微處理器第五章存儲器

自動化工程學(xué)院測試技術(shù)及儀器研究所肖寅東E-mail:xydarcher@TELE動化工程學(xué)院微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計2023/2/42/32第五章存儲器系統(tǒng)5.1存儲器件的分類5.2半導(dǎo)體存儲芯片5.3存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

存儲系統(tǒng)的分層管理現(xiàn)代計算機(jī)的多級存儲體系

5.4主存儲器設(shè)計技術(shù)

存儲芯片選型存儲芯片的組織形式地址譯碼技術(shù)

存儲器接口設(shè)計決定芯片片選信號的實現(xiàn)兩級譯碼；全譯碼、部分譯碼、線譯碼；固定、可變存儲介質(zhì)(存儲原理)、讀寫策略(存取方式)容量擴(kuò)展；基本結(jié)構(gòu)（RAM、ROM）、性能指標(biāo)并行、多端口、聯(lián)想（改善主存的訪問速度和吞吐量）2023/2/43/3274LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY700010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOW&端口譯碼電路練習(xí):分析圖中74LS138各輸出端的譯碼

地址范圍。2023/2/44/32第五章習(xí)題作業(yè)：10~17思考：1~9自動化工程學(xué)院測試技術(shù)及儀器研究所肖寅東E-mail:xydarcher@TELE動化工程學(xué)院測試技術(shù)及儀器研究所肖寅東E-mail:xydarcher@TELE五章結(jié)束2023/2/46/32不同的存儲原理雙極型：

MOS型掩膜ROM一次性可編程PROM紫外線可擦除EPROM電可擦除E2PROM快閃存儲器FLASH易失性存儲器非易失性存儲器靜態(tài)SRAM動態(tài)DRAM存取速度快，但集成度低，一般用于大型計算機(jī)或高速微機(jī)的Cache；速度較快，集成度較低，一般用于對速度要求高、而容量不大的場合（Cache）集成度較高但存取速度較低，一般用于需較大容量的場合（主存）。半導(dǎo)體存儲器磁介質(zhì)存儲器磁帶、軟磁盤、硬磁盤（DA、RAID）光介質(zhì)存儲器只讀型、一次寫入型、多次寫入型2023/2/47/32不同的讀寫策略數(shù)據(jù)訪問方式并行存儲器

(ParallelMemory)串行存儲器

(SerialMemory)數(shù)據(jù)存取順序隨機(jī)存?。ㄖ苯哟嫒。┛砂吹刂冯S機(jī)訪問；訪問時間與地址無關(guān)；順序存取

(先進(jìn)先出)FIFO、隊列(queue)堆棧存儲先進(jìn)后出(FILO)/后進(jìn)先出(LIFO)；向下生成和向上生成；實棧頂SS、堆棧指針SP；2023/2/48/32堆棧的生成方式2023/2/49/32靜態(tài)RAM的六管基本存儲單元集成度低，但速度快，價格高，常用做Cache。T1和T2組成一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于保存數(shù)據(jù)。T3和T4為負(fù)載管。如A點為數(shù)據(jù)D，則B點為數(shù)據(jù)/D。T1T2ABT3T4+5VT5T6行選擇線有效（高電平）時，A、B處的數(shù)據(jù)信息通過門控管T5和T6送至C、D點。行選擇線CD列選擇線T7T8I/OI/O列選擇線有效（高電平）時，C、D處的數(shù)據(jù)信息通過門控管T7和T8送至芯片的數(shù)據(jù)引腳I/O。2023/2/410/32動態(tài)RAM的單管基本存儲單元集成度高，但速度較慢，價格低，一般用作主存。行選擇線T1B存儲電容CA列選擇線T2I/O電容上存有電荷時，表示存儲數(shù)據(jù)A為邏輯1；行選擇線有效時，數(shù)據(jù)通過T1送至B處；列選擇線有效時，數(shù)據(jù)通過T2送至芯片的數(shù)據(jù)引腳I/O；為防止存儲電容C放電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，必須定時進(jìn)行刷新；動態(tài)刷新時行選擇線有效，而列選擇線無效。（刷新是逐行進(jìn)行的。）刷新放大器2023/2/411/32內(nèi)存儲器與并行總線的接口地址譯碼主存儲器微處理器或總線接口

