《微型计算机原理》课件第6章 (3).ppt

1、1 1第6章 半导体存储器及接口6.1 存储器的分类和主要性能指标6.2 半导体存储器件6.3 SRAM、ROM与CPU的连接6.4 动态随机存取存储器(DRAM)6.5 高速缓冲存储器(cache)习题与思考题第6章 半导体存储器及接口2 2第6章 半导体存储器及接口6.1 存储器的分类和主要性能指标电子计算机要根据已编制的程序，对数据和信息自动快速地进行运算和处理，就必须把指令、数据和运算的中间结果放在计算机内部。存储器就是计算机中存储计算程序、原始数据及中间结果的设备。通常，系统程序(如操作系统、编译程序、汇编程序、工具软件等)预先存储在磁盘和光盘中，运行时需调内存方能被CPU执行。而用

2、户的应用程序则是通过键盘直接输入内存。因此可以说，所有的程序只有在装入内存后，才能被CPU执行。3 3第6章 半导体存储器及接口6.1.1 存储器的分类1按存储器采用的元件分类按存储器采用的元件分类，有磁芯存储器、半导体存储器、磁泡存储器、磁表面存储器(包括磁带、磁鼓、硬磁盘、软磁盘等)和激光存储器等。4 4第6章 半导体存储器及接口2按存储器和中央处理器的关系分类按存储器和中央处理器的关系分类，有内存储器和外存储器。直接和CPU相联系，作为微型计算机的组成部分，用于暂存部分程序和数据的快速存储器称为内存储器，它是计算机的主存储器。内存储器的存取速度较快，存取周期从几个纳秒到几十个纳秒。其存储

3、容量随着微处理器技术的发展而增长很快。例如，第二代(8位)微机的内存容量多为几十千比特，第三代(16位)微机的内存容量多为几兆比特，第四代(32位)微机的内存容量多为几吉比特，而第六代微机的内存容量已高达几十吉比特。5 5第6章 半导体存储器及接口内存储器多用MOS半导体存储器作为实体。外存储器是不直接和CPU相联系的存储器，也可归类为外部设备。它们的存储容量大，但存储速度慢。其存储容量从几百兆比特到几十吉比特，寻址时间为若干毫秒。外存储器由软磁盘、硬磁盘及光盘等组成，不属本章的讨论内容。6 6第6章 半导体存储器及接口3按存储信息的功能分类半导体存储器按存储信息的功能，分为随机存取存储器(R

4、AM)和只读存储器(ROM)。所谓随机存取存储器(Random Access Memory)，又称读写存储器，一般是指机器运行期间可读也可写的存储器。所谓只读存储器(Read Only Memory)，一般是指机器运行期间只能读出信息，而不能随时写入信息的存储器。然而实际上所谓的随机存取意即随意存取，是相对于顺序存取而言的。对顺序存取的存储器来说，信息的存取时间与其所在位置有关。例如，要读磁鼓内第1000号存储单元的信息，必须从给出命令时磁鼓所在单元(如第10号单元)开始，经过第10单元、第11号单元第999号单元，方能到达第1000号单元。7 7第6章 半导体存储器及接口显然，读出时间要比第

5、11号存储单元的长得多。对随机存取的存储器来说，当要取出某一单元信息时，无需经过中间单元而耗费不必要的时间，也就是说，随机存取能做到信息的存取时间与其所在位置无关。从这个意义上说，无论ROM还是RAM，都是随机存取的，因而称RAM为读写存储器更为恰当些。只读存储器按功能可分为掩膜式ROM(简称ROM)、可编程只读存储器(PROM，Progammable ROM)和可改写的只读存储器(EPROM，Erasable Programmable ROM)三种。随机存储器按信息存储的方式，可分为静态RAM(Static RAM，简称SRAM)，动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)两种。8

