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第4章 存储器
2.数据总线匹配和存储器接口
奇 存 储 体 （512KB） 偶 存 储 体 （512KB）
00001H 00003H 00005H · · ·
00000H 00002H 00004H · · ·
FFFFFHH
FFFFEHH
A19～A1
D15～D8
BHE
D7～D0
A0
图4.23 8086的存储体组织
字选择线
。
位 线
T1
C
D
图4.8
单管动态存储元
2. DRAM存储芯片实例（见图4.9）
4.2.3 存储器芯片的读/写时序
tCYC tRAS RAS
CAS
tCAS
地址
行地址 tRCS
列地址 tRCH
tCYC：读周期时间 tRAS：RAS脉冲宽度 tCAS：CAS脉冲宽度 tRCS：读命令建立时间 tRCH：读命令保持时间 tDOH：数据输出保持时间
4.1 存储器系统概述
4.1.0 存储器系统的Cache—主存层次结构
硬件管理
CPU
Cache
主存储器
图4.0 Cache—主存存储层次
4.1.1 存储器分类
1.按存储介质分类 （1）半导体存储器 （2）磁表面存储器 （3）光盘存储器 2.按存取方式分类 （1）随机存储器RAM （2）只读存储器ROM （3）顺序存储器SAM （4）相联存储器 3. 按在计算机中的作用分类 （1）主存储器 （2）外存储器 （3）高速度缓冲存储器（Cache） （4）控制存储器 4. 按信息的可保存性分类
R/W 32K×8
D7～D0
R/W D7 ～D0
图4.26
内存与CPU的连接框图
《存储器系统》课件
功能：主存储器的主要功能是存放指令和数据，为CPU提供快速访问的存储器
分类：根据存储介质的不同，主存储器可以分为半导体存储器和磁芯存储器等
容量：主存储器的容量通常很大，可以容纳大量的数据和指令
外存
定义：外存是 指除CPU和内 存之外的存储 设备，如硬盘、 U盘、光盘等。
特点：存储容 量大，价格便 宜，但访问速
存储数据：存储器系统可以存储各种数据，包括输入输出数据、中间计算 结果等
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
缓存作用：存储器系统可以作为缓存，提高计算机系统的运行效率 单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
扩展内存：通过扩展存储器系统，可以扩大计算机系统的内存容量，提高 计算机的性能
分类：动态功耗、静态功耗
影响因素：存储器芯片的尺寸、工作电压、工作频率、温度等
优化方法：采用低功耗设计技术、降低工作电压、降低工作频率、采用热管理技术等
06 存储器系统的应用领域
计算机系统
计算机系统中的存储器系统 存储器系统在计算机系统中的重要性 计算机系统中存储器的分类 计算机系统中存储器系统的应用领域
《存储器系统》PPT 课件
,
汇报人：
目录 /目录
01
点击此处添加 目录标题
04
存储器系统的 层次结构
02
存储器系统概 述
05
存储器系统的 性能指标
03
存储器系统的 组成
06
存储器系统的 应用领域
01 添加章节标题
02 存储器系统概述
存储器系统的定义和作用
定义：存储器系统是指由多个存储器芯片或模块组成的集合体
存储器系统在大数据和云 计算中的发展趋势
分类：根据存储介质的不同，主存储器可以分为半导体存储器和磁芯存储器等
容量：主存储器的容量通常很大，可以容纳大量的数据和指令
外存
定义：外存是 指除CPU和内 存之外的存储 设备，如硬盘、 U盘、光盘等。
特点：存储容 量大，价格便 宜，但访问速
存储数据：存储器系统可以存储各种数据，包括输入输出数据、中间计算 结果等
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
缓存作用：存储器系统可以作为缓存，提高计算机系统的运行效率 单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
扩展内存：通过扩展存储器系统，可以扩大计算机系统的内存容量，提高 计算机的性能
分类：动态功耗、静态功耗
影响因素：存储器芯片的尺寸、工作电压、工作频率、温度等
优化方法：采用低功耗设计技术、降低工作电压、降低工作频率、采用热管理技术等
06 存储器系统的应用领域
计算机系统
计算机系统中的存储器系统 存储器系统在计算机系统中的重要性 计算机系统中存储器的分类 计算机系统中存储器系统的应用领域
《存储器系统》PPT 课件
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汇报人：
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01
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04
存储器系统的 层次结构
02
存储器系统概 述
05
存储器系统的 性能指标
03
