微機接口第6章微型計算機中的存儲器

微機原理與接口技術作者：徐建平成貴學編輯ppt第6章微型計算機中的存儲器編輯ppt【本章內(nèi)容提要】

了解存儲器的分類和性能指標掌握兩種典型的隨機存取存儲器的結構和原理掌握兩種典型只讀存儲器的結構和原理掌握高速緩沖存儲器的原理了解常用外部存儲器的結構和主要性能指標編輯ppt6.1存儲器入門存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的主要部件，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。有了存儲器，計算機就具有了記憶功能，從而保證計算機正常工作。編輯ppt6.1.1存儲器的分類按照存儲器在微機系統(tǒng)中作用的不同，存儲器可分為外存儲器和內(nèi)存儲器。按照存儲介質的不同，存儲器可分為半導體存儲器、磁介質存儲器和光存儲器。按照存取方式的不同，內(nèi)存儲器可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

編輯ppt6.1.2存儲器的性能指標存儲器容量：存儲器中所包含存儲單元的總數(shù)，單位是字節(jié)（B）。存儲器容量越大，存儲的信息越多，計算機的性能也就越強。存取時間：存儲器完成一次讀寫操作所需的時間，單位為ns（納秒，1ns＝10-9s）。故障平均間隔時間（MTBF）：MTBF越長，可靠性越高。編輯ppt連續(xù)兩次讀寫操作之間所需的最短時間間隔稱為存儲周期。存儲器每秒鐘可讀寫的數(shù)據(jù)量稱為存儲器帶寬或數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為Bps（或B/s）。存取周期和存儲器帶寬也常作為存儲器的性能指標。編輯ppt6.2隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）也稱為隨機讀/寫存儲器，它既可以直接從任何一個指定的存儲單元中讀出數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)寫入任何一個指定的存儲單元中。隨機存取存儲器可分為靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）兩大類。編輯ppt多個基本存儲單元排列成矩陣的形式稱為存儲體一個存儲體往往由多個芯片組成。因此，系統(tǒng)每次訪問存儲器時，首先要選片，CPU對被選中的芯片上的存儲單元可進行讀/寫操作。編輯ppt6.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器6264靜態(tài)RAM的基本存儲電路是由6個MOS管構成的觸發(fā)器，每個觸發(fā)器存儲一位二進制信息。靜態(tài)RAM的集成度低，與動態(tài)RAM相比，它不需要設置刷新電路，故擴展電路比較簡單。由于靜態(tài)RAM是通過有源電路來保持存儲器中的數(shù)據(jù)，因此它的功耗大。編輯ppt靜態(tài)RAM的單片容量有不同的規(guī)格，目前最常用的有6116（2K×8）和6264（8K×8）。下面介紹典型的靜態(tài)RAM6264。編輯ppt１、6264的引腳及其功能6264是一個8K×8位靜態(tài)隨機存取存儲器芯片，其引腳包含13條地址線A0~A128條雙向數(shù)據(jù)線D0~D72個片選控制端CS1和CS21個輸出允許端OE1個寫允許端WE編輯ppt編輯ppt編輯ppt2．靜態(tài)RAM6264的工作過程從靜態(tài)RAM6264芯片某個存儲單元中讀出數(shù)據(jù)的時序圖如圖6-2所示，過程如下：編輯ppt編輯ppt編輯ppt3．與系統(tǒng)的連接

靜態(tài)RAM6264與系統(tǒng)的連接方法如下：芯片上的數(shù)據(jù)線直接連接到系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)總線上由于CPU總線的低位地址決定了每個存儲單元的片內(nèi)地址，故將芯片的地址線直接連接到系統(tǒng)總線的低位地址線上；OE和WE分別同MEMW和MEMR相接，使系統(tǒng)總線的讀/寫信號控制芯片的讀/寫操作；CS2接高電平5V。編輯ppt由于CPU總線的高位地址決定了芯片的地址范圍，故將高位地址線通過一個譯碼器產(chǎn)生CS1片選信號。將所有高位地址線作為譯碼器輸入，從而得到存儲器芯片地址范圍的譯碼連接方式稱為全地址譯碼連接。編輯ppt計算地址范圍的方法是：譯碼器的輸入信號（A19~A13）為0011111（高7位地址），低13位地址（A12~A0）可以是全0到全1之間。編輯ppt圖6-46264的全地址譯碼連接

