ch12-1存储器及其接口
第8章存储器及其接口
本章学习目标:掌握半导体存储器的分类、组成及组成部件的作用及工作原理、读/写操作的基本过程。掌握SRAM、DRAM芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引脚信号、了解DRAM刷新的基本概念。掌握半导体存储器的主要技术指标、芯片的扩充、CPU 与半导体存储器间的连接。了解Cache的基本概念、特点、在系统中的位置。
8.1.简介
存储器就是用来存储程序和数据的，程序和数据都是信息的表现形式。按照存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器（简称内存，又称主存储器）和外存储器。存储器的容量越大，记忆的信息也就越多，计算机的功能也就越强。
存储器的逻辑结构示意图
8.1.1半导体存储器的分类1．RAM的种类：在RAM中，按工艺可分为双极型和MOS型两大类。用MOS器件构成的RAM，可分为静态RAM和动态RAM 两种。
2．ROM的种类：1）掩膜ROM；2）可编程的只读存储器PROM；3）可擦除的EPROM；4）电擦除的PROM；5）快速擦写存储器Flash Memory 又称快闪Array
存储器
半导体存储器的分类半导体存储器的主要性能指标
（1）存储容量（2）存储速度（3）只读性（4）功耗（5）易失性（6）价格（7）可靠性半导体存储芯片的一般结构
译码方式:单译码方式, 双译码方式
8.2.随机存储器(RAM)
8.2.1静态存储器SRAM
六管基本存储电路单元
8.2.2动态存储器DRAM
8.3.只读存储器
ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH MEMORY
8.4.CPU与存储器的连接CPU与存储器的连接时应注意的问题总线驱动能力2.时序配合
CPU的时序与存储器的存取速度之间的配合.
3.数据线的连接
4.地址线的连接
(1)全译码法
(2)部分译码法
(3)线选法
5.读写控制线的连接
CPU—M
6.ROM与RAM地址分配
8.4.2地址译码器
1.74LS138译码器
74LS138的真值表
2.译码器的应用
(1)数据宽度扩展(无译码器)
用1024×1位的芯片组成1024x8 RAM的方框图
(2)单元数扩展(用地址线高位进行译码,用于选择芯片)
用8K×8位的芯片组成64Kx8 存储器方框图
用256×4位的芯片组成1024x8 RAM的方框图
(5) 1Kx4 RAM芯片组成4Kx8存储器(部分译码法)
(6) 1Kx4 RAM芯片组成4Kx8存储器(全译码法)
3.PROM地址译码器
4.PLD可编程译码器
8.4.316位微机系统中的内存储器接口
/BHE, A0 组合来选择2个存储体：偶存储体、奇存储体
8.4.432位微机系统中的内存储器接口
/BE0，/BE1，/BE2，/BE3，/MWTC组合选择4个存储体以决定进行8位，16位，32位操作。
8.4.564位微机系统中的内存储器接口
/BE0，/BE1，/BE2，。。。/BE7，/MWTC组合选择8个存储体。
8.5.高速缓冲存储器Cache
1.什么是Cache?
2.为什么要用Cache?
