲(chǔ)器能存 4096 個(gè)字，字長(zhǎng)個(gè)字，字長(zhǎng) 16 位，則位，則存儲(chǔ)容量可用存儲(chǔ)容量可用 409616 表示。表示。 微型計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器幾乎都是以字節(jié)微型計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器幾乎都是以字節(jié)(8 位位)進(jìn)行編進(jìn)行編址的，址的， 也就是說總認(rèn)為一個(gè)字節(jié)是也就是說總認(rèn)為一個(gè)字節(jié)是“基本基本”的字長(zhǎng)，的字長(zhǎng)，所以常常只用

6、可能存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)來表示存儲(chǔ)容量。所以常常只用可能存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)來表示存儲(chǔ)容量。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)常常很大，如存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)常常很大，如 16 384、32 768、65 536，為了表示方便，常常以，為了表示方便，常常以 1024 為為 1 K，以以KB為為存儲(chǔ)容量的單位，這樣上述存儲(chǔ)容量的單位，這樣上述 3 個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量可分個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量可分別表示為別表示為 16 KB、32 KB和和64 KB。 返回本節(jié)返回本節(jié)（2）存取時(shí)間：）存取時(shí)間：存儲(chǔ)器的存取時(shí)間定義為存存儲(chǔ)器的存取時(shí)間定義為存儲(chǔ)器從接收到尋找存儲(chǔ)單元的地址碼開始，到儲(chǔ)器從接收到尋找存儲(chǔ)單元的地址碼開始，到它取出或存

7、入數(shù)據(jù)為止所需的時(shí)間。通常手冊(cè)它取出或存入數(shù)據(jù)為止所需的時(shí)間。通常手冊(cè)上給出這個(gè)參數(shù)的上限值，稱為最大存取時(shí)間。上給出這個(gè)參數(shù)的上限值，稱為最大存取時(shí)間。顯然，顯然， 它是說明存儲(chǔ)器工作速度的指標(biāo)。最它是說明存儲(chǔ)器工作速度的指標(biāo)。最大存取時(shí)間愈短，計(jì)算機(jī)的工作速度就愈快。大存取時(shí)間愈短，計(jì)算機(jī)的工作速度就愈快。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的最大存取時(shí)間為十幾半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的最大存取時(shí)間為十幾ns到幾百到幾百ns。（3）可靠性：可靠性：指存儲(chǔ)器對(duì)電磁場(chǎng)及溫度等變指存儲(chǔ)器對(duì)電磁場(chǎng)及溫度等變化的抗干擾性，化的抗干擾性， 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由于采用大規(guī)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由于采用大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)，可靠性高，平均無故障時(shí)間模集成電路

8、結(jié)構(gòu)，可靠性高，平均無故障時(shí)間為幾千小時(shí)以上。為幾千小時(shí)以上。 （4）功耗）功耗 （5）價(jià)格）價(jià)格三、存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)三、存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)A0A1An-1 數(shù)據(jù)線 R/W CE OE地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣三態(tài)雙向緩沖器存儲(chǔ)控制邏輯四、四、 隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM） 1 2 31 32 1 2 31 32 讀/寫 選片 輸入 A5 A6 A7 A8 A9 1 2 31 32 1 2 31 32 32321024 存儲(chǔ)單元 譯碼器 地址反相器 A0A1A2A3A4 驅(qū)動(dòng)器 I/O 電路 Y 譯碼器 地址反相器 控制 電路 輸出 驅(qū)動(dòng) 1靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu) NC A12 A7 A6 A5

9、A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND VCC WE CS2A8 A9 A11 OE A10 CS D7 D6 D5 D4 D3 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 返回本節(jié)返回本節(jié)SRAM芯片實(shí)例芯片實(shí)例常用典型的常用典型的SRAM芯片有芯片有6116、6264、62256等。等。地址線地址線A0-A12，可尋址可尋址8K單元。單元。數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線D0-D7，連接數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)線的低八位。的低八位。 控制線：片選線控制線：片選線CS，CS2。只有當(dāng)其同時(shí)有效時(shí)，才產(chǎn)

10、只有當(dāng)其同時(shí)有效時(shí)，才產(chǎn)生有效片選。生有效片選。OE為讀信號(hào)；為讀信號(hào)；WE為寫信號(hào)。為寫信號(hào)。均為低電平有效信號(hào)均為低電平有效信號(hào)。 62646264真值表 2連接使用連接使用 (1) 全地址譯碼方式 D0D7A0A12M EM WM EM RA19A18A17A16D0D7A0A12W EC S2 5VOE&111A15A14A13C S18088系統(tǒng)B US 另一種譯碼器另一種譯碼器 A19A18A17A16A15A14A1311CS1(2) 部分地址譯碼方式 分析下圖所示的連接圖，可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的8KB芯片6264所占據(jù)的內(nèi)存地址空間為: DA000HDBFFFH DE000H