編輯ppt只將系統(tǒng)總線的部分高位地址線作為譯碼器的輸入，從而得到存儲器芯片地址范圍的譯碼連接方式稱為部分地址譯碼連接。如圖6-5所示，A16和A18兩條高位地址線未參加譯碼，故該芯片在內(nèi)存中的地址范圍為AE000H~AFFFFH，BE000H~BFFFFH，EE000H~EFFFFH和FE000H~FFFFFH。這意味著系統(tǒng)可用的存儲空間減少了。

編輯ppt編輯ppt6.2.2動態(tài)隨機存取存儲器2164動態(tài)RAM的基本存儲電路是MOS電路中的柵極電容，它是以電容上電荷的存儲和轉移來存儲信息的電容上有無電荷被視為邏輯1和0。由于電容上的電荷會泄露，需要定時充電來保證存儲內(nèi)容不丟失，因此，動態(tài)RAM需要設置刷新電路擴展電路比較復雜。但與靜態(tài)RAM相比，動態(tài)RAM集成度高、功耗低，故成本也低，適于作大容量存儲器。

編輯ppt1．2164的引腳及內(nèi)部結構2164是一個64K×1位的動態(tài)RAM芯片其引腳包含8條地址線A0~A7數(shù)據(jù)輸入端DIN，數(shù)據(jù)輸出端DOUT行地址選通RAS，列地址選通CAS寫允許端WE（高電平時為數(shù)據(jù)讀出，低電平時為數(shù)據(jù)寫入），如圖6-6所示。編輯ppt編輯ppt2164的容量為64K，故應需要16條地址線來對它進行尋址。但實際上2164只有8條地址線為此，采用行地址和列地址分時傳送的方法來確定芯片內(nèi)存儲單元的地址行地址和列地址共用8條地址線。編輯ppt2164芯片的內(nèi)部結構如圖6-7所示，64KB的存儲體由4個128×128的存儲矩陣構成每個存儲矩陣由7條行地址線和7條列地址線選擇相應的存儲單元。7條行地址線經(jīng)過譯碼器產(chǎn)生128條行選擇線，可選擇128行；7條列地址線經(jīng)過譯碼器產(chǎn)生128條列選擇線，可選擇128列。編輯ppt編輯ppt2．動態(tài)RAM2164的工作過程

編輯ppt編輯ppt3．動態(tài)RAM2164的刷新動態(tài)RAM與靜態(tài)RAM最大的不同就是不能長時間保存數(shù)據(jù)。由于電容不能長期保持其內(nèi)部存儲的電荷，因此它需要在電荷消失之前進行刷新操作，以保持電荷穩(wěn)定。這種通過對動態(tài)RAM的存儲單元執(zhí)行重讀操作，以保持電荷穩(wěn)定的過程稱為動態(tài)存儲器的刷新。

編輯ppt刷新是按行進行的，故只需由行選通信號RAS激活每一行的存儲單元，而不需要列選通信號CAS，即可完成對指定行的刷新。例如，在PC/XT微型機中，動態(tài)RAM刷新是利用DMA控制器實現(xiàn)的，當DMA控制器接收到DMA請求時，便送出到刷新的行地址，從而完成指定行的刷新。編輯ppt6.2.3存儲器的擴展在實際應用中，由于單片存儲器芯片的容量很有限，很難滿足實際存儲容量的要求，因此，常需要用多片存儲器芯片構成一個大容量的存儲器。

