1、1第第 5 章章 存儲器系統存儲器系統2第5章 存儲器系統n教學重點n半導體存儲芯片的結構n半導體存儲芯片與與CPU的連接的連接3存儲器概述存儲器概述n存儲器在馮存儲器在馮諾依曼體系結構中的重要性諾依曼體系結構中的重要性n馮馮諾依曼機由運算部件、控制部件、存儲部件、輸入部件、輸出諾依曼機由運算部件、控制部件、存儲部件、輸入部件、輸出部件五個部件組成部件五個部件組成n采用二進制計算，存儲程序并在程序控制下自動執行采用二進制計算，存儲程序并在程序控制下自動執行n存儲系統存儲系統n容量越大越好容量越大越好n速度較快越好速度較快越好n價格（成本）越低越好價格（成本）越低越好n當前制造工藝的存儲器件：當

2、前制造工藝的存儲器件：n工作速度較快的存儲器，單位價格卻較高；工作速度較快的存儲器，單位價格卻較高；n容量較大的存儲器，雖然單位價格較低，但存取速度又較慢容量較大的存儲器，雖然單位價格較低，但存取速度又較慢4存儲器的分類和評價指標存儲器的分類和評價指標1、按讀寫方式分類、按讀寫方式分類n隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAM）：）：可以從任意位置進行讀寫的可以從任意位置進行讀寫的存儲器，其讀寫時間與所處位置無關。（如半導體存儲器，其讀寫時間與所處位置無關。（如半導體RAM）n順序存取存儲器（順序存取存儲器（SAM）：）：只能順序進行讀寫的存儲器，只能順序進行讀寫的存儲器，其讀寫時間與所處位置密

3、切相關。（如磁帶存儲器）其讀寫時間與所處位置密切相關。（如磁帶存儲器）n直接存取存儲器（直接存取存儲器（DAM）：）：它的尋道操作是隨機的，但它的尋道操作是隨機的，但尋道后要順序讀寫。由于它以存儲塊（扇區，一般為尋道后要順序讀寫。由于它以存儲塊（扇區，一般為512B）為單位直接進行數據交換，所以稱為直接存取存為單位直接進行數據交換，所以稱為直接存取存儲器或塊存儲設備。（如磁盤、光盤）儲器或塊存儲設備。（如磁盤、光盤）52、按存儲介質和工作原理分類、按存儲介質和工作原理分類n半導體存儲器半導體存儲器：以半導體集成電路為存儲介質以半導體集成電路為存儲介質。如靜態如靜態RAM、動態動態RAM和和RO

4、M芯片等。芯片等。n磁表面存儲器磁表面存儲器：以磁性材料為表面存儲介質。以磁性材料為表面存儲介質。如軟、硬磁盤存儲器、磁帶存儲器等。如軟、硬磁盤存儲器、磁帶存儲器等。n光表面存儲器光表面存儲器：以光學材料為表面存儲介質、以光學材料為表面存儲介質、以激光為讀寫手段。如以激光為讀寫手段。如CD-ROM、CD-RW、DVD-ROM、 DVD-RW等光盤存儲設備或光盤等光盤存儲設備或光盤閱讀設備。閱讀設備。63、按存儲時效分類、按存儲時效分類n易失性存儲器易失性存儲器：也稱為易揮發存儲器，只有加也稱為易揮發存儲器，只有加電才能維持其中的數據。如一般的半導體電才能維持其中的數據。如一般的半導體SRAM、

5、DRAM芯片等。芯片等。n非易失存儲器非易失存儲器：也稱為不揮發存儲器，其中的也稱為不揮發存儲器，其中的數據可以長期保存。如磁盤存儲器、半導體數據可以長期保存。如磁盤存儲器、半導體ROM、NVRAM（Non-Volatile RAM）等。）等。74、按所處位置分類、按所處位置分類n內存：位于微機的主板或插板上，以存儲器的內存：位于微機的主板或插板上，以存儲器的身份被訪問。早期曾用磁芯實現，現在用半導身份被訪問。早期曾用磁芯實現，現在用半導體集成電路芯片來實現。體集成電路芯片來實現。n外存：以外部設備的形式存在并被訪問外存：以外部設備的形式存在并被訪問。在微在微機系統中主要指硬盤、軟盤、光盤等設

6、備，也機系統中主要指硬盤、軟盤、光盤等設備，也包括用半導體芯片構成的半導體盤及各種移動包括用半導體芯片構成的半導體盤及各種移動存儲裝置。存儲裝置。85、存儲器的評價指標、存儲器的評價指標（1）速度：針對不同的存儲器件和部件，該）速度：針對不同的存儲器件和部件，該指標有不同的表示方法。指標有不同的表示方法。（2）容量：存儲器的容量用）容量：存儲器的容量用B、KB、MB、GB、TB、PB等進行表示。等進行表示。（3）存儲成本：一般用每兆字節的價格來表）存儲成本：一般用每兆字節的價格來表示。示。存儲器主要用容量、速度和成本來評價存儲器主要用容量、速度和成本來評價 9存儲系統的層次結構存儲系統的層次結

7、構n除采用磁、光原除采用磁、光原理的輔存外，其理的輔存外，其它存儲器主要都它存儲器主要都是采用半導體存是采用半導體存儲器儲器n課內主要介紹采課內主要介紹采用半導體存儲器用半導體存儲器及其組成主存的及其組成主存的方法方法CPUCACHE主存（內存）主存（內存）輔存（外存）輔存（外存）10存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構CPU寄存器寄存器大容量輔助存儲器大容量輔助存儲器輔助存儲器輔助存儲器主存儲器主存儲器高速緩存高速緩存每每位位成成本本減減少少容容量量增增加加存存取取時時間間增增加加處處理理器器存存取取頻頻度度減減少少解決容量、速度和價格矛盾的方法解決容量、速度和價格矛盾的方法 11n無論是微