11、DFFFFH FA000HFBFFFH FE000HFFFFFH SRAM6264的部分地址譯碼連接的部分地址譯碼連接 D0D7A0A1MEMWMEMRA19A18A16A15D0D7A0A1WECS2OE&A13CS18088系統(tǒng)BUSA12A1212動(dòng)態(tài)DRAM實(shí)例 NC DIN WE RAS A0 A2 A1 GND VCC CAS DOUT A6 A3 A4 A5 A7 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 2164 由于集成度高，DRAM芯片價(jià)格便宜。雖然需要外部附加動(dòng)態(tài)刷新電路，但其在使用數(shù)量很大時(shí)，總體價(jià)格仍較SRAM便宜，加上其功

12、耗低， 所以常用于一般內(nèi)存。而SRAM由于速度快，多用于使用數(shù)量較少的高速緩沖存儲(chǔ)器和小型的存儲(chǔ)器應(yīng)用系統(tǒng)中。 類別 記憶元件 電路 集成度 功耗 存取速度 價(jià)格 刷新 SRAM 觸發(fā)器 復(fù)雜 低 大 快 高 否 DRAM 電容 簡(jiǎn)單 高 小 慢 低 要 3、幾種新型的、幾種新型的RAM 技術(shù)及芯片類型技術(shù)及芯片類型1ECC RAM2EDO RAM和突發(fā)模式 RAM3同步RAM（Synchronous RAM，簡(jiǎn)稱SDRAM）4高速緩沖存儲(chǔ)器RAM5RAMBUS內(nèi)存6DDR SDRAM7Virtual Channel Memory（VCM）8SLDRAM（Synchnonous Link DR

13、AM）返回本節(jié)返回本節(jié)五、五、 只讀存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器（ROM）1 掩膜ROM2.一次性編程的一次性編程的PROM3 可擦除可編程的可擦除可編程的ROM（EPROM）4 電可擦可編程ROM(EEPROM)返回本章首頁返回本章首頁 3.可擦除可編程的ROM-EPROM A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GND VCC A8 A9 VPP OE A10 CE O7 O6 O5 O4 O3 1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 返回本節(jié)返回本節(jié)27162716的工作方式的工作方式

14、引腳方式CE/PGM OE VPP O7-O0讀出 L L +5V程序讀出未選中 H X +5V 高阻編程 正脈沖 H +25V 程序?qū)懭氤绦驒z驗(yàn) L L +25V 程序讀出編程停止 L H +25V 高阻 4 、 電可擦可編程電可擦可編程ROM(EEPROM)1.Intel 2817的基本特點(diǎn) R/BNC A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND VCC WE NC A8 A9 NC OE A10 CE D7 D6 D5 D4 D3 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 1

15、3 16 14 15 2Intel 2817的工作方式返回本節(jié)返回本節(jié)六、六、 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展存儲(chǔ)器的擴(kuò)展位擴(kuò)展位擴(kuò)展字?jǐn)U展字?jǐn)U展字位同時(shí)擴(kuò)展字位同時(shí)擴(kuò)展21141KX421141KX4A0A9CSWE D0 D1 D2 D3D4 D5 D6 D7位擴(kuò)展組成64KRAM2：4譯碼器CE16KX8WECE16KX8WECE16KX8WECE16KX8WEA15A14A13A0WED0-D7字?jǐn)U展組成64KRAM七、七、CPU與存儲(chǔ)器的連接時(shí)應(yīng)注意的問題與存儲(chǔ)器的連接時(shí)應(yīng)注意的問題CPU總線的帶負(fù)載能力總線的帶負(fù)載能力n存儲(chǔ)器的組織、地址分配與片選存儲(chǔ)器的組織、地址分配與片選問題問題nCPU的時(shí)序與

