计算机原理第五章存储器

32位微机系统的内存组织
✓32位微机系统的内存组织体系是在 16位微机系统基础上扩 展来的。32位地址总线可寻址 4GB 的物理地址空间，地址范 围为 0 ～ FFFFFFFFH；
存放内容：各种程序或数据。
内存与外存的使用
➢由内存ROM中的引导程序启动系统； ➢从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的 RAM中，运行程序； ➢程序运行的中间结果放在RAM中，内存不够时也放 在外存中； ➢程序结束时将最后结果存入外部存储器。
存储器概述
微型机存储器分类：
➢按在系统中位置：内部存储器、外部存储器、Cache； ➢按制造工艺：双极型、MOS、铁电； ➢易失性：非易失性、易失性； ➢可读写性：只读存储器(ROM)、可读写存储器； ➢读写顺序：顺序读写存储器、随机存储器(RAM)； ➢动态/静态，异步/同步，串行/并行。。。
存储器主要性能指标
1 存储容量 (memory size)
存储容量是指存储器芯片中所包含的存储单元（Memory cell）数。半导体存储单元通常以字节为单位，人们通常说 的存储单元都是指的字节单元。
2 速度/存取时间 (Access time)
存取时间是存储器的最重要的性能指标，是读写存储器 中某一存储单元所需时间，一般指存储器接收到稳定地址 信号到完成操作的时间。
E2PROM: 2816
E2PROM: 2816
5.4 高速缓冲存储器（Cache）
➢目的：解决高速CPU与主存（DRAM）之间的速度不匹配问题， 提高CPU访问主存、获取信息的效率。
➢方法：在CPU和主存之间增设一个容量不大，但操作速度很高 的存储器--高速缓存。
➢技术：L1 Cache集成在处理器内部，时钟周期与CPU相同；L2 Cache 在处理器外部，由SRAM构成，时钟周期比CPU慢一半或 更多。
内部寄存器组－Cache－内部存储器－辅助存储器 ➢内存的分区结构－内存分为 ✓基本内存：00000H～9FFFFH，640KB，DOS系统； ✓高端内存：A0000H～FFFFFH，384KB，系统ROM、缓冲区； ✓扩充内存：CPU直接寻址范围之外的物理存储器，通过扩充内 存管理软件EMM来管理，将其映射到高端内存中； ✓扩展内存：1MB以上可直接访问的物理存储器；
CS#片选： 低有效，允许对存储器读写； WE#读/写：读/写控制信号，高电平为读，低电平为写； OE#输出使能：在读存储器周期中，OE为低电平允许输出数 据。
SRAM
静态存储器时序图 对设计者来说最感兴趣的是存储器参数时序图，
因为时序图描述存储器读写周期中的各控制信 号产生的时间关系。系统设计者关心地址总线、 数据总线和存储器控制信号之间的相互关系。
在非对准状态，1个字的低 8位在奇地址体中，高 8位在 偶地址体中，此时，CPU 会自动用两个总线周期完成 16位的 字传输，第一个总线周期访问奇地址体，在 D15～ D8 传输低 8位数据，第二个总线周期访问偶地址体，在 D7～ D0传输高 8位数据。
非对准状态是由于提供的对字访问的地址为奇地址造成的。在字访问时， CPU把指令提供的地址作为字的起始地址，为了避免这种非对准状态造成 的周期浪费，程序员编程时，应尽量用偶地址进行字访问。
E2PROM
以INTEL2816为例说明E2PROM的基本特点和应用方法。 2816的基本特点
✓ 2816是容量为2K×8bit的电擦除PROM，它的管脚排 列与EPROM2716一致。
✓ 2816的存储时间为250ns, 可以按字节为单位进行擦除 和编程，擦除和编程只用CE#、OE#两个信号来控制， 一个字节的擦除时间为10ms，整片擦除时间也是10ms， 擦除和编程均在线进行。
✓只要在刷新时限 2ms中对 DRAM 系统进行逐行选中，就可实 现全面刷新。
DRAM 控制器
为了实现刷新，DRAM 控制器具有如下功能：
✓时序功能 DRAM 控制器需要按固定的时序提供行地址选通 信号RAS，为此，用一个计数器产生刷新地址，同时用一个刷 新定时器产生刷新请求信号，以此启动一个刷新周期，刷新地 址和刷新请求信号联合产生行地址选通信号RAS，每刷新一行， 又产生下一个行地址选通信号。
