第5章微機原理

第5章存儲器

5.1存儲器概述

5.2RAM存儲器

5.3ROM存儲器

5.4存儲器的擴展設計

5.5高速緩沖存儲器Cache

5.6虛擬存儲器及其管理技術重點：①存儲器的分類

；②半導體存儲器的構成

；③存儲器的擴展

難點：存儲器的擴展

1一、存儲器的分類

5.1存儲器概述

從制造工藝的角度可分為：從存取方式,半導體存儲器分為：RAM、ROM。半導體存儲器雙極型MOS型對存儲器的操作通常分為兩類：寫——即把信息存入存儲器的過程。讀——即從存儲器中取出信息的過程。按存儲介質可分為半導體存儲器、磁介質存儲器和光存儲器按存儲器與CPU的耦合程度可分為內存和外存。內存由半導體存儲器構成25.1存儲器概述

RAM特點：①可隨時讀出，也可隨時寫入數(shù)據(jù)；②斷電后存儲的數(shù)據(jù)隨之消失，具有易失性。用途：用于存放中間計算結果、堆棧等。ROM特點：①只能讀出，不能寫入；②存儲的數(shù)據(jù)不會因斷電而消失，具有非易失性。用途：存放固定的程序：如BIOS程序、監(jiān)控程序等。3二、存儲器的構成

5.1存儲器概述

45.1存儲器概述

1、存儲體（存儲矩陣）用來存儲二進制信息的矩陣，由多個基本存儲單元組成，每個基本存儲單元有0、1兩種狀態(tài)，可存儲1位信息。每個內存單元有一個唯一的地址、可存一位或多位二進制數(shù)據(jù)存儲體與地址線、數(shù)據(jù)線間的關系地址線越多，地址編碼就越長，芯片存儲單元就越多數(shù)據(jù)線越多，一次可訪問的數(shù)據(jù)就越長，每個存儲單元存放的位越多。存儲器芯片容量如何計算？

存儲器芯片容量＝芯片的存儲單元的個（字）數(shù)*每個存儲單元的位數(shù)(即數(shù)據(jù)線條數(shù))。若：芯片地址線的條數(shù)為M、數(shù)據(jù)線條數(shù)為N

則芯片容量為：2M*N。55.1存儲器概述

2、地址譯碼器功能：根據(jù)輸入的地址編碼，選中芯片內某個特定的存儲單元。芯片內的地址譯碼可采用：單譯碼結構(線性排列)和雙譯碼結構(矩陣形式排列)。3、讀/寫驅動器

：用以控制被選中的單元數(shù)據(jù)的讀出或寫入4、數(shù)據(jù)寄存器：用于暫時存放從存儲單元讀出的數(shù)據(jù)，或從CPU或I/O端口送出的要寫入存儲器的數(shù)據(jù)5、讀/寫控制邏輯：讀/寫控制邏輯接收來自CPU的啟動、片選、讀/寫及清除命令，經控制電路綜合和處理后，產生一組時序信號來控制存儲器的讀/寫操作。存儲器的片選端一般用CS或CE來表示。存儲體由多片組成，當選中某一片時，表明此片有效，此片所連的地址線才有效，可以對該芯片進行讀寫操作；無效時，芯片與數(shù)據(jù)總線隔離，并可降低芯片內部功耗。6三、存儲器的性能指標1．存儲容量

2．存取速度

3．可靠性

4．性能價格比5．功耗

5.1存儲器概述

容量越大，存取速度赿快7四、存儲系統(tǒng)的體系結構5.1存儲器概述

Cache容量較小，工作速度幾乎與CPU相當。CPU內的寄存器、Cache、主存、外存都可以存儲信息，它們各有自己的特點和用途。它們的容量從小到大，而存取速度是從快到慢，價格與功耗從高到低。8一、SRAM存儲器5.2RAM存儲器1、SRAM

特點

優(yōu)點:數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶,只要不斷電,數(shù)據(jù)就能永久保存。缺點:存儲單元所用的管子數(shù)目多,功耗大,集成度受到限制。2、SRAM的基本存儲電路