存储器系统的 组成
06
存储器系统的 应用领域
01 添加章节标题
02 存储器系统概述
存储器系统的定义和作用
定义：存储器系统是指由多个存储器芯片或模块组成的集合体
存储器系统在大数据和云 计算中的发展趋势
第4章 存储系统 5.12
5.1.2 存储器分类
按存储器的存储介质分
– 磁表面存储器MSM
➢ 用陶瓷、非磁性金属或塑料作载磁体，利用磁层上 不同方向的磁化区域表示信息。
➢ 容量大，速度慢，非易失，价格低。用作外存。 ➢ 按载磁体形状的不同分为
磁盘存储器 磁带存储器 磁鼓存储器
5.1.2 存储器分类
按存储器的存储介质分
•所以容量为64K×1。
•EPROM 2716，它的地址线为11根，地址单元数为 211=2K；数据位=8，
•所以容量为2KB。
6
位容量：位容量的单位是位。所以SRAM 2114，
DRAM 4164，EPROM 2716的位容量分别为4K位，64K 位，16K位。
存储容量的单位为B（Byte）、KB、MB、GB、 TB。它们之间的关系是：
一个二进制数由若干位组成，当一个数作 为一个整体存入存储器或从存储器取出时， 这个数称为存储字。
地址：存储单元的编号。
2020/7/15
2
一个存储单元可以存放一个全字，也可以存放
半字或若干个字节，这就出现了字、字节与地 址间的不同编址关系。不同的编址方式也会得 到相应的存储体组织。
字节、字与存储体组织
8
•存储器存/取时间MAT （Memory Access Time） ：又称存储器读/写时间，
或存储器访问时间，它是指从M读/写命令 有效到M读/写工作完成所经历的时间。
•存储器周期时间MCT （Memory Cycle Time） ：它是指两次连续的存储
器操作所需的时间间隔。
通常MCT>MAT。
– 光盘存储器ODM
➢ 用有机玻璃作载磁体，利用光斑的有无来表示信息。 ➢ 记录密度高，存储容量大，不易丢失，光盘数据的
XIN第04章 主存储器与存储系统 4-2PPT课件
Y1
码
Y2
器
Y3
OE
2716
(2)
CE
OE
2716
(3)
CE
OE
2716
(4)
CE
15
部分译码法地址范围
芯片 #1 #2 #3 #4
A15 A14 A13 A12 A11 A10 …. A0
× × × 0 0 0 …. 0 × × × 0 0 1 …. 1
× × × 0 1 0 …. 0 × × × 0 1 1 …. 1
不同的片选方式对CPU剩余的5根地址线 的处理是不同的。
9
(1) 线选法
线选法是指利用地址总线的剩余高位地 址线直接作为存储器芯片的片选信号，低 位地址线和存储器地址线相连。用低位地 址线对每片内的存储单元进行寻址，所需 地址线由每片的单元数确定。
10
线选法扩展存储器容量
A10～A0
RD
CPU
A11 A12 A13 A14 D7～D0
(2)
OE I/O0 .. I/O7
18
全译码法地址范围
芯片 组1 组2
A19 A18 A17 A16 A15 A14 …. A0 0 0 0 0 0 0 …. 0 0 0 0 0 0 1 …. 1
0 0 0 0 1 0 …. 0 0 0 0 0 1 1 …. 1
地址范围
0000H~ 7FFFH
8000H~ FFFFH
计算机系统中， 存储器芯片与 CPU之间的连接， 读/写 实质上就是其与 数据总线、地址 总线和控制总线 三种系统总线的 连接。
CPU AR
k
DR n 地址总线
数据总线 控制总线
Ready
主存储器
4第四章存储系统
⑧ 动态存储器举例
•数据输入缓冲器 用以暂存输入的数据；
•数据输出缓冲器 用以暂存要输出的数据；
• 64K 1 存储体 :需１６位地址，由 4 个 128 128 的存储阵列构成；
• 地址锁存器: 2164A 采用双译码方式，受封装限制， 16 位地址信息通 过同一组引脚分两次送入，故在芯片内部需要能保存 8 位地址信息的地 址锁存器；
2、动态存储器 - DRAM
动态存储单元
ED
T9
预充
字 选 通 线 （ X）
构成
工作管： T1、 T2
A
CD
T5
门控管： T5 、 T6、 T7、 T8
D T7
信息的保存：分布电容C1、C2上的电荷
B
T1
T2
C1 C2
列选通线
写操作：基本步骤同六管静态单元
•写1
A=1 对C2充电，T2导通
B=0 对C1放电，T1截止
…
2000个读写周期
T = 1 s
•异步刷新 是集中刷新和分散刷新的结合，将2ms分成128个时间段， 每段的时间为 2000 / 128 = 15. 5 s，再将每段时间分成两 部分，其中前面的15 s用于读写，最后的0. 5 s用于刷新。
…
…
15.5 s
…
15.5 s
T = 2ms / (4000 – 128 ) = 0.5165 s
• ROM : Read Only Memory
4)按信息的可保存性
•永久性： 与是否断电无关 •非永久性：断电后信息消失
5) 按在计算机系统中所起的作用: •控制存储器(CM or CS) • CPU中的Cache •CPU 外面的 Cache •主存 •辅存
