存储器系统计算机存储计算机存储.pdf

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1、第 4 章 存储器系统 引入：电子计算机是 20 世纪人类最伟大的发明之一。随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。特别是微型计算机技术和网络技术 的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。计算机逐 渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的 技能。本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构 2）RAM、ROM 芯片的结构、工作原理 3）存储器的扩展方法 4）高速缓冲存储器技术 5）虚拟存储器技术 6）存储保护 4.1 存储器概述 4.1.1 存储器的分类 在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器

2、是一种记 忆部件，是用来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。一、按其用途分（1）内存储器 内存储器又叫内存，是主存储器。用来存储当前正在使用的或经常使用的程序 和数据。CPU 可以对他直接访问，存取速度较快。（2）外存储器 外存储器又叫外存，是辅助存储器。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软 盘，磁带，CD 等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件 带动，速度与 CPU 相比就显得慢的多。外存的特点是容量大，所存的信息既可以修 改也可以保存。存取速度较慢，要用专用的设备来管理。计算机工作时

3、，一般由内存 ROM 中的引导程序启动程序，再从外存中读取系 统程序和应用程序，送到内存的 RAM 中，程序运行的中间结果放在 RAM 中,（内 存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。二、按存储介质分（1）半导体存储器 早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存 储单元。现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再 由若干芯片组成大容量的存储器。半导体存储器又分为双极型半导体存储器和 MOS 型半导体存储器。（2）磁表面存储器 再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称 为磁层。工作时，磁层随机体高速运动

4、，用磁头再磁层上进行读写操作。如磁盘存 储器和磁带存储器。其特点是：存储容量大，价格低，但结构为机电组合，工艺复 杂、存取速度慢，主要用做辅助存储器。（3）光存储器。如 CD，VCD，MO，MD，DVD。三、按存取方式分（1）随机存取存储器 随机存取存储器简称 RAM，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全 部丢失。（2）只读存储器 只读存储器通常简写为 ROM。ROM存放的数据一般不能用简单的方法对其内 容进行改写，正常使用时主要对其进行读取操作，ROM 还具有掉电后其内部信息不 丢失的特点（通常叫非易失性），

5、一般用于存放一些固定的数据或程序，其一般在器件 生产出厂前由生产厂家将内容直接写入在器件中。（3）顺序存取存储器 访问存储器所用的时间由被访问数据所处的物理位置来决定。例如，在磁带存 储器中，访问记录在磁带末尾的数据要比访问记录在磁带头部的数据花费更多的时 间。（4）直接存取存储器 直接存取存储器如磁盘存储器和光盘存储器等，访问每个存储单元的时间可能发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个

6、很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可不相同，但也不象磁带存储器那样，完全由被访问数据所处的物理位置来决定。磁 盘、光盘等可以在两个方向上同时寻址，实际的访问时间与发出读写命令时磁头所 处的位置等因素有关。四、按信息可保存性分（1）易失性存储器 断电后，存储的信息将消失的存储器。

7、RAM是易失性存储器。（2）非易失性存储器 断电后，存储的信息仍然保存再存储器中，称为非易失性存储器，ROM,FLASH 和磁性材料存储器为非易失性存储器。4.1.2存储体系与层次结构、访存的局部性原理 计算机对存储器的要求是高速度、大容量、低价格。从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间 90%的访问局限于存 储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余 90%的区域中。这就是通常说的局部性原理。访存的局部性规律包括两个方面：（1）时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很快被再次访问。（2）空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的项也可能很快被

8、 访问。、存储器的层次结构 人们为了解决存储器容量和速度的矛盾，应用了访问局部性原理，把存储体系 设计成为层次化的结构以满足使用要求。存储体系结构包 括不同层次上的存储器，通过适当的硬件、软件有机地组 合在一起形成计算机的存储体系结构。现在大多数人都将 高性能计算机的存储体系结构描述成如图 4-1所示的三层 存储器层次结构。三级存储结构是高速缓存（Cache）、主存储器（MM）和 辅助存储器（外存）。也有人将存储器层次分为四层，是将 CPU内部的寄存器也看作是存储器的一个层次。即是由寄 存器、高速缓存（Cache）、主存（内存）、外存组成。其中寄 存器是最高层次的存储部件，容量最小，速度最快。

9、寄存器对程序员是不透明的，对它的访问需按寄存器名访问而不是按地址。有一些简单的计算机没有高速缓存（Cache），则这样发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像