CPU—Cache—主M—虚M
用多级的的存储结构解决价格—速度—容量的平衡。
3．为什么用Cache可以提高CPU对存储器的读写速度？
程序局部性原理。
8.5.1Cache工作原理
1.Cache及主M地址组成的部分
主存有n条地址线,主存容量为2n ;
把主存划分为大小相等的2m块, 每块有2n-m (=2r)个单元。
Cache有p条地址线,主存容量为2p ;
把主存划分为大小相等的2c块, 每块有2p-c (=2r)个单元;
主M中的某一块放入Cache中的某一块中。块号的变换。
如何替换？如何查找？如何映射？如何保持一致性？
2.Cache的基本结构
3.Cache的工作过程
4.地址映像
(1)全相联映射
主M中的任意一块可以放入Cache中的任意块中。
CAM中保存块号或主存中块的起始地址(=m00…0, 其中有r个0)—标记。
(2)直接映射
主存中每一块只能装入到Cache中的唯一的特定位置。
(3)N路组相联映射
是全相联映射与直接映射的一种折衷方法。有N个Cache,主存的分为多个区(组)，区与Cache是全相联映射，同一区内不同块之间是直接映射。
6．替换算法
（1）近期最少作用算法(LRU)
Cache每块一个计数器，命中计数器清0, 其它计数器增1，最
大值换出。
（2）最不经常使用算法(LFU)
Cache每块一个计数器，新块建立后，计数器为0,每访问一个，
计数器增1，最小的换出。
(3)随机替换
半导体存储器及发展趋势
半导体存储器及发展趋势 □于纪波 (山西经济管理干部学院,山西太原030024) 【摘 要】半导体存储器的容量和速度决定着计算机系统运行速度。目前CPU 芯片18个月一更新,为 了赶上这个速度,半导体存储器的发展也日新月异。 【关键词】半导体存储器;大容量;高速;低功耗 【中图分类号】TH866.5 【文献标识码】A 【文章编号】1008-9101(2002)02-0048-02 目前半导体存储器性能的发展还远远落后于CPU 性能的发展速度,今后存储器技术和市场仍将继续发展和繁荣,特别是在市场需求的驱动下,为了满足各种系统所提出的不同要求,科学家还在寻找和开发新的存储原理,发展新型的存储器。另一方面半导体存储器在大容量、高速度、低功耗和方便使用等方面有了突飞猛进的发展。 一、技术现状 半导体存储器是计算机中最重要的部件之一,冯.诺依曼计算机程序存储原理就是利用存储器的记忆功能把程序存放起来,使计算机可以脱离人的干预自动地工作。它的存取时间和存取容量直接影响着计算机的性能。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储器的集成度以每三年翻两番的速度在提高,相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已越来越小。 从使用功能角度看,半导体存储器可以分为两大类:随机存储器RAM (Random Access Memory )只读存储器ROM (Read only Memory )。根据工作原理和条件不同,RAM 又分别称为静态读写存储器SRAM (Static RAM )和动态读写存储器DRAM (Dynamic RAM )。 目前市场上SRAM 主要用于高速缓存Cache ,这种存储器位于CPU 和DRAM 主存储器之间,规模较小,但速度很快。SDRAM 正在淡出历史舞台,DDR (Double Date Rage RAM )在P4已经开始全面采用。DDR 称为双数据率SDRAM ,其特点也是在单个时钟周期的上升沿和下降沿内都传送数据,所以,具有比普通单数据率SDRAM 多1倍的传输速度和内存带宽。对于大型应用程序和复杂的3D 应用很合适。ROM 主要有可电擦除可编程的EEPROM ,在E 2PROM 和EEPROM 芯片技术基础上发展起来的快擦写存储器Flash Memory 、利用铁电材料的极化方向来存储数据的铁电读写存储器FRAM 。 二、存储器发展趋势 微处理器的高速发展使存储器发展的速度远不能满足CPU 的发展要求,而且这种差距还在拉大。目前世界各大半导体厂商,一方面在致力于成熟存储器的大容量化、高速化、 低电压低功耗化,另一方面根据需要在原来成熟存储器的基 础上开发各种特殊存储器。 