第四章存储器系统 80页PPT文档
快擦型存储器具有EEPROM的特点，又可在计算 机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相 似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器 有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用 5V电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、 擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦 型存储器系统的中央处理机予以控制。
存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运 行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要 的性能指标；
存储器功耗：维持和操作功耗； 可靠性：平均无故障时间； 存储器的成本。
四、存储器的系统结构
1．存储体 一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其
内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够 在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基 本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类 型不同。
采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、 主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一 的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的 速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近 廉价慢速的辅存平均价格。
二、 半导体存储器分类
按存取方式分类：随机存取存储器、只读存储器 按制造工艺分类有双极型和MOS型 按掉电后数据的是否保存分为易失型和非易失型
1．动态RAM基本存储单元
写操作：字选择线为高电平，T1
管导通，写信号通过位线存入电 容C中；
读操作：字选择线仍为高电平，
存储在电容C上的电荷，通过T1 输出到数据线上，通过读出放大 器，即可得到所保存的信息。
刷新：动态RAM存储单元实质上
依靠T1管栅极电容的充放电原理 来保存信息的。时间一长，电容 上所保存的电荷就会泄漏，造成 了信息的丢失。必须及时地向保 存“1”的那些存储单元补充电荷。
存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运 行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要 的性能指标；
存储器功耗：维持和操作功耗； 可靠性：平均无故障时间； 存储器的成本。
四、存储器的系统结构
1．存储体 一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其
内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够 在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基 本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类 型不同。
采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、 主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一 的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的 速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近 廉价慢速的辅存平均价格。
二、 半导体存储器分类
按存取方式分类：随机存取存储器、只读存储器 按制造工艺分类有双极型和MOS型 按掉电后数据的是否保存分为易失型和非易失型
1．动态RAM基本存储单元
写操作：字选择线为高电平，T1
管导通，写信号通过位线存入电 容C中；
读操作：字选择线仍为高电平，
存储在电容C上的电荷，通过T1 输出到数据线上，通过读出放大 器，即可得到所保存的信息。
刷新：动态RAM存储单元实质上
依靠T1管栅极电容的充放电原理 来保存信息的。时间一长，电容 上所保存的电荷就会泄漏，造成 了信息的丢失。必须及时地向保 存“1”的那些存储单元补充电荷。
第4章存储系统