10、硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可的计算机的存储体系就剩下主存和辅存两个层次。（1）主存储器用来存放需 CPU 运行的程序和数据。用半导体 RAM 构成，常包 含少部分 ROM。可由 CPU 直接编程访问，采取随机存取方式，即：可按某个随机 地址直接访问任一单元（不需顺序寻找），存取时间与地址无关。存储容量较大，常用 字节数表示，有时也用单元数x位数表示。速度较快，以存取周期表示。（2）Cache位于CPU与主存之间（有些Cache集在CPU芯片之中），用来存放当 前运行的程序和数据，它的内容是主存某些局

11、部区域（页）的复制品。它用快速的半导 体 RAM 构成，采取随机存取方式。存储容量较小而速度最快。（3）外存储器用来存放暂不运行但需联机存放的程序和数据。用磁盘、光盘、磁带等构成，磁盘用于需频繁访问场合，光盘目前多用于提供系统软件，而磁带多 用于较大系统的备份。CPU 不能直接编址访问外存，而是将它当作外围设备调用。磁带采取顺序存取方式。磁盘与光盘采取直接存取（半顺序）方式，先直接定位到某个 局部区域，再在其中顺序存取。外存容量可以很大，以字节数表示。4.1.3 存储器的性能指标 一、存储容量 由于一般存储器都采用一维线性编址，存储器中的每个能够存放数据的单元都 被赋予一个地址，因此，简单地说

12、，存储容量（Memory Capacity）是指存储器中所 具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数。表示存储器容量的单位主要有字节（Byte）,简写为B；位（bit）,简写为b；字（Word）,简写为 W。其中，最常用的单位是字节 B，一个字节由8位组成，即1B=8b。对于32位计算机系统，一个字有 32位，即1W=32b=8B。因为存储器的容量一般都很大，因此，要用千（Kilo）、兆（Mega）、千兆（Giga）、兆兆（Tera）等单位来表示。二、存取时间 存取时间又称为存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需 的时间。写入时为存数时间，读出时为取数时间。用 TA 表示。（1

13、）取数时间Tr:从向存储器发出读操作命令到数据从存储器中读出所经历的 时间。(2)存数时间Ta：从启动一次访问存储器操作到完成该操作所经历的时间，这 里所说的访问存储器操作包括读操作、写操作、交换操作等。发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以

14、下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可三、存储周期 存储周期又称为访问周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最 小时间。用 TMC 表示。存储周期的倒数，称为存储器速度(用 S 表示)。它表示每秒从存储器进出信息 的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒表示。四、可靠性 存储器的可靠性用平均故障时间 MTBF 来描述，它可以理解为两次故障之间的 平均时间间隔。MTBF 越长，说明存储器的可靠性越高。五、性能价格比 性能

15、价格比是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标。存储器的价格通常用每位的价格来表示，例如每位多少美分($c/bit)。目前，静态存储器的价格大致为 10-4$c/bit，动态存储器的价格大致为 10-7$c/bit，磁表面 存储器的价格大致为 10-10$c/bit。衡量存储器的性能还可以有其他一些参数，例如功耗。目前，功耗已经成为提高存储器性能的一个重大障碍。大家知道，芯片集成度 提高得很快，于是，芯片的散热就成了大问题。因此，降低存储器芯片的功耗是当 前一个重大得研究课题。通常，存储器的维持功耗要远远低于工作功耗，因此，当 外部不访问存储器时，存储器一般处于维持状态，以减小功耗，降低存储器的温

16、度。4.2 主存储器 主存储器又称内存，通常由半导体存储器构成。通用微型计算机的主存包含只 读存储器 ROM(Read Only Memory)和随机存取存储器 RAM(Read Only Memory)。其中 ROM 支持基本的监控和输入输出管理，RAM 则面向用户。4.2.1 随机存取存储器 RAM RAM 就是我们平常所说的内存，主要用来存放各种现场的输入、输出数据，中 间计算结果，以及与外部存储器交换信息。它的存储单元根据具体需要可以读出，也可以写入或改写。一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。现在的 RAM 多为 MOS 型半导体电路，它分为静态(SRAM)和动态(DRAM)两

17、种。静态RAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态 RAM是靠MOS电路中的 栅级电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给予补充，所以动态 发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助

18、存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可RAM需要设置刷新电路。但动态 RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本 也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态 RAM，而高速缓冲存储器(Cache)则使用静态 RAM。另外，内存还应用于显卡，声卡及 CMOS等设备中，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。动态RAM按制造工艺的不同，又可分为动态随机存储器(Dynamic RAM)、扩 展数据输出随机存储器(Exte ned Data Out RAM)和同步动态随机存储器