6、8第6章 半导体存储器及接口半导体存储器的制造工艺多种多样，经常采用的有NMOS、CMOS、SOS、HMOS、TTL、ECL及I2L等。采用TTL、ECL及I2L工艺的存储器属双极型静态存储器，它们的存取速度最快，已和CPU的工作速度基本相匹配。但它们的功耗大，容量小，价钱高。采用各种MOS型工艺制作的存储器有各种ROM、DRAM及SRAM，它们的存取速度较双极型SRAM的慢，但功耗小，容量大，价亷，尤以DRAM和各种ROM为突出。为此，微机系统中大容量的内存储器都采用DRAM(用来存放固化的系统程序和常数表等)。9 9第6章 半导体存储器及接口为了进一步提高微机的运行速度，选用双极型存储器作

7、内存，虽可以得到存取速度的满足，却使内存体积庞大，功耗过大，且价格很贵。为此，当前微机系统采取的解决方案是在内存和CPU之间增加一个称为高速缓冲存储器(cache)的双极型存储器。它们的存储容量相对较小，早期只有几千比特，逐渐发展成几十千比特，几百千比特。通常cache的一部分集成在CPU的内部，称为一级cache，另一部分位于CPU之外，称为二级cache。cache中存放CPU当前常用的指令和操作数，CPU执行程序时首先到cache中取指令和存取操作数，若未命中才访问内存。显然cache容量愈大，命中率愈高，计算机运行速度提高得也愈明显。1010第6章 半导体存储器及接口随着微处理器的发展

8、，单个芯片的集成度愈来愈高，CPU内部的寄存器数量也愈来愈多，如8086/8088的寄存器组有8个16位寄存器，后来的CPU中除了具有16位的段寄存器、32位的数据寄存器外，还有64位和80位的其他寄存器，这些寄存器的存取速度极快，完全与CPU匹配。为此，程序设计时应充分利用并恰当安排这些片内寄存器，以使CPU尽量少地访问内存，从而进一步提高计算机的运行速度。1111第6章 半导体存储器及接口综上所述，按照和CPU的关系分，微机系统中的存储器分为四级：CPU内部的寄存器组、高速缓存、内存储器和外存储器。它们的存取速度及CPU对其访问的频率依次递减，而存储容量却依次递增，见图6.1。其中只有内存

9、储器占用CPU可寻址的地址空间。外存储器虽然速度慢，但由于容量巨大，费用低，作为后备存储器，用来存放各种程序和数据，特别在现代微机系统中已具有虚拟存储器的管理功能，硬盘的存储空间已作为内存空间的延续，可以使用户在较小的主存上运行很大的程序。1212第6章 半导体存储器及接口图6.1 微机系统中存储器的分级组成 1313第6章 半导体存储器及接口6.1.2 内存储器的性能指标1存储容量这是内存储器的一个重要指标，通常用该内存储器所能存储的字数及字长的乘积来表示，即存储容量=字数字长如16位微型机的最大内存容量为1MB，即1 M8位，而32位微型机的最大内存容量为4GB，即4G8位等。1414第6

10、章 半导体存储器及接口2.最大存取时间内存储器从接收、寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入数码为止所需的时间叫做存取时间。通常手册上给出该常数的上限值，称为最大存取时间。最大存取时间愈短，存储器的工作速度就愈高。因此，它是存储器的一个重要参数。半导体存储器的最大存储时间为几纳秒至几十纳秒。1515第6章 半导体存储器及接口3功耗半导体存储器的功耗包括“维持功耗”和“操作功耗”，应在保证速度的前提下尽可能地减少功耗，特别要减少“维持功耗”。4.可靠性可靠性一般是指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰能力。半导体存储器由于采用大规模集成电路结构，可靠性较高，平均无故障间隔时间为几千小时以上。16

11、16第6章 半导体存储器及接口5.集成度对半导体存储器来说，集成度是一个重要的指标。所谓集成度，是指在一片数平方毫米的芯片上能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存储一个二进制位，所以集成度常表示为位/片。目前典型产品的集成度有1兆位/片、16兆位/片、64兆位/片、256兆位/片等。1717第6章 半导体存储器及接口6.2 半导体存储器件6.2.1 只读存储器(ROM)只读存储器(ROM)也称固定存储器(Fixed Memory)或永久存储器(Permanent Memory)，总之，ROM中各基本存储电路所存信息是固定的、非易失性的，因而机器运行期间只能读出，不能写入，并且在断电或故障

