计算机原理第五章存储器

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；
16位微机系统的内存组织
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
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。
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。。。
5.1.2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。
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
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。
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
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。 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。 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
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； 存放内容：各种程序或数据。
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。
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。
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：
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：
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。
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；
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。 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-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 和编程均可以在线完成。
5.2.2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； 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。 DRAM 本身一般带有片内刷新电路。
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ห้องสมุดไป่ตู้，也可只访问偶 地址存储体。
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
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。 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。
第五章 存储器及其接口技术
5.1 存储器概述 5.2 随机读写存储器 5.3 只读存储器 5.4 高速缓冲存储器 5.5 微型机系统的存储器体系结构 5.6 存储器应用设计
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；
2 E PROM
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。