19、(Sysnchromized Dynamic RAM)。一、SRAM的组成 SRAM由存储器、地址译码电路、读写控制电路、输入/输出控制电路和片选控 制组成。如图4-2所示。(1)存储体 半导体存储体由多个基本存储电路组成，每个基本存储电路对应一个二进制数 位。SRAM中的每一位均存储在四个晶体管当中，这四个晶体管组成了两个交叉耦 合反向器。这个存储单元具有两个稳定状态，通常表示为 0和1。另外还需要两个 访问晶体管用于控制读或写操作过程中存储单元的访问。因此，一个存储位通常需 要六个MOSFET。对称的电路结构使得 SRAM的访问速度要快于 DRAM。一个基本存储电路只能存储一个二进制位。将

20、基本的存储电路有规则地组织起 来，就是存储体。存储体是存储单元的集合。在较大容量的存储器中，往往把各个 字的同一位组织在一个集成片中。如图中的 4096 X 1位，是指4096个字的同一位。由这样的16个片子则可组成4096X 16的存储器。同一位的这些字排成矩阵，如 64 发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说

21、有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可X 64=4096。由X（行线）和Y（列线）的交叉来选择所需要的单元。（2）地址译码电路 地址译码器的输入信息来自 CPU 的地址寄存器。地址寄存器用来存放所要访问（写入或读出）的存储单元的地址。CPU 要选择某一存储单元，就在地址总线上输出 此单元的地址信号给地址译码器。地址译码器把用二进制代码表示的地址转换成输

22、出端的高电位，用来驱动相应的读写电路，以便选择所要访问的存储单元。地址译码有两种方式：一种是单译码方式，适用于小容量存储器；另一种是双 译码方式，适用于大容量存储器。单译码结构也称字结构。在这种方式中，地址译 码器只有一个，译码器的输出叫字选线，而字选线选择某个字（某存储单元）的所有位。例如，地址输人线 n=4,经地址译码器译码，可译出 24=16个状态，分别对应 16 个字地址。为了节省驱动电路,存储器中通常采用双译码结构。采用双译码结构,可以减 少选择线的数目。在这种译码方式中，地址译码器分成 X向和Y向两个译码器。若 每一个有n/2个输入端，它可以译出2 n/2个输出状态，那么两个译码器

23、交叉译码的 结果，共可译出2 n/2X 2 n/2=2n个输出状态，其中n为地址输入量的二进制位数。但此时译码输出线却只有 2 X 2 n/2根。例如n=12,双译码输出状态为 212=4096 个，而译码线仅只有 2X 26=128根。（3）读写控制电路 存储器的基本操作是读操作和写操作,访问 SRAM 时,对被选中的寄存器,究 竟是读还是写,通过读/写控制线进行控制。如果是读,则被选中单元存储的数据经 数据线、输入/输出线传送给 CPU;如果是写，则 CPU将数据经过输入/输出线、数 据线存入被选中单元。一般 SRAM 的读/写控制线高电平为读,低电平为写;也有的 RAM 读/写控制线 是

24、分开的,一根为读,另一根为写。（4）输出驱动电路 RAM 通过输入/输出端与计算机的中央处理单元（CPU）交换数据，读出时它 是输出端,写入时它是输入端,即一线二用,由读/写控制线控制。输入/输出端数据 线的条数,与一个地址中所对应的寄存器位数相同,例如在 1024X 1 位的 RAM 中,每个地址中只有1个存储单元（1位寄存器），因此只有1条输入/输出线；而在256 X 4位的RAM中，每个地址中有 4个存储单元（4位寄存器），所以有4条输入/输 出线。也有的RAM输入线和输出线是分开的。RAM的输出端一般都具有集电极开 路或三态输出结构。发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速

25、发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可（5）片选控制 由于受RAM的集成度限制，一台

26、计算机的存储器系统往往是由许多片 RAM组 合而成。CPU访问存储器时，一次只能访问 RAM中的某一片（或几片），即存储器 中只有一片（或几片）RAM中的一个地址接受 CPU访问，与其交换信息，而其他 片RAM与CPU不发生联系，片选就是用来实现这种控制的。通常一片 RAM有一 根或几根片选线，当某一片的偏选线接入有效电平时，该片被选中，地址译码器的 输出信号控制该片某个地址的寄存器与 CPU接通；当片选线接入无效电平时，则该 片与CPU之间处于断开状态。（6）RAM的输入/输出控制电路 图4-3给出了一个简单的输入/输出控制电路。当选片信号 CS=1时，G5、G4输出为0,三态门G1、G2、

