大学精品课件：第4章存储逻辑.ppt

1、第第4章存储逻辑章存储逻辑 4.1 特殊存储器特殊存储器 4.2 随机读写存储器随机读写存储器RAM 4.3 只读存储器只读存储器ROM 4.4 FLASH存储器存储器 4.5 存储器容量的扩充存储器容量的扩充 4.1 特殊存储器特殊存储器 存储逻辑是时序逻辑和组合逻辑相结合的产物。存储逻辑是时序逻辑和组合逻辑相结合的产物。 能够存储能够存储mn个二进制比特数的逻辑电路叫做个二进制比特数的逻辑电路叫做存存 储器储器。 与与存储器存储器相比，特殊存储部件如：寄存器堆、寄相比，特殊存储部件如：寄存器堆、寄 存器队列、寄存器堆栈是由存器队列、寄存器堆栈是由寄存器寄存器组成。组成。 特点：存储容量小，

2、逻辑结构简单，工作速度特点：存储容量小，逻辑结构简单，工作速度 快。快。 寄存器和存储器寄存器和存储器区别区别：类似于一维数组与二维数：类似于一维数组与二维数 组的区别。组的区别。 4.1.1 寄存器堆寄存器堆 一个寄存器是由一个寄存器是由n个触发器或锁存器按个触发器或锁存器按并行方式输并行方式输 入入且且并行方式输出并行方式输出构成。构成。 当要存储更多的字时，需要使用集中的当要存储更多的字时，需要使用集中的寄存器组寄存器组 逻辑结构：逻辑结构：寄存器堆寄存器堆。它实际上是一个容量极小。它实际上是一个容量极小 的存储器。的存储器。 向寄存器写向寄存器写 数或读数，数或读数， 必须先给出必须先

3、给出 寄存器的地寄存器的地 址。址。 读读/写工作是写工作是 分时进行的。分时进行的。 逻辑结构图逻辑结构图 原理示意图原理示意图 4.1.2 寄存器队列寄存器队列 寄存器队列寄存器队列是以是以FIFO（先进先出先进先出）方式用若干个）方式用若干个 寄存器构建的小型存储部件。寄存器构建的小型存储部件。 4.1.3 寄存器堆栈寄存器堆栈 寄存器堆栈寄存器堆栈是以是以LIFO（后进先出后进先出）方式用若干个）方式用若干个 寄存器构建的小型存储部件。寄存器构建的小型存储部件。 进栈进栈：数据由通用寄存器压进栈时，必须先传送到：数据由通用寄存器压进栈时，必须先传送到 栈顶寄存器；再有新数据进栈，原栈顶

4、寄存器送到栈顶寄存器；再有新数据进栈，原栈顶寄存器送到 下一寄存器，新数据进入栈顶寄存器。即栈顶寄存下一寄存器，新数据进入栈顶寄存器。即栈顶寄存 器总存放最近进栈的数据。器总存放最近进栈的数据。 出栈出栈：出栈时，相反，栈顶寄存器的数据先弹出到：出栈时，相反，栈顶寄存器的数据先弹出到 通用寄存器。即出栈的数据总是最近进入的数据。通用寄存器。即出栈的数据总是最近进入的数据。 4.2 随机读写存储器随机读写存储器RAM 寄存器堆等特殊存储部件只存放有限的几个数寄存器堆等特殊存储部件只存放有限的几个数 据，本节所述半导体随机读写存储器（简称据，本节所述半导体随机读写存储器（简称 RAM），可存放大量

5、的数据。），可存放大量的数据。 从工艺上，从工艺上，RAM分为双极型和分为双极型和MOS型两类。型两类。 从机理上，从机理上，RAM分为分为SRAM存储器存储器和和DRAM存储存储 器器两类。两类。 RAM属于易失性存储器（断电后信息会丢失）。属于易失性存储器（断电后信息会丢失）。 4.2.1 RAM的逻辑结构的逻辑结构 主体是主体是存储矩阵存储矩阵，另有，另有地址译码器地址译码器和和读写控制电读写控制电 路路两大部分。两大部分。 存储矩阵存储矩阵：若干排成阵列形式的：若干排成阵列形式的存储元存储元（每个存储元能（每个存储元能 存储一个比特存储一个比特 ）。）。 存储单元存储单元：由一组有序排