8、機大系統、還是微機小系統，無論是微機大系統、還是微機小系統，無論是通用微機系統，還是嵌入式微機無論是通用微機系統，還是嵌入式微機系統，都無一例外地要使用半導體存儲系統，都無一例外地要使用半導體存儲器。器。半導體存儲器半導體存儲器12半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類n按制造工藝按制造工藝n雙極型：雙極型：速度快速度快、集成度低、功耗大、集成度低、功耗大nMOS型：速度慢、集成度高、型：速度慢、集成度高、功耗低功耗低n按使用屬性按使用屬性n隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM：可讀可寫可讀可寫、斷電丟失、斷電丟失n只讀存儲器只讀存儲器ROM：正常只讀、正常只讀、斷電不丟失斷電不丟失詳細分類，請看

9、圖示13圖圖5.4 半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類半導體半導體存儲器存儲器只讀存儲器只讀存儲器 （ROM）隨機存取存儲器隨機存取存儲器（RAM）靜態靜態RAM（SRAM）動態動態RAM（DRAM） 非易失非易失RAM（NVRAM）雙口雙口RAM掩膜式掩膜式ROM一次性可編程一次性可編程ROM（PROM） 紫外線擦除可編程紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程電擦除可編程ROM（EEPROM）詳細展開，注意對比14讀寫存儲器讀寫存儲器RAM組成單元組成單元速度速度集成度集成度應用應用SRAM觸發器觸發器快快低低小容量系統小容量系統DRAM極間電容極間電容慢慢高高大容量系統大容量系

10、統NVRAM帶微型電池帶微型電池慢慢低低小容量非易失小容量非易失15SDRAM簡介簡介SDRAM是英文是英文Synchronous DRAM的縮寫，的縮寫， 譯成譯成中文就是同步動態存儲器的意思。中文就是同步動態存儲器的意思。SDRAM內存技術內存技術 同步動態存儲器（同步動態存儲器（SDRAM）是在現有的標準動態是在現有的標準動態存儲器中加入同步控制邏輯（一個狀態機），利用一個存儲器中加入同步控制邏輯（一個狀態機），利用一個單一的系統時鐘同步所有的地址數據和控制信號。使用單一的系統時鐘同步所有的地址數據和控制信號。使用SDRAM不但能提高系統表現，還能簡化設計、不但能提高系統表現，還能簡化設

11、計、 提供高提供高速的數據傳輸。速的數據傳輸。 在功能上，它類似常規的在功能上，它類似常規的DRAM，且且也需時鐘進行刷新。也需時鐘進行刷新。 可以說，可以說，SDRAM是一種改善了結構的增強型是一種改善了結構的增強型DRAM。16DDR簡介（一）簡介（一）DDR 是 PC133 之后的新標準，所謂 DDR ( Double Data Rate) 是指雙倍的資料輸出量，所以效能是 PC133 的二倍。DDR 在每一個 Clock 的上升緣 (Rising) 和下降緣 (Falling) 均輸出資料，不同于 PC100PC133 只在上升緣才輸出資料，所以 PC100PC133 的 SDRAM

12、也稱為 SDR (Singal Data Rate)。 DDR DIMMs與SDRAM DIMMs的物理元數相同，但兩側的線數不同，DDR應用184pins，而SDRAM則應用168pins，因此，DDR內存不向后兼容SDRAM。17DDR簡介（二）簡介（二）DDR 內存模塊分為DDR1600及DDR2100兩種: DDR1600 (又稱PC1600DDR200) 是指符合DDR1600標準的內存在100MHZ頻率下運行可以得到200MHZ總線的頻寬。該標準的內存只有64Bit，對于目前的PC系統而言，可提供1600MBS的頻寬。DDR2100 (又稱PC2100DDR266) 是指在符合DD

13、R2100準的內存在133MHZ頻率下運行可以到266MHZ總線的頻寬，其傳輸速度最大能達到2100MBS的頻寬。最新： DDR 內存模塊分為DDR4000 ：DDR4000 (又稱PC4000DDR500) 是指在符合DDR4000標準的內存在250MHZ頻率下運行可以到500MHZ總線的頻寬，其傳輸速度最大能達到4000MBS的頻寬。18只讀存儲器只讀存儲器ROMn掩膜掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改信息制作在芯片中，不可更改nPROM：允許一次編程，此后不可更改允許一次編程，此后不可更改nEPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶多次擦除和編程并

14、允許用戶多次擦除和編程nEEPROM（E2PROM）：）：采用加電方法在采用加電方法在線進行擦除和編程，也可多次擦寫線進行擦除和編程，也可多次擦寫nFlash Memory（閃存）：能夠快速擦寫的閃存）：能夠快速擦寫的EEPROM，但只能按塊（但只能按塊（Block）擦除擦除19半導體存儲器芯片的結構半導體存儲器芯片的結構地地址址寄寄存存地地址址譯譯碼碼存儲體存儲體控制電路控制電路AB數數據據緩緩沖沖DBOE WE CS 存儲體存儲體n存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息 地址譯碼電路地址譯碼電路n根據輸入的地址編碼來選中芯片內某個特根據輸入的地址編碼來選中芯片

