存儲(chǔ)系統(tǒng)課件

存儲(chǔ)系統(tǒng)

概述6.1.1存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu) 教學(xué)進(jìn)程6.1存儲(chǔ)器分類表:存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器

隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)

只讀存儲(chǔ)器(ROM)

雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器MOS存儲(chǔ)器（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM，EEPROM掩膜型只讀存儲(chǔ)器MROM輔助存儲(chǔ)器

磁盤(軟盤、硬盤、盤組)存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的分類●按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類：（1）高速緩沖存儲(chǔ)器：

★cache是解決存取速度的重要方法;

★在CPU和主存中間設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器，

★構(gòu)成高速緩存（cache）-主存層次，要求cache在速度上能跟得上CPU的要求。（2）內(nèi)存儲(chǔ)器：主存或內(nèi)存。

★它具有與CPU相匹配的存取速度，

★

CPU與主存可以直接交換數(shù)據(jù)。（3）外存儲(chǔ)器：輔存或外存。位于主機(jī)之外，

★具有較大容量，存取速度相對(duì)較慢。教學(xué)進(jìn)程6.1.2存儲(chǔ)器的分類教學(xué)進(jìn)程

●按存取方式分類：

（1）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM:可隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器中的任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，且讀寫時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。（2）只讀存儲(chǔ)器ROM:ROM在制作時(shí)將信息寫入，其后所存儲(chǔ)的內(nèi)容只能讀出而不能寫入。（3）順序存取存儲(chǔ)器SAM:SAM所存儲(chǔ)的字或記錄塊按順序存放和讀出。信息記錄格式以記錄塊（或數(shù)據(jù)塊）為單位，加上間隔和標(biāo)志區(qū)順序排列若干記錄塊組成記錄文件。（4）直接存取存儲(chǔ)器DAM:DAM是在存取信息時(shí)先指向存儲(chǔ)器中的一個(gè)小的區(qū)域（如磁盤上的一個(gè)磁道），然后再在這一小區(qū)內(nèi)進(jìn)行順序檢索。它是順序存取和隨機(jī)存取的結(jié)合。6.1.26.1.2

●按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：

（1）磁介質(zhì)存儲(chǔ)器:用磁性材料制造的存儲(chǔ)器。如磁盤、磁帶等。優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)容量大、成本低、存儲(chǔ)信息不易丟失缺點(diǎn)：體積大、存取速度慢。（2）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器:用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。優(yōu)點(diǎn)：集成度高、體積小、容量大、存取速度快。（3）光存儲(chǔ)器:

由激光束在光盤的表面形成不同的刻痕而保存信息，讀出時(shí)用激光束照射盤面，依靠盤面反射光強(qiáng)度的不同來讀取信息。教學(xué)進(jìn)程存儲(chǔ)器的分類(續(xù)）6.1.2

●按信息的可保存性分類：

（1）易失性存儲(chǔ)器:

斷電后所存信息消失。半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM是易失性存儲(chǔ)器。（2）非易失性存儲(chǔ)器

:

斷電后仍然可以保存原來存儲(chǔ)的信息而不丟失。而磁帶和磁盤等磁表面存儲(chǔ)器，屬非易失性存儲(chǔ)器。教學(xué)進(jìn)程存儲(chǔ)器的分類(續(xù)）存儲(chǔ)器的基本組成1.

內(nèi)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元教學(xué)進(jìn)程6.1.3

位:二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。存儲(chǔ)字:一個(gè)二進(jìn)制數(shù)由若干位組成，當(dāng)這個(gè)二進(jìn)制數(shù)作為一個(gè)整體存入或取出時(shí)這個(gè)二進(jìn)制數(shù)稱為存儲(chǔ)字。存儲(chǔ)單元或內(nèi)存單元:存放存儲(chǔ)字的內(nèi)存空間存儲(chǔ)體:大量存儲(chǔ)單元的集合構(gòu)成在大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存是以字節(jié)為單位編址的。RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器