16、存儲(chǔ)器的存取速度的時(shí)序與存儲(chǔ)器的存取速度之間的配合之間的配合返回本節(jié)返回本節(jié)2 存儲(chǔ)器片選信號(hào)的產(chǎn)生方存儲(chǔ)器片選信號(hào)的產(chǎn)生方式和譯碼電路式和譯碼電路 片選信號(hào)的產(chǎn)生方式片選信號(hào)的產(chǎn)生方式（1）線選方式（線選法）線選方式（線選法）（2）局部譯碼選擇方式（部分譯）局部譯碼選擇方式（部分譯碼法）碼法）（3）全局譯碼選擇方式（全譯碼）全局譯碼選擇方式（全譯碼法）法）存儲(chǔ)地址譯碼電路存儲(chǔ)地址譯碼電路74LS138經(jīng)常用來作為存儲(chǔ)器的譯碼電路。 A B C G2A G2B G1 Y7 GND VCC Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7

17、10 8 9 微機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)及高速緩存技術(shù)微機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)及高速緩存技術(shù)n一、微機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)一、微機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)n1 1、層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)、層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)n 通過硬件和管理軟件把各種不同通過硬件和管理軟件把各種不同速度、不同容量、不同存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)速度、不同容量、不同存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)器設(shè)備組成一個(gè)既有足夠大的空間、又器設(shè)備組成一個(gè)既有足夠大的空間、又能保證滿足能保證滿足CPUCPU存取速度要求而且價(jià)格合存取速度要求而且價(jià)格合適的整體，這樣的存儲(chǔ)器具有最好的性適的整體，這樣的存儲(chǔ)器具有最好的性價(jià)比。價(jià)比。 SRAM的速度快但集成度不高，的速度快

18、但集成度不高，DRAM的速度慢但集成度高，是構(gòu)成內(nèi)存的主的速度慢但集成度高，是構(gòu)成內(nèi)存的主要存儲(chǔ)器形式。所以在層次化的存儲(chǔ)器要存儲(chǔ)器形式。所以在層次化的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中，將使用最頻繁的但容量不太大結(jié)構(gòu)中，將使用最頻繁的但容量不太大的程序和數(shù)據(jù)放在的程序和數(shù)據(jù)放在Cache中，經(jīng)常使用中，經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，不太常用并的程序和數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，不太常用并容量大的程序和數(shù)據(jù)放在輔助存儲(chǔ)器中，容量大的程序和數(shù)據(jù)放在輔助存儲(chǔ)器中，為使它們協(xié)調(diào)工作，采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)為使它們協(xié)調(diào)工作，采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與輔助存儲(chǔ)器的映射；采用高實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與輔助存儲(chǔ)器的映射；采用高速緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)速緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)Ca

19、che和內(nèi)存之間的映和內(nèi)存之間的映射。射。2 2、內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)、內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu) 微機(jī)系統(tǒng)所能配置的最大內(nèi)存容量決微機(jī)系統(tǒng)所能配置的最大內(nèi)存容量決定于定于CPUCPU的地址線的總數(shù)，的地址線的總數(shù)，80868086有有2020根地根地址線，其最大內(nèi)存容量為址線，其最大內(nèi)存容量為1 1MBMB；8028680286有有2424根地址線，其最大內(nèi)存容量為根地址線，其最大內(nèi)存容量為1616MBMB；80386/486/Pentium3280386/486/Pentium32根地址線，其最大根地址線，其最大內(nèi)存容量為內(nèi)存容量為4 4GBGB；Pentium Pro36Pentium Pro36根地址根

20、地址線，其最大內(nèi)存容量為線，其最大內(nèi)存容量為6464GBGB。 盡管微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存基本由盡管微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存基本由DRAMDRAM構(gòu)成，構(gòu)成，但為便于軟件開發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)，一般分但為便于軟件開發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)，一般分為基本內(nèi)存區(qū)；高端內(nèi)存區(qū)；擴(kuò)充內(nèi)存為基本內(nèi)存區(qū)；高端內(nèi)存區(qū)；擴(kuò)充內(nèi)存區(qū)；擴(kuò)展內(nèi)存區(qū)。區(qū)；擴(kuò)展內(nèi)存區(qū)。IBM PC/XT存儲(chǔ)空間的分配存儲(chǔ)空間的分配 RAM 640KB 保留 128KB ROM 256KB 00000H 9FFFFH A0000H BFFFFH C0000H EFFFFH F6000H FFFFFH 系統(tǒng)板上RAM 256KB I/O通道中的 擴(kuò)展RAM 384KB 保留的RAM 128KB 擴(kuò)展ROM 198BK 16KB 基本ROM40KB 返回本節(jié)返回本節(jié)3、16位機(jī)位機(jī)32位機(jī)的內(nèi)存組織位機(jī)的內(nèi)存組織 二、微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)二、微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù) 依照速度的遞減方向依照速度的遞減方向(容量的遞增容量的遞增)如下如下:CPU寄存器寄存器內(nèi)部