➢命中率可达90%以上：90%以上的情况下，可以零等待访问高 速缓冲器中的代码和数据。
Cache
Cache
5.5 微型机系统的存储器体系结构
➢层次化总体结构：把各种不同速度、不同容量、不同存储技术 的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个既有足够大 的存储空间，又能满足存取速度要求而且价格适中的整体。
16位微机系统的内存组织
16位微机系统的内存组织
✓BHE#作为片选信号连接奇地址存储器，A0 则作为另一个片选信 号连接偶地址存储器。
16位微机系统的内存组织
✓按字访问时，有对准状态和非对准状态。
在对准状态，1 个字的低 8 位在偶地址体中，高 8位在奇 地址体中，这种状态下，当 A0 和BHE均为 0时，用 1个总线 周期即可通过D15～ D0 完成 16位的字传输。
✓DRAM 本身一般带有片内刷新电路。
DRAM结构
DRAM 的刷新
✓刷新的方法有多种，常用的是“只有行地址有效”的方法。刷 新时，存储体的列地址无效，一次选中存储体中的一行进行刷新。
✓具体执行时，每当一个行地址信号RAS有效选中某一行时，该 行的所有存储单元都分别和读出放大电路接通，在定时时钟作用 下，读出放大电路分别对该行存储单元进行一次读出、放大和重 写，即进行刷新；
半导体存储器行列结构
静态RAM举例
典型的静态RAM芯片： ✓ 2114 （1K*4位） ✓ 6116 （2K*8位） ✓ 6264 （8K*8位） ✓ 62128 （16K*8位） ✓ 62256 （32K*8位）
62256结构
SRAM-62256
62256共有28条引脚，其中有:
✓ 15根地址线，可访问215=32768（32K）存储单元； ✓ 8根数据线以及两根电源线； ✓ 有三个控制引脚控制对存储器的读写。包括：
✓DRAM 的基本单元电路简单，最简单的 DRAM 单元只需 1 个管子构成，这使 DRAM器件的芯片容量很高，而且功耗低；
✓由于电容会逐渐放电，所以对 DRAM 必须不断进行读出和 再写入，以使泄放的电荷得到补充，也就是进行刷新。一次 刷新过程实际上就是对存储器进行一次读取、放大和再写入， 由于不需要信息传输，所以，这个过程很快。
✓ 仲裁功能 当来自 CPU 对内存的正常读写请求和来自刷新电 路的刷新请求同时出现时，仲裁电路要作出仲裁，原则上，刷 新请求优先于CPU 的读写请求。内部的“读写和刷新的仲裁和 切换”电路一方面会实现仲裁功能，另一方面完成总线地址和 刷新地址之间的切换。
DRAM举例： MT48LC4M32
MT48LC4M32
SRAM读周期时序图
SRAM写周期时序图
其他形式的静态RAM
➢ 多端口RAM: 双口RAM/四口RAM ➢ FIFO: First In First Out ➢ SBSRAM:Synchronous Burst SRAM
动态随机存储器（DRAM）
✓DRAM 是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，它将晶 体管结电容的充电状态和放电状态分别作为 1和 0；
5.1.1 微型机存储器分类
➢按在系统中位置分类
（2）外部存储器，简称外存，又称辅助存储器，一 般由磁或光电介质构成
功能：用来存放相对来说不经常使用、当前不使用或 者需要长期保存的信息；
特点：容量大、存取速度慢，CPU不直接对它进行访 问，有专用的设备（如硬盘驱动器、软驱、光驱等） 来管理；
容量：不受限制；
异步静态RAM: asynchronous SRAM; 同步静态RAM: synchronous SRAM;
5.2.2 动态RAM：Dynamic RAM, DRAM
5.2.1 静态RAM
静态RAM(SRAM)特点：
✓ 以双稳态触发器作为基本存储单元，存取速度快； ✓ 工艺复杂、集成度低，容量较小； ✓ 功耗相对较大； ✓ 控制简单，不需要刷新； ✓ 高速缓冲存储器一般使用SRAM