6、列的：由一组有序排列的存储元存储元组成组成 ，存储的基存储的基 本单位本单位。只能对一个。只能对一个存储单元存储单元进行读写操作。进行读写操作。 不能不能对一个对一个存储元存储元进行读写操作。进行读写操作。 存储器的容量：由存储器的容量：由存储元的总数目存储元的总数目决定。决定。 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 存储器按存储矩阵组织方式不同，可分为：存储器按存储矩阵组织方式不同，可分为： 单译单译 码结构码结构和和双译码结构双译码结构。 1、单译码结构、单译码结构 需要一个译码器。需要一个译码器。 每个存储元只有一条选择线（字线）。每个存储元只有一条选择线（字线）。 单译码结构（也称字结

7、构）：每次读写时，选单译码结构（也称字结构）：每次读写时，选 中一个字的所有存储元。中一个字的所有存储元。 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 读操作读操作 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 写操作写操作 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 2、双译码结构、双译码结构 两个地址译码器。两个地址译码器。 每个存储元有每个存储元有两条两条选择线选择线 。能读写存储元能读写存储元：行选：行选 线线X和列选线和列选线Y有效时的有效时的交叉点交叉点存储元。存储元。 双译码结构双译码结构RAM：需要有：需要有X（行地址）和（行地址）和Y（列（列 地址）。地址）。 双译码结构容易构成双译码结构容易构

8、成大容量大容量存储器。目前使用的存储器。目前使用的 RAM和和EPROM，都使用双译码形式，都使用双译码形式 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 读操作读操作 4.2.2 地址译码方法地址译码方法 写操作写操作 4.2.3 SRAM存储器存储器 1、SRAM存储元存储元 SRAM存储器：静态随机读写存储器存储器：静态随机读写存储器 ，与，与DRAM 存储器不同之处在存储器不同之处在存储元电路存储元电路的机理不一样。的机理不一样。 SRAM存储元，用一个存储元，用一个锁存器锁存器构成。构成。 4.2.3 SRAM存储器存储器 2、SRAM存储器结构存储器结构 芯片的位数：字长芯片的位数：字长1

9、位、位、4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、 64位等。位等。32K8位位SRAM芯片逻辑图与内部结构芯片逻辑图与内部结构 图。图。 /CS =0 ：芯片被选中，：芯片被选中， 可以进行读写操作可以进行读写操作 /WE =0 ：执行存储单元：执行存储单元 写操作写操作，输入缓冲器被，输入缓冲器被 打开，输出缓冲器被关打开，输出缓冲器被关 闭（两者互锁）闭（两者互锁） 4.2.3 SRAM存储器存储器 /WE =1 ：执行存储单元：执行存储单元读操作读操作，输入缓冲器被关，输入缓冲器被关 闭，输出缓冲器被打开。闭，输出缓冲器被打开。 4.2.4 DRAM存储器存储器 DRAM存储器：动态

10、随机读写存储器。存储器：动态随机读写存储器。 DRAM存储器的存储元存储器的存储元不使用锁存器不使用锁存器，而是用，而是用 个小电容器个小电容器。 优点优点：非常简单，集成度高，位成本较低。：非常简单，集成度高，位成本较低。 缺点缺点：超过一定周期，电容电荷泄漏而可能丢失：超过一定周期，电容电荷泄漏而可能丢失 所存信息。所存信息。 措施措施：必须及时补充电荷，这种过程叫做刷新或：必须及时补充电荷，这种过程叫做刷新或 再生。再生。 4.2.4 DRAM存储器存储器 1、DRAM存储元的基本操作存储元的基本操作 4.2.4 DRAM存储器存储器 2、DRAM基本结构基本结构 1M1位位DRAM存储

11、器框图存储器框图 4.3 只读存储器只读存储器ROM 只读存储器简称只读存储器简称ROM，它，它只能读出不能写入只能读出不能写入。 ROM的最大优点是具有不易失性，即使电源断的最大优点是具有不易失性，即使电源断 电，电，ROM中存储的数据不会丢失，因而在计算机中存储的数据不会丢失，因而在计算机 系统中得到了广泛的应用。系统中得到了广泛的应用。 ROM分为：分为：掩模掩模ROM和和可编程可编程ROM两类。两类。 掩模式只读存储器（掩模式只读存储器（ROM）：这类）：这类ROM所存的所存的 数据，在芯片制造过程中就确定了，使用时只能数据，在芯片制造过程中就确定了，使用时只能 读出，不能改变。优点是

12、可靠性高，集成度高。读出，不能改变。优点是可靠性高，集成度高。 缺点是不能改写。这种器件只能专用，用户可向缺点是不能改写。这种器件只能专用，用户可向 厂家定做。厂家定做。 4.3 只读存储器只读存储器ROM 可编程可编程ROM又可以分为两类：又可以分为两类： 一次编程只读存储器（一次编程只读存储器（PROM）：在产品出厂）：在产品出厂 时，所有存储元均置成全时，所有存储元均置成全0或全或全1，用户根据需，用户根据需 要可自行将某些存储元改为要可自行将某些存储元改为1或或0。 多次改写编程的只读存储器，这类多次改写编程的只读存储器，这类ROM有有 EPROM，E2PROM。 4.3.1 掩模掩模

