第5章 存储器及存储器子系统其接口第9.1讲微型计算机构成存 储 器I/O 接 口输 入 设 备I/O 接 口数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB输 出 设 备CPU存储器是计算机的一个重要组成部分,用来保存程序和数据的硬件装置. 记忆功能部件.微机系统本章主要内容n5.1 存储器概述n5.2 半导体静态存储器n5.3 动态RAM存储器n5.4 存储器的接口设计（重点）n5.5 高速缓冲存储器（了解）n5.6 虚拟存储器（了解）n5.1.1 存储器的性能指标n5.1.2 存储器的分类n5.1.3 内存的基本组成n5.1.4 存储系统的层次结构5.1 存储器概述n5.1.1 存储器的性能指标计算机存储器的性能指标很多，例如存储容量、存 取速度、可靠性、性能价格比、体积和功耗等.n1. 存储容量 存储器可以存储的信息的字节数或比特数：存储容量 = 存储字数 (存储单元数)存储字长(每单元的比特数) （例如 1M 比特）n设存储器芯片的地址线和数据线位数分别是p和q，则 该存储器芯片的编址单元总数为2p，该存储器芯片的 位容量为2pq。5.1.1 存储器的性能指标n2 存取速度n存储器的存取速度可用“存取时间”、“存储周 期”和“数据传输速率” 来衡量。n“存取时间”(Access Time) TACPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/ 写操作，从存储器接收到读/写命令到信息被读出 或写入完成所需的时间。取决于存储介质的物理 特性和寻址部件的结构。5.1.1 存储器的性能指标n“存储周期”(memory cycle) TMn连续启动两次独立的存储器操作所需的最小时间 间隔。n由于存储器在完成读/写操作之后需要一段恢复时 间（刷新或重写），所以通常存储器的存储周期 略大于存储器的存取时间（TMTA)n如果CPU在小于存储周期的时间之内连续启动两次 存储器访问，那么存取结果的正确性将不能得到 保证。5.1 存储器概述n数据传输速率n总线宽度 WnBM总线宽度W/TMn3 体积和功耗n4 可靠性nMTBF 5.1 存储器概述5.1.2 存储器的分类从不同的角度出发,存储器有不同的分类方式： 1.按存储元件材料可分:半导体存储器(双极性/MOS,常作主存), 磁存储器(磁带,磁盘),光存储器(光盘).2.按照工作时与CPU联系可分:主存(内存),辅存(外存).主存直接和CPU交换信息,且按存储单元读/写数据,速度快 .辅存不能直接和CPU交换信息，作主存的外援,存放暂时不 执行的程序和数据,它只是在需要时与主存进行批量数据交 换,容量大,速度慢. 3. RWM vs ROM 4. 易失性 vs 非易失性 5. RAM SAM DAM 6. 并行 vs 串行 7. 地址寻址 vs 内容寻址 8. 静态 vs 动态（半导体存储器）半导体存储器的分类半导体存储器EEPROMEPROMPROM掩膜式ROM动态RAM DRAM静态RAM SRAM 可读写存储器 RAM只读存储器 ROMVolatile memoryNon-Volatilememory5.1.3 内存储器的基本组成CPU时序 与 控制地址译码器读/写驱动器MDR存储器MB存储单元 控制总线N位数据总线M位地址总线 MAR内存储器基本结构n1 存储体n比特 存储字长 存储单元 n2 地址译码部件nMAR 地址线数目n 与存储单元数N的关系为 n=log2Nn3 读写电路n读出放大器 写入电路 读/写控制电路 MDR5.1.4 存储系统的层次结构n现象：在一个较短的时间间隔内，程序所访问的 存储器地址在很大比例上集中在存储器地址空间 的很小范围内。大部分的指令是按顺序执行的， 起指令地址是连续的，因而对这些地址的访问就 具有时间上集中分布的倾向。数据的访问也相对 集中于某一范围之内。n局部性原理：由于软件设计上的复用性和循环的 使用，使程序在执行过程中，所执行的指令地址 和指令的操作数地址，被反复使用的几率大大增 加。在某一段时间内频繁访问某一局部的存储器 地址，而对此范围以外的地址则很少访问的现象 就是程序的局部性原理。 (principle of locality)局部性原理n局部性原理的具体体现:n程序在执行时，大部分是顺序执行的指令，少部分是转 移和过程调用指令。n过程调用的嵌套深度一般不超过5，因此执行的范围不超 过这组嵌套的过程。n程序中存在相当多的循环结构，它们由少量指令组成， 而被多次执行。n程序中存在相当多对一定数据结构的操作，如数组操作 ，往往局限在较小范围内。 存 储 器数据总线 DB控制总线 CB地址总线 ABCPU内 存 储 器外 存 储 器容量小 速度快 价格高 半导体容量大 速度慢 价格低 非半导体数据总线 DB控制总线 CB地址总线 ABCPU内 存 储 器外 存 储 器容量小 速度快 价格高 半导体容量大 速度慢 价格低 非半导体C A C H E容量更小 速度更快C A C H En单独用同一种类型的存储器很难同时满足容 量大、速度快及价格低这三方面的要求。n为了发挥各种不同类型存储器的长处，避开 其弱点，应把它们合理地组织起来，这就出 现了存储系统层次结构的概念。 速度,容量,成本的统一CPU寄存器主存储器高速缓存Cache辅助存储器大容量存储器* 主存辅存存储层次：通过软硬件结合，把主存与 辅存统一成一个整体，形成主存辅存存储结构。解 决容量与成本间的矛盾。辅助软硬设备主存辅存CacheCPU主存辅助硬件*Cache主存存储层次：在主存和CPU之间设 置高速缓存，构成 Cache主存存储层 次，Cache由硬件来 实现，要能跟得上 CPU的要求。解决速 度与成本间的矛盾价格，容量，速度，访问频度n在386486以上微机中采用三级存储器结 构(286以下只有二级:内存，外存）：高速 缓冲存储器（CACHE），主存，辅存。CPU 可直接访问高速缓存和主存，而不能直接 访问辅存，通过接口电路。