12、停机之后所存信息也不会改变和消失。ROM中信息的写入通常是在脱机或非正常工作的情况下用人工方式或电气方式写入的。对ROM进行信息写入常称为对ROM进行编程。1818第6章 半导体存储器及接口1.ROM的结构和特点ROM的结构框图示于图6.2，它由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。1919第6章 半导体存储器及接口图6.2 ROM结构框图2020第6章 半导体存储器及接口1)存储矩阵能够寄存二进制信息的基本存储电路(或称基本存储单元)的集合体称为存储体。为了便于信息的写入和读出，存储体中的这些基本存储电路配置成一定的阵列，并进行编址。因而，存储体也称为存储矩阵。存储矩阵中基本存储电路的

13、排列方法通常有3种，即N1结构、N4结构和N8结构。N1结构称为位结构，常用在DRAM中，N4及N8结构称为字结构，常用在静态RAM中。ROM的存储矩阵常采用N8结构。2121第6章 半导体存储器及接口2)地址译码器存储器芯片中的地址译码器(通常包括行地址译码器和列地址译码器)接收来自CPU的地址信号及存储器控制信号(或)，并产生地址译码信号，以便选中存储矩阵中某一个或几个基本存储电路，使其在存储器控制信号控制下进行读出操作。CSCE2222第6章 半导体存储器及接口ROM的控制信号引线端通常有芯片允许引线端(Chip Select)或芯片开放引线端(Chip Enable)，统称片选信号端；

14、输出禁止引线端(Output Disable)或输出开放引线端(Output Enable)等。当系统中存储器由多个芯片组成时，或用来选择应访问的存储器芯片，并使被选中的那个存储器芯片从备用状态转换到动作状态；(或)用来控制ROM的输出缓冲器，从而使微处理器(作为存储器的控制部件)能直接管理存储器可否输出，避免争夺总线。CSCEODOECECSOEOD2323第6章 半导体存储器及接口3)输出缓冲器ROM的输出缓冲器具有三态控制及驱动功能，以便使微机系统中各ROM芯片的数据输出端能方便地挂接到系统数据总线上。当对ROM芯片进行读出操作时，芯片开放信号及输出开放信号有效，数据从存储矩阵中相应的基

15、本存储电路中经输出缓冲器送至系统数据总线。而当不对某ROM芯片进行读出操作时，芯片开放信号无效(表明未选中该芯片)，或输出开放信号也同时无效(表明CPU未进行读操作)，致使该ROM芯片的输出缓冲器对系统总线呈现高阻状态，该ROM芯片完全与系统数据总线隔离。2424第6章 半导体存储器及接口ROM中的存储矩阵实际上是一个单向导通的选择开关阵列(即基本存储电路由单向选择开关组成)。所谓单向导通的选择开关，是指连接于行选择信号线和列选择信号线之间的耦合元件。可采用二极管作单向导通的选择开关；也可采用双极型三极管或MOS三极管作单向导通的选择开关。2525第6章 半导体存储器及接口为说明ROM的工作原

16、理和特点，假想一个168的存储器，它采用二极管作单向选择开关。存储矩阵由8个161位的阵列组成。其中一个161位的阵列情况如图6.3所示。4位地址码中的低2位经译码后用来选择4行中的一行，高2位经译码后用来选择4列中的一列。由行和列译码信号复合选择的基本存储电路，根据其中单向选择开关的状态(是接通还是断开)，将所存信息输出到列读出放大器。假如片选(择)信号有效，则该所存信息可读到数据输出线上。由此可以看出，ROM存储矩阵中各基本存储电路信息的存储(或称写入)是用单向选择开关接通或断开的状态来实现的。单向选择开关的状态应事先设计好。2626第6章 半导体存储器及接口图6.3 161位ROM阵列2727第6章 半导体存储器及接口2ROM的分类根据选择开关设计方法，也即编程方式的不同，只读存储器(ROM)分为下列三类。1)掩膜编程的ROM(Mask Programmed ROM)掩膜编程的ROM简称ROM，它是用最后一道掩膜工艺来控制某特定基本存储电路的晶体管能否工作(即单向选择开关是否接通)，以便达到预先写入信息的目的。因而制造完毕后用户不能更改所存信息。这种ROM也常称为掩膜式ROM，它