27、G3均处于高阻状 态，输入/输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作。当CS=0时，芯片被选通：当R/W=1时，G5输出高电平，G3被打开，于是被选中的单元所存储的数据 出现在I/O端，存储器执行读操作；当R/W=0时，G4输出高电平，G1、G2被打开，此时加在I/O端的数据以互 补的形式出现在内部数据线上，并被存入到所选中的存储单元，存储器执行写操作。二、SRAM的容量扩展 目前生产的存储器芯片的容量是有限的，它在字数或字长方面与实际存储器的 要求都有差距，所以需要在字向和位向两方面进行扩充才能满足实际存储器的容量 要求，通常采用位扩展法、字扩展法、字位同时扩展法

28、。发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的

29、信息既可（1）位扩展法 假定使用8K X|的RAM存储器芯片，那么组成 8K X 8位的存储器，可采用图 4-4所示的位扩展法。此时只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致。图 中，每一片RAM是8192 X 1,故其地址线为13条（A0A12）,可满足整个存储体容 量的要求。每一片对应于数据的1位（只有1条数据线）,故只需将它们分别接到数据 总线上的相应位即可。在这种方式中，对片子没有选片要求，就是说片子按已被选 中来考虑。如果片子有选片输入端，可将它们直接接地。在这种连接时，每一条地 址总线接有8个负载，每一条数据线接有一个负载。（2）字扩展法 字扩展是仅在字向扩充，而位数不变，因此

30、将芯片的地址线、数据线、读/写 控制线并联，而由片选信号来区分各片地址，故片选信号端连接到选片译码器的输 出端。图4-5是用16K X 8位的芯片采用字扩展法组成 64K X 8位的存储器连接图。图中4个芯片的数据线与数据总线 D 0 一 D 7相连，地址总线低位地址 A 0 一 A 1 3与各芯片的14位地址端相连，两位高位地址 A14,A 15经译码器和 4个片选端 相连。发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分

31、类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可MR.EQ#如 石译码 C A YO#Yl#Y2#-A19-2 1 R/W#CPU WEP 256Kx8 4 片 (3)字位同时扩展法 用容量为I x k位的存储芯片设计容量为 M x N位的存储器(I v M,k

32、v N=,需要字向、位向同时进行扩展。共需存储芯片数为：(M/I)x(N/k)。例：用256K X 8位的存储芯片设计容量为 2048K X 32位的存储器。解：需存储芯片数为：(2048K/256K)X(32/8)=32(片)由每组四片存储芯片完成位扩展；八组这样的存储芯片完成字扩展，参考图4-6。图4-6字位扩展法 三、DRAM勺组成 动态随机访问存储器(DRAM是一种随机访问记忆体(RAM),不会一直保存记忆内 容，随着时间而将内容流失。DRAM用于通常的数据存取。我们常说内存有多大，主 要是指DRAM勺容量。DRAM中的每一位数据均存储于一个电容当中，储存在电容中的电子的数量决定 了该

33、位数据对应的是 1还是0。由于DRAM勺存储单元由电容组成，相对于 SRAM来 图 4-5字扩展法 W&ACEM Dp 4 片 4 片 256Kx 4并 发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是

34、辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可说，它占用的面积也更小，从而其价格也更便宜。电容总是趋向于释放电荷，因此 DRAM还需要周期性的刷新操作，否则数据就会丢失。正是因为 DRAM需要周期的刷 新操作，所以相对于静态 RAM(SRAM来说，DRAM!动态的。另外，当DRAM勺电源供应停止后，存储于其中的数据会丢失，因此，DRAM是 一种非永久性存储器(易失性存储器)。DRAM中的电容通常被组织成一个正方阵列，这个阵列由若干行和若干列组成，其中的每一个电容都可以看成是阵列的一

35、个单元，这些单元通过阵列的行和列的地址译码器来寻址。对于任何一个单元的读操作，整 个行均被读出，然后重新写回(刷新)。对于任何一个单元的写操作，整个行均被读 出，然后改变其中一个单元的值，最后将整个行写回。典型情况下，DRAM勺制造厂 家规定DRAM勺每一行必须在64ms以内执行一次刷新操作。通常使用刷新逻辑来自 动完成刷新操作，这使得 DRAM勺实现更加复杂，但由于其价格便宜、容量大，因此 它在某些应用场合比 SRAh更加具有吸引力。四、DRAM勺电器特性(1)集成度高，功耗低(2)具有易失性，必须刷新。(3)破坏性读出，必须读后重写(4)读后重写，刷新均经由刷新放大器进行。(5)刷新时只提

