第6章 存储器

可擦除可编程的ROM（EPROM）
特点：芯片的上方有一个石英玻璃的 窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的 浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走， 使电路恢复起始状态，从而将写入的信 号擦去。
可擦除可编程的ROM（EPROM）
原理：
在N型的基片上安置了两个高浓度的P型区， 它们通过欧姆接触，分别引出源极（S）和漏 极（D），在S和D之间有一个由多晶硅构成的 栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包围。
第五章
存储器
大纲要求



理解存储器的功能和分类 掌握主存储器组织的结构及扩展方式 理解高速缓冲存储器、虚拟存储器原理 了解双端口存储器、相联存储器原理
第一节 概述

功能
存储程序和数据

组成
Cache: 在CPU内 内存：在主机板上 外存：位于主机之外
主存储器的主要技术指标
容量：以字或字节为单位的存储单元总数乘以
可擦除可编程的ROM（EPROM）
出厂时，硅栅上没有电荷，则管子内没有导电沟道， D和S之间是不导电的。当把EPROM管子用于存储矩阵时， 它输出为全1（或0）。要写入时，则在D和S之间加上 25V的高压，另外加上编程脉冲（其宽度约为50ms）， 所选中的单元在这个电源作用下，D和S之间被瞬时击 穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当高压电源 去除后，因为硅栅被绝缘层包围，故注入的电子无处 泄漏走，硅栅就为负，于是就形成了导电沟道，从而 使EPROM单元导通，输出为“0“（或”1“）。
第三节
只读存储器
只读存储器ROM，是一种非易失性的半 导体存储器件。其中所存放的信息可长期 保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固 定的程序和数据。 在一般工作状态下，ROM中的信息只能 读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可 用特殊方法将信息写入，该过程被称为 “编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特 殊方法将原来信息擦除，以便再次编程。
第四节 存储器的组织
存储器容量扩充技术 存储器芯片片选端的处理 80X86存储系统简介（Cache）

存储器容量扩充技术
位扩充
当实际存储芯片每个单元的位数和系统需要 内存单元字长不等时采用的方法。 字扩充 当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要 求，但存储单元的个数不够，需要增加的是存储 单元的数量，就称为字扩展。 字位扩充 需要同时进行位扩充和字扩充才能满足系统 存储容量需求的方法称为字位扩充。
每个存储单元的位数，即：存放二进制代码的 总数量。
例： 机器字长16位，其存储容量为4MB，若按字 编址，它的寻址范围是 _。
A． 1M C． 2M B． 1MB D． 2MB
主存储器的主要技术指标

速度：存储器读出时间是指从给定存储器一个地址，
发出读命令，到把数据读出来所需时间，也叫存取时 间，存取时间的倒数为存取速度。
闪速存储器（Flash Memory）
Flash Memory芯片借用了EPROM结构简单， 又吸收了E2PROM电擦除的特点；不但具备RAM 的高速性，而且还兼有ROM的非挥发性。同时 它还具有可以整块芯片电擦除、耗电低、集成 度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、 可重新改写、重复使用性好（至少可反复使用 10万次以上）等优点。平均写入速度低于0.1 秒。使用它不仅能有效解决外部存储器和内存 之间速度上存在的瓶颈问题，而且能保证有极 高的读出速度。 Flash Memory芯片抗干扰能力很强。

数据传输率：磁头找到数据后，单位时间内写
入或读出的字节数。
例题：
已知磁盘分成16个扇区，每个扇区存储512 个字节数据，磁盘转速3600r/min。求数据 传输率。 解：① 一个磁道上存储的数据总数 ② 磁盘1s转几圈 ③ 数据传输率