13、ROM 1、掩模、掩模ROM的阵列结构和存储元的阵列结构和存储元 大部分大部分ROM芯片利用在行选线和列选线交叉点上芯片利用在行选线和列选线交叉点上 的晶体管是导通或截止来表示存、的晶体管是导通或截止来表示存、1。 168位位ROM阵列结构示意图阵列结构示意图 4.3.1 掩模掩模ROM 2、掩模、掩模ROM的逻辑符号和内部逻辑框图的逻辑符号和内部逻辑框图 4.3.1 掩模掩模ROM 例例：用：用ROM实现位二进制码到格雷码的转换。实现位二进制码到格雷码的转换。 解：利用解：利用ROM很容易实现两种代码转换。很容易实现两种代码转换。 方法方法：将欲转换的二进制代码作为地址码送到：将欲转换的二进

14、制代码作为地址码送到 ROM的地址输入端，而将目标代码格雷码写入到的地址输入端，而将目标代码格雷码写入到 对应的存储单元中。对应的存储单元中。 4.3.1 掩模掩模ROM (1)列出二进制码到格雷码的转换真值表列出二进制码到格雷码的转换真值表 (2)由真值表写出最小项表达式由真值表写出最小项表达式 G3=(8,9,10,11,12,13,14,15) G2=(4,5,6,7,8,9,10,11) G1=(2,3,4,5,10,11,12,13) G0=(1,2,5,6,9,10,13,14) 4.3.1 掩模掩模ROM 3、ROM结构的点阵图表示法结构的点阵图表示法 最小项表达式最小项表达式

15、G3=(8,9,10,11,12,13,14,15) G2=(4,5,6,7,8,9,10,11) G1=(2,3,4,5,10,11,12,13) G0=(1,2,5,6,9,10,13,14) 4.3.2 可编程可编程ROM 1、EPROM存储元存储元 2、E2PROM存储元存储元 4.4 FLASH存储器存储器 FLASHFLASH存储器存储器也译成也译成闪速存储器闪速存储器，它是高密度非易，它是高密度非易 失性的读写存储器。它既有失性的读写存储器。它既有RAM的优点，又有的优点，又有 ROM的优点。的优点。 闪速存储器中的闪速存储器中的存储元存储元，由单个，由单个MOS晶体管组晶体管组

16、 成：成： 漏极漏极S和源极和源极D，控制栅和浮空栅。，控制栅和浮空栅。 4.4 FLASH存储器存储器 FLASH存储器的基本操作存储器的基本操作 4.4 FLASH存储器存储器 FLASH存储器的阵列结构存储器的阵列结构 4.5 存储器容量的扩充存储器容量的扩充 4.5.1 字长位数扩展字长位数扩展 给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存 储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位 数。数。 方法方法：地址线和控制线公用，而数据线单独分开：地址线和控制线公用，而数据线单独分开 连接。连接。 所需芯片数所

17、需芯片数：设计要求存储容量除以已知芯片存：设计要求存储容量除以已知芯片存 储容量。储容量。 4.5.1 字长位数扩展字长位数扩展 例例：利用：利用64K8位位ROM芯片，设计一个芯片，设计一个64K16 位的位的ROM。 解解：两个芯片的地址总线公用，控制总线也公：两个芯片的地址总线公用，控制总线也公 用，而数据线分成高位和低位。用，而数据线分成高位和低位。 4.5.1 字长位数扩展字长位数扩展 例例：SRAM字长位数扩展字长位数扩展 4.5.2 字存储容量扩展字存储容量扩展 给定的芯片存储容量较小，不满足设计要求的总给定的芯片存储容量较小，不满足设计要求的总 存储容量，此时需要用多片给定芯片

18、来扩展字存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字 数。数。 方法：数据总线和低位地址总线公用，控制总线方法：数据总线和低位地址总线公用，控制总线 中中R/W公用，使能端公用，使能端EN不能公用，它由地址总线不能公用，它由地址总线 的高位段译码来决定片选信号。的高位段译码来决定片选信号。 所需芯片数所需芯片数：设计要求存储容量除以已知芯片存：设计要求存储容量除以已知芯片存 储容量。储容量。 4.5.2 字存储容量扩展字存储容量扩展 例例：DRAM存储容量扩展。存储容量扩展。 固态硬盘简介固态硬盘简介 （Solid State Disk或Solid State Drive，简 称 S S D） 固