36、供行地址，由各列所拥有的刷新放大器，(6)对选中行全部存储细胞实施同时集体读后重写(再生)。五、DRAM勺刷新 动态MOS存储器采用“读出”方式进行刷新。因为在读出过程中恢复了存储单 元的MOS栅极电容电荷，并保持原单元的内容，所以读出过程就是再生过程。通常，在再生过程中只改变行选择线地址，每次再生一行。依次对存储器的每一行进行读 出，就可完成对整个DRAM勺刷新。从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个 存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷新周期，一般为 2ms,4ms或8ms 常用的刷新方式有三种，一种是集中式，另一种是分散式，第三种是异步式。(1)集中式刷新方式 以2116芯片为

37、例，假定读/写周期为 500 ns，那么刷新128行所需时间为500 X 128X 10 3=64卩s,如果采用集中式刷新方式，那么必须在 2 ms的时间内集中 发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又

38、叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可不降低存储器的访问速度，但是必须保证在 2mS时间内能刷新一遍整个芯片，否则 A 7 A6 A5 A4 A 3 A2 A 1 A 0 D 0 D 1 D2 GND 1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 6116 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 A9 用64卩s的时间对存储器进行刷新操作，在此期间不允许 CPU或其他处理机访问存(2)分散式刷新方式 分散式刷新方式是每读/写一

39、次存储器就刷新一行存储元，假定存储器的读/写周期为500ns，那么相当于读/写周期延长为 1000ns。这就是说，每读/写 128 次存储器就能对128行存储元刷新一遍，其刷新的间隔为 128卩s，在2ms时间内，能对每个存储元刷新 16遍。这显然没有必要，而且存储器访问速度因此而降低一倍。其优点是不出现“死时间”。(3)异步式刷新方式 前述两种刷新方式的结合，基本思想是将刷新操作平均分配到整个刷新间隔时 间内进行。访问周期为 500ns，整个芯片共128行，即2ms时间内，只要求刷新128 次，于是每行的刷新间隔为：2 ms/128=15.625卩s 于是将2ms时间分成128段，每段15.

40、5卩s,在每段内利用0.5卩s的时间刷 新一行，保证在 2ms时间内能对整个芯片刷新一遍。这种刷新方式是把集中式刷新的 64卩s“死时间”分散成每15.5卩s出现0.5 卩s的死时间，这对 CPU的影响不大，而且不降低存储器的访问速度，控制上也并 不复杂，是一种比较实用的方式。除此之外，异步式刷新还可采用利用 CPU不访问 存储器的空闲时间，对存储器进行刷新操作，这种方式完全不出现“死时间”，也 将造成严重后果，因此这种方式控制比较复 杂，实现起来比较困难。六、典型RAM芯片介绍 下面我们来介绍一种典型 SRAM存储器 芯片 HM6116 HM6116芯片的存储容量为 2K*8位，片内有163

41、84(即16K)个存储单 元，排列成128*128的矩阵，构成2K个字，字长8位，可构成2KB(B字节)的内存。该芯片有11条地址线，分成7条行地址线 A4A0,4条列地址线 A0A3,个11位地 址码选中一个8位存储字，需有8条数据线 图 4-7 SRAM 6116 引脚排列图 O WE OE O o一 u A10 O CS D7 -Q D 6 O D 5 -O D 4 发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在

42、计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可DoD7与同一地址的8位存储单元相连，由这 8条数据线进行数据的读出与写入。（1）HM6116引脚图 图4-7所示是2KX 8位静态CMOS RAM611的引脚排列图。6116的24个引脚中 除11条地址线（AAo）、

43、8条数据线（DbD7）、I条电源线Vcc和1条接地线GND 外，还有3条控制线一一片选信号 CS、写允许信号WE和输出允许信号OE。HM6116是一种2048X8位的高速静态 CMOS!机存取存储器，它的特征是：1）高速度。存取时间为 100ns/120ns/150ns/200ns（分别以 6116-10、6116-12、6116-15、6116-20 为标志）;2）低功耗。运行时为 150m W空载时为100mVy 3）与TTL兼容；4）管脚引出与标准的 2K*8的芯片（例如2716芯片）兼容；5）完全静态-无需时钟脉冲与定时选通脉冲。6）存储容量为2KX8位，该芯片有11条地址线，8条数据