95.2RAM存儲器3、SRAM的基本結構

內部由存儲矩陣、地址譯碼器、讀/寫控制邏輯與三態(tài)雙向緩沖器等組成。

SRAM大多數(shù)都采用復合譯碼方式，而不采用線譯碼105.2RAM存儲器4、典型的SRAM芯片SRAM典型芯片有Intel2114、6116，6264，62128，62256等容量：2kB=2k8bit，因為SRAM內部都是按字節(jié)組成的。地址線：11條，7條用于行地址，4條用于列地址。數(shù)據(jù)線：8條，按字節(jié)輸入、輸出。存儲體：128168=16384個存儲單元。控制線：3條，OE,WE,CS。如6116芯片115.2RAM存儲器3條控制線的作用共同決定了6116的操作方式（1）寫入。當和為低電平時，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7～D0寫入被選中的存儲單元（2）讀出。當和為高電平時，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7～D0上。（3）保持。當為高電平、和為任意時，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻態(tài)

125.2RAM存儲器二、DRAM存儲器優(yōu)點:存儲單元所用的管子數(shù)目少,功耗小,集成度高。缺點:為避免存儲數(shù)據(jù)的丟失,必須定期刷新。特點：內存由DRAM組成為什么DRAM要不斷地刷新？DRAM是靠電容Cs存儲信息的，Cs有電荷時為邏輯“1”，沒有電荷時為邏輯“0”。但由于任何電容都存在漏電，因此當電容Cs存有電荷時，過一段時間由于電容的放電會導致電荷流失，信息也會丟失，解決的辦法是刷新，即每隔一定時間（大約1~4ms）就要刷新一次。135.2RAM存儲器1、DRAM基本存儲電路由存儲部分Cs和選擇電路T1、T2構成，其中T1、T2是MOS開關管。這種電路的優(yōu)點是結構簡單、集成度較高且功耗??；缺點是列線對地間的寄生電容大，噪聲干擾也大

145.2RAM存儲器2、DRAM的基本結構DRAM芯片都設計成了位結構形式，即每個存儲單元只有一位數(shù)據(jù)位，一個芯片上含有若干字，如4K×1位、8K×1位、16K×1位等，這種結構形式是DRAM芯片的結構特點之一；另一特點是在訪問DRAM時，訪問地址需要分兩次打入。典型的DRAM芯片有：64K×1位、64K×4位、1M×1位和1M×4位等。如：2164A是64K×1位的DRAM芯片

3、典型的DRAM芯片155.3ROM存儲器一、掩膜ROM掩膜ROM是廠家根據(jù)用戶的要求采用掩膜技術把程序和數(shù)據(jù)在制作集成電路時就已寫入完成。一旦制造完畢，存儲器的內容就被固定下來，用戶不能修改。使用時，只能讀出，不能寫入。若要修改，就只能重新設計掩膜。二、可編程ROM（PROM）PROM內部采用多發(fā)射極（8個）熔絲式PROM結構。每一個發(fā)射極通過一個熔絲與位線相連，管子工作于射極輸出器狀態(tài)。熔絲一旦燒斷，不可逆轉，所以只能一次編程寫入。出廠時，存儲內容全為1（或全為0），用戶可根據(jù)自己的需要進行編程，但只能編程一次。165.3ROM存儲器三、可擦除可編程的ROM（EPROM）EPROM是一種可以多次進行擦除和重寫的ROM，允許用戶按照規(guī)定的方法對芯片進行多次編程，當需要改寫時，通過紫外線燈制作的抹除器照射約15～20分鐘，便可使存儲器全部復原，用戶可以再次寫入新的內容。使用時需要注意，應在玻璃窗口處用不透明的紙封嚴，以免信息丟失。典型的EPROM芯片有：2716

、2732、27128、27256、27512等，如圖為2732A的引腳信號圖。有讀出、待用、編程、編程禁止、輸出禁止和Intel標識符共6種操作方式

175.3ROM存儲器四、電可擦除可編程的ROM（E2PROM）

E2PROM用電擦除，可重復擦寫100次，并且擦除的速度要快的多。E2PROM的電擦除過程就是改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，所以，E2PROM兼有RAM和ROM的雙重功能特點；E2PROM的另一個優(yōu)點是擦除可以按字節(jié)分別進行。由于字節(jié)的編程和擦除都只需要10ms，并且不需要特殊裝置，因此可以進行在線的編程寫入

