第五章存储器与存储系统
计算机组成原理黑皮书笔记
计算机组成原理黑皮书笔记计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心课程之一，是理解计算机硬件工作原理和体系结构的基础。
黑皮书系列是该领域最经典、权威的教材之一，对于学习和理解计算机组成原理具有重要的参考价值。
第一章：引言计算机组成原理是研究计算机硬件系统的基本原理和方法，是计算机科学与技术的核心领域。
它是从硬件角度探讨计算机的结构、功能、性能和工作方式等问题，为软件开发提供了重要的指导。
黑皮书笔记旨在帮助读者深入理解计算机组成原理的核心概念和原则，以及其中涉及的各种技术和工程实践。
第二章：数字逻辑电路数字逻辑电路是计算机硬件的基础组成部分，负责完成数据的存储、传输、处理和控制。
其中包括布尔逻辑、数字信号和逻辑门电路等内容。
通过学习这一章节，我们能够了解到计算机中各种数字组件的工作原理和相互连接方式。
第三章：指令系统与汇编语言指令系统与汇编语言是计算机中实现软件和硬件交互的桥梁。
指令系统规定了计算机能够执行的指令集合，而汇编语言是一种底层的程序设计语言，用于编写与硬件直接交互的程序。
本章节将介绍指令系统的设计原则和汇编语言的基本语法。
第四章：中央处理器中央处理器（CPU）是计算机的核心组件，负责执行指令、进行数据处理和控制系统的运行。
在这一章节中，我们将深入了解CPU的组成结构和工作原理，包括指令周期、流水线技术、缓存等重要概念。
第五章：存储器和存储系统存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，包括主存储器和辅助存储器。
本章将介绍存储器的层次结构、存储技术和存储系统的设计原则，帮助读者理解计算机内存的组织和管理方式。
第六章：输入输出系统输入输出系统是计算机与外部设备进行信息交互的通道，包括输入设备和输出设备。
本章将介绍输入输出系统的工作原理、接口标准和通信方式，帮助读者理解计算机与外设之间的数据传输和控制方式。
第七章：计算机总线计算机总线是各个硬件组件之间进行数据传输和控制的纽带。
本章将介绍总线的类型、结构和工作原理，以及总线的性能和扩展技术。
微机原理第五章 存储器
（00000H~007FFH）
A11
CPU
A19
…
A0~A10
6116 CS
2）部分译码法 系统总线中的地址总线除片内地址外，部分高位地址（不是
全部高位地址）接到片外译码电路中参加译码，形成片选信号。 因此对应于存储芯片中的单元可有多个地址 。
（二）内存与CPU连接时的速度匹配
对CPU来说，读/写存储器的操作都有固定的时序（对8086 来说需要4个时钟周期），由此也就决定了对内存的存取速 度要求。
（三）内存容量的配置、地址分配 1. 内存容量配置
• CPU寻址能力（地址总线的条数） 软件的大小（对于通用计算机，这项不作为主要因素）
2. 区域的分配 RAM ROM 3. 数据组织 （按字节组织） 16位数据，低位字节在前，高位字节在后，存储器奇偶分体 （四）存储器芯片选择 根据微机系统对主存储器的容量和速度以及所存放程序的不同等 方面的要求来确定存储器芯片。它包括芯片型号和容量的选择。
24V
S
SiO2 G
D
字线
Vcc 位 线 输 出
P+ + + P+ N衬底
浮栅MOS
位
D
线
浮栅管
S
特点： 1）只读， 失电后信息不丢失 2）紫外线光照后，可擦除信息， 3）信息擦除可重新灌入新的信息（程序） 典型芯片（27XX） 2716（2K×8位），2764（8K ×8位）……
D0 D8
CE
址
线
存储体
启动
控制逻辑 控制线
读 写
数 据 CPU
电寄
路存
器数
微型计算机原理与组成-第5章 储存系统
· 读取CMOS-SRAM中的设备配置，确 定硬件运行环境。
· 系统引导、启动。
· 基本的输入输出控制程序。 · 存储一些重要的数据参数。 · 部分机器还含有硬化的部分操作系统。
ROM-BIOS一般为几十KB的容量，并 有逐渐加大的趋势，常为掩膜式ROM。 目前高档PC机已采用快速擦写存储器， 使ROM BIOS 的功能由软盘软件支撑升级。
5.4.5 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器中的基本信息传送单 位为定长的页。
5.4.6 段页式虚拟存储器简介
段式虚拟存储器和页式虚拟存储器各有 其优缺点，段页式管理综合了两者的优点， 将存储空间仍按程序的逻辑模块分成段， 以保证每个模块的独立性及便于用户公用； 每段又分成若干个页。 页面大小与实存页相同，虚存和实存之 间的信息调度以页为基本传送单位。
2．CMOS-RAM 用于记录设备配置参数，如内存容量， 显示器类型，软硬磁盘类型及时钟信息等。 CMOS-RAM采用CMOS工艺制成，功耗很 少。
3．ROM-BIOS
ROM-BIOS用于存放基本的输入输出 系统程序，是操作系统驻留在内存中的最 基本部分，其主要用于以下几个方面。
· 开机后的自检。检测对象涉及计算机 系统的各主要功能部件包括CPU、ROM、 RAM、系统接口电路和键盘、软、硬磁 盘等外设。
5.1.1存储器的分类