RAM存儲(chǔ)器包括教學(xué)進(jìn)程6.2MOS型RAM又分雙極型RAM:速度很快、功耗大容量小MOS型RAM:功耗小、容量大（靜態(tài)MOS除外）靜態(tài)RAM，即SRAM:依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機(jī)制存儲(chǔ)信息。功耗較大,速度快,作Cache。動(dòng)態(tài)RAM，即DRAM:依靠電容存儲(chǔ)電荷的原理存儲(chǔ)信息。功耗較小,容量大,速度較快,作主存。1.六管單元（1）組成T1、T3：MOS反相器Vcc觸發(fā)器T3T1T4T2T2、T4：MOS反相器T5T6T5、T6：控制門管ZZ：字線，選擇存儲(chǔ)單元位線，完成讀/寫操作WWW、W：（2）定義“1”：T1導(dǎo)通，T2截止；“0”：T1截止，T2導(dǎo)通。6.2.1

靜態(tài)RAM

1.六管靜態(tài)存儲(chǔ)電路Z:加高電平,T5,T6導(dǎo)通,選中該單元。（4）保持

只要電源正常，保證向?qū)ü芴峁╇娏?，便能維持一管導(dǎo)通，另一管截止的狀態(tài)不變，稱靜態(tài)。VccT3T1T4T2T5T6ZW寫入：寫1:在W、W上分別加低高電平，

T1導(dǎo)通（充電）、T2截止（放電）寫0：在W、W上分別加高低電平，

T2導(dǎo)通（充電）、T1截止（放電）讀出：位線上加高電平若原存“1”，則T1導(dǎo)通，W線產(chǎn)生負(fù)脈沖。若原存“0”，則T2導(dǎo)通，W線產(chǎn)生負(fù)脈沖。Z：加低電平，T5、T6截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀出后不需重寫。W6.2.1

靜態(tài)RAM

1.六管靜態(tài)存儲(chǔ)電路++--字線位線

寫1:使位線為低電平，若CS上無電荷,則VDD向CS充電；若CS上有電荷,則CS無充放電動(dòng)作。寫0:使位線為高電平，若CS上無電荷,則CS無充放電動(dòng)作，

若CS上有電荷,則CS把所存電放完。讀操作:首先使位線充電至高電平,當(dāng)字線來高電平后,T導(dǎo)通，

①若CS上無電荷,則位線上無電位變化(讀出為0)；

②

若CS上有電荷則會(huì)放電,并使位線電位由高變低，接在位線上的讀出放大器會(huì)感知這種變化,讀出為1。高，T導(dǎo)通，低，T截止。VDDCS柵極T源極漏極動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器讀寫原理充電放電通過電容CS有無存儲(chǔ)電荷來區(qū)分信號(hào)0、1動(dòng)態(tài)RAM1.單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路

6.2.2++--VDDCS字線位線T

寫1：使位線為低電平，高，T導(dǎo)通，低，T截止。低若CS上無電荷，則VDD向CS充電；把1信號(hào)寫入了電容CS中。若CS上有電荷，則CS

的電荷不變，保持原記憶的1信號(hào)不變。++--VDDCS字線位線T高，T導(dǎo)通，低，T截止。高寫0：使位線為高電平，若CS上有電荷，則CS通過T放電；若CS上無電荷，則CS無充放電動(dòng)作，保持原記憶的0信號(hào)不變。把0信號(hào)寫入了電容CS中。當(dāng)字線變高電平后，單管單元的優(yōu)點(diǎn):線路簡(jiǎn)單，單元占用面積??；速度快。單管單元的缺點(diǎn)：讀出是破壞性的，故讀出后要立即對(duì)單元進(jìn)行“重寫”，以恢復(fù)原信息；單元讀出信號(hào)很小，要求有高靈敏度的讀出放大器。動(dòng)態(tài)RAM1.單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路

6.2.2動(dòng)態(tài)RAM的刷新1.刷新方式教學(xué)進(jìn)程6.2.3動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)單元實(shí)質(zhì)上是依靠T1管柵極電容的充放電原理來保存信息的。時(shí)間一長(zhǎng)，電容上所保存的電荷就會(huì)泄漏，造成了信息的丟失。在動(dòng)態(tài)RAM的使用過程中，必須定時(shí)和及時(shí)地向保存“1”的那些存儲(chǔ)單元補(bǔ)充電荷，以維持信息的存在。這一充電過程稱為再生或動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新操作。刷新不是按字處理，而是每次刷新一行，即為連接在同一行上所有存儲(chǔ)單元的電容補(bǔ)充一次能量。ROM只讀存儲(chǔ)器