15、內某個特定的存儲單元定的存儲單元 數據緩沖和讀寫控制邏輯數據緩沖和讀寫控制邏輯n選中存儲芯片，控制讀寫操作選中存儲芯片，控制讀寫操作20 存儲體存儲體n每個存儲單元具有一個唯一的地址，每個存儲單元具有一個唯一的地址，可存儲可存儲1位（位片結構）或多位（字位（位片結構）或多位（字片結構）二進制數據片結構）二進制數據n存儲容量與地址、數據線個數有關：存儲容量與地址、數據線個數有關：芯片的存儲容量芯片的存儲容量2MN存儲單元數存儲單元的位數存儲單元數存儲單元的位數 M：芯片的芯片的地址線根數（字線數）地址線根數（字線數） N：芯片的芯片的數據線根數（位線數）數據線根數（位線數） 21 地址譯碼電路地

16、址譯碼電路譯譯碼碼器器A5A4A3A2A1A06301存儲單元存儲單元64個單元個單元行行譯譯碼碼A2A1A0710列譯碼列譯碼A3A4A501764個單元個單元單譯碼雙譯碼n單譯碼結構單譯碼結構n雙譯碼結構雙譯碼結構n雙譯碼可簡化芯片設計雙譯碼可簡化芯片設計n主要采用的譯碼結構主要采用的譯碼結構22 數據緩沖和讀寫控制邏輯數據緩沖和讀寫控制邏輯n片選端片選端CS*或或CE*n有效時，可以對該芯片進行讀寫操作有效時，可以對該芯片進行讀寫操作n輸出輸出OE*n控制讀操作。有效時，芯片內數據輸出控制讀操作。有效時，芯片內數據輸出n該控制端對應系統的讀控制線該控制端對應系統的讀控制線n寫寫WE*n控

17、制寫操作。有效時，數據進入芯片中控制寫操作。有效時，數據進入芯片中n該控制端對應系統的寫控制線該控制端對應系統的寫控制線231、存儲容量：存儲容量：由所能存放的字數及字長的乘積來表示，由所能存放的字數及字長的乘積來表示， 即存儲容量即存儲容量=字數字數字長。字長。 如：如：8位微機內存儲器的容量多為位微機內存儲器的容量多為64K字節。即字節。即64K8位，而位，而16位位微機內存儲器的容量為微機內存儲器的容量為640K8或或1M8位。位。32位微機內存儲容位微機內存儲容量多為量多為8M，16M，32M，64M以及以及128M字節即字節即8M8，16M8，32M8，64M8，128M8等。等。2

18、、存取速度：一般以存取時間和存取周期來描述。存取速度：一般以存取時間和存取周期來描述。 存取時間：存取時間：指從存取命令發出到操作完成所經歷的時間。指從存取命令發出到操作完成所經歷的時間。 存取周期：存取周期：指兩次存儲器訪問所允許的最小時間間隔。指兩次存儲器訪問所允許的最小時間間隔。 8086 - 120 ns 80386 - 70 ns 奔騰奔騰 - 60 ns MMX,PII - 10 60 ns半導體存儲器的主要技術指標半導體存儲器的主要技術指標243、可靠性：可靠性：指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干擾性。指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干擾性。 平均無故障時間（平均無故障時間（MT

19、BF，mean time between fault）為幾千小時以上。為幾千小時以上。 4、 制作工藝：決定了存取速度、功耗、集成度等指標。制作工藝：決定了存取速度、功耗、集成度等指標。 集成度：位片集成度：位片 功耗：功耗：mW/位（位（NMOS工藝）工藝） 或或 uW/位（位（CMOS工藝）工藝）主要技術指標（續）主要技術指標（續）25隨機存取存儲器隨機存取存儲器靜態靜態RAMSRAM 2114SRAM 6264動態動態RAMDRAM 4116DRAM 216426靜態靜態RAMnSRAM的基本存儲單元是觸發器電路的基本存儲單元是觸發器電路n每個基本存儲單元存儲一位二進制數每個基本存儲單元

20、存儲一位二進制數n許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣nSRAM一般采用一般采用“字結構字結構”存儲矩陣：存儲矩陣：n每個存儲單元存放多位（每個存儲單元存放多位（4、8、16等）等）n每個存儲單元具有一個地址每個存儲單元具有一個地址27六管基本存儲電路，可存放一位二進制信息。六管基本存儲電路，可存放一位二進制信息。28通常可以簡化成一個存儲單元的的基本型： 字線用來選中存儲單元，位線用來讀出或寫入數據。29 靜態靜態RAM的結構的結構 30SRAM芯片芯片2114n存儲容量為存儲容量為10244n18個個引腳：引腳：n10根地址線根地址線A9A0n4根數據線根數

21、據線I/O4I/O1n片選片選CS*n讀寫讀寫WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND31SRAM 2114的讀周期的讀周期數據數據地址地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECSnTA讀取時間讀取時間從讀取命令發出到數據穩定出現的時間從讀取命令發出到數據穩定出現的時間給出地址到數據出現在外部總線上給出地址到數據出現在外部總線上nTRC讀取周期讀取周期兩次讀取存儲器所允許的最小時間間隔兩次讀取存儲器所允許的最小時間間隔有效地址維持的時間有效地址維持的時間32SRAM