• 外存储器主要由磁表面存储器组成，光存储器应用已 很广泛，渐渐成为一种重要的辅助存储器。
• 外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。
• 外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的程序和 数据。
4.1.3 存储器结构
1. 存储系统的层次结构
▲ 存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取 速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起；
• 则:c=C/S
4.1.2 存储器分类
1. 按存储元件分类
• 存储元件必须具有两个截然不同的物理状态， 才能被用来表示二进制代码“0和1”。
• 半导体存储器
• 磁性材料存储器
• 光介质存储器
2. 按存取方式分类
(1) 顺序存取存储器（SAM） • 这类存储器的特点是信息顺序存放或读出，其存取时 间取决于信息存放位置。
(2) 静态MOS存储器芯片实例(62256 SRAM)
▲ 该芯片容量为32K×8
▲ 62256 SRAM芯片引脚
• 地址引脚：A0—A14 • 数据引脚：I/O0—I/O7 • 片选：CE低有效
• 读/写控制：WE，低电 平时为写入控制；高电 平时为读出控制。
WE 1
28
A12
2
27
A7
3
26
A6
第4章 存储系统
● 存储器是计算机系统的重要组成部分，用它来存放 程序和数据。
• 有了存储器，计算机就具有记忆能力，因而能自动地 进行操作。
● 存储系统由存放程序和数据的各类存储设备及有关 的软件所构成。
4.1 存储器概述
4.1.1 存储器的主要性能指标
◆ 评价存储器特性的主要标准是大容量、高速度和低 价格。
▲ 把主存分为若干容量相同、能独立地由CPU进行存
• 外存储器的内容需要调入主存后才能被CPU访问。
• 外存储器的特点是容量大，所以可存放大量的程序和 数据。
4.1.3 存储器结构
1. 存储系统的层次结构
▲ 存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取 速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起；
• 则:c=C/S
4.1.2 存储器分类
1. 按存储元件分类
• 存储元件必须具有两个截然不同的物理状态， 才能被用来表示二进制代码“0和1”。
• 半导体存储器
• 磁性材料存储器
• 光介质存储器
2. 按存取方式分类
(1) 顺序存取存储器（SAM） • 这类存储器的特点是信息顺序存放或读出，其存取时 间取决于信息存放位置。
(2) 静态MOS存储器芯片实例(62256 SRAM)
▲ 该芯片容量为32K×8
▲ 62256 SRAM芯片引脚
• 地址引脚：A0—A14 • 数据引脚：I/O0—I/O7 • 片选：CE低有效
• 读/写控制：WE，低电 平时为写入控制；高电 平时为读出控制。
WE 1
28
A12
2
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A7
3
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A6
第4章 存储系统
● 存储器是计算机系统的重要组成部分，用它来存放 程序和数据。
• 有了存储器，计算机就具有记忆能力，因而能自动地 进行操作。
● 存储系统由存放程序和数据的各类存储设备及有关 的软件所构成。
4.1 存储器概述
4.1.1 存储器的主要性能指标
◆ 评价存储器特性的主要标准是大容量、高速度和低 价格。
▲ 把主存分为若干容量相同、能独立地由CPU进行存
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4. 按在计算机系统中的作用分类
(1) 高速缓冲存储器：位于主存和CPU之间
(2) 主存储器 (3) 辅助存储器：不能由CPU的指令直接访问， 必须通过专门的程序或专门的通道把所需 的信息与主存进行成批交换，调入主存后 才能使用。
4.1.2 主存储器的基本操作
1.主存与CPU之间的连接
数据总线 读
第 四 章
存 储 器 系 统
4.1 存储器概述 4.2 存储器子系统组成和接口 4.3 I/O子系统组成和接口 4.4 辅助存储器 4.5 相对简单计算机
4.6 实例：一台基于8085的计算机
同济大学 软件学院
4.1
◆ 存储器
存储器概述
计算机的存储部件，用于存放程序和数据。
◆ 计算机发展的重要问题之一，就是如何设计容量 大、速度快、价格低的存储器。 ◆ 本章讨论:存储器的基本结构与读写原理
除上述指标外，影响存储器性能的还有功耗、 可靠性等因素。
4.2 存储器子系统组成和接口
4.2.1 半导体存储器的种类
