微型计算机原理及应用第6章

6.1.1 简介
CPU 寄存器
速度快 容量小
高速缓存 （Cache）
主存储器
辅助存储器
速度慢 容量大
“金字塔”形存储系统层次结构
•
越往上，层次越高，离 CPU 越近，速度越快，容量越小， 单位容量价格越高；而越往下，层次越低，离 CPU越远，速 度越慢，容量越大，单位容量价格越低。
• •
在“金字塔”形存储层次中，高速缓冲存储器的访问速 度可与 CPU相匹配，但是其容量比主存储器更小。任何时候， Cache 中的信息是主存储器中一部分信息的副本。当 CPU 需 要访问主存储器时，根据给定的主存储器地址迅速判定该地 址中的信息是否已进入 Cache 中，如果已进入 Cache 中，则 经地址变换后立即访问 Cache；如果不在 Cache 中，则直接 访问主存储器。微型计算机与存储器频繁地交换信息，但是 存储器的工作速度和 CPU的速度相比，总是要低 1到2个数量 级，所以存储器的工作速度是影响微型计算机运算速度的一 个“瓶颈”。因此计算机存储器系统的发展就是围绕着“提 高速度、扩大容量、降低成本”而不断革新。
（3）功耗。 功耗在用电池供电的系统中是非常重要的，如用于野外作 业的微型机系统。CMOS器件能够很好地满足低功耗的要求， 但用CMOS制造的器件中，每个电路单元都要用同样的芯片面 积，这使每个器件的容量减少，同时CMOS器件的速度较慢。 功耗和速度是成正比的，因此，既要达到低功耗又要满足高速 度是很困难的。当前高密度金属氧化物半导体技术（HMOS） 制造的存储器件在速度、功耗、容量几方面有很好的折衷。 （4）存取速度。 存储器的存取速度，是影响计算机工作速度的诸多因素中 的主要因素。存储器的存取速度是以存储器的存取时间来衡量 的，存取时间就是指从 CPU 给出有效的存取地址，启动一次存 储器读/写操作，到存储器操作完成所经历的时间。存储器的存 取时间与芯片的制造工艺、体系结构等多种因素有关。虽然 MOS 存储器在速度上仍赶不上双极型存储器，但由于其低功耗 、高集成度、低成本，在组成大容量存储器时，仍不失为一种 理想的选择。
静态存储器SRAM在微型计算机系 统中已经得到广泛的应用。常用的 SRAM芯片有2114（1K×4）、2142 （1K×4）、6116（2K×8）、6232 （4K×8）、6264（8K×8）、62256 （32K×8）、628128（128K×8）、 628512（512K×8）、6281000 （1M×8）等。这些芯片的结构相似， 只是地址线的多少、存储容量的大小 以及存取时间的长短不同。下面以 2114、6116为例来进行说明。
第6章 存储器
第6章 存储器
• 6.1 存储器的概念、分类和要素
• 6.2 内存储器 • 6.3 IBM-PC/XT中的存储器、扩展存储器及其管理 • 6.4 外存储器 • 6.5 CPU与存储器的连接
6.1 存储器的概念、分类和要素
• 6.1.1 简介
• 6.1.2 半导体存储器的分类 • 6.1.3 选择存储器件的考虑因素
（6）可靠性。 通常以平均无故障工作时间来衡量存储器的可靠性 。存储器的可靠性主要取决于管脚的接触、插件板的 接触以及存储器模板的复杂性。器件的引脚的减少和 内存结构的模块化都有利于提高存储器的可靠性。 （7）集成度。 集成度是指在一片数平方毫米的芯片上集成的基本 存储电路数。一个基本存储电路存储一个二进制位， 因此集成度常用“位/片”来表示。目前超大规模集成 电路存储器的集成度可达256K位/片、1M位/片等。
• 2．静态RAM（SRAM） • 静态基本存储电路实际上是一种半导 体双稳态触发器，可以用各种工艺制成。 由于用 NMOS工艺制作的静态 RAM具有集 成度高、价廉、功耗低等特点，其应用范 围 最 为 广 泛 ； 用 CMOS 工 艺 制 作 的 静 态 RAM则以超低功耗为特点，因而在某些场 合具有特殊的用途。。
（5）性能/价格比。 性能 / 价格比用来衡量存储器的经济性能。它 是存储容量、存取速度、可靠性、价格等的一个 综合指标。一般来说，存储器的价格随着容量的 增大及速度的提高而上升。在选择存储器时，价 格也是一个重要因素，也就是要选择一个性能 / 价格比较高的存储器。存储器的价格，是由存储 器本身的价格和存储模块中接口电路的价格组成 的。其中后一种价格对不同容量的模块都是相同 的，所以应选取模块少、存储容量大的方式来设 计存储器。
静 态 RAM （ SRAM ）
随机存取存 储器（RAM） 动 态 RAM （ DRAM ） 半导体 存储器 只读存储器 （ROM） 掩膜式ROM 可编程ROM（PROM）
可擦除PROM（EPROM） 电可擦除PROM（E2PROM）
闪 速 存 储 器 (Flash Memory)