22、 2114的寫周期的寫周期TWCTWRTAW數據數據地址地址TDTWTWDOUT DINTDWTDHWECSnTW寫入時間寫入時間從寫入命令發出到數據進入存儲單元的從寫入命令發出到數據進入存儲單元的時間時間寫信號有效時間寫信號有效時間nTWC寫入周期寫入周期兩次寫入存儲器所允許的最小時間間隔兩次寫入存儲器所允許的最小時間間隔有效地址維持的時間有效地址維持的時間33SRAM芯片芯片6264n存儲容量為存儲容量為8K8n28個個引腳：引腳：n13根地址線根地址線A12A0n8根數據線根數據線D7D0n片選片選CS1*、CS2n讀寫讀寫WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1

23、*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615n其余還有其余還有6116（2K8）、62128（16K8）62256（32K8）n課程實驗平臺使用了課程實驗平臺使用了2片片61c256（32k x 8）構成）構成系統的系統的64k基本內存基本內存35動態動態RAMnDRAM的基本存儲單元是單個場效應管的基本存儲單元是單個場效應管及其極間電容及其極間電容n必須配備必須配備“讀出再生放大電路讀出再生放大電路”進行刷新進行刷新n每次同時對一行的存儲單元進行刷新每次同時對一

24、行的存儲單元進行刷新n每個基本存儲單元存儲二進制數一位每個基本存儲單元存儲二進制數一位n許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣nDRAM一般采用一般采用“位結構位結構”存儲體：存儲體：n每個存儲單元存放一位每個存儲單元存放一位n需要需要8個存儲芯片構成一個字節單元個存儲芯片構成一個字節單元n每個字節存儲單元具有一個地址每個字節存儲單元具有一個地址36 單管動態單管動態RAM存儲電路存儲電路 也可以簡化成和也可以簡化成和SRAM相同的基本形式相同的基本形式（存儲單元的基本型）。（存儲單元的基本型）。37DRAM芯片芯片4116n存儲容量為存儲容量為16K1n16個個

25、引腳：引腳：n7根地址線根地址線A6A0n1根數據輸入線根數據輸入線DINn1根數據輸出線根數據輸出線DOUTn行地址選通行地址選通RAS*n列地址選通列地址選通CAS*n讀寫控制讀寫控制WE*VBBDINWE*RAS*A0A2A1VDDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5VCC1234567816151413121110938DRAM 4116的讀周期的讀周期DOUT地址地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址行地址列地址列地址WECASRAS存儲地址需要分兩批傳送存儲地址需要分兩批傳送n行地址選通信號行地址選通信號RAS*有效，開有效，開始

26、傳送行地址始傳送行地址n隨后，列地址選通信號隨后，列地址選通信號CAS*有有效，傳送列地址，效，傳送列地址，CAS*相當于相當于片選信號片選信號n讀寫信號讀寫信號WE*讀有效讀有效n數據從數據從DOUT引腳輸出引腳輸出39DRAM 4116的寫周期的寫周期TWCSTDS列地址列地址行地址行地址地址地址 TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWECASRAS存儲地址需要分兩批傳送存儲地址需要分兩批傳送n行地址選通信號行地址選通信號RAS*有效，開有效，開始傳送行地址始傳送行地址n隨后，列地址選通信號隨后，列地址選通信號CAS*有有效，傳送列地址效，傳送列

27、地址n讀寫信號讀寫信號WE*寫有效寫有效n數據從數據從DIN引腳進入存儲單元引腳進入存儲單元40DRAM 4116的刷新的刷新TRCTCRPTRAS高阻高阻TASRTRAH行地址行地址地址地址DINCASRAS采用采用“僅行地址有效僅行地址有效”方法刷新方法刷新n行地址選通行地址選通RAS*有效，傳送行地址有效，傳送行地址n列地址選通列地址選通CAS*無效，沒有列地址無效，沒有列地址n芯片內部實現一行存儲單元（共芯片內部實現一行存儲單元（共128個單元）的刷新個單元）的刷新n沒有數據從輸入輸出沒有數據從輸入輸出n存儲系統中所有芯片同時進行刷新存儲系統中所有芯片同時進行刷新nDRAM必須每隔固定

28、時間就刷新必須每隔固定時間就刷新（PC/XT機要求機要求2ms內進行內進行128次刷次刷新）新）41DRAM芯片芯片2164n存儲容量為存儲容量為64K1n16個個引腳：引腳：n8根地址線根地址線A7A0n1根數據輸入線根數據輸入線DINn1根數據輸出線根數據輸出線DOUTn行地址選通行地址選通RAS*n列地址選通列地址選通CAS*n讀寫控制讀寫控制WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A71234567816151413121110942只讀存儲器只讀存儲器EPROMEPROM 2716EPROM 2764EEPROMEEPROM 2717AE

29、EPROM 2864A43ROM通常可以分為以下幾類：通常可以分為以下幾類：一、一、 掩模掩模ROM 掩模掩模ROM的基本原理可用下圖給出的的基本原理可用下圖給出的44 MOS ROM來說明。來說明。 元44n在進行讀操作時，根據地址碼在進行讀操作時，根據地址碼A1A0狀態譯碼后，對應狀態譯碼后，對應字線為高電平，與該字線相連的字線為高電平，與該字線相連的MOS 管導通，相應位管導通，相應位線為低電平，其它位線為高電平。線為低電平，其它位線為高電平。 45二、二、 可編程可編程ROM (PROM) 可編程只讀存儲器（可編程只讀存儲器（Programmable ROM）的基本存儲電路的基本存儲電

