《微机原理与接口技术》课件09第3章存储器的分类及特点.ppt
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- 微机原理与接口技术 微机原理与接口技术课件09第3章 存储器的分类及特点 微机 原理 接口 技术 课件 09 存储器 分类 特点
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1、1第第3 3章章 存储器的分类及特点存储器的分类及特点 2本章主要介绍:本章主要介绍:存储器分类及分级结构;存储器分类及分级结构;RAMRAM;ROMROM与快闪存储器;与快闪存储器;存储器与存储器与CPUCPU接口的基本技术接口的基本技术。重点是存储器与重点是存储器与CPUCPU接口的基本技术。接口的基本技术。33.1 3.1 存储器的分类及特点存储器的分类及特点 4第第3章章 存储器存储器 存储器是计算机系统中的记忆设存储器是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。更确切地备,用来存放程序和数据。更确切地说,存储器是存放二进制编码信息的说,存储器是存放二进制编码信息的硬件设备。硬件设备
2、。5第第3章章 存储器存储器 3.1.1 3.1.1 存储器分类存储器分类 构成存储器的存储介质,目前主要采用半导体构成存储器的存储介质,目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个一个双稳态半导体电路或一个CMOSCMOS晶体管或磁性晶体管或磁性材料的存储元,它可存储一个二进制代码。由若材料的存储元,它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元,然后再由许多存干个存储元组成一个存储单元,然后再由许多存储单元组成一个存储器。储单元组成一个存储器。根据存储材料的性能及使用方法的不同,存根据存储材料的性能
3、及使用方法的不同,存储器有各种不同的分类方法:储器有各种不同的分类方法:6第第3章章 存储器存储器 3.1.1 3.1.1 存储器分类存储器分类 1 1.按存储介质分类:按存储介质分类:半导体存储器:用半导体器件组成的存储器。半导体存储器:用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器:用磁性材料做成的存储器。磁表面存储器:用磁性材料做成的存储器。2 2.按存储方式分类:按存储方式分类:随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器:只能按某种顺序来存取,存顺序存储器:只能按
4、某种顺序来存取,存取时间和存储单元的物理位置有关。取时间和存储单元的物理位置有关。7第第3章章 存储器存储器 3.1.1 3.1.1 存储器分类存储器分类 3 3.按按存储器的读写功能分类存储器的读写功能分类:只读存储器(只读存储器(ROMROM):存储的内容是固定):存储的内容是固定不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。随机读写存储器(随机读写存储器(RAMRAM):既能读出又能):既能读出又能写入的半导体存储器。写入的半导体存储器。4 4.按按信息的可保存性分类信息的可保存性分类 :非永久记忆的存储器:断电后信息即消失非永久记忆的存储器:断电后
5、信息即消失的存储器。的存储器。永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息的存储器。的存储器。8第第3章章 存储器存储器 3.1.1 3.1.1 存储器分类存储器分类 5 5.按在计算机系统中的作用分类按在计算机系统中的作用分类:主存储器(内存):用于存放活动的程序主存储器(内存):用于存放活动的程序和数据,其速度高、容量较少、每位价位高。和数据,其速度高、容量较少、每位价位高。辅助存储器(外存储器):主要用于存放辅助存储器(外存储器):主要用于存放当前不活跃的程序和数据,其速度慢、容量大、每当前不活跃的程序和数据,其速度慢、容量大、每位价位低。位价位低。缓冲存储器