1、存储器集成度不断提高 由于受到PC 机和办公自动化设备普及要求的刺激,对DRAM 需求量日益激增,再加上系统软件和应用软件对内存有越来越大要求的趋势,特别是新一代操作系统以及很多与图形图象有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求,促使各大半导体厂商不断投入数以亿计的巨资发展亚微米集成电路技术,提高存储器的集成度,不断推出大容量化存储器芯片。在半导体领域一直遵循有名的“摩尔(Moore )定律”———集成度以每18月提高一倍的速度在发展。集成电路集成度越高,所需要采用的工艺线宽就越小,当达到半导体线度尺寸小于电子波长时,就会产生量子效应。为此正在发展一种称为硅量子细线技术和硅量子点技术的新工艺技术,可望把半导体细线做到10nm ,这样就可以进一步提高半导体的集成度,做出更大容量的存储器芯片。 2、高速存储器的发展 随着微处理器速度的飞速发展,存储器的发展远不能跟上微处理器速度的提高,而且两者的差距愈来愈大,这已经制约了计算机性能的进一步提高。目前一般把访问时间小于35ns 的存储器称为高速存储器。随着时间的推移,高速存储器访问的时间将越来越小。至今SRAM 与DRAM 比较,速度仍然快不少。80年代末起,随着G aAs 和BICMOS 工艺技术的长足发展,世界各大半导体公司都在开发利用G aAs 和BICMOS 工艺技术来提高SRAM 的速度。 为了适应高速CPU 构成高性能系统的需要,高速DRAM 技术在不断发展。发展高速DRAM 的途径目前一般是把注意力集中在存储器芯片的片外附加逻辑电路上,试图在片外组织连续数据流来提高单位时间内数据流量即增加存储器的带宽。 3、存储器的低工作电压低功耗化 随着用电池供电的笔记本式计算机和各种便携式带微处理器的电子产品的问世,要求尽量减少产品的体积、重量和功耗,还要求产品耐用。减小系统体积和重量很重要的方 收稿日期:2002.4.3 作者简介:于纪波(1959-),男,山东牟平人,1982年毕业于东北大学,学士,现工作于山西经济管理干部学院,高级工程师。 8 4June ,2002Vol.10 No.2 山西经济管理干部学院学报JOURNAL OF SHANXI INSTITU TE OF ECONOMIC MANAGEMENT 2002年6月 第10卷第2期
存储器及其接口
存储器的种类、特性和结构 一、分类 按元件组成：半导体M，磁性材料存储器（磁芯）， 激光存储器 按工作性质：内存储器：速度快，容量小（64K?8Gbyte） 外存储器：速度慢，容量大（20MB?640GB）二、半导体存储分类 RAM SRAM 静态 DRAM 动态 IRAM 集成动态 ROM 掩膜ROM PROM 可编程 EPROM 可改写 E PROM 可电擦除 三、内存储器性能指标 1. 容量M可容纳的二进制信息量，总位数。 总位数=字数×字长bit，byte，word 2. 存取速度 内存储器从接受地址码，寻找内存单元开始，到它 取出或存入数据为止所需的时间，T A。 T A越小，计算机内存工作速度愈高，半导体M存储 时间为几十ns?几百ns ns=mus 3.功耗 维持功耗操作功耗 CMOS NMOS TTL ECL （低功耗.集成度高）（高速.昂贵.功耗高） 4、可靠性 平均故障间隔时间 MTBF（Mean Time Between Failures） 越长，可靠性越高.跟抗电磁场和温度变化的能力有关. 5、集成度 位/片1K位/片?1M位/片
在一块芯片上能集成多少个基本存储电路 （即一个二进制位） 四、存储器的基本结构 随机存储器RAM 或读写存储器 一、基本组成结构 存储矩阵 寄存二进制信息的基本存储单元的集合体，为便于读写，基本存储单元都排列成一定的阵列，且进行编址。 N×1—位结构：常用于较大容量的SRAM，DRAM N×4 N×8 —字结构常用于较小容量的静态SRAM
2、地址译码器 它接收来自CPU的地址信号，产生地址译码信号。选中存储矩阵中某一个或几个基本存储单元进行读/写操作 两种编址方式： 单译码编址方式. 双译码编址方式 （字结构M）（复合译码） 存储容量
第3章半导体存储器及其接口