30、路為一個晶體管。晶體管的集電極接為一個晶體管。晶體管的集電極接Vcc，它的基極連接行線（字它的基極連接行線（字線），發射極通過一個熔絲與列線（位線）相連。線），發射極通過一個熔絲與列線（位線）相連。01熔斷熔斷46三、可編程可擦寫三、可編程可擦寫ROM (EPROM) 紫外線可擦除可編程的存儲器的基本存儲電路由一個浮置柵紫外線可擦除可編程的存儲器的基本存儲電路由一個浮置柵雪崩注入雪崩注入型型MOS（FAMOS）管管T2和一個普通和一個普通MOS 管管T1串聯組串聯組成。其中成。其中FAMOS管作為存儲器件用，而另一個管作為存儲器件用，而另一個MOS管則作為地管則作為地址選擇用，它的柵極受字線控

31、制，漏極接位線并經負載并接到址選擇用，它的柵極受字線控制，漏極接位線并經負載并接到VCC。 47（1）原始狀態（2）寫入數據（3）紫外線擦除（4）清除數據48四、可編程可電擦寫四、可編程可電擦寫ROM (EEPROM) E2PROM的特點的特點 E2PROM（Electric Erasable PROM）即即電可擦除可編程只讀存儲器，它突出的優點是電可擦除可編程只讀存儲器，它突出的優點是在線擦除和改寫，較新的在線擦除和改寫，較新的E2PROM產品在寫入產品在寫入時能自動完成擦除，且不需用專門的編程電源，時能自動完成擦除，且不需用專門的編程電源，可以直接使用系統的可以直接使用系統的+5V電源。電

32、源。 E2PROM既具有既具有ROM的非易失性的優點，的非易失性的優點，又能像又能像RAM一樣隨機地進行讀寫，每個單元一樣隨機地進行讀寫，每個單元可重復進行一百萬次以上的改寫，保留信息的可重復進行一百萬次以上的改寫，保留信息的時間長達時間長達10年以上，不存在年以上，不存在EPROM在日光下在日光下信息緩慢丟失的問題。信息緩慢丟失的問題。49EPROMn頂部開有一個圓形的石英窗口，用頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息于紫外線透過擦除原有信息n一般使用專門的編程器（燒寫器）一般使用專門的編程器（燒寫器）進行編程進行編程n編程后，應該貼上不透光封條編程后，應該貼上不透光封條n出

33、廠未編程前，每個基本存儲單元出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息都是信息1n編程就是將某些單元寫入信息編程就是將某些單元寫入信息050EPROM芯片芯片2716n存儲容量為存儲容量為2K8n24個個引腳：引腳：n11根地址線根地址線A10A0n8根數據線根數據線DO7DO0n片選片選/編程編程CE*/PGMn讀寫讀寫OE*n編程電壓編程電壓VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss51EPROM芯片芯片2764n存儲容量

34、為存儲容量為8K8n28個個引腳：引腳：n13根地址線根地址線A12A0n8根數據線根數據線D7D0n片選片選CE*n編程編程PGM*n讀寫讀寫OE*n編程電壓編程電壓VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D31234567891011121314282726252423222120191817161552EPROM芯片芯片272561 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515161617171818191920202121222223232

35、4242525262627272828VppVppA12A12A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0D0D0D1D1D2D2GNDGNDD3D3D4D4D5D5D6D6D7D7CECEA10A10OEOEA11A11A9A9A8A8A13A13A14A14VccVcc2725627256引腳圖引腳圖A14A14A13A13A12A12A11A11A10A10A9A9A8A8A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0CECEOEOED7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D02725627256邏輯圖邏輯圖53EEPROMn用加

36、電方法，進行在線（無需拔用加電方法，進行在線（無需拔下，直接在電路中）擦寫（擦除下，直接在電路中）擦寫（擦除和編程一次完成）和編程一次完成）n有字節擦寫、塊擦寫和整片擦寫有字節擦寫、塊擦寫和整片擦寫方法方法n并行并行EEPROM：多位同時進行多位同時進行n串行串行EEPROM：只有一位數據線只有一位數據線54EEPROM芯片芯片2817An存儲容量為存儲容量為2K8n28個個引腳：引腳：n11根地址線根地址線A10A0n8根數據線根數據線I/O7I/O0n片選片選CE*n讀寫讀寫OE*、WE*n狀態輸出狀態輸出RDY/BUSY*NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2

37、GNDVccWE*NCA8A9NCOE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O31234567891011121314282726252423222120191817161555EEPROM芯片芯片2864An存儲容量為存儲容量為8K8n28個個引腳：引腳：n13根地址線根地址線A12A0n8根數據線根數據線I/O7I/O0n片選片選CE*n讀寫讀寫OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND1234567891011121314282726252423

38、2221201918171615n典型的典型的EPROM電路還有：電路還有：2716(2K8)、2732(4K8)、27128(16K8)、27256(32K8)n典型的典型的EEPROM電路有：電路有：2816、2817、2864n課程實驗平臺使用了課程實驗平臺使用了2片片w27c512（64k x 8）EEPROM存放監控程序等存放監控程序等57Flash MemorynAT29C040An存儲結構：存儲結構：512K8n有有19個地址引腳個地址引腳A18A0n8個數據引腳個數據引腳I/O7I/O0n3個控制引腳個控制引腳n片選片選CS*n輸出允許輸出允許OE*n寫允許寫允許WE*n扇區（