AB地址鎖存RD/WR片選控制低位AB高位ABIO//M一、數(shù)據(jù)線：如果考慮總線負(fù)載問題，可加接數(shù)據(jù)收發(fā)器。二、讀寫控制線：考慮有效電平。字選：系統(tǒng)地址總線中的低位地址線直接與各存儲芯片的地址線連接。 所需低位地址線的數(shù)目N與存儲芯片容量L的關(guān)系：L＝2N。片選：系統(tǒng)地址總線中余下的高位地址線經(jīng)譯碼后用做不同存儲芯片 的片選。通常IO//M信號也參與片選譯碼。三、地址線：字選＋片選。DB數(shù)據(jù)緩沖通常都由多片存儲芯片構(gòu)成11/422023/2/412/32讀寫控制邏輯R/WCE數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…RAM芯片的組成與結(jié)構(gòu)（一）該RAM芯片外部共有地址線L根，數(shù)據(jù)線N根；該類芯片內(nèi)部采用單譯碼（字譯碼）方式，基本存儲單元排列成M*N的長方矩陣，且有M=2L的關(guān)系成立；字線0字線M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址譯碼器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位線0位線N-1存儲芯片容量標(biāo)為“M*N”（bit）D0DN-1地址線數(shù)據(jù)線控制線2023/2/413/32RAM芯片的組成與結(jié)構(gòu)（二）該RAM芯片外部共有地址線2n根，數(shù)據(jù)線1根；該類芯片內(nèi)部一般采用雙譯碼（復(fù)合譯碼、重合選擇）方式，基本存儲單元排列成N*N的正方矩陣，且有M=22n=N2

的關(guān)系成立；0,00,N-1N-1,0N-1,N-1………D0D0DN-1DN-1…Y0YN-1Y地址譯碼器Y地址寄存器……AnAn+1A2n-1X地址譯碼器X0X1XN-1……A0A1An-1X地址寄存器…DD數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向）D0讀寫控制存儲芯片容量標(biāo)為“M*1”（bit）數(shù)據(jù)線控制線地址線2023/2/414/32靜態(tài)RAM芯片的引腳特性從三總線的角度看：1.地址線數(shù)目A、數(shù)據(jù)線數(shù)目D與芯片容量（M×N）直接相關(guān)：2A=MD=N2.控制信號應(yīng)包括：片選信號和讀/寫信號所以，6264容量：

213×8＝8K×8可見6264為RAM芯片714/422023/2/4產(chǎn)品出廠時存的全是1，用戶可一次性寫入，即把某些1改為0。但只能一次編程。

存儲單元多采用熔絲－低熔點金屬或多晶硅。寫入時設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。編程時VCC和字線電壓提高可編程只讀存儲器PROM15/542023/2/416/32紫外線可擦除ROM(UVEPROM)擦除：用紫外線或X射線擦除。需20~30分鐘。缺點：需要兩個MOS管；編程電壓偏高；P溝道管的開關(guān)速度低。

浮柵上電荷可長期保存在125℃環(huán)境溫度下，70%的電荷能保存10年以上。2023/2/417引入浮柵的MOS器件2023/2/418/32寫入（寫0）擦除（寫1）讀出

特點：擦除和寫入均利用隧道效應(yīng)。浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極薄（20納米以下），稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于107V/cm時隧道區(qū)雙向?qū)?。電可擦除的ROM(EEPROM)2023/2/419快閃存儲器(FlashMemory)

（1）寫入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接6V；控制柵12V脈沖，寬10s。

（2）擦除用隧道效應(yīng)?？刂茤沤拥?；源極接12V脈沖，寬為100ms。因為片內(nèi)所有疊柵管的源極都連在一起，所以一個脈沖就可擦除全部單元。

（3）讀出：源極接地，字線為5V邏輯高電平。19/542023/2/420/32半導(dǎo)體存儲芯片的主要技術(shù)指標(biāo)存儲容量存取速度功耗可靠性工作電源電壓、工作溫度范圍、可編程存儲器的編程次數(shù)、成本