編輯ppt1．位擴展位擴展是指增加存儲器的字長，即對每個存儲單元的位數(shù)進行擴展。例如，怎樣用8K×1的RAM芯片構成8K×8的存儲器系統(tǒng)?由于存儲器的字數(shù)與存儲器芯片的字數(shù)相同，8K=213，故需要13條地址線（A12~A0）對芯片內(nèi)的存儲單元尋址；由于每個芯片只有1條數(shù)據(jù)線，故需要8片這樣的芯片編輯ppt編輯ppt2．字擴展字擴展是指增加存儲器字的數(shù)量，即對存儲單元的個數(shù)進行擴展。例如，怎樣用4個16K×8芯片構成一個64K×8的存儲器系統(tǒng)？由于16K=214，故每個芯片有14位地址線，8條數(shù)據(jù)線。編輯ppt編輯ppt編輯ppt3．字位擴展字位擴展是指字擴展和位擴展的組合。若使用L×K位存儲器芯片構成一個容量為M×N位(M>L，N>K)的存儲器，那么這個存儲器共需要(M/L)×(N/K)個存儲器芯片。連接時可將這些芯片分成(M/L)個組，每組有(N/K)個芯片，組內(nèi)采用位擴展法，組間采用字擴展法。

編輯ppt6.3只讀存儲器只讀存儲器ROM（Read-OnlyMemory）是一種非易失性的半導體存儲器。它的特點是：數(shù)據(jù)只能讀出不能寫入，并且存儲的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會因斷電而消失，常用于存儲不需要更改的程序和數(shù)據(jù)。編輯pptROM有以下幾種類型：掩膜只讀存儲器ROM：存儲的信息在制造過程中就固化好了，用戶只能讀出其信息而不能加以修改?？删幊讨蛔x存儲器PROM（ProgrammableROM）：只允許寫入一次數(shù)據(jù)，寫入后不允許修改。用特殊的方法將信息寫入的過程稱為編程。紫外線可擦除可編程只讀存儲器EPROM（ErasablePROM）：具有擦除功能，擦出后可重新寫入，可重復使用。利用紫外線照射把存儲的內(nèi)容擦除，再利用高電壓重新編程寫入。編輯ppt電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM（ElectricallyEPROM）：與EPROM類似，只是使用電信號進行擦除，比EPROM更為方便。閃速存儲器（FlashMemory）：新型的半導體存儲器，具有非易失性、電擦除性和高可靠性。編輯ppt6.3.1EPROM2764可擦除重寫只讀存儲器EPROM2764編輯ppt1．EPROM2764的引腳及其功能2764是一個8K×8位的紫外線可擦除可編程只讀存儲器芯片，其引腳定義及功能如下：A0~A12：13條地址線，該芯片上有8K（213＝8192）個存儲單元。D0~D7：8條數(shù)據(jù)線，每個存儲單元存儲一個字節(jié)的信息。編輯pptCE：選片控制端，為低電平時，表示該芯片被選中。OE：輸出允許端，為低電平時，表示從數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)。PGM：編程脈沖輸入端。對EPROM編程時，輸入編程脈沖；讀操作時，輸入高電平。Vpp是編程電源；Vcc是主電源。編輯ppt編輯ppt2．EPROM2764的讀出操作

編輯ppt3．EPROM2764的編程寫入對EPROM的編程方式有兩種：標準編程方式和快速編程方式。標準編程方式是指每出現(xiàn)一個編程負脈沖就寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

編輯ppt具體編程過程如下：①VCC接﹢5V，VPP加上芯片要求的高電壓（如Vpp＝+25V）；②將要編程存儲單元的地址送到A0~A12；③使CE為低電平，OE為高電平；④將要寫入的數(shù)據(jù)送到D0~D7；⑤上述信號穩(wěn)定后，在PGM端加上50±5ms的負脈沖；⑥將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入相應的存儲單元中。重復這個過程，即可完成整個芯片的寫入。編輯ppt如果其他操作不變，只是在每寫入一個單元的數(shù)據(jù)后將OE變?yōu)榈碗娖剑瑒t可以對每次寫入的數(shù)據(jù)進行校驗，或者全部寫完后再進行校驗?？焖倬幊谭绞绞褂玫氖菍挾群苷木幊堂}沖，編程過程與標準編程方式相同，可對出現(xiàn)錯誤的單元進行多次重寫。編輯ppt4．EPROM2764的擦除操作EPROM允許擦除上萬次，一片新的或擦除干凈的EPROM芯片，其每個存儲單元的內(nèi)容都是0FFH。擦除時，用紫外線照射EPROM窗口15~20分鐘即可擦除干凈。只有擦除干凈的EPROM才能對其進行編程。