6、:主要在两个不同工作速度的缓冲存储器:主要在两个不同工作速度的部件起缓冲作用。部件起缓冲作用。9 为了解决存储器速度与价格之间的矛盾,出现了为了解决存储器速度与价格之间的矛盾,出现了存储器的层次结构。存储器的层次结构。在某一段时间内,在某一段时间内,CPU频繁访问某一局部的存储频繁访问某一局部的存储器区域,而对此范围外的地址则较少访问的现象就是器区域,而对此范围外的地址则较少访问的现象就是程序的局部性原理。程序的局部性原理。层次结构是基于程序的局部性原理的。对大量典层次结构是基于程序的局部性原理的。对大量典型程序运行情况的统计分析得出的结论是:型程序运行情况的统计分析得出的结论是:CPU对某对
7、某些地址的访问在短时间间隔内出现集中分布的倾向。些地址的访问在短时间间隔内出现集中分布的倾向。这有利于对存储器实现层次结构。这有利于对存储器实现层次结构。第第3章章 存储器存储器 3.1.2 3.1.2 存储器的分级结构存储器的分级结构 10目前,大多采用三级存储结构。目前,大多采用三级存储结构。即:即:Cache-主存主存-辅存,如下图:辅存,如下图:CPU高高速速缓缓存存主存主存 辅存辅存辅助硬件辅助硬件辅助硬、辅助硬、软件软件第第3章章 存储器存储器 11 Cache Cache引入主要解决存取速度,外存引入主要解引入主要解决存取速度,外存引入主要解决容量要求。决容量要求。CPUCPU内
8、的寄存器、内的寄存器、CacheCache、主存、外存都可以存、主存、外存都可以存储信息,它们各有自己的特点和用途。它们的容量储信息,它们各有自己的特点和用途。它们的容量从小到大,而存取速度是从快到慢,价格与功耗从从小到大,而存取速度是从快到慢,价格与功耗从高到低。高到低。Cache Cache又分为指令又分为指令CacheCache和数据和数据CacheCache。第第3章章 存储器存储器 12 主存储器(内存)是计算机系统的主要存储器,主存储器(内存)是计算机系统的主要存储器,用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。通常,用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。通常,用户程序执行前都存放在
9、外存储器中,当要执行时,用户程序执行前都存放在外存储器中,当要执行时,由操作系统将其从外存调入内存,并把其中即将要由操作系统将其从外存调入内存,并把其中即将要执行的部分同时调入执行的部分同时调入cachecache中。程序执行过程中的中中。程序执行过程中的中间结果保存在内存中,程序最终运行结果需要长期间结果保存在内存中,程序最终运行结果需要长期保存时,又从内存调入外存中。保存时,又从内存调入外存中。第第3章章 存储器存储器 13 外存储器为大容量辅助存储器,通常用来存放外存储器为大容量辅助存储器,通常用来存放系统程序和大型数据文件或数据库,外存储器具有系统程序和大型数据文件或数据库,外存储器具
10、有存储容量大,位成本低的优点,满足计算机的大容存储容量大,位成本低的优点,满足计算机的大容量存储要求。目前主要使用磁带存储器、磁盘存储量存储要求。目前主要使用磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器。器和光盘存储器。第第3章章 存储器存储器 14第第3章章 存储器存储器 表表3-1 3-1 存储器的用途和特点存储器的用途和特点名称名称简称简称用途用途特点特点高速缓冲高速缓冲存储器存储器cachecache高速存取指令和高速存取指令和数据数据存取速度快,但存存取速度快,但存储容量小储容量小主存储器主存储器主存主存存放计算机运行存放计算机运行期间的大量程序期间的大量程序和数据和数据存取速度较快,存存取速
11、度较快,存储容量不大储容量不大外存储器外存储器外存外存存放系统程序和存放系统程序和大型数据文件及大型数据文件及数据库数据库存储容量大,位成存储容量大,位成本低本低15第第3章章 存储器存储器 3.1.3 3.1.3 存储器的技术指标存储器的技术指标 1.1.存储容量存储容量:指它可存储的信息的字节数或比特数,指它可存储的信息的字节数或比特数,通常用通常用存储字数(单元数)存储字数(单元数)存储字长(每单元的比特数)存储字长(每单元的比特数)表示。表示。例如:例如:1Mb=1M 1Mb=1M 1bit=128k 1bit=128k 8bit=256k 8bit=256k 4bit=1M 4bit
12、=1M位位 1MB=1M 1MB=1M 8bit=1M8bit=1M字节字节 16第第3章章 存储器存储器 3.1.3 3.1.3 存储器的技术指标存储器的技术指标 2.2.存取存取时间(访问时间时间(访问时间)TATA:从存储器接收到读:从存储器接收到读/写写命令到信息被读出或写入完成所需的时间(决定命令到信息被读出或写入完成所需的时间(决定于存储介质的物理特性和寻址部件的结构)。于存储介质的物理特性和寻址部件的结构)。例如:例如:ROM ROM存取时间通常为几百存取时间通常为几百nsns;RAMRAM存取时间通常为几十存取时间通常为几十ns ns 到一百多到一百多nsns;双极性双极性RA