39、扇區（256字節）擦寫字節）擦寫n查詢擦寫是否完成查詢擦寫是否完成58高速緩沖存儲器接口 思路: 在引入高速緩沖存儲器的系統中，內存由兩級存儲構成。一級是采用高速靜態RAM芯片組成的小容量存儲器，即Cache；另一級是用廉價的動態RAM芯片組成的大容量主存儲器。 程序運行的所有信息存放在主存儲器內，而高速緩沖存儲器中存放的是當前使用最多的程序代碼和數據，即主存中部分內容的副本。CPU訪問存儲器時，首先在Cache中尋找，若尋找成功，通常稱為“命中”，則直接對Cache操作；若尋找失敗，則對主存儲器進行操作，并將有關內容置入Cache。 引入Cache是存儲器速度與價格折衷的最佳方法。59CPU

40、地址索引機構置換控制器高速緩沖存儲器主存段（頁）地址高位地址低位地址地址總線數據總線Cache結構框圖60n圖中高速緩沖存儲器用于存入要訪問的內容，即當前訪問圖中高速緩沖存儲器用于存入要訪問的內容，即當前訪問最多程序代碼和數據；最多程序代碼和數據；n地址索引機構中存放著與高速緩沖存儲器內容相關的高位地址索引機構中存放著與高速緩沖存儲器內容相關的高位地址，當訪問高速地址，當訪問高速緩沖存儲器命中時，用來和地址總線上緩沖存儲器命中時，用來和地址總線上的低位地址一起形成訪問緩沖存儲器地址；的低位地址一起形成訪問緩沖存儲器地址；n而置換控制器則按照一定的置換算法控制高速緩沖存儲器而置換控制器則按照一定

41、的置換算法控制高速緩沖存儲器中內容的更新。中內容的更新。61一、地址映象方式一、地址映象方式1. 1. 全相聯映象方式全相聯映象方式n 從主存中將信息調入緩沖存從主存中將信息調入緩沖存儲器通常是以儲器通常是以“頁頁”為單位為單位進行的。為了準確尋址，必進行的。為了準確尋址，必須將調入頁的頁地址編碼全須將調入頁的頁地址編碼全部存入地址索引機構中。部存入地址索引機構中。n主存中的每一個字塊可映像到Cache任何一個字塊位置上 第第塊塊第第塊塊第第 2N-1 塊塊 第第塊塊第第塊塊Cache 主主存存第第 2M-1 塊塊 圖圖（5 5. .2 28 8） 全全相相聯聯映映像像622 2 直接映象方式

42、直接映象方式 規定緩存中各頁只接收規定緩存中各頁只接收主存中相同頁號內容的副本，主存中相同頁號內容的副本，即不同段中頁號相同的內容即不同段中頁號相同的內容只有一個能復制到緩存中去。只有一個能復制到緩存中去。這種映象的限制使對高速緩這種映象的限制使對高速緩存的尋址變得相當簡單，在存的尋址變得相當簡單，在地址索引機構中只要存入地地址索引機構中只要存入地址的段號即可。址的段號即可。 每個主存地址映像到Cache中的一個指定地址的方式稱為直接映像。第第塊塊第第塊塊塊塊第第 22N-1 第第 2N-1 塊塊第第 2N 塊塊第第 2N-1塊塊第第塊塊第第塊塊C Ca ac ch he e 主主存存圖圖(

43、(5 5. .2 29 9) ) 直直接接映映像像633 3 分組相聯映象方式分組相聯映象方式 分組相聯映像將存儲空間分成若干組，是直接映像，而則是全相聯映像。二、地址索引機構二、地址索引機構 索引結構一般采用按內容存取的相聯存儲器索引結構一般采用按內容存取的相聯存儲器（CAMCAM）實現。實現。64三、置換控制策略三、置換控制策略n 在在Cache中，選擇置換策略追求的目標是獲得最高的中，選擇置換策略追求的目標是獲得最高的命中率。目前使用的策略有先進先出命中率。目前使用的策略有先進先出（FIFO）策略和策略和最近最少使用（最近最少使用（LRULRU）策略。策略。n FIFO 策略選擇最早裝入

44、高速緩存的頁作為被置換的頁。策略選擇最早裝入高速緩存的頁作為被置換的頁。n LRU 策略選擇策略選擇CPUCPU最近最少訪問的頁作為被替換的頁。最近最少訪問的頁作為被替換的頁。nIntel 公司的公司的8048680486微處理器的片內微處理器的片內CacheCache一般在一般在116KB之間。有些具有之間。有些具有RISCRISC結構的微處理器片內結構的微處理器片內CacheCache已達已達3232KBKB。有的微機了為提高性能，除了片內有的微機了為提高性能，除了片內CacheCache之處，之處，還增設一個片外的二級還增設一個片外的二級CacheCache，其容量一般在其容量一般在25

45、6256KBKB以以上。上。65虛擬存儲器簡介虛擬存儲器簡介n虛擬存儲器建立在虛擬存儲器建立在“主存主存輔存輔存”層次，層次，它能使計算機具有輔存的容量，接近于主它能使計算機具有輔存的容量，接近于主存的速度存取，使程序員可以按比主存大存的速度存取，使程序員可以按比主存大得多的空間來編制程序，即按虛擬空間編得多的空間來編制程序，即按虛擬空間編址。從原理角度看，主存址。從原理角度看，主存輔存層次和輔存層次和Cache主存層次有很多相似之處。它們主存層次有很多相似之處。它們采用的地址變換及映像方法和替換策略，采用的地址變換及映像方法和替換策略，從原理上看是相同的。從原理上看是相同的。66n在采用磁盤

