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第 5 章 存储系统

第 5 章 存储系统. 本章要点 5.1 存储系统概述 5.2 随机读写存储器（ RAM ） 5.3 只读存储器（ ROM ） 5.4 CPU 与存储器的连接 5.5 外存储器. 本章要点. 掌握存储器的分类、性能指标及存储系统的层次结构。 掌握半导体随机存储器的基本组成及各个组成部件（存储体、地址译码与驱动、数据缓冲器、读／写控制逻辑）的作用及工作原理，读／写操作的基本过程。 了解 SRAM 、 DRAM 及 ROM 芯片的基本存储电路、工作过程；典型芯片的主要引脚信号；了解 DRAM 刷新的基本概念。 了解新型的半导体存储器技术及芯片类型。

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第 5 章 存储系统

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  1. 第5章 存储系统 • 本章要点 • 5.1 存储系统概述 • 5.2 随机读写存储器（RAM） • 5.3 只读存储器（ROM） • 5.4 CPU与存储器的连接 • 5.5 外存储器

  2. 本章要点 • 掌握存储器的分类、性能指标及存储系统的层次结构。 • 掌握半导体随机存储器的基本组成及各个组成部件（存储体、地址译码与驱动、数据缓冲器、读／写控制逻辑）的作用及工作原理，读／写操作的基本过程。 • 了解SRAM、 DRAM及ROM芯片的基本存储电路、工作过程；典型芯片的主要引脚信号；了解DRAM刷新的基本概念。 • 了解新型的半导体存储器技术及芯片类型。 • 掌握半导体存储器芯片的扩充（包括字扩充和位扩充）。 • 掌握CPU与半导体存储器间的连接。 • 了解外存储器的工作原理、应用及现代外存储器技术。

  3. 本章重点与难点 • 重点： • 存储器的分类 • 典型芯片的使用 • 存储器容量的扩展 • 难点： • 存储器的扩展 • 存储器与CPU的连接 返回本章首页

  4. 5.1 存储系统概述 • 5.1.1 存储器的分类 • 5.1.2 存储器的基本性能指标 • 5.1.3 存储系统的层次结构 • 5.1.4 半导体存储器的逻辑结构 • 5.1.5 半导体存储器的分类 返回本章首页

  5. 5.1.1 存储器的分类 • 存储器是用来存储程序和数据的，它是计算机极其重要的组成部分，有了它的存在，计算机才具有记忆功能，才能把要计算或加工处理的数据以及程序存入计算机，使之脱离人的直接干预而自动工作。显然，存储器的容量越大，记忆的信息也就越多，计算机的功能也就越强。

  6. 5.1.1 存储器的分类 • 1．按存储介质分类 • 目前使用的存储介质主要有半导体器件、磁性材料和光学材料，根据使用的存储介质不同可分为： • 半导体存储器 • 磁表面存储器：如磁盘存储器和磁带存储器 • 光表面存储器：如光盘存储器

  7. 5.1.1 存储器的分类 • 2.按信息的可保存性分类 • 非永久性记忆的存储器：随机存取存储器RAM属于非永久性存储器。 • 永久性记忆的存储器：磁性材料和光学材料做成的存储器属于永久性存储器

  8. 5.1.1 存储器的分类 • 3.按在微机系统中的作用分类 • 主存储器：又称内存储器，简称内存 • 辅助存储器：又称外存储器，简称外存 • 高速缓冲存储器（Cache） 返回本节

  9. 5.1.2 存储器的基本性能指标 • 1．存储容量 • 存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。容量越大，意味着所能存储的二进制信息越多，系统的功能就越强。 • 存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存放若干个二进制位，其位数称为存储单元的长度。存储容量一般可表示为： • 存储容量＝存储器单元数×每单元二进制位数 • 存储容量通常以字节（B）为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）等表示。

  10. 5.1.2 存储器的基本性能指标 • 2.存取速度 • 存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量，存取速度的度量单位通常采用ns。 • 存取时间：存取时间是指启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间。 • 存取周期：存取周期是指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。通常存取周期略大于存取时间。

  11. 5.1.2 存储器的基本性能指标 • 3.价格 • 存储器的价格常用每位的价格来衡量。设存储器容量为S，总价格为C，则每位价格为P=C/S。它不仅包含了存储元件本身的价格，也包括为该存储器操作服务的外围电路的价格。 • 存储器总价格与存储容量成正比，与存取速度也成正比。一般来说，速度较快的存储器，其价格也较高，容量也不可能太大。因此，容量、速度、价格三个指标之间是相互制约的。

  12. 5.1.2 存储器的基本性能指标 • 4.功耗 • 一般是指每个存储单元的功耗，单位为µW/单元。也有给出每块芯片的，单位为mW/芯片。它是一个重要的指标，不仅关系到功耗的大小，也关系到集成度以及在机器中的组装和散热问题。 返回本节