n高速缓存CACHE用SRAM构成(主存由DRAM 构成），L1 L2多级缓存，指令cache 和数 据 cacheCache命中率5.2 半导体静态存储器n5.2.1 SRAM存储器n5.2.2 UV-EPROM存储器n5.2.3 EEPROM存储器n5.2.4 闪速存储器5.2.1 静态RAM(SRAM)n(1) 静态RAM的基本存储单元n基本存储单元(cells)是组成存储器的基础和核心， 用于存储一位二进制代码“0”或者“1”。静态RAM的基本存储单元通常由6个MOS管组成 ，如下图所示。六管静态RAM基本存储单元SRAM的主要特点n静态RAM存储电路MOS管较多，集成度不高， 同时由于T1、T2管必定有一个导通，因而功耗 较大。n静态RAM的优点是不需要刷新电路，从而简化 了外部控制逻辑电路，此外静态RAM存取速度 比动态RAM快，因而通常用作微型计算机系统 中的高速缓存(Cache)。(2) 静态RAM芯片举例n常用的静态RAM芯片主要有6116、 6264、 62256 、 628128等。n下面重点介绍6116芯片。n 6116芯片是2K8位的高速静态CMOS可读写存储 器， 片内共有16384个基本存储单元。 6116芯片引脚图VccCSA10OEWEA9A8I/O1I/O2I/O31109876543211 122415161718192021222314 13A7A0A1A2A3A4A5A6GNDI/O8I/O7I/O6 I/O5I/O46116芯片的工作方式工作方式 001读读 010写 1未选6116芯片内部功能框图复合译码方式行 译 码列I/O列译码输入 数据 控制存储器阵列 128128A4A10I/O1I/O8CSOEWEA0A3A2A1VccGND62 系列其他SRAM6264是8K*8位的SRAM， 采用CMOS工艺制作，单一5V 电源，额定功耗200mW，典型 存取时间为200ns，双列直插式 封装。6264D0D7CE OE WE Vcc GND6264逻辑关系图A0A136264工作方式62128: 16K8位 (14根地址线) 62256: 32K 8位 (15根地址线)628128:128K8位 (17根地址线)5.2 只读存储器ROMn1. 掩膜式ROMn2. 可编程只读存储器 PROM(Programmable ROM)n3. 可擦除可编程只读存储器： EPROM(Erasable PROM)(1) EPROM的基本存储单元P沟道浮栅MOS管EPROM的存储电路特点：nEPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，当用一 定波长(如2537 A)一定光强(如1000 w/cm） 的紫外线透过窗口照射时，所有存储电路中浮 栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢复 初态。n一般照射2030分钟后，读出各单元的内容均 为FFH，说明EPROM中内容已被擦除。CE/PGM# OEVpp GND27C040A0A18D0D727C040逻辑关系图EPR0M的管脚及读写特性n27C040 是 512K*8位的EPROM2 电可擦除可编程只读存储器 EEPROM(Electrically EPROM)工作原理：与EPROM类似，当浮动栅上没有 电荷时，管子的漏极和源极之间不导 电，若设法使浮动栅带上电荷，则管 子就导通。 擦除可以按字节分别进行；可以进行在线的编程写入（字节的编程和 擦除都只需要10ms，并且不需特殊装置）E2PROM结构示意图编程： 在EEPROM中，使浮动栅带上电荷与消 去电荷的方法与EPROM是不同的。 在EEPROM中，漏极上面增加了一个隧 道二极管，它在第二栅极(控制栅)与 漏极之间的电压VG的作用下(实际为电 场作用下)，可以使电荷通过它流向浮 空栅，即起编程作用； 擦除：VG的极性相反也可以使电荷从浮 动栅流向漏极，即起擦除作用。特点：n与EPROM擦除时把整个芯片的内容全变成“1”不同 ，EEPROM的擦除可以按字节分别进行，这是 EEPROM的优点之一。n字节的编程和擦除都只需10ms，并且不需要将芯 片从机器上拔下以及诸如用紫外线光源照射等特 殊操作，因此可以在线进行擦除和编程写入。n这就特别适合在现代嵌入式系统中用EEPROM保存 一些偶尔需要修改的少量数据。3. 闪存(FLASH)n闪存也称快擦写存储器，有人也简称之Flash。非易失性、 又可随时改写其中的信息nNOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。 Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先 由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年， 东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本 ，更高的性能.nNOR flash占据了容量为116MB闪存市场的大部分，而 NAND flash只是用在8128MB的产品当中，这也说明NOR 主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储， NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC 存储卡市场上所占份额最大。(1) 闪存的主要特点 可按字节、区块或页面快速进行擦除和编程操作 ，也可按整片进行擦除和编程，其页面访问速度 可达几十至200ns； 片内设有命令寄存器和状态寄存器，因而具有内 部编程控制逻辑，当进行擦除和编程写入时，可 由内部逻辑控制操作； 采用命令方式可以使闪存进入各种不同的工作方式，例如整 片擦除、按页擦除、整片编程、分页编程、字节编程、进入 备用方式、读识别码等； 可进行在线擦除与编程，擦除和编程写入均无需把芯片取下 ； 某些产品可自行产生编程电压(VPP)，因而只用VCC供电， 在通常的工作状态下即可实现编程操作； 可实现很高的信息存储密度。n(2) 闪存的单