常見的E2PROM芯片Intel公司生產的高壓編程芯片2816、2817，低壓編程芯片2816A、2817A、2864A，28010和28040等；這些芯片的讀出時間為120～250ns，字節(jié)擦寫時間在10ms左右。185.3ROM存儲器195.3ROM存儲器五、Flash存儲器Flash存儲器也稱為Flash或閃存，是一種新型的可編程的只讀存儲器，與E2PROM類似，是一種電擦寫ROM，但它們之間有區(qū)別。E2PROM按字節(jié)擦寫，速度慢；而Flash按塊擦寫，速度快，一般在65～170ns之間，一片可以擦寫100萬次以上。1、特點（1）按區(qū)塊或頁面組織；除了可進行整個芯片的擦除和編程，還可按字節(jié)、區(qū)塊或頁面進行擦除與編程。（2）可進行快速頁面寫入，大大提高了編程速度。（3）具有內部編程控制邏輯：寫入時，由內部邏輯控制操作，CPU可做其他工作。（4）具有在線系統(tǒng)編程能力：擦除與寫入無需取下。（5）具有軟件和硬件保護能力：可防止有用數(shù)據(jù)被破壞。205.3ROM存儲器2、Flash的應用閃存像RAM一樣可在線寫入數(shù)據(jù)，又具有ROM的非易失性，因而可以取代全部的UV-EPRAM和大部分的E2PROM。①監(jiān)控程序、引導程序或BIOS等基本不變或不經常改變的程序。②閃存條、閃存卡（Flashcard，U盤），數(shù)字相機，個人數(shù)字助理（PDN),MP3播放器，筆記本等輔存。即將取代軟盤存儲器和硬磁盤。（因其無機械運動，存取速度快，體積小，可靠性高等優(yōu)點）215.3ROM存儲器3、Flash芯片目前，市場上的Flash產品種類較多，如Intel公司推出的28F系列、美國Atmel公司生產的29系列芯片有AT29C256、AT29C512、AT29C010、AT29C020、AT29C040和AT29C080等，都是影響較大的Flash存儲器。如圖為AT29C040A存儲芯片，容量為512

K×8位，是32個引腳的DIP封裝，與Intel

27系列（EPROM）引腳兼容

225.4存儲器的擴展設計這是本章的重點內容SRAM、ROM與CPU的連接（存儲器容量的擴展）

★存儲器要經過譯碼器等附加電路才能接向CPU主系統(tǒng)★存儲器芯片經過擴展才能達到需求擴展的方法：字擴展和位擴展235.4存儲器的擴展設計一、存儲器芯片與CPU連接概述

存儲器芯片通過總線與CPU連接，它們之間要交換地址信息、數(shù)據(jù)和控制信息。其接口信號如圖。A0~AmD0~DnRDWRCSSIZEXTACK/WAIT接口信號說明：地址信號：A0~Am數(shù)據(jù)信號：D0~Dn讀、寫信號：RD、WR（有時二者合二為一）片選信號：CS（高地址譯碼產生）多字節(jié)寬度（使能）信號：SIZE

（指明存取的字節(jié)數(shù)，如字節(jié)、字、雙字等）握手信號：XTACK（對異步總線為傳輸應答信號）

WAIT（或READY）對半同步總線為等待請求或準備就緒。245.4存儲器的擴展設計1、存儲器的地址分配目前生產的存儲器芯片，單片容量有限的，總是要由許多片才能組成所需容量的存儲器，這就存在一個如何產生選片信號的問題。將存儲器芯片與CPU連接前，首先要確定存儲容量的大小，并選擇相應的存儲器芯片。選擇好的存儲器芯片如何同CPU有機地連接，并能進行有效尋址，這就是所要考慮的存儲器地址分配問題。內存分為RAM、ROM，RAM又分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)，用戶區(qū)又分為數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)，各個部分如何區(qū)分是一個重要問題，這個問題往往是通過譯碼器來實現(xiàn)的。255.4存儲器的擴展設計2、存儲器的地址譯碼