  13. 5.1.3 存储系统的层次结构 • 所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。 • 目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图5-1所示。

  14. 图5-1 5.1.3 存储系统的层次结构 返回本节

  15. 5.1.4 半导体存储器的逻辑结构 • 半导体存储器是一种记忆部件，可以将它看成是有数以千万计的存储单元组成的。每一个存储单元能存储一串二进制信息，一个单元称为存储器的一个字，每一个字有4位、8位或16位、32位几种。一个单元的位数称为字长。每一位（bit）又是由一个具有两种稳态的元件比如一个半导体触发器组成。这样一个元件就是存储器的一个基本存储电路，称为存储元（cell），它能存一位二进制数。微机中，一个字节作为一个存储单元，半导体存储器是按存储单元编址的，每一个单元必须有惟一的地址。存储器的逻辑结构示意图如图5-2所示。

  16. 图5-2 存储器的逻辑结构示意图 5.1.4 半导体存储器的逻辑结构 返回本节

  17. 双极型RAM 随机存取存储器(RAM) 静态RAM(SRAM) MOS型RAM 动态RAM(DRAM) 半导体存储器 掩摸式ROM(MROM) 可编程ROM(PROM) 只读存储器(ROM) 紫外线可擦除ROM(EPROM) 电可擦除PROM(E2PROM) 闪速存储器(Flash Memory) 图5-3 半导体存储器的分类 5.1.5 半导体存储器的分类 返回本节

  18. 5.2 随机读写存储器（RAM） • 5.2.1 静态RAM • 5.2.2 动态RAM • 5.2.3 新型的RAM技术及芯片类型 返回本章首页

  19. 图5-4 六管基本存储电路单元 5.2.1 静态RAM • 1.基本存储电路单元（六管静态存储电路）

  20. 图5-5 典型的RAM的示意图 5.2.1 静态RAM • 2.静态RAM的结构

  21. 5.2.1 静态RAM • 3. SRAM芯片实例 • 常用典型的SRAM芯片有6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、62256（32KB×8位）、628128（128KB×8位）等。 • （1）Intel 6116容量为2K×8位，有2048个存储单元，需要11根地址线,其引脚及功能框图如图5-6所示。

  22. 图5-6 6116引脚及功能框图 5.2.1 静态RAM

  23. 5.2.1 静态RAM （2） Intel6264引脚图 在Vcc=2V时，该芯片便进入数据保护状态。根据这一特点，在电源掉电检测和切换电路的控制下，当检测到电源电压下降到小于芯片的最低工作电压（CMOS电路为4.5V),将RAM切换到镍铬电池或锂电池提供的备用电源供电，即可实现断电后的长时间数据保护。 图5-7 6264引脚 返回本节

  24. 数据线 图5-8 单管动态存储电路 5.2.2 动态RAM • 1.动态RAM的存储单元

  25. 图5-9 2164A引脚 5.2.2 动态RAM • 2.动态RAM实例（Intel 2164A）

  26. 图5-10 2164内部结构示意图 5.2.2 动态RAM 返回本节

  27. 5.2.3 新型的RAM技术及芯片类型 • 1.ECC RAM • 2.FPM DRAM • 3.EDO DRAM • 4.SDRAM（Synchronous RAM,简称SDRAM） • 5.RDRAM内存 • 6.DDR SDRAM • 7.DDR2-SDRAM 返回本节

  28. 5.3 只读存储器（ROM） • 5.3.1 掩膜ROM • 5.3.2 可编程ROM(PROM) • 5.3.3 紫外线可擦除可编程ROM(EPROM) • 5.3.4 电可擦可编程ROM(EEPROM) 返回本章首页

  29. 5.3.1 掩膜ROM • ROM中一旦存有信息，就不能轻易加以改变，而且在掉电时信息也不会丢失。它在计算机系统中是只供读出的存储器，因此它只能用在不需要经常对信息进行修改和写入的场合，一般只能存放固定程序，如监控程序、IBM-PC中的BIOS程序等。

  30. 图5-11 5.3.1 掩膜ROM

  31. 5.3.1 掩膜ROM 表5-1 掩膜ROM的内容 返回本节

  32. 图5-12 5.3.2 可编程ROM(PROM) 返回本节

  33. Vcc 图5-13 EPROM的结构示意图 5.3.3 紫外线可擦除可编程ROM(EPROM) • 1．基本存储电路

  34. A0~A10：地址线 D0~D7：数据线 ：片选端 ：输出允许端 Vpp：编程电压输入 Vcc：电源电压 图5-14 2716引脚 5.3.3 紫外线可擦除可编程ROM(EPROM) • 2. EPROM实例 • Intel 2716是一个16K位（2K×8位）的EPROM，用5V电源供电。 返回本节