編輯ppt6.3.2電可擦除只讀存儲器EEPROM98C64

電可擦除只讀存儲器編輯ppt1．EEPROM98C64的引腳及其功能98C64是一個8K×8位電可擦除可編程只讀存儲器芯片

編輯ppt編輯ppt引腳定義及功能如下

A0~A12：13條地址線，該芯片上有8K（213＝8192）個存儲單元。D0~D7：8條數(shù)據(jù)線，每個存儲單元存儲一個字節(jié)的信息。CE：選片控制端，為低電平時，表示該芯片被選中。OE：輸出允許端，當CE和OE為低電平、WE為高電平時，可以將選中內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)讀出。WE：寫允許端，當CE為低電平、OE為高電平、WE為低電平時，可以將數(shù)據(jù)寫入選定的存儲單元。READY/BUSY：狀態(tài)輸出端，寫入數(shù)據(jù)時，輸出低電平；寫操作結束后，輸出高電平。編輯ppt2．EEPROM98C64的讀出操作98C64的讀出操作的過程與EPROM和RAM芯片相似，只要當CE和OE為低電平、WE為高電平時，就可以將選中內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)讀出。編輯ppt3．EEPROM98C64的編程寫入對EPROM的編程方式有兩種：字節(jié)寫入方式和自動頁寫入方式。字節(jié)寫入方式是指每次寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。編輯ppt編輯ppt自動頁寫入方式是指每次寫完一頁的數(shù)據(jù)。一頁數(shù)據(jù)包含32個字節(jié)，低位地址A4~A0用于在頁內(nèi)尋址；高位地址A12~A5為頁地址，用于決定訪問哪一頁數(shù)據(jù)。只有當一頁數(shù)據(jù)寫入完成后，即READY/BUSY端的狀態(tài)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，才能開始下一頁數(shù)據(jù)的寫入。編輯ppt4．EEPROM98C64的擦除操作98C64的擦除操作的過程與編程寫入是一樣的，只是擦除時向存儲單元中寫入的都是0FFH。擦除的方式可以是字節(jié)擦除和整片擦除。字節(jié)擦除操作的過程同字節(jié)寫入的過程相同。整片擦除的方法是：將FFH送到D0~D7上，使CE為低電平，WE為低電平，并在OE端加上﹢15V電壓，保持10ms，即可將整個芯片擦除干凈。編輯ppt6.4高速緩沖存儲器在存儲系統(tǒng)的層次結構中，高速緩沖存儲器（Cache）是介于中央處理器和主存儲器之間的一級存儲器。它采用的是速度更快、價格更高的半導體靜態(tài)存儲器，用來存放當前使用最頻繁的程序和數(shù)據(jù)，目的是提高CPU對存儲器的訪問速度。編輯ppt6.4.1Cache的工作原理Cache的實現(xiàn)原理是：將CPU最近最可能用到的指令或數(shù)據(jù)從主存復制到Cache中當CPU下次再用到這些信息時，就不必訪問慢速的主存，而直接從快速的Cache中得到從而提高訪問速度。編輯ppt編輯ppt編輯ppt6.4.2Cache的地址映射被復制到Cache中的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址與在Cache中的地址之間的對應關系稱為Cache的地址映射。編輯ppt為了方便管理，將主存和Cache都分成大小相等的若干頁。設主存容量為2n，Cache容量為2m，頁的大小為2p（即頁內(nèi)地址有p位），則主存的頁號（即頁地址）共有n－p位，Cache頁號共有m－p位。這樣，在進行地址映射時，就是把主存頁映射到Cache頁上（即頁號的映射）。編輯pptCache通常使用的映射方法有三種：全相聯(lián)映射：允許主存的任意一頁映射到Cache的任意一頁。這種方法的沖突概率小，但實現(xiàn)的硬件價格昂貴。直接映射：主存的頁號B與Cache的頁號b需滿足：b＝Bmod2m-p。這種方法實現(xiàn)簡單、速度快，但沖突概率高。編輯ppt組相聯(lián)映射：將主存和Cache分組，再將主存進一步分區(qū)，采用組間直接映射和組內(nèi)全相聯(lián)映射的方法。編輯ppt6.4.3Cache的替換策略當CPU訪問的數(shù)據(jù)不在Cache中（即Cache不命中）時，要訪問主存，并把數(shù)據(jù)所在的頁調入Cache，以替換Cache中的頁。編輯pptCache的替換策略有：隨機替換算法：從Cache中隨機地選一頁替換。先進先出（FIFO）算法：選擇最先調入的頁替換。最近最少使用（LRU）算法：選擇最近最少使用的頁替換。最久沒有使用（LFU）算法：選擇最長時間不使用的頁替換。編輯ppt6.4.4Cache與主存的一致性Cache中保存的數(shù)據(jù)實際上是主存中相應數(shù)據(jù)的副本。當CPU要訪問的數(shù)據(jù)在Cache中時，CPU將直接訪問Cache而不是訪問主存。如果CPU改變了Cache中的內(nèi)容，而主存的內(nèi)容沒有變，這時，就要考慮Cache與主存的一致性問題。編輯ppt對于這種情況，常用的解決方法有：寫貫穿法（WT）：在對Cache進行寫操作的同時，也寫入主存，如圖6-18所示。回寫法（WB）：在對Cache進行些操作時，不寫入主存，只是在Cache中加以標記。只有當Cache中的數(shù)據(jù)被再次更改時，才將原更新的數(shù)據(jù)寫入主存，如圖6-19所示。編輯ppt編輯ppt6.5外部存儲器