页式虚拟存储器

虚拟存储器中，虚拟地址又叫逻辑地址， 主存地址又叫物理地址，访问页式虚拟存 储器中磁盘上的数据时，必须先将磁盘上 的程序和数据以页为单位调入主存，访问 主存时，先通过查页表，实现虚实地址转 换。最后才能访问主存，取出有关数据， 这种地址转换是通过软件方法实现的。
练 习
1. RAM 6116芯片有2K×8位的容量，它的片内地址选择 线和数据线分别是（ ） A.A0～A15和D0～D15 B.A0～A10和D0～D7 C.A0～A11和D0～D7 D.A0～A11和D0～D15
2. 紫外线擦除的可编程ROM的符号为________，电可 擦除的可编程ROM的符号为_________。 3. 一片EPROM如果有13根地址线和4根数据线，那么它 的容量是_____ 字节，芯片擦除后每一个单元值为 _____ H。
存储器芯片片选端的处理
完全译码方式
全部高位地址译码产生片选信号。线 选法 部分译码法 用部分高位地址进行译码产生片 选信号。
高速缓冲存储器（Cache）
实现方式： 在CPU和存储器之间放置高速缓冲存 储器，组成由高速缓冲存储器和主存构 成一个“两级”的存储系统。
特点


位于CPU和主存之间 容量小 一般在几千字节到几兆字节之间 速度比主存快5-10倍 既可存放程序又可存放数据。
6114
芯 片
动态RAM（DRAM)
单管动态存储电路
动态RAM的刷新
为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM不断 进行读出和再写入
动态RAM（DRAM)
16K位动态RAM存储器
芯片2164A的容量为16K×1位，即片内共 有16 K（16384）个地址单元， 每个地址单 元存放一位数据。需要14条地址线，地址线 分为两部分：行地址与列地址。 芯片的地址引线只要7条，内部设有地址 锁存器，利用多路开关，由行地址选通信号 变低 RAS（Row Address Strobe），把先出现 的7位地址，送至行地址锁存器；由随后出 现的列地址选通信号 CAS （Column Address Strobe）把后出现的7位地址送至列地址锁 存器。这7条地址线也用于刷新（刷新时地 址计数，实现一行行刷新）。
概念
用户得到的存储器容量像磁盘容量一样 大，访问速度像访问主存一样快。 这种实际上并不存在的存储器称为虚拟 存储器。
硬磁盘主要技术指标


道密度 单位长度内磁道的数目。 单位：道/毫米 位密度 在磁道圆周上单位长度内存储的二 进制位数 单位：位/毫米 或 位/英寸
硬磁盘主要技术指标

存储容量 整个磁盘所能存储的二进制 位信息的总量，有非格式化容量和格 式化容量之分。
例题：

若一段时间内，CPU访问cache的次数为3800 次，访问主存的次数为200次，则命中率为 0.95。
组织方式
替换算法
先进先出算法 LRU算法
例题：

cache命中率是指CPU访问cache的次数与访 问主存与cache次数之和的比值。与cache的 容量大小、每次交换数据块大小有关，还 与cache的替换算法有关。
4. 参见存储系统的层次结构图，请回答： （1）层次结构中最高层是_______，
（2）Cache的含义是_______.
（3）主存-辅存存储层次主要解决___ ，
（4）cache-主存存储层次主要解决____.
5. 硬件电路设计： 某以8088为CPU的微型计算机内存RAM区为00000H～ 3FFFFH,若采用6264（8KX8）、 62256(32KX8)、 2164(8KX4)、21256(32KX4)进行扩展各需要多少芯片？其 各自的片内和片间地址线分别是多少（全地址译码方式）？

工作原理
当CPU进行第一次访问时，也把数据存到高速 缓存区。之后，当CPU再次访问这一区域时，CPU 就可以直接访问高速缓存区，而不需要再去访问 低速主存储器。由于高速缓存器容量远小于低速 大容量主存储器，所以它不可能包含后者的所有 信息。高速缓存器设计的目标就是使CPU访问尽可 能在高速缓存器中进行。
组织方式
地址映像
直接地址映像 全相联映像 组相联映像
例题：