◆ 主存储器主要由半导体存储器实现 ◆ 半导体存储器（按存储方式分） （1）随机存取存储器 （Random Access Memory，RAM） （2）只读存储器 （Read-Only Memory，ROM） 它们各自有许多不同的类型。
MDR：数据寄存器
写操作（存操作） AB 地址 （MAR） MEM
CPU
ME MEM （Write） DB 存储单元 MDR M
◆ 从系统的角度看计算机怎样执行这些操作
图4.2 存储器读写数据的操作时序
4.1.3 存储器的主要技术指标
(1) 存储容量：存储器所能存储的二进制信息总量。 (2) 速度: 主存的一项重要技术指标。
MDR
CPU
MAR
写 地址总线
主 存
2.主存储器的基本组成
地 址 总 线
地 址 寄 存 器 M A R
地 址 译… 码 器
地 址 驱 动… 电 路
存 储 体
读 写 电 路
数 据 寄 存 器 M DR
数 据 总 线
存 储 控 制 电 路
读 信 号写 信 号
3. 主存的基本操作 MAR：地址寄存器
读操作（取操作） AB 地址 （MAR） CB 读命令 （Read） MEM 存储单 元内容 （ M） DB MEM CPU
(2) 只读存储器ROM 正常工作时只读，能随机读出，不能随机写入。 ◆ MROM：只读 ◆ PROM：一次写 ◆ 可多次改写ROM：EPROM、E2PROM (3) 顺序存取存储器
◆ 信息以文件形式组织，一个文件包含若干个块，
一个块包含若干字节； ◆ 存储时以数据块为单位存储，数据的存储时间 与数据物理位置关系极大； ◆ 速度慢，容量大，成本低； ◆ 磁带、电荷耦合器件CCD、VCD
2. 按存储方式分类 存储方式：访问存储单元的方法。
两个名词术语：
◆ 存储位元：记录（存储）一位二进制信息的存储
介质区域或存储元器件。 ◆ 存储单元：存储一个机器字或一个字节，且具有 唯一地址的存储场所。 (1) 随机访问存储器RAM
存储器的任意单元都可随机访问。 ◆ 访问时间与存储单元的位置无关
4.1.1 存储器的种类
1. 按存储介质分类 存储介质特点：①两种稳定状态；②方便检测； ③容易相互转换。 (1) 半导体存储器：速度快，用作内存。 ◆ 记忆原理：触发器、电容（静态、动态） ◆ 双极型晶体管（ECL、TTL、I2L） ◆ 场效应管型 MOS （ PMOS 、 NMOS 、 CMOS） (2) 磁表面存储器：容量大，用作外存。 (3) 光存储器：可靠性高，保存时间长。
2. 不管哪一种ROM，它们的外部配置几乎一样。 把存储体及其外围电路（包括地址译码与驱动电 路、读写放大电路及时序控制电路等)）集成在一块硅 片上，称为存储器芯片。
地 址 线
译 码 驱 动
存 储 体
读 写 电 路
数 据 线
片选线 (使能端)
……
读/写控制线
存储器芯片的基本结构
……
ROM芯片：2n ×m位 则它有：n个地址输入An-1～A0 m个数据输出Dm-1～D0 芯片使能输入端（CE） 输出允许端（OE） 除掩膜式ROM，其它所有的ROM都有一个编程 控制输入端（VPP），用来控制向芯片输入数据。
全“1”熔断丝型、全“0”肖特基二极管型
双极熔丝型PROM存储矩阵
(3) EPROM是可擦除PROM 能编程，内容可以擦除，即可以重复编程。 编程类似电容器充电，紫外线照射可重置其内 容。
叠栅注入MOS管（Stacked-gate Injection MOS， SIMOS）
(4) EEPROM，或E2PROM，电可擦除PROM 和EPROM相似，但用电擦除和重编程，不用 紫外线。可修改个别单元，重编程只要几秒钟。 (5) flash E2PROM Intel公司 80年代后期 一种高密度、非易失性的可读/写存储器 可用电擦除数据块，而不是单个的存储单 元。兼备了EEPROM和RAM的优点。
4.2.1.1 ROM芯片 1. 按可编程方式和频度的不同，ROM芯片有几种不同 的类型： (1) 掩膜式ROM（或简单地称为ROM） 在芯片制作时就将数据编程进去了。一 旦安装完毕，数据就不再更改。
双极型固定掩模型ROM
(2) PROM(可编程ROM)
可由用户使用标准的PROM编程器编程。
具有保险丝一样的内部连接，只能编程一次。 存储位元的基本结构有两种：
◆ 存取时间：又称访问时间，是指从启动一次存储
器操作到完成该操作所经历的时间。 ◆ 存储周期: 指连续启动两次独立的存储体操作所 需的最小时间间隔。它包括存储器的存取时间和 自身恢复时间。
(3) 带宽（存储器数据传输率、频宽）:存储器单位时间 所存取的二进制信息的位数。 带宽＝存储器总线宽度/存取周期 (4) 价格（每位价格）
(4) 直接存取存储器 信息的组织同顺序存取存储器。对信息 的存储分两步：先随机查找数据区域，找到 后再顺序存储。 例：磁盘
盘片 扇区 扇间空隙
磁道
3. 按存储器信息的可保存性分 (1) 断电后是否丢失数据 ◆ 易失性存储器 特点：断电后，信息就丢失。如SRAM ◆ 非易失性存储器(永久性存储器) 特点：断电后，信息不丢失。如磁盘 (2) 读出后是否保持数据 ◆ 破坏性存储器 特点：读出时，原存信息被破坏，需重写。 如：DRAM ◆ 非破坏性存储器 特点：读出时，原存信息不被破坏。 如：SRAM