13、MRAM存取时间通常为存取时间通常为101020ns20ns。17第第3章章 存储器存储器 3.1.3 3.1.3 存储器的技术指标存储器的技术指标 3.3.存储存储周期周期 TMTM:指在存储器连续读:指在存储器连续读/写过程中一次写过程中一次完整的存取操作所需的时间或者说是完整的存取操作所需的时间或者说是CPUCPU连续两次连续两次访问存储器的最小时间间隔。访问存储器的最小时间间隔。(有些存储器在完成读(有些存储器在完成读/写操作后还有一些附加动写操作后还有一些附加动作作 时间或恢复时间,例如刷新或重写时。)时间或恢复时间,例如刷新或重写时。)TM TM略大于略大于TATA。18第第3章章
14、 存储器存储器 3.1.3 3.1.3 存储器的技术指标存储器的技术指标 4.4.可靠性:平均故障间隔时间(可靠性:平均故障间隔时间(MTBFMTBF),即两次故),即两次故障之间的平均时间间隔。障之间的平均时间间隔。EPROM EPROM重写次数在数千到重写次数在数千到1010万次之间;万次之间;ROM ROM数据保存时限是数据保存时限是2020年到年到100100多年。多年。5.5.性能价格比:存储器的性能包括以上几个方面,性能价格比:存储器的性能包括以上几个方面,但是成本也占很大的比重。因此,常以性能价格比但是成本也占很大的比重。因此,常以性能价格比来衡量,即高性能,低价格。来衡量,即高
15、性能,低价格。19第第3章章 存储器存储器 3.1.4 3.1.4 存储器的组成与读写过程存储器的组成与读写过程 主存的组成主要包括主存的组成主要包括地址译码器地址译码器、存储体存储体、读写控制逻辑电路读写控制逻辑电路及及输入输出缓冲器输入输出缓冲器。1.地址译码器地址译码器 地址线通过译码器选中相应的存储单元中的地址线通过译码器选中相应的存储单元中的所有基本单元。所有基本单元。2n=N,n为地址线条数,为地址线条数,N为存为存储单元数。即:储单元数。即:若若n=10,N=2n=10242.存储体存储体 存储二进制信息的矩阵,由多个基本存储单存储二进制信息的矩阵,由多个基本存储单元组成,每个存
16、储单元可有元组成,每个存储单元可有0与与1两种状态,即两种状态,即存储存储1bit信息。信息。20第第3章章 存储器存储器 3.1.4 3.1.4 存储器的组成与读写过程存储器的组成与读写过程 主存的组成主要包括主存的组成主要包括地址译码器地址译码器、存储体存储体、读写控制逻辑电路读写控制逻辑电路及及输入输出缓冲器输入输出缓冲器。3.读写控制逻辑电路读写控制逻辑电路 控制逻辑电路接收来自控制逻辑电路接收来自CPU的时钟与读写的时钟与读写信号,根据地址译码的结果,控制存储器指定单信号,根据地址译码的结果,控制存储器指定单元中的数据读出或者写入。元中的数据读出或者写入。4.输入输出缓冲器输入输出缓
17、冲器 控制数据的输出,或者把数据线上的数据写控制数据的输出,或者把数据线上的数据写入到主存的指定单元中。入到主存的指定单元中。21第第3章章 存储器存储器 3.1.4 3.1.4 存储器的组成与读写过程存储器的组成与读写过程 存储器的读写过程存储器的读写过程 1.存储器读操作:首先将地址送到地址总线,经译存储器读操作:首先将地址送到地址总线,经译码选中某一存储单元。当读信号有效时,所选码选中某一存储单元。当读信号有效时,所选中单元中的数据读出,经三态输出缓冲器送到中单元中的数据读出,经三态输出缓冲器送到外部数据总线上。外部数据总线上。2.存储器写操作:首先将地址送地址总线,经译码存储器写操作:
18、首先将地址送地址总线,经译码选中某一存储单元。同时,需写入的数据经数选中某一存储单元。同时,需写入的数据经数据总线送三态输入缓冲器;当写信号有效时,据总线送三态输入缓冲器;当写信号有效时,由内部控制逻辑电路控制,将外部数据线上的由内部控制逻辑电路控制,将外部数据线上的数据写入到所选中的存储单元中。数据写入到所选中的存储单元中。223.2 RAM3.2 RAM 23第第3章章 存储器存储器 3.2.1 3.2.1 基本存储器单元基本存储器单元图图3-3 MOS3-3 MOS型六管存储电路型六管存储电路D D X X地址选择线地址选择线 Y Y地址选择地址选择 T T8 8B BA A T T6