  35. 5.3.4 电可擦可编程ROM(EEPROM) • 用紫外线擦除的EPROM有两个明显缺点：擦除时间较长，擦除是对芯片全体进行的，因此仍不够方便。E2PROM较好地解决了上述两问题，它采用金属－氮－氧化硅集成工艺(MNOS)，在擦除时只需加高压，对指定的单元产生电流，形成所谓电子隧道，将该单元的信息擦除，而其它未通过电流的单元内容保持不变。E2PROM可实现字擦除和数据块擦除两种方式，且擦除一个字单元的时间约为10ms。 返回本节

  36. 5.4 CPU与存储器的连接 • 5.4.1 CPU与存储器连接时应注意的问题 • 5.4.2 存储器容量的形成 • 5.4.3 存储器片选信号的产生方式和译码电路 返回本章首页

  37. 5.4.1 CPU与存储器连接时应注意的问题 • 1、CPU总线的带负载能力 • 2、存储器的组织、地址分配与片选问题 • 3、CPU的时序与存储器的存取速度之间的配合 • 4、控制信号的连接 返回本节

  38. 5.4.2 存储器容量的形成 • 1. 位扩展 • 若芯片字数=存贮器单元数，芯片字长<存贮器字长，则需位扩展。 • 例如：如果要组成1K×8位主存容量，即1KB，可采用8片1K×1的存贮芯片拼接而成。如图5-15所示。

  39. 图5-15 用1024×1位的芯片组成1K RAM的方框图 5.4.2 存储器容量的形成

  40. 5.4.2 存储器容量的形成 • 位扩展的方法：将多片存贮芯片的地址端、片选端和读/写端各自全并联在一起，而它们的数据端分别引出，连到存贮器不同位的数据总线上。

  41. 5.4.2 存储器容量的形成 • 2.字扩展 • 若芯片字长＝存贮器字长，而芯片字数＜存贮器单元数，则需进行字扩展。 • 例如，用Intel 2114（1K×4）芯片构成4K×4位存贮器，需要进行字扩展。 • 地址线分配如表5-2所示；系统总线连接如图5-16所示。

  42. 5.4.2 存储器容量的形成 表5-2 地址线分配

  43. 图5-16 用1024×1位的芯片组成1K RAM的方框图 5.4.2 存储器容量的形成

  44. 5.4.2 存储器容量的形成 • 字扩展的方法是：将各芯片的地址线、数据线、读/写线分别并联在一起，片选信号单独联接。用高位地址（例中为A11、A10）经译码产生片选信号，选中一个芯片工作；用低位地址(例中A0~A9)作为各芯片的片内地址，选中对应的一个存贮单元。

  45. 5.4.2 存储器容量的形成 • 3.字位扩展 • 就单个芯片来说，无论是位方向，还是字方向都不满足要求，都要进行扩展，即字位扩展。 例如：用256×4位的芯片组成1KB RAM的存贮器。如图5-17所示。 每二片一组进行位扩展构成256×8位容量，4组进行字扩展构成1K×8位的容量。

  46. 图5-17 用256×4位的芯片组成1K RAM的方框图 5.4.2 存储器容量的形成 返回本节

  47. 图5-18 74LS138引脚 5.4.3 存储器片选信号的产生方式和译码电路 • 1.74LS138译码器的应用 74LS138是一种三-八译码器， 有三个输入端：A、B、C 8个输出端：Y0~Y7,低电平有效 三个使能端：G1、G2A、G2B 当满足条件G1=1， G2A = G2B =0时，芯片工作。

  48. 5.4.3 存储器片选信号的产生方式和译码电路 表5-3 74LS138的真值表

  49. 5.4.3 存储器片选信号的产生方式和译码电路 • 2.片选信号的产生方式 • 片选信号是由高位地址线产生的。地址线可分为高位地址线和低位地址线两部分。低位地址线是直接连接到存储器芯片的地址引脚，低位地址的根数等于芯片地址引脚数，即A0~An-1，n的值取决于芯片的单元数。 • 产生片选信号有以下几种方法： • 全译码法 • 局部译码方式（部分译码法） • 线选方式（线选法）

  50. 5.4.3 存储器片选信号的产生方式和译码电路 • （1）全译码法 • 将系统地址总线中除存储器芯片本身占用地址线以外的全部高位地址通过地址译码器进行译码后，产生片选信号。 • 全译码的优点：地址唯一，片与片之间的地址是连续的。 • 例如：采用全译码法，用8K×8位的芯片组成32KBRAM的存贮器。如图5-19所示。

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