46、作為輔助存儲器后，可以在存儲管理部在采用磁盤作為輔助存儲器后，可以在存儲管理部件和操作系統的存儲管理軟件的支持下，使用戶獲件和操作系統的存儲管理軟件的支持下，使用戶獲得一個很大的編程空間，其容量大大超過真實的主得一個很大的編程空間，其容量大大超過真實的主存儲器。這個在用戶界面上看到的存儲器，被稱為存儲器。這個在用戶界面上看到的存儲器，被稱為虛擬存儲器（虛擬存儲器（Virtual Memory），簡稱），簡稱VM。這時。這時用戶可以使用較長的地址編程，這種地址是面向程用戶可以使用較長的地址編程，這種地址是面向程序的需要，而不必考慮程序將來在主存中的實際位序的需要，而不必考慮程序將來在主存中的實際

47、位置，因而稱為邏輯地址，也稱為虛地址。置，因而稱為邏輯地址，也稱為虛地址。CPU可以可以按虛地址訪問的空間甚至可達到整個輔存容量。按虛地址訪問的空間甚至可達到整個輔存容量。67n在計算機系統實際運行中，所編程序和數據在操在計算機系統實際運行中，所編程序和數據在操作系統管理下，先送入磁盤，然后操作系統將當作系統管理下，先送入磁盤，然后操作系統將當前即需運行的部分調入內存，供前即需運行的部分調入內存，供CPU操作，其操作，其余暫不運行的部分留在磁盤中。隨程序執行的需余暫不運行的部分留在磁盤中。隨程序執行的需要，操作系統自動按一定替換算法進行調度，將要，操作系統自動按一定替換算法進行調度，將當前暫不

48、運行部分調回磁盤，將程序需要的模塊當前暫不運行部分調回磁盤，將程序需要的模塊由磁盤調入主存。由磁盤調入主存。nCPU執行程序時，需將程序提供的虛地址變換執行程序時，需將程序提供的虛地址變換為主存的實際地址（實地址、物理地址）。一般為主存的實際地址（實地址、物理地址）。一般是先由存儲管理部件判斷該地址的內容是否在主是先由存儲管理部件判斷該地址的內容是否在主存中，若已調入主存，則通過地址變換機制將虛存中，若已調入主存，則通過地址變換機制將虛地址轉換為實地址，然后訪問主存的實際單元。地址轉換為實地址，然后訪問主存的實際單元。若尚未調入主存，則通過缺頁中斷程序，以頁為若尚未調入主存，則通過缺頁中斷程序

49、，以頁為單位調入或實現主存內容調換。單位調入或實現主存內容調換。 6869半導體存儲器與半導體存儲器與CPU的連接的連接n這是本章的重點內容這是本章的重點內容nSRAM、EPROM與與CPU的連接的連接n譯碼方法同樣適合譯碼方法同樣適合I/O端口端口70存儲芯片與存儲芯片與CPU的連接的連接存儲芯片的數據線存儲芯片的數據線 存儲芯片的地址線存儲芯片的地址線 存儲芯片的片選端存儲芯片的片選端 存儲芯片的讀寫控制線存儲芯片的讀寫控制線存儲芯片地址線的連接存儲芯片地址線的連接n芯片的地址線通常應全部與系統的低位地芯片的地址線通常應全部與系統的低位地址總線相連址總線相連n尋址時，這部分地址的譯碼是在存

50、儲芯片尋址時，這部分地址的譯碼是在存儲芯片內完成的，我們稱為內完成的，我們稱為“片內譯碼片內譯碼”n系統地址線的高位參與系統地址線的高位參與“片選片選”片內譯碼片內譯碼A9A0存儲芯片存儲芯片000H001H002H3FDH3FEH3FFH全0全1000000000000000000010000000010111111110111111111101111111111范圍（16進制)A9 A0譯碼和譯碼器譯碼和譯碼器n譯碼：將某個特定的譯碼：將某個特定的“編碼輸入編碼輸入”翻譯為翻譯為唯一唯一“有效輸出有效輸出”的過程的過程n譯碼電路可以使用門電路組合邏輯譯碼電路可以使用門電路組合邏輯n譯碼電路

51、更多的是采用集成譯碼器譯碼電路更多的是采用集成譯碼器n常用的常用的2:4譯碼器：譯碼器： 74LS139n常用的常用的3:8譯碼器：譯碼器： 74LS138n常用的常用的4:16譯碼器：譯碼器：74LS154存儲器的地址選擇存儲器的地址選擇n全譯碼選擇方式全譯碼選擇方式n部分譯碼選擇方式部分譯碼選擇方式n線性選擇方式線性選擇方式(1)全譯碼選擇方式全譯碼選擇方式A15 A14A13A16CBAG1LS138 2764A19A18A17A12A0CEY6G2AG2BIO/M1C000H1DFFFH全0全10 0 0 1 1 1 00 0 0 1 1 1 0地址范圍A12 A0A19A18A17A

52、16A15A14 A13n全譯碼：所有的系統地址線均參與對存儲單元的譯全譯碼：所有的系統地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址，包括碼尋址，包括n片內譯碼片內譯碼：低位地址線對芯片內各存儲單元的譯碼尋址低位地址線對芯片內各存儲單元的譯碼尋址n片選譯碼片選譯碼：高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址n采用全譯碼，采用全譯碼，每個存儲單元的地址都是唯一每個存儲單元的地址都是唯一的，的，不不存在地址重復存在地址重復n譯碼電路可能比較復雜、連線也較多譯碼電路可能比較復雜、連線也較多(2)部分譯碼選擇方式部分譯碼選擇方式138A17 A16A11A0A14 A13A12(4)(3)(2)