注意存儲器的容量以字節(jié)（B）為單位，而存儲芯片的容量以位（b）為單位。

即存取時間，以ns為單位，也可用存取時間Ta、存取周期Tm和存儲器帶寬Bm等表示。可用平均故障間隔時間來衡量以mW/芯片或μW/單元為單位2023/2/421/32存儲容量單位1kilobyteKB=1000(103)Byte1megabyteMB=1000000(106)Byte1gigabyteGB=1000000000(109)Byte1terabyteTB=1000000000000(1012)Byte1petabytePB=1000000000000000(1015)Byte1exabyteEB=1000000000000000000(1018)Byte1zettabyteZB=1000000000000000000000(1021)Byte1yottabyteYB=1000000000000000000000000(1024)Byte1nonabyteNB=1000000000000000000000000000(1027)Byte1doggabyteDB=1000000000000000000000000000000(1030)Byte

23.32=10210220230……2023/2/422/32存儲器分層結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)整個存儲系統(tǒng)速度接近M1而價格和容量接近Mn二.操作策略映像規(guī)則：用于確定一個新的塊（頁）被調(diào)入本級存儲器時應(yīng)放在什么位置上。查找規(guī)則：用于確定需要的塊（頁）是否存在本級存儲器中以及如何查找。替換規(guī)則：用于確定本級存儲器不命中且已滿時應(yīng)替換哪一塊（頁）。更新規(guī)則：用于確定寫數(shù)據(jù)時應(yīng)進(jìn)行的操作。2023/2/423/32存儲器分級圖2023/2/424/32現(xiàn)代計算機(jī)的四級存儲結(jié)構(gòu)：寄存器＋Cache＋主存＋輔存CPU內(nèi)部高速電子線路(如觸發(fā)器)一級：在CPU內(nèi)部二級：在CPU外部一般為靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM。一般為半導(dǎo)體存儲器，也稱為短期存儲器；解決讀寫速度問題；包括磁盤（中期存儲器）、磁帶、光盤（長期存儲）等；解決存儲容量問題；其中：cache-主存結(jié)構(gòu)解決高速度與低成本的矛盾；主存-輔存結(jié)構(gòu)利用虛擬存儲器解決大容量與低成本的矛盾；現(xiàn)代計算機(jī)中的多級存儲器體系結(jié)構(gòu)262023/2/427/32寄存器組特點：讀寫速度快但數(shù)量較少；其數(shù)量、長度以及使用方法會影響指令集的設(shè)計。組成：一組彼此獨立的Reg，或小規(guī)模半導(dǎo)體存儲器。RISC：設(shè)置較多Reg，并依靠編譯器來使其使用最大化。Cache高速小容量(幾十千到幾兆字節(jié))；借助硬件管理對程序員透明；命中率與失效率；主（內(nèi)）存編址方式：字節(jié)編址信息存放方式：大/小端系統(tǒng)、對齊方式輔（外）存信息以文件(file)的形式存放，按塊為單位進(jìn)行存取。虛擬存儲技術(shù)2023/2/428/32Cache技術(shù)和虛擬存儲器技術(shù)相同點：以存儲器訪問的局部性為基礎(chǔ)；采用的調(diào)度策略類似；對用戶都是透明的；不同點：劃分的信息塊的長度不同；Cache技術(shù)由硬件實現(xiàn)，而虛擬存儲器由OS的存儲管理軟件輔助硬件實現(xiàn)；28/42Cache塊：8～64字節(jié)虛擬存儲器塊：512～幾十K個字節(jié)2023/2/4/32cache——貫穿讀出式設(shè)cache的存取時間為tc，命中率為h，主存的存取時間為tm，則平均存取時間：ta=tc×h+(tc+tm)×(1-h)。2023/2/430/32cache——旁路讀出式【例5.1】某微機(jī)存儲器系統(tǒng)由一級cache和主存組成。已知主存的存取時間為80ns，cache的存取時間為6ns，cache的命中率為85%，試求該存儲系統(tǒng)的平均存取時間。ta=6ns×85%+80ns×(1-85%)=5.1+12=17.1nscache的命中率與cache的大小、替換算法、程序特性等因素有關(guān)。cache未命中時CPU還需要訪問主存，這時反而延長了存取時間。2023/2/431/32回顧存儲器組成讀寫控制邏輯R/WCE數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…字線0字線M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址譯碼器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位線0位線N-1D0DN-12023/2/432/32smallendianness2023/2/4不同寬度數(shù)據(jù)的存儲方式按整數(shù)邊界對齊存儲可以保證訪存指令的速度按任意邊界對齊存儲可以保證存儲空間的利用33/542023/2/434/32存儲器的地址映射