（1）片內譯碼存儲芯片地址線通常應全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連。這部分地址的譯碼是在存儲芯片內完成的，稱為“片內譯碼”。設某存儲芯片有N根地址線，當該芯片被選中時，其地址線將輸入N位地址，芯片在其內部進行N：2N譯碼；譯碼后的地址范圍為00…000(N位全為0)到11…111(N位全為1)，這種情況稱為“全0——全1”。265.4存儲器的擴展設計（2）存儲器芯片片選端的處理由一個存儲芯片或芯片組構成的存儲器地址單元有限，因此常常需要在“地址方向”上加以擴充，簡稱“地址擴充”。在系統(tǒng)存在“地址擴充”的情況下，必須對多個存儲芯片或芯片組進行尋址。這一尋址過程，主要通過將系統(tǒng)高位地址線與存儲芯片片選端相關聯(lián)的方法來加以實現(xiàn)，但處理上十分靈活。最常用的方法是將片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián)；

全譯碼法：系統(tǒng)的全部高位地址線，均參與對芯片(組)的譯碼尋址；

部分譯碼法：在系統(tǒng)的高位地址線中，只有一部分參與對芯片(組)的譯碼尋址；

線選法：使用系統(tǒng)高位地址線中的某一根，來單獨選中某個芯片(組)。27全譯碼：所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址,包括片內譯碼和片選譯碼。全譯碼方式所形成的每個存儲單元地址都是唯一的，不存在地址重復，但譯碼電路較復雜、連線較多圖示為全譯碼的例子：采用3-8譯碼，芯片2764(8K*8)在高位地址A19-A13＝0001110時被選中，其地址范圍1C000H—1DFFFH。5.4存儲器的擴展設計28部分譯碼：對存儲芯片進行譯碼尋址時，只有部分高位地址線參與。對被選中的芯片來說，末參與譯碼的高位地址可以為1、也可以為0；因此，每個存儲單元將對應多個地址(地址重復)。使用時，只選取其中的一個，一般都是將未用地址設為0，而得到其可用地址。采用部分譯碼的方法，可簡化譯碼電路的設計，但由于地址重復，系統(tǒng)的一部分地址空間資源將被浪費掉。5.4存儲器的擴展設計29

線選法：如果只用少數(shù)幾根高位地址線進行芯片的譯碼，且每根負責選中一個芯片(組)，這種方法被稱為“線選方法”。線選法的優(yōu)點是構成簡單，缺點是地址空間的浪費嚴重，由于有些地址線未參與譯碼，所以必然會出現(xiàn)地址重復；此外，當通過線選的芯片(組)增多時還會出現(xiàn)可用地址空間不連續(xù)的情況。芯片A19--A15A14A13A12--A0一個可用地址范圍

1XXXXX10全0--全104000H--05FFFH2XXXXX01全0--全102000H--03FFFH5.4存儲器的擴展設計305.4存儲器的擴展設計二、存儲器容量的擴展

1、信號線的連接在微型機中CPU對存儲器要進行讀/寫操作，由地址總線給出地址信號；由控制總線（WR/RD）發(fā)出讀/寫控制信號；在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)的讀/寫。所以，CPU與存儲器連接時，信號線的連接是指：存儲芯片的數(shù)據(jù)線存儲芯片的地址線存儲芯片的片選端存儲芯片的讀寫控制線315.4存儲器的擴展設計2、位擴展位擴展：指存儲器芯片的位數(shù)不能滿足存儲器要求的情況，需在位數(shù)方向擴展。若芯片的數(shù)據(jù)線正好8根，一次可從芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線相連；若芯片的數(shù)據(jù)線不足8根，一次不能從一個芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)，需利用多個芯片擴充數(shù)據(jù)位這種擴充方式簡稱“位擴展”，即“位并聯(lián)”。325.4存儲器的擴展設計2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片選A10D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE多個位擴充的存儲芯片的數(shù)據(jù)線連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的不同位數(shù)；地址線的相應位、各控制線并聯(lián)；這些芯片應被看作是一個整體；常被稱為“芯片組”。335.4存儲器的擴展設計3、字擴展