MOS型RAM又分为： l 静态RAM（Static RAM）简称SRAM。静态RAM由6只 MOS管组成的双稳态触发电路作基本存储单元，状态稳定，只 要不掉电，信息就不会丢失，不需要刷新电路。集成度低于 动态RAM，故一般使用于小容量存储器系统。 l 动态RAM（Dynamic RAM）简称DRAM。动态RAM 是以MOS管的栅极对其衬底间的分布电容来储存信息的，基 本存储单元有6管型、4管型、3管型和单管型，因此集成度高、 功耗低，但因泄漏电流存在，需定时对DRAM进行刷新。DRAM 多用于大存储容量的系统。 l非易失RAM（Nonvolatile RAM）简称NVRAM。它是由静 态RAM和E2PROM共同构成的存储器。正常使用与静态RAM相同， 而一旦电源掉电时，则把静态RAM中的信息保存在E2PROM 中， 从而信息不会因掉电而丢失，用于存储重要信息及掉电保护。
B 1
T6
D 位 线
T7 0 I/O 1
T8
列选线Y
1
I/O
6管CMOS静态存储电路图
T1、T2、T5、T6为N沟 道增强型管； T3、T4 为P沟道增强型管。T1、 T2组成触发器，T3和 T4为负载电阻，T5和 T6是控制门，根据T1、 T2的状态，这个电路 可用来存储信息“0” 或“1”。T1、T2交叉 耦合，当T1管（NMOS） 导通，而T3（PMOS） 截止时，节点被拉到A 低电位，并且该电位 被交叉耦合到T2和T4， 使T4管（PMOS）通、 T2管（NMOS）断，因 而节点B被拉到高电位 Vcc。
6.1.2 半导体存储器的分类
• 按使用元件分类 半导体存储器可分为： 双极型(BJT)和单极型(FET)两类。 （1）双极型:特点：工作速度快、集成度低、功 耗大、成本高.高速缓存（Cache）常用。 （2）单极型:特点是：集成度高、功耗小、成本 低，但速度较双极型器件慢。内存，常用。
2．从应用角度分类
6.1.3 选择存储器件的考虑因素
• 易失性
• 存储容量
• 功耗
• 存取速度
• 性能/价格比
• 可靠性
• 集成度
返 回
(1)易失性: 是区分存储器种类的重要外部特性之一。如果某 种存储器在断电之后，仍能保存其中的内容，则称 为非易失性存储器；否则，就叫易失性存储器。对 于易失性存储器来说，即使电源只是瞬间断开，也 会使原有的指令和数据完全丢失。因此，计算机每 次启动时，都要对这部分存储器中的程序进行装载。 在大多数微型机使用场合，要求系统必须至少有一 部分存储器是非易失性的。 外部存储器一般都是非易失性的，如软盘、硬盘、 磁带。在半导体存储器中，ROM是非易失性的存储器。 在微型计算机系统中，用 ROM来存放系统启动程序、 监控程序和BIOS（基本输入/输出）等固定程序。
…
RAM的组成
• • • • • 1．存储体 存储芯片的主体，它由若干个存储单元组成。 一个存储单元为一个字节， 存放8位二进制信息 。 每个存储单元有一个地址（称为存储单元地址） 存储体总是按照二维矩阵的形式来排列存储元电路。 体内基本存储元的排列结构通常有两种。 一种是“多字一 位”结构（简称位结构），其容量表示成N字×1位。例如， 1K×1位，4K×1位。另一种排列是“多字多位”结构（简称 字结构），其容量表示为：N字×4位/字或N字×8位/字。如 静态RAM的6116为2K×8，6264为8K×8等。 2．地址译码器 3. 读/写驱动电路 4．三态数据缓冲器 5．控制电路
6.2.1 随机读写存储器（RAM）
• RAM的基本结构及组成 • 静态RAM（SRAM） • 动态RAM（DRAM） • 新型RAM技术及芯片
1.RAM的基本结构及组成
存储体总是按照二维矩阵的形式来排列存储元电路。 地址线 •接收来自 CPU的N位 地址 地址，经 线 译码后产 生地址选 择信号 控制线 地 址 译 码 器 存 储 … … 矩 阵 读 写 驱 动 电 路 三态 数据 缓冲器 \
14 2114 6 13
SRAM芯片应用
（1）Intel 2114 引脚及其符号功能说明
A6 1 2 18 17 VCC A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE

符号 A0 ～ A9 D0 ～ D3
名称 地址线
功能 接相应地址总线，用于 对某存储单元寻址
A5
A4 A3 A0 A1 A2 CS
3 4 5
16 15
双向数 用于数据的写入和读出 据线 片选线 低电平时，选中该芯片
控制电路
数据线 控制电路接收片选信号 及来自CPU的读/写控制 信号，形成芯片内部控 制信号 随机存储器的基本结构框图
三态数据缓冲 器用于暂存自 CPU的写入数 据或从存储体 内读出的数据。 芯片内部数据 信号经双向三 态门挂接到数 据总线上。当 不对存储器芯 片进行读/写 操作时，芯片 选择信号无效， 输出开放信号 也无效，存储 器芯片的三态 双向缓冲器其 输出端呈高阻 状态，完全与 数据总线隔离。
（2）存储容量。 存储器容量是计算机的重要技术指标。常用位或字节容量来 表示器件的存储功能。通常用存储芯片的存储地址单元数 M与 一个存储单元所存储信息位数 N（即数据线位数）的乘积表示 ，即M×N。如：8K×2的芯片和4K×4的芯片，两者位容量是 相同的。一个存储器一般是由若干个存储芯片组成的，通常选 取同类型的芯片来实现。 但容量的提高受到所用CPU的寻址范围、所供选用的存储芯 片的速度、成本等诸多因素的限制，故不能设计得很大。在存 储器的选取上，应选择那些存储单元集成度高、速度快的芯片 。