教學(xué)進(jìn)程6.3

在制作時(shí)不寫入任何信息，但允許用戶利用專門的設(shè)備（編程器）寫入自己的程序，寫入是一次性的。寫入后，其內(nèi)容將無法改變。

雙極型PROM有兩種結(jié)構(gòu):●

一種是熔絲燒斷型;6.3.2可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）熔絲式PROM，用戶編程時(shí)，靠專用寫入電路產(chǎn)生脈沖電流，來燒斷指定的熔絲，以達(dá)到寫入“1”的目的。對(duì)PROM來講，這個(gè)寫入的過程稱之為固化程序。這種ROM器件只能固化一次程序，數(shù)據(jù)寫入后，就不能再改變了。位線字線vcc存儲(chǔ)原理:(二極管破壞型PROM為例)

這種PROM存儲(chǔ)器在出廠時(shí)，存儲(chǔ)體中每條字線和位線的交叉處都是兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管的PN結(jié)，字線與位線之間不導(dǎo)通，此時(shí)，意味著該存儲(chǔ)器中所有的存儲(chǔ)內(nèi)容均為“1”。如果用戶需要寫入程序，則要通過專門的PROM寫入電路，產(chǎn)生足夠大的電流把要寫入“1”的那個(gè)存儲(chǔ)位上的二極管擊穿，造成這個(gè)PN結(jié)短路，只剩下順向的二極管跨連字線和位線，這時(shí)，此位就意味著寫入了“1”。讀出的操作同掩模ROM。

●一種是PN結(jié)擊穿型ROM只讀存儲(chǔ)器

6.36.3.2可編程的只讀存儲(chǔ)器（PROM）A0A1…AN-1CSD0…DM-1RDWR2N＊M位存儲(chǔ)器芯片的邏輯框圖存儲(chǔ)器的邏輯表示存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與控制

6.4.1常用的譯碼電路●連線:地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)，主存容量2k字字長(zhǎng)n位CPUMARMDR地址總線k位

數(shù)據(jù)總線n位ReadWriteMFC1.內(nèi)存和CPU之間的硬連接

教學(xué)進(jìn)程6.4●把內(nèi)存看作一個(gè)黑盒子，存儲(chǔ)器地址寄存器(MAR)

和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）是內(nèi)存和CPU之間的接口。

地址譯碼器的作用就是用來接受CPU送來的地址信號(hào)并對(duì)它進(jìn)行譯碼，選擇與此地址碼相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，以便對(duì)該單元進(jìn)行讀／寫操作。存儲(chǔ)器地址譯碼有兩種方式，通常稱為單譯碼與雙譯碼。

(1)單譯碼單譯碼方式又稱字結(jié)構(gòu)，適用于小容量存儲(chǔ)器。

(2)雙譯碼

在雙譯碼結(jié)構(gòu)中，將地址譯碼器分成兩部分，即行譯碼器(又叫X譯碼器)和列譯碼器(又叫Y譯碼器)。X譯碼器輸出行地址選擇信號(hào)，Y譯碼器輸出列地址選擇信號(hào)。行列選擇線交叉處即為所選中的內(nèi)存單元，這種方式的特點(diǎn)是譯碼輸出線較少。6.4.12.譯碼電路

常用的譯碼電路譯碼器A5A4A3A2A1A06301存儲(chǔ)單元64個(gè)單元行譯碼A2A1A0710列譯碼A3A4A501764個(gè)單元單譯碼雙譯碼單譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼可簡(jiǎn)化芯片設(shè)計(jì)主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)74LS138引腳74LS138經(jīng)常用來作為存儲(chǔ)器的譯碼電路。G2AG2BG1CBAY7～Y0有效輸出00100011111110Y000100111111101Y100101011111011Y200101111110111Y300110011101111Y400110111011111Y500111010111111Y600111101111111Y7其他值×××11111111無效74LS138的真值表