✓尽管这些芯片的容量不同但其工作原理及读写方式 基本相同，下面以INTEL27128为例，介绍EPROM的 主要特性。
EPROM-27128
EPROM
EPROM: read
EPROM: program
EEPROM
电可擦除/编程只读存储器E2PROM ✓E2PROM的工作原理与EPROM类似，它是在 EPROM基础上改进而形成一种新技术产品。 ✓E2PROM的擦除不需要专用的擦除器，擦除 和编程均可以在线来自百度文库成。
✓地址处理功能 DRAM 控制器一方面要在刷新周期中顺序提 供行地址，以保证在2ms中使所有的 DRAM 单元都被刷新一次， 另一方面，要用一个多路开关对地址进行切换，因为正常读写 时，行地址和列地址来自地址总线，刷新时只有来自刷新地址 计数器的行地址而没有列地址，总线地址则被封锁。
DRAM 控制器
16位微机系统的内存组织
✓8086有20根地址线，寻址1MB存储空间00000H～FFFFFH； ✓由两个512KB的存储器组成：
奇地址存储器（高字节存储器），与数据总线高8位相连； 偶地址存储器（低字节存储器），与数据总线低8位相连； 两个存储器均和地址线A19～A1连接； ✓16位 CPU 对存储器访问时，分为按字节访问和按字访问两种 方式。按字节访问时，可只访问奇地址存储体，也可只访问偶 地址存储体。
只读存储器ROM
✓掩膜ROM: mask programmed ROM
厂商根据用户数据刻录固定数据到ROM中；无法修改。
✓可编程ROM: Programmable ROM, PROM
用户按需要一次性写入数据，无法反复修改。
✓可重复擦写的只读存储器EPROM
EPROM信息的存储是通过电荷分布来决定的，编程过程就是电 荷注入的过程，编程结束后撤除电源，但由于绝缘层包围，注入的 电荷无法泄漏，存储信息不会丢失。
➢按在系统中位置分类 （1）内部存储器，简称内存，又称主存储器，由半 导体存储器构成
功能：存放当前正在使用或经常使用的程序或数据；
特点：CPU通过总线直接访问，存取速度快； 容量：容量受地址总线位数限制；
存放内容：系统软件（系统引导程序、监控程序或操 作系统中的ROM BIOS等）以及当前要运行的应用软 件。
擦除信息时，利用紫外线照射芯片上方的石英玻璃窗口，浮栅中 的电荷会形成光电流泄漏， ，内部的电荷分布被破坏，使电路恢复 为初始状态。
EPROM
➢INTEL公司的EPROM
✓2716，2732，27128，27256，27512，它们的存储容 量分别为2K、4K、16K、32K、64K，Byte； ✓它们之间的管脚排列有一定兼容性。
MT48LC4M32
初始化：Initialization ✓在正常操作之前进行； ✓通过LOAD MODE REGISTER command对模式寄存器 （Mode Register）编程；
MT48LC4M32
命令：Commands
5.3 只读存储器
✓掩膜ROM: mask programmed ROM; ✓可编程ROM: Programmable ROM, PROM; ✓可擦除的PROM: Erasable PROM, EPROM; ✓电擦除的PROM: Electrically Erasable PROM, E2PROM/EEPROM; ✓闪烁存储器FLASH, NOR flash/NAND flash; ✓串行EEPROM
3 功耗、性价比。。。
5.2 随机存取存储器-RAM
随机存取存储器- RAM（Random Access Memory） 特点：
➢能随机读出或写入任意存储单元； ➢对不同存储单元访问时间一样，区别于顺序读写存储器； ➢断电后存储数据丢失，区别于ROM；
5.2.1 静态RAM：Static RAM, SRAM；
5.1 存储器概述
➢存储器是计算机中用来存放程序和数据等信息的部 件，是计算机的主要组成部分之一，存储器表征了计 算机的“记忆”功能；
➢存储器的容量和存取速度是决定计算机性能的重要 指标。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； ➢存储技术的发展很大程度上决定计算机发展。
5.1.1 微型机存储器分类