第3章半导体存储器及其接口 学习目标 存储器是计算机系统中存储信息的主要部件。本章从存储器的分类、性能以及存储器基本结构着手，重点讨论随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）的 工作原理，介绍存储器的容量扩展以及与微处理器的连接方法，最后介绍微型计算 机系统中的多体存储器、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器技术。 通过对本章的学习，读者应了解半导体存储器的分类、主要性能指标，掌握随机存取存储器和只读存储器的功能特性，掌握存储器容量扩展以及与微处理器的连 接方法，领会存储器系统的层次结构以及多体存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储 器的技术特点。 3.1 存储器概述 存储器是计算机系统中的存储部件，用于存储计算机工作时所用的程序和数据。计算机工作时，CPU自动连续地从存储器中取出指令并执行指令所规定的操作，每执行完一条或几条指令，要把处理结果保存到存储器中，因此，存储器是计算机的记忆部件，是计算机系统的重要组成部分。 随着计算机技术的发展及广泛的应用，存储器系统的读写速度也在不断地提高，存储容量不断增加。特别是近些年多媒体技术的发展以及计算机网络的应用，要求计算机存储和处理的信息量越来越大，并对存储器的存取速度不断提出更高的要求，因而在存储器系统中应用了存储器层次结构、多体结构、高速缓冲存储器、虚拟存储器等技术，外存储器容量也可以无限地扩充，成为海量存储器。 3.1.1 存储器的分类 存储器的分类方法很多，通常从以下几方面对存储器进行分类。 1．按在系统中的作用分类 根据存储器在微型计算机系统中的不同作用，可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。 （1）内存。内存用来存放当前正在运行或将要使用的程序和数据，是计算机主机的一个重要的组成部分。CPU可以通过指令直接访问内存。 系统对内存的存取速度要求较高，为了与CPU的处理速度相匹配，内存一般使用快速存储器件来构成。但是，由于受到地址总线位数的限制，内存空间的大小远远小于外存的容量，例如在8086/8088系统中，由于地址总线为20位，所以最大内存空间只能达到1MB（220）。 尽管内存容量远不及外存，但是由于它具有访问速度快的特点，使得内存被用来存放计
5 内存储器
第四课内存储器 第一节内存的类型 内存是一组，或多组具有数据输入/输出和数据存储功能的集成电路。存根据其存储信息的特点，主要有两种基本类型： 第一种类型是只读存储器ROM（Read Only Memory），只读存储器强调其只读性，这种内存里面存放一次性写入的程序和数据，只能读出，不能写入； 第二种类型是随机存取存储器RAM（Random Access Memory），它允许程序通过指令随机地读写其中的数据。 1. 只读存储器ROM 存储在ROM中的数据理论上是永久的，既使在关机后，保存在ROM中的数据也不会丢失。因此，ROM中常用于存储微型机的重要信息，如主板上的BIOS等。常见类型如下： (1) ROM 这是标准ROM，用于存储不随外界的因素变化而永久性保存的数据。在ROM中，信息是被永久性融刻在ROM单元中的，这使得ROM在完成融刻工作之后，不可能将其中的信息改变。 (2) PROM（Programmable Rom）
即可编程ROM，它的工作情况与CD-R相似，允许一次性地写入其中的数据，一旦信息被写入PROM后，数据也将被永久性地融刻其中了，其他方面与上面介绍的ROM就没有什么两样了。 (3) EPROM（Erasable Programmable Rom） 即可擦写、可编程ROM，它可以通过特殊的装置（通常是紫外线）反复擦除，并重写其中的信息。 (4) EEPROM（Electrically Erasable Programmable Rom） 即电可擦写、可编程ROM，可以使用电信号来对其进行擦写。因此便于对其中的信息升级，常用于存放系统的程序和数据。 (5) Flash Memory Flash Memory 即闪存存储器，又称闪存，是目前取代传统的EPROM和EEPROM的主要非挥发性存储器，目前主板上的BIOS 都是使用Flash Memory。它的存取时间仅为30ns，并具有体积小，高密度，低成本和控震性能好的优点，是目前为数不多的同时具有大容量、高速度、非易失性、可在线擦写特性的存储器。Flash Memory 除用于系统的BIOS外，在移动存储器和HUB、路由器等网络设备中也得到了广泛的应用。 2. 随机存取存储器RAM