19、态硬盘的起源固态硬盘的起源 和传统机械硬盘采用的磁盘体、磁头、马 达等机械零件不同，固态硬盘是由控制芯 片和存储芯片（FLASH芯片）组成。 固态硬盘和我们熟悉的闪存盘、闪存卡较 为相似。相比于传统的机械硬盘，固态硬 盘有很多优点，如速度快、防震、体积小、 零噪音等。 机械机械/固态硬盘外观比较固态硬盘外观比较 仅名片大小的固态硬盘仅名片大小的固态硬盘 固态硬盘的内部固态硬盘的内部 固态硬盘与机械硬盘的比较固态硬盘与机械硬盘的比较 固态硬盘相比机械硬盘，有以下优点： 1、存取速度快，这也是固态硬盘最大的优点，固态硬 盘没有磁头，采用快速随机读取，读延迟极小，无论 是启动系统还是运行大型软件，固

20、态硬盘的速度相比 主流的机械硬盘有了质的飞跃。 2、防震抗摔，固态硬盘内部不存在任何机械活动部件， 不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、振动。 3、发热低、零噪音，由于没有机械马达，闪存芯片发 热量小，工作时噪音值为0分贝，闪存芯片发热量小。 4、体积小，相比传统的机械硬盘，固态硬盘体积更小， 重量更轻，方便携带。 固态硬盘缺点固态硬盘缺点 1、成本高。同样容量的固态盘价钱是机械 硬盘的10倍。 2、写入速度相对慢，固态硬盘在数据读取 上优势明显，但在数据写入上比传统硬盘要 来慢，而且容易产生碎片。 3、寿命相对短，一般闪存的固态硬盘写入 寿命为1万到10万次，特制的可达100万到500 万次

21、。机械硬盘理论上是无限的。 4、可靠性相对低，如果固态硬盘数据损坏 后是难以修复的，目前的数据修复技术基本 不可能在损坏的芯片中恢复数据。而机械硬 盘还能挽回一些数据。 固态硬盘容易坏固态硬盘容易坏 这是固态硬盘最受关注的“缺陷”之 一。 固态硬盘虽说没有传统硬盘那样的机 械结构，不存在磁头老化、磁盘坏道 等问题，但由于采用了闪存(NAND Flash)作为存储介质，其有限的擦写次 数是一大硬伤。 固态硬盘常见的MLC闪存颗粒理论擦 写寿命约为 5000-10000次。 数据丢失不可恢复数据丢失不可恢复 如果说机械硬盘坏了还可以做数据恢复的话，固 态硬盘就连这个“后悔药”都没得吃了。因为固 态

22、硬盘的工作原理与机械硬盘不同。 但是固态硬盘不同，其内部没有任何机械结构， 数据被零散地分散在各个闪存之中，要从损坏后 的闪存芯片中数据恢复，从目前来讲几乎是不可 能的。因为两者存储原理不同，固态硬盘删除文 件时不是像机械硬盘那样仅仅删除文件的索引， 而是全部删除。 =%D3%B2%C5%CC&rn=2d36cc79b1a63d3839b08fd6dbf2a76b&standard=1 drives/solid-state-drives-ssd.html 作业作业4 P127 2，7，9，10 乔布斯传：神一样的传奇王咏刚， 周虹著 http:/202.120.96.42:8081/webpa

23、c/showbook.aspx?id=612307&addr=%D0% EC%BB%E3%B7%EE%CF%CD 网页版： “NeXT反击战”：108 页 1984年3月，在斯坦福大学举办的午宴上，乔布斯认识了 一位斯坦福大学的生物化学教授保罗 伯格（Paul Berg）。1980 年，凭借在重组DNA分子方面的卓越贡献，伯格获得诺贝尔化 学奖。 伯格告诉乔布斯，自己在教学中常常被计算机性能低下困 扰。当时的计算机内存小，运行速度慢，图像分辨率低，没有 一台可以很好地模拟演示DNA分子的结构与变化。可如果不在计 算机中模拟，完全靠生化实验，费用就太高了。伯格一直在寻 找一台高性能的计算机，能够为科研和教学提供帮助。 伯格对乔布斯说：“这台理想的电脑最好有3个M （100万）的指标。就是说，要有100万字节的内存， 100万像素的显示器，以及每秒100万次的运算能力。 ” 乔布斯被这个理想中的“3M电脑”打动了。 小软件发大财 2个人的公司，卖一个数据分析软件，覆盖 全国。