53、(1)2732273227322732CBAG1G2AG2BIO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19 A15A14 A12A11 A0一個可用地址123410101010000001010011全0 全1全0 全1全0 全1全0 全120000H 20FFFH21000H 21FFFH22000H 22FFFH23000H 23FFFHn部分譯碼部分譯碼：只有部分高位地址線參與對存儲芯片只有部分高位地址線參與對存儲芯片的譯碼的譯碼n每個存儲單元將對應多個地址每個存儲單元將對應多個地址(地址重復），需要地址重復），需要選取一個可用地址選取一個可用地址n可簡化譯碼電路的設計可簡化譯碼電路的設

54、計n但系統的部分地址空間將被浪費但系統的部分地址空間將被浪費（3 3）線性選擇方式）線性選擇方式A14A12A0A13(1)2764(2)2764 CECEA19 A15A14 A13A12 A0一個可用地址121 00 1全0 全1全0 全104000H 05FFFH02000H 03FFFHA14 A13不能同時為不能同時為0n線選譯碼：線選譯碼：只用少數幾根高位地址線進行芯片的只用少數幾根高位地址線進行芯片的譯碼，且每根負責選中一個芯片（組）譯碼，且每根負責選中一個芯片（組）n雖構成簡單，但地址空間嚴重浪費雖構成簡單，但地址空間嚴重浪費n會出現地址重復（一個存儲單元對應多個存儲地會出現地

55、址重復（一個存儲單元對應多個存儲地址）址）78片選端譯碼小結片選端譯碼小結n在系統中，存儲芯片的片選控制端主在系統中，存儲芯片的片選控制端主要與地址發生聯系：包括要與地址發生聯系：包括地址空間的地址空間的選擇選擇（接系統的（接系統的IO/M*信號）和信號）和高位高位地址的譯碼選擇地址的譯碼選擇（與系統的高位地址（與系統的高位地址線相關聯）線相關聯）n對一些存儲芯片通過片選無效可關閉對一些存儲芯片通過片選無效可關閉內部的輸出驅動機制，起到降低功耗內部的輸出驅動機制，起到降低功耗的作用的作用內存的擴展內存的擴展n位擴展位擴展 增加字長（每個存儲單元的位數）增加字長（每個存儲單元的位數）n字擴展字擴

56、展 增加存儲器容量（存儲單元數）增加存儲器容量（存儲單元數） 存儲器的數據線及控制線的連接u位擴展位擴展n若芯片的數據線正好若芯片的數據線正好8根：根：n一次可從芯片中訪問到一次可從芯片中訪問到8位數據位數據n全部數據線與系統的全部數據線與系統的8位數據總線相連位數據總線相連n若芯片的數據線不足若芯片的數據線不足8根：根：n利用多個芯片擴充數據位利用多個芯片擴充數據位n這個擴充方式簡稱這個擴充方式簡稱“位擴展位擴展”2114（1）A9A0I/O4I/O1片選片選D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECEo 多個位擴充的存儲芯片的數據線連接于系統數據總線的不同位數o

57、其它連接都一樣o 這些芯片應被看作是一個整體o 常被稱為“芯片組”位位擴擴展展u字擴展字擴展n存儲系統常需利用多個存儲芯片擴充容量，存儲系統常需利用多個存儲芯片擴充容量，也就是擴充了主存儲器地址范圍也就是擴充了主存儲器地址范圍n這種擴充簡稱為這種擴充簡稱為“地址擴展地址擴展”或或“字擴展字擴展”n進行進行“地址擴展地址擴展”，需要利用存儲芯片的片，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進行尋址選端對多個存儲芯片（組）進行尋址n這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與譯碼器的輸出端相關聯來實現端與譯碼器的輸出端相關聯來實現地址擴充（字擴展）地址擴充（

58、字擴展）片選端片選端D7D0A19A10A9A0A9A0D7D0CE1K8（2）A9A0D7D0CE譯碼器000000000000000000011K8（1）舉舉 例例存儲器設計系統連線圖為：存儲器設計系統連線圖為：思考題：思考題： 1、若將、若將6264的片選信號接入的片選信號接入Y4、Y5端，地址將如何端，地址將如何 變化？變化？2、將、將A16、A17的的或門或門改為改為與非門與非門，地址又如何變化？，地址又如何變化？AY0BY1CY2G1Y3G2AY4G2BY574LS138Y6Y7A11A12A13A14&A19A15RAMROMA10A0o 例例:寫出下圖中RAM和ROM各

59、自的存儲容量以及地址范圍A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0RAM1111110100101010101010101010101ROM1111111100101010101010101010101RAM=211=2KROM=211=2KRAM:FD000H | FD7FFHR0M:FF000H | FF7FFH11110000 010101010101010101010101012#1110001 01010101010101010101010101A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A

60、4A3A2A1A08K88K8例：寫出例：寫出y0*y7*分別被譯中時的地址范圍分別被譯中時的地址范圍D15D8例：例：用1K8的RAM芯片構成4KB的存儲器,安排在64K空間的最低位置,共16根地址線,則4K芯片占用的地址空間如下，畫畫連線圖。連線圖。100000001010101010101010101200000101010101010101010101300001001010101010101010101400001101010101010101010101A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A01#: 000003FFH2#: 040007FFH3#