19、6 T T5 5 T T2 2 T T1 1 T T4 4 T T3 3V Vcccc内部数据线内部数据线 T T7 7外部数据线外部数据线1.MOS1.MOS型六管静态基本存储电路型六管静态基本存储电路D24第第3章章 存储器存储器 3.2.1 3.2.1 基本存储器单元基本存储器单元2.MOS2.MOS型四管动态基本存储电路型四管动态基本存储电路 T T1 1C CS S数据线数据线C CD D读出放大器读出放大器字选择线字选择线W 图图3-4 3-4 单管单管DRAMDRAM结构结构D D3.3.单管动态存储电路单管动态存储电路 25第第3章章 存储器存储器 3.2.1 3.2.1 基本
20、存储器单元基本存储器单元图图3-3 MOS3-3 MOS型六管存储电路型六管存储电路D D X X地址选择线地址选择线 Y Y地址选择地址选择 T T8 8B BA A T T6 6 T T5 5 T T2 2 T T1 1 T T4 4 T T3 3V Vcccc内部数据线内部数据线 T T7 7外部数据线外部数据线1.MOS1.MOS型六管静态基本存储电路型六管静态基本存储电路D26第第3章章 存储器存储器 3.2.2 3.2.2 随机存取存储器举例随机存取存储器举例 3.MOS3.MOS型四管动态基本存储电路型四管动态基本存储电路 WEWE CSCS&1 11 1A A9 9A A0 0
21、A A3 3A A9 9 1K1K4 4存储器矩阵存储器矩阵(64646464)图图3-5 Intel 21143-5 Intel 2114内部组成内部组成D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3行行地地址址译译码码器器输输入入数数据据控控制制I/OI/O控制电路控制电路列地址译码器列地址译码器CSWE273.3 ROM3.3 ROM与快闪存储器与快闪存储器 28第第3章章 存储器存储器 3.3.1 ROM3.3.1 ROM ROM ROM的信息在使用时是不被改变的,即只能读出,不的信息在使用时是不被改变的,即只能读出,不能写入,写入是有条件的。故一般只能存放固定程序和常能写入,写入是
22、有条件的。故一般只能存放固定程序和常量,如监控程序、量,如监控程序、BIOSBIOS程序等。程序等。ROMROM芯片的种类很多,有芯片的种类很多,有掩膜掩膜ROMROM、可编程、可编程ROMROM(PROMPROM)、可擦除可编程)、可擦除可编程ROMROM(EPROMEPROM)、电可擦除可编程)、电可擦除可编程ROMROM(EEPROMEEPROM)等。下面分别)等。下面分别予以介绍。予以介绍。1.1.掩膜掩膜ROMROM 掩膜掩膜ROMROM是厂家根据用户的要求采用掩膜技术把程序是厂家根据用户的要求采用掩膜技术把程序和数据在制作集成电路时就已写入完成。一旦制造完毕,和数据在制作集成电路时
23、就已写入完成。一旦制造完毕,存储器的内容就被固定下来,用户不能修改。若要修改,存储器的内容就被固定下来,用户不能修改。若要修改,就只能重新设计掩膜。就只能重新设计掩膜。29第第3章章 存储器存储器 3.3.1 ROM3.3.1 ROM 2.2.可编程只读存储器(可编程只读存储器(PROMPROM)可编程只读存储器出厂时各单元内容全为可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0 0,用户可用专,用户可用专门的门的PROM PROM 写入器将信息写入,这种写入是破坏性的,即某个写入器将信息写入,这种写入是破坏性的,即某个存储位一旦写入存储位一旦写入1 1,就不能再变为,就不能再变为0 0,因此对这种存储
24、器只能,因此对这种存储器只能进行一次编程。根据写入原理进行一次编程。根据写入原理PROM PROM 可分为两类:结破坏型和可分为两类:结破坏型和熔丝型。熔丝型。熔丝型基本存储电路由熔丝型基本存储电路由1 1个三极管和个三极管和1 1根熔丝组成,可存根熔丝组成,可存储一位信息。出厂时,每一根熔丝都与位线相连,存储的都储一位信息。出厂时,每一根熔丝都与位线相连,存储的都是是“0 0”信息。如果用户在使用前根据程序的需要,利用编程信息。如果用户在使用前根据程序的需要,利用编程写入器对选中的基本存储电路通以写入器对选中的基本存储电路通以20mA20mA50mA 50mA 的电流,将熔的电流,将熔丝烧断
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