地址映射也叫地址重定位，指將用戶程序中的邏輯地址，轉(zhuǎn)換為運行時機(jī)器可直接尋址的物理地址。有效地址、虛擬地址虛擬地址

———————>物理地址MMU地址映射表程序空間、邏輯地址空間實存空間、硬件地址空間35分頁映射分頁技術(shù)實現(xiàn)分頁技術(shù)：頁的大小固定；

分段技術(shù)：

段的大小可變；

2023/2/437/32分頁與分段技術(shù)對比分頁技術(shù)頁是信息的物理單位，與源程序的邏輯結(jié)構(gòu)無關(guān)；頁長由系統(tǒng)確定，大小固定，用戶不可見；頁面只能以頁大小的整倍數(shù)地址開始，頁一般不能共享；分段技術(shù)

段是信息的邏輯單位，由源程序的邏輯結(jié)構(gòu)所決定；段長由用戶確定（用戶可見），大小不固定；

段可從任意地址開始，段內(nèi)連續(xù)編址，段間不一定連續(xù)；2023/2/438/32存儲芯片的選擇一、確定類型根據(jù)不同應(yīng)用場合的特點確定采用何種類型的芯片，如考慮選用SRAM還是DRAM，是否需要E2PROM、FLASH等等；確定具體型號及數(shù)量根據(jù)容量、價格、速度、功耗等要求確定芯片的具體型號和數(shù)量思考：若要求擴(kuò)展64K容量的內(nèi)存，以下幾種選擇哪種最優(yōu)？

64K*1的芯片數(shù)量N＝(64K*8)/(64K*1)＝1*8片;8K*8的芯片數(shù)量N＝(64K*8)/(8K*8)＝8*1片；

16K*4的芯片數(shù)量N＝(64K*8)/(16K*4)＝4*2片；

顯然，芯片的種類和數(shù)量應(yīng)越少越好；在芯片數(shù)量相同的情況下應(yīng)考慮總線的負(fù)載能力和系統(tǒng)連接的復(fù)雜性。從總線負(fù)載和系統(tǒng)連接來看，第一種選擇較好。38/422023/2/439/32內(nèi)（主）存儲器的基本結(jié)構(gòu)存儲芯片存儲模塊存儲體存儲體、地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖和讀寫控制

位擴(kuò)展：因每個字的位數(shù)不夠而擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出線的數(shù)目；

字?jǐn)U展：因總的字?jǐn)?shù)不夠而擴(kuò)展地址輸入線的數(shù)目，所以也稱

為地址擴(kuò)展；并行存儲器、多端口存儲器、相聯(lián)存儲器等2023/2/440/32回顧存儲芯片組成讀寫控制邏輯R/WCE數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…字線0字線M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址譯碼器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位線0位線N-1D0DN-12023/2/441/32存儲芯片的位擴(kuò)展⑧64K*1I/O⑦64K*1I/O⑥64K*1I/O⑤64K*1I/O④64K*1I/O③64K*1I/O②64K*1I/O①64K*1I/OA0~A15R/WCSD0D7…等效為64K*8A0~A15D0~D7R/WCS用64K×1bit的芯片擴(kuò)展實現(xiàn)64KB存儲器