1個(gè)存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長(zhǎng)方面與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有很大差距，所以需要在字向和位向進(jìn)行擴(kuò)充才能滿足需要?；靖拍睿?）位擴(kuò)展：容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。例：用2K*1位的芯片組成2K*8位的系統(tǒng)2）字?jǐn)U展：數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。例：用2K*8位的芯片組成8K*8位的系統(tǒng)3）字位擴(kuò)展：數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求，都需進(jìn)行擴(kuò)展。例：用2K*8位的芯片組成8K*16位的系統(tǒng)4）擴(kuò)充芯片總數(shù)的計(jì)算方法：需要芯片數(shù)=位擴(kuò)充數(shù)×字節(jié)擴(kuò)充數(shù)6.4.1常用的譯碼電路位擴(kuò)展:

容量滿足要求，需對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展。位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)充。擴(kuò)展方法:位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲(chǔ)器的地址、片選CS、讀寫控制端R／W相應(yīng)并聯(lián)；數(shù)據(jù)端分別引出。6.4.2內(nèi)存容量擴(kuò)充1.位擴(kuò)展[例1]用16K*4位的芯片組成16K*8位的系統(tǒng)所需芯片數(shù)量=16K*8位16K*4位=1*2=2片[例2]用64K*1位的芯片組成64K*8位的系統(tǒng)字?jǐn)U展:

數(shù)據(jù)位滿足要求，需對(duì)地址空間進(jìn)行擴(kuò)展。字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量。擴(kuò)展方法:將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián)；由片選信號(hào)來區(qū)分各芯片的地址范圍。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器一般不設(shè)置CS端，但可用RAS端來擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。只有當(dāng)RAS由“1”變“0”時(shí)，才會(huì)激發(fā)出行時(shí)鐘，存儲(chǔ)器才會(huì)工作。6.4.2內(nèi)存容量擴(kuò)充2.字?jǐn)U展[例3]所需芯片數(shù)量=64K*8位16K*8位=4*1=4片16K*8位靜態(tài)芯片組成64K*8位存儲(chǔ)器2:4最低地址最高地址C000FFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111111114最低地址最高地址8000BFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111110103最低地址最高地址40007FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111101012最低地址最高地址00003FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111100001說明總地址片內(nèi)A13A12……..A1A0選片A15A14地址片號(hào)地址空間分配表6.4.2內(nèi)存容量擴(kuò)充字位擴(kuò)展3.字位擴(kuò)展:

數(shù)據(jù)位和地址空間均不能滿足系統(tǒng)要求，都需進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展方法:先位擴(kuò)展，再字?jǐn)U展；位擴(kuò)展先確定每組芯片的數(shù)量，該組芯片具有整個(gè)

M要求的位數(shù)；字?jǐn)U展確定所需芯片的組數(shù)；位擴(kuò)展和字?jǐn)U展時(shí)應(yīng)遵循各自的連接規(guī)則[例4]所需芯片數(shù)量=4K*8位1K*4位=4*2=8片利用2114芯片（1K*4位）組成4K*8位存儲(chǔ)器字?jǐn)U展位擴(kuò)展1‘1“2‘3‘4‘2“3“4“地址范圍的確定組數(shù)A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000…10..10…10..10…10..10…10..10…10..12010…10..10…10..10…10..10…10..10…10..13100…10..10…10..10…10..10…10..10…10..14110…10..10…10..10…10..10…10..10…10..1地址范圍000H-3FFH400H-7FFH800H-BFFHC00H-FFFH主要有以下三部分連接：

1）地址線的連接

2）數(shù)據(jù)線的連接

3）控制線的連接在連接中要考慮的問題有以下幾個(gè)方面：1）CPU總線的負(fù)載：

CPU自已能帶一個(gè)TTL負(fù)載，大系統(tǒng)要加上緩沖器。2）CPU的時(shí)序和存儲(chǔ)器的存取速度之間的配合問題是否需要TW3）存儲(chǔ)器的地址分配和選片問題：內(nèi)存分為RAM、ROM，RAM又分為數(shù)據(jù)區(qū)、程序區(qū)，各個(gè)部分如何區(qū)分4）控制信號(hào)的連接：RD，WR，IO/M如何配合控制芯片內(nèi)存和CPU之間的連接