編輯ppt6.5.1硬盤的結構與主要性能指標硬盤由具有磁性物質的多個盤片制成，并且這些盤片重疊起來被密封于金屬殼體內(nèi)。磁盤片是硬盤存儲數(shù)據(jù)的載體，磁盤片的表面為記錄面，被劃分成若干個不同半徑的同心圓，稱為磁道。硬盤是通過磁道上磁性物質的狀態(tài)來存儲信息的。磁盤的每個記錄面都有一個磁頭，磁頭固定在磁頭架上，用來讀取或者修改盤片上磁性物質的狀態(tài)。磁盤片在主軸電機的帶動下以很高的速度旋轉，磁頭通過磁頭架的徑向移動實現(xiàn)磁道的選擇。編輯ppt編輯ppt編輯ppt磁盤上的信息是按區(qū)域存放的，稱為記錄區(qū)。將磁盤上的每個磁道劃分為若干個扇形區(qū)域，每個區(qū)域叫做一個扇區(qū)。為了定位每個記錄區(qū)，首先應為磁頭、磁道和扇區(qū)進行編號。對磁道的編號按照由外向內(nèi)的順序，依次是0磁道到n磁道。因此，信息的存放位置可以表示為：××磁頭，××磁道，××扇區(qū)。

編輯ppt決定硬盤性能的幾個重要指標的意義如下：容量：目前常見的硬盤存儲容量有120GB，160GB、180GB、250GB、500GB等。轉速：轉速是決定硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的決定因素之一，也是區(qū)別硬盤檔次的重要標志。現(xiàn)在主流的硬盤轉速一般為7200rpm（轉/分鐘）或更高。高速緩存：高速緩存是為解決硬盤與CPU之間的速度不匹配問題而設置的，緩存越大越有利于提高硬盤的讀寫速度。目前主流硬盤的緩存主要有2MB、8MB和16MB。平均尋道時間：平均尋道時間是指磁頭移動到數(shù)據(jù)所在磁道需要的時間。目前主流硬盤的平均尋道時間一般在9ms以下。編輯ppt6.5.2光盤的構造與光驅的主要性能指標光盤是利用光信號進行讀/寫信息的存儲介質，具有存取速度快、存儲容量大、可靠性高等優(yōu)點。