字擴展可以利用外加譯碼器控制芯片的片選(CS)輸入端實現(xiàn)①各片RAM對應的數(shù)據(jù)線、讀/寫線對應并聯(lián)；②低位地址線也并聯(lián)起來；③要增加的高位地址線，通過譯碼器譯碼，將其輸出分別接至各片的片選控制端。存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴充容量，也就是擴充了地址范圍；進行“字擴展”，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進行尋址；這種尋址方法，主要通過將存儲器芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián)來實現(xiàn)；345.4存儲器的擴展設計字擴展

片選端D7～D0A11A10～A0（2）A10～A0D7～D0CE（1）A10～A0D7～D0CE1355.4存儲器的擴展設計4、SRAM/ROM與CPU連接方法和步驟（1）分析理解題意。在已知芯片和系統(tǒng)容量的情況下，確定所需的芯片數(shù)。

（2）分析地址空間

(3)確定數(shù)據(jù)線、地址線、控制線條數(shù)，并對應相連用現(xiàn)有的芯片如何構成所需容量的存儲器呢？365.4存儲器的擴展設計三、存儲器擴展舉例（位和字同時擴展）

例：用Intel21141K*4位的芯片，構成一個2KBRAM系統(tǒng)。分析：設CPU提供8條數(shù)據(jù)線、16條地址線。

21141K*4位的芯片，首先進行位擴展，構成1KBRAM。由兩片2114構成，看做一組。用2組上述芯片組構成2KBRAM系統(tǒng)。所以，共需四片，每兩片一組。375.4存儲器的擴展設計385.4存儲器的擴展設計四、微機系統(tǒng)中的存儲器組織1、16位微機系統(tǒng)中的存儲器39405.4存儲器的擴展設計2、32位微機系統(tǒng)中的存儲器（4個字節(jié)為一個“字”）415.5高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器（Cache）：解決CPU和主存之間的速度匹配問題，在CPU與存儲容量較大但操作速度較慢的主存之間，設置一個容量小但存取速度比主存快數(shù)倍的存儲器。Cache的工作原理：基于程序訪問的局部性原理。Cache的基本結構425.5高速緩沖存儲器Cache的替換策略發(fā)生在有沖突發(fā)生時，即新的主存頁需要調入Cache。而Cache已沒有空閑空間可用時。這時替換機構應根據(jù)某種算法指出應移去的塊，再把新塊調入。主要有4個：（1）隨機（Random）替換策略（2）先進先出（FIFO）替換策略（3）近期最少使用（LRU）替換策略（4）優(yōu)化替換算法Cache的地址映射

（1）全相聯(lián)Cache（2）直接映像Cache（3）組相聯(lián)Cache43（1）直接映像法假設:Cache:容量16KB，混合存儲指令和數(shù)據(jù)信息16個“字”（每個字為32bit=4Byte）為一“頁”,

共256“頁”每個字節(jié)用8位“頁地址”加上6位“頁內位置”表示主存：使用32位主存地址，尋址4GB的主存空間每個字節(jié)用18位“組號”，8位“頁地址”，6位“頁內地址”表示直接映像法：

主存中的一頁只能進入與它頁號相同的Cache頁中。44圖10-12主存Cache標記=組號（18位）直接映像關系1個頁面對應1個標記45Cache為“空”時，處理器訪問物理地址12345678H的主存單元，該地址可以劃分為： 組號=048D1H，頁地址=59H，頁內地址=38H 該內存頁被讀出，存入Cache中59H頁。“相聯(lián)存儲映像表”中該頁的“標記（Tag）”被置為“048D1H”。隨后，處理器訪問地址為12345644H的主存單元，它的地址劃分為：

組號=048D1H，頁地址=59H，頁內地址=04H 查找“相聯(lián)表”中頁面為59H的標記項，“命中”。Cache第59H頁面中頁內地址為04H的“字”被讀出，送往處理器。46處理器訪問地址12341678H的主存單元，地址劃分為：組號=048D0H，頁地址=59H，頁內地址=38H。再次查找表中頁面59H的標記項，發(fā)出“失靶”信息。主存中編號為048D0H的1頁被讀出，存入Cache第59H頁面中，對應的“標記”修改為“048D0H”。一個新的主存頁面進入Cache，原來的頁面被覆蓋。直接映像法特點：直接映像法采用簡單的映射關系，查找方便。每個主存頁面只與Cache中惟一的一個頁相映射，增加了頁面沖突的可能性，會增加不合理的頁面更換，Cache