设有一个存储器，容量是256KB,cache容量 是2KB,每次交换的数据块是16B ，则主存可 划分为16K块，主存地址18位，cache地址11 位，cache可划分为128块，CPU访问cache进 行地址映像时，主存地址分为3部分，即区 号、块号与块内地址，其中区号 7位，块号 7位，块内地址4位。
答 案
100000H～3FFFFH所占的存储空间为：40000H=218=256kX8bit ∴若采用6264（8KX8） 则需要（256kX8）/(8kX8)=32（片） 6264的片内地址线是13根，片间地址线是7根（全地址译码）； 62256(32KX8) 则需要（256kX8）/(32kX8)=8（片） 片内地址线是15根，片间地址线是5根（全地址译码）； 2164(8KX4) 则需要（256kX8）/(8kX4)=64（片） 片内地址线是13根，片间地址线是7根（全地址译码）； 21256(32KX4) 则需要（256kX8）/(32kX4)=16（片） 片内地址线是15根，片间地址线是5根（全地址译码）；
16K存储体由1个128×128的存储矩阵构成。有 7条行地址和7条列地址线进行选择。7条行地 址经过译码产生128条选择线，分别选择128行； 7条列地址线经过译码也产生128条选择线，分 别选择128列。
刷新方法

在几毫秒时间内每隔一段时间刷新一次。 在2毫秒时间内集中一段时间进行刷新操作。 在每个指令周期中利用CPU不进行防内存 操作时间内进行刷新。
组成
Cache存储器部分：
用来存放主存的部分副本。
控制部分：
判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中.
必要性：

解决价格、速度和容量三个指标的矛盾。


在主存与CPU之间，增加一级高速缓冲存储器Cache， 存放CPU正在使用的指令和数据，Cache的特点是速 度特别快，只要CPU要访问的数据，一定能在Cache 中找到，或者大部分可以找到就行了。 因此，Cache的内容是主存的局部内容的副本。 利用磁盘等大容量存储器作第三级存储器，也是用 访问局部性原理，从而用户就好像使用一个具有辅 存容量、主存速度的存储器一样。

带宽：每秒钟访问的二进制数的位数，
单位：位/秒。
提高带宽的方法：①缩短存储周期 ②增加一次读出的字长 ③多个存储 器同时工作。

可靠性。
第二节 读写存储器


静态RAM(SRAM) 动态RAM(DRAM)
静态RAM（SRAM)
基本的存储电路
典型的静态RAM芯片
6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、 62256（32KB×8位）、628128（128KB×8位） 等。
解：① 计算内磁道周长为：69.12cm
② 一个磁道上存储的二进制信息总量 ： 13.5KB ③ 每个记录面的磁道数目：440道 ④ 一个盘面记录的二进制信息总量： 5940KB ⑤ 盘组非格式化存储容量：34.8MB
硬磁盘主要技术指标

平均存取时间：是指从发出读写命令开始，磁
头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所 需时间。 它包括寻道时间和等待时间，是两者之和。
存储电路
•
字线
•
•
D S 位线
浮空
EPROM举例－ Intel 2764A




读方式 备用方式 编程方式 编程禁止 编程校验 Intel标识符 模式 输出禁止
电可擦除可编程的ROM（E2PROM）
应用特性： （1）对硬件电路没有特殊要求，编程简 单。 （2）采用＋5V电源擦写的E2PROM，通常 不需要设置单独的擦除操作，可在写入 过程中自动擦除。 （3）E2PROM器件大多是并行总线传输的
非格式化容量=位密度*内圈磁道周长*每个记录面 磁道数*记录面数
格式化容量=每个扇区的字节数*每道扇区数*每个 记录面磁道数 *记录面数
例题：

已知一个盘组有4个盘片，其中6个是数据 记录面，每面的内磁道直径为22cm，外磁 道直径为33cm，最大位密度为1600位/cm， 道密度为80道/cm，求该此盘的非格式化 容量。
组织方式
更新策略
写直达法：将写入Cache中的数据，也 写入主存。 写回法：写Cache时，不写回主存。因 此要增加一位特征位。称改写位。
第五节 虚拟存储器
功能 基本原理
ห้องสมุดไป่ตู้主要技术指标
功能

扩大存储器空间
基本原理

根据程序访问的局部性原理，可以把此盘 作为外存储器使用，存放CPU暂时不用的程 序和数据。等到CPU需要使用有关程序时， 再把它成批调入内存。
掩膜式ROM
掩膜式ROM一般由生产厂家根据用户的要求定制的。
可编程的ROM
出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。 编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写 入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔 丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电 平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。换 句话说，所有存储单元出厂时均存放信息1， 一旦写入0使熔丝烧断，就不可能再恢复。