最新存储器及其接口
存储器及其接口
存储器的种类、特性和结构 一、分类 按元件组成：半导体M，磁性材料存储器（磁芯），激光存储器 按工作性质：内存储器：速度快，容量小（64K?8Gbyte）外存储器：速度慢，容量大（20MB?640GB） 二、半导体存储分类 RAM SRAM 静态 DRAM 动态 IRAM 集成动态 ROM 掩膜ROM PROM 可编程 EPROM 可改写 E PROM 可电擦除 三、内存储器性能指标 1. 容量 M可容纳的二进制信息量，总位数。 总位数=字数×字长 bit，byte，word 2. 存取速度 内存储器从接受地址码，寻找内存单元开始，到它
取出或存入数据为止所需的时间，T A。 T A越小，计算机内存工作速度愈高，半导体M存储时间为几十ns?几百ns ns=mus 3.功耗 维持功耗操作功耗 CMOS NMOS TTL ECL （低功耗.集成度高）（高速.昂贵.功耗高） 4、可靠性 平均故障间隔时间 MTBF（Mean Time Between Failures） 越长，可靠性越高.跟抗电磁场和温度变化的能力有关. 5、集成度 位/片 1K位/片?1M位/片 在一块芯片上能集成多少个基本存储电路 （即一个二进制位） 四、存储器的基本结构
随机存储器 RAM 或读写存储器 一、基本组成结构 存储矩阵 寄存二进制信息的基本存储单元的集合体，为便于读写，基本存储单元都排列成一定的阵列，且进行编址。 N×1—位结构：常用于较大容量的SRAM，DRAM
N×4 N×8 —字结构常用于较小容量的静态SRAM 2、地址译码器 它接收来自CPU的地址信号，产生地址译码信号。选中存储矩阵中某一个或几个基本存储单元进行读/写操作 两种编址方式： 单译码编址方式. 双译码编址方式 （字结构M）（复合译码） 存储容量
第五章存储器习题
第五章存储器及其接口 1.单项选择题 （1）DRAM2164(64K╳1)外部引脚有（） A.16条地址线、2条数据线 B.8条地址线、1条数据线 C．16条地址线、1条数据线 D.8条地址线、2条数据线 (2)8086能寻址内存贮器的最大地址范围为() A.64KB B.512KB C.1MB D.16KB （3）若用1K╳4b的组成2K╳8b的RAM，需要（）。 A．2片 B.16片 C.4片 D.8片 （4）某计算机的字长是否2位，它的存储容量是64K字节编址，它的寻址范围是（）。 A．16K B.16KB C.32K D.64K （5）采用虚拟存储器的目的是（） A．提高主存的速度 B.扩大外存的存储空间 C．扩大存储器的寻址空间 D.提高外存的速度 （6）RAM存储器器中的信息是（） A．可以读/写的 B.不会变动的 C.可永久保留的 D.便于携带的 （7）用2164DRAM芯片构成8086的存储系统至少要（）片 A．16 B.32 C.64 D.8 （8）8086在进行存储器写操作时，引脚信号M/IO和DT/R应该是（） A．00 B。01 C。10 D。11 （9）某SRAM芯片上，有地址引脚线12根，它内部的编址单元数量为（）A．1024 B。4096 C。1200 D。2K （11）Intel2167(16K╳1B)需要（）条地址线寻址。 A．10 B.12 C.14 D.16 （12）6116（2K╳8B）片子组成一个64KB的存贮器，可用来产生片选信号的地址线是（）。 A．A 0~A 10 B。A ~A 15 C。A 11 ~A 15 D。A 4 ~A 19 （13）计算一个存储器芯片容量的公式为（） A．编址单元数╳数据线位数B。编址单元数╳字节C．编址单元数╳字长D。数据线位数╳字长（14）与SRAM相比，DRAM（） A．存取速度快、容量大B。存取速度慢、容量小 C．存取速度快，容量小D。存取速度慢，容量大 （15）半导动态随机存储器大约需要每隔（）对其刷新一次。A．1ms B.1.5ms C.1s D.100μs （16）对EPROM进行读操作，仅当（）信号同时有效才行，。A．OE、RD B。OE、CE C。CE、WE D。OE、WE 2．填空题 （1）只读存储器ROM有如下几种类型：_________. （2）半导体存储器的主要技术指标是_________。