一片存儲(chǔ)芯片的容量有限，因此存儲(chǔ)器往往由許多存儲(chǔ)芯片組成，各存儲(chǔ)芯片是否被選中，被選中的芯片的某個(gè)單元是否被選中，由“片選”和“字選”信號(hào)決定。片選：CPU訪問內(nèi)存時(shí)，選中的構(gòu)成一個(gè)字節(jié)所必須訪問的存儲(chǔ)芯片的信號(hào)。字選：對(duì)被選中的存儲(chǔ)芯片，選中其中的某個(gè)存儲(chǔ)單元，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。因此，對(duì)地址的譯碼分為：

高位地址參加片選；低位地址參加字選（片內(nèi)尋址）內(nèi)存和CPU之間的連接

片選信號(hào)的產(chǎn)生

產(chǎn)生片選信號(hào)有三種方法：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。

線選法用高位地址線直接作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)，每一根地址線的兩種狀態(tài)選通二組芯片。它通常用于所用存儲(chǔ)芯片數(shù)量不多，而CPU尋址空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存儲(chǔ)器實(shí)際容量的情況。線選法，使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。[例]用2114芯片（1K*4位）組成4K*8位的RAM系統(tǒng)（1）計(jì)算出所需的芯片數(shù)（2）構(gòu)成數(shù)據(jù)總線所需的位數(shù)和系統(tǒng)所需的容量（3）控制線，數(shù)據(jù)線，地址線的連接：線選方式局部譯碼選擇方式全局譯碼選擇方式解：（1）芯片總數(shù)=4*2=8片用2114芯片組成4KRAM線選控制譯碼結(jié)構(gòu)圖1、線選方式線選方式地址分布A15A14A13A12A11A10A9…A0地址分布0011100…

01…

1第一組：3800H~3BFFH0011010…

01…

1第二組：3400H~07FFH0010110…

01…

1第三組：2C00H~2FFFH0001110…

01…

1第四組：1C00H~1FFFH線選法特點(diǎn)：1）線路簡(jiǎn)單，節(jié)省譯碼器；

2）易產(chǎn)生地址沖突；

例：A13A12A11A10=0000時(shí)

3）適合只有2組芯片的系統(tǒng)；用2114芯片組成4KRAM局部譯碼結(jié)構(gòu)圖2、局部譯碼局部譯碼特點(diǎn)：1）易產(chǎn)生地址重疊；局部譯碼地址分布A15A14A13A12A11A10A9…A0

000…

01…

1

010…

01…

1

100…

01…

1

110…

01…1局部譯碼特點(diǎn)：易產(chǎn)生地址重疊

例：無論A15A14A13A12為何值，均可選中M中的一個(gè)單元?！?.M0000H1000H2000HF000H全地址譯碼法用全部的高位地址線（空閑的地址線）通過譯碼器編碼產(chǎn)生片選信號(hào)。全地址譯碼時(shí)，存儲(chǔ)器的地址是連續(xù)且惟一的，即無地址間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。高位地址線（空閑地址線）中的一部分用來參加譯碼，產(chǎn)生片選信號(hào)。該方法常用于不需全部地址空間的尋址能力，但采用線選法地址線又不夠的情況。該方法也會(huì)使存儲(chǔ)器的地址存在間斷現(xiàn)象和地址重疊現(xiàn)象。局部地址譯碼法用2114芯片組成4KRAM全局譯碼結(jié)構(gòu)圖3、全局譯碼全局譯碼地址分布A15A14A13A12A11A10A9…A0地址分布0000000…

01…

1第一組：0000H~03FFH0000010…

01…

1第二組：0400H~07FFH0000100…

01…

1第三組：0800H~0BFFH0000110…

01…

1第四組：0C00H~0FFFH全局譯碼特點(diǎn)：1）每個(gè)單元的地址是唯一的；2）各芯片組之間不存在地址重疊和地址沖突問題；Cache高速緩沖存儲(chǔ)器6.5.1高速緩存工作原理●程序訪問的局部