44、线。（2）芯片工作方式和控制信号之间的关系 下表所列是6116的工作方式与控制信号之间的关系，读出和写入线是分开的，而且写入优先。表 4-1静态 RAM6116 工作方式与控制信号之间的关系 CS OE WE A0 A10 D0 D7 工作状态 1 X X X 高阻态 低功耗维持 0 0 1 稳定 输 出 读 0 X 0 稳定 输 入 写 4.2.2只读存储器ROM 一、ROM勺分类 只读存储器简称 ROM它只能读出，不能写入，故称为只读存储器。工作时，将一个给定的地址码加到 ROM勺地址码输入端，此时，便可在它的输出端得到一个 事先存入的确定数据。只读存储器的最大优点是具有不易失性，即使供电

45、电源切断，ROM中存储的信 息也不会丢失。因而 ROM获得了广泛的应用。只读存储器存入数据的过程，称为对 ROM进行编程。与RAM不同，ROMH般需由专用装置写入数据。按照数据写入方式特 点不同，ROM发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下

46、几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可可分为以下几种：（1）固定ROM也称掩膜ROM这种ROM在制造时，厂家利用利用掩膜技术直接 把数据写入存储器中，ROM制成后，其存储的数据也就固定不变了，用户对这类芯 片无法进行任何修改。（2）次性可编程 ROM（PRO）PROMfe出厂时，存储内容全为 1（或全为0）,用户可根据自己的需要，利用编程器将某些单元改写为 0（或1）。PROMH旦进行了 编程,就不能再修改了。（3）光可擦除可

47、编程 ROMEPRO）EPROI是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用 N沟道叠栅MOSt，信息的存储是通过 MOS管浮栅上的电荷分 布来决定的,编程过程就是一个电荷注入过程。编程结束后,尽管撤除了电源,但 是，由于绝缘层的包围，注入到浮栅上的电荷无法泄漏，因此电荷分布维持不变，EPROI也就成为非易失性存储器件了。当外部能源（如紫外线光源）加到 EPROMk时，EPROM内部的电荷分布才会被 破坏，此时聚集在 MOS管浮栅上的电荷在紫外线照射下形成光电流被泄漏掉，使电 路恢复到初始状态，从而擦除了所有写入的信息。这样EPROI又可以写入新的信息。（4）电可擦除可编程 ROM（E

48、2PRO）E2PROM也是采用浮栅技术生产的可编程 ROM但是构成其存储单元的是隧道 MOST,隧道MOSt也是利用浮栅是否存有电荷 来存储二值数据的，不同的是隧道 MOST是用电擦除的，并且擦除的速度要快的多 一般为毫秒数量级）。E2PROM勺电擦除过程就是改写过程，它具有 ROM勺非易失性，又具备类似 RAM 的功能，可以随时改写（可重复擦写 1万次以上）。目前，大多数 E2PROM芯片内部 都备有升压电路。因此，只需提供单电源供电，便可进行读、擦除/写操作，这为数 字系统的设计和在线调试提供了极大方便。（5）快闪存储器（Flash Memory）。快闪存储器的存储单元也是采用浮栅型 MO

49、S 管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与 EPROM目同，需要 输入一个较高的电压，因此要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为 200 微 秒，一般一只芯片可以擦除/写入 100次以上。二、ROM勺内部结构 由地址译码器和存储矩阵组成，图 4-8所示是ROM勺内部结构示意图。发生了巨大的变化特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展计算机逐渐走进了人们的家庭正改变着人们的生活方式计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能本章知识要点存储储器概述存储器的分类在计算机的组成结构中有一个很重要的部分就是存储器存储器是一种记忆部件是用来存储

50、程和数据的对于计算机来说有了存储器才有记忆功能才能保证正常工作存储器的种类很多常用的分类方法有以下几种一访问存取速度较快外存储器外存储器又叫外存是辅助存储器外存通常是磁性介质或光盘像硬盘软盘磁带等能长期保存信息并且不依赖于电来保存信息但是由机械部件带动速度与相比就显得慢的多外存的特点是容量大所存的信息既可 存储单元 Do D1 Db 1 输出数据 图 4-8 ROM 的内部结构图 三、ROM 典型芯片介绍 EPROM2764的引脚排列和功能框 图如图4-9所示。在正常使用时，Vcc=+5V、VIH 为高电平，即VPP引脚接+5V、PGM 引脚接高电平，数据由数据总线输出。在进行编程时，PGM引