進(jìn)行位擴(kuò)展時，模塊中所有芯片的地址線和控制線互連形成整個模塊的地址線和控制線，而各芯片的數(shù)據(jù)線并列（位線擴(kuò)展）形成整個模塊的數(shù)據(jù)線（8bit寬度）。

41/422023/2/442/32存儲芯片的字?jǐn)U展用8K×8bit的芯片擴(kuò)展實現(xiàn)64KB存儲器64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效為A0~A12R/WD0~D7⑧64K*1D0~7⑦64K*1D0~7⑥64K*1D0~7⑤64K*1D0~7④64K*1D0~7③64K*1D0~7②64K*1D0~7CS1①8K*8D0~7CS3-8譯碼器Y0Y1Y7………A13

A14

A15

進(jìn)行字?jǐn)U展時，模塊中所有芯片的地址線、控制線和數(shù)據(jù)線互連形成整個模塊的低位地址線、控制線和數(shù)據(jù)線

，CPU的高位地址線（擴(kuò)展的字線）被用來譯碼以形成對各個芯片的選擇線——片選線。

2023/2/443/32存儲芯片的字、位同時擴(kuò)展用16K×4bit的芯片擴(kuò)展實現(xiàn)64KB存儲器16K*416K*4A0~A13R/WD0~D3D4~D72－4譯碼器A15A14CS64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效為16K*416K*416K*416K*416K*416K*4

首先對芯片分組進(jìn)行位擴(kuò)展，以實現(xiàn)按字節(jié)編址；

其次設(shè)計個芯片組的片選進(jìn)行字?jǐn)U展，以滿足容量要求；44并行

存儲器2023/2/445/324體交叉存儲器片選及字選譯碼有什么特點？尋址0尋址1尋址2尋址3尋址0尋址1尋址2尋址3傳數(shù)0傳數(shù)1傳數(shù)2傳數(shù)3傳數(shù)02023/2/446/32在下圖所示的低位多體交叉存儲器中，若處理器要訪問的字地址為以下十進(jìn)制數(shù)值，試問該存儲器比單體存儲器的平均訪問速率提高多少(忽略初啟時的延時)？（a）4個存儲體訪問可以交叉進(jìn)行，訪問速率可達(dá)到單體存儲器的4倍。（b）2個存儲體訪問可以交叉進(jìn)行，訪問速率可達(dá)到單體存儲器的2倍。47雙端口存儲器48相聯(lián)（聯(lián)想）存儲器2023/2/449/32兩級物理地址譯碼方案讀/寫控制信號、數(shù)據(jù)寬度指示信號、傳送方式指示信號，等2023/2/450/32回顧存儲器組成讀寫控制邏輯R/WCE數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…字線0字線M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址譯碼器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位線0位線N-1D0DN-151假設(shè)某系統(tǒng)地址總線寬度為20bit，現(xiàn)需要將0C0000H~0CFFFFH地址范圍劃分為8個同樣大小的地址空間，提供給總線上的8個模塊，試設(shè)計相應(yīng)的譯碼電路。模塊A19~A16A15A14A13A12~A0地址空間(范圍)①11000001111111111111~00000000000000C1FFFH~0C0000H②11000011111111111111~00000000000000C3FFFH~0C2000H③11000101111111111111~00000000000000C5FFFH~0C4000H④11000111111111111111~00000000000000C7FFFH~0C6000H⑤11001001111111111111~00000000000000C9FFFH~0C8000H⑥11001011111111111111~00000000000000CBFFFH~0CA000H⑦11001101111111111111~00000000000000CDFFFH~0CC000H⑧11001111111111111111~00000000000000CFFFFH~0CE000H52全譯碼電路的實現(xiàn)2023/2/453/32部分譯碼方式

最高段地址不參與譯碼，將會因此存在地址重疊，且模塊地址不連續(xù)。53/422023/