1. 按存储介质分 按存储介质可以将存储器分为三种：半 导体存储器、磁表面存储器和光存储器。
2. 按存取方式分
按照存储器的存取可方式分为随机存取 （读写）存储器、只读存储器、顺序存取存 储器和直接存取存储器等。
主存储器与存储系统
主存储器与存储系统1、存储系统的组成1.1、存储器的分类按存储器在计算机系统中的作用分类：高速缓冲存储器：高速缓冲存储器(Cache)位于主存和CPU之间，用于存放正在执行的程序段和数据，以便CPU能高速地使用它们。
Cache的存储速度与CPU的速度相匹配，但存储量较小，价格较高，一般制作在CPU芯片中主存储器：主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读写访问。
主存有一定容量，存储速度较高。
由于CPU要频繁地访问主存，所以主存的性能在很大程度上影响了整个计算机系统的性能辅助存储器：辅助存储器又称为外部存储器或后援存储器，用于存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要永久性保存的信息。
辅存设在主机外部，容量极大且成本很低，但存储速度较低，而且CPU不能直接访问它。
辅存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，CPU才能使用1.2、存储系统的层次结构为了解决容量、存储速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同的存储容量、不同存储速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存之间称为Cache-主存存储层次(cache存储系统)，主存-辅助存储层次(虚拟存储系统)Cache存储系统是为解决主存速度不足而提出来的。
在Cache和主存之间，增加辅助硬件，让它构成一个整体。
从CPU看，速度接近Cache的速度，容量是主存的容量。
Cache存储系统全部用硬件来调度，对应用程序员和系统程序员都是透明的虚拟存储系统是为解决主存容量不足而提出来的。
在主存和辅存之间，增加辅助的软硬件，让它们构成一个整体。
从CPU看，速度接近主存的速度，容量是虚拟的地址空间。
虚拟存储系统需要通过操作系统来调度，对系统程序员是不透明的，但对应用程序员是透明的2、主存储器的组织2.1、主存储器的基本结构主存通常由存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路组成存储体是主存储器的核心，程序和数据都存放在存储体中地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱动器两部分。
微机原理第5章存储器系统
3. 工作方式
数ห้องสมุดไป่ตู้读出 字节写入：每一次BUSY正脉冲写
编程写入
入一个字节
自动页写入：每一次BUSY正脉冲写
入一页（1~ 32字节）
字节擦除：一次擦除一个字节 擦除
片擦除：一次擦除整片
72
4. EEPROM的应用
可通过编写程序实现对芯片的读写； 每写入一个字节都需判断READY / BUSY
主存储器 虚拟存储系统
磁盘存储器
8
Cache存储系统
对程序员是透明的 目标：
提高存储速度
Cache
主存储器
9
虚拟存储系统
对应用程序员是透明的。 目标：
扩大存储容量
主存储器
磁盘存储器
10
3. 主要性能指标
存储容量（S）（字节、千字节、兆字节等） 存取时间（T）（与系统命中率有关）
端的状态，仅当该端为高电平时才可写 入下一个字节。
P219例
73
四、闪速EEPROM
特点：
通过向内部控制寄存器写入命令的方法 来控制芯片的工作方式。
74
工作方式
数据读出
读单元内容 读内部状态寄存器内容 读芯片的厂家及器件标记
CAS：列地址选通信号。
地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们 分别在#RAS和#CAS有效期间被锁存在锁存器中。
WE：写允许信号
DIN： 数据输入
WE=0 WE=1
数据写入 数据读出
DOUT：数据输出
49
3. 2164在系统中的连接
与系统连接图
50
三、存储器扩展技术
51
1. 存储器扩展
1 A15 1 A14 1 A13
存储器、存储系统以及操作方法与流程
存储器、存储系统以及操作方法与流程存储器是计算机系统中最基本、最重要的部件之一，用于存储程序、数据等信息，是计算机系统中重要的资源之一、存储器的主要功能是数据的存储和读取，在计算机系统中有着非常重要的地位。
存储器不同于处理器，处理器只能处理当前的数据信息，在不同的应用场景中不断运行，而存储器可以存储更多、更长时间的数据信息并保证数据的安全、可靠性和稳定性。
存储器主要分类存储器主要分为两大类：内存和外存。
内存包括随机存取内存（RAM）和只读存储器（ROM），其中RAM又包括动态随机存取内存（DRAM）和静态随机存取内存（SRAM）两种；外存又称为辅助存储器，包括硬盘、软盘、光盘、闪存以及U盘等。
存储系统的架构存储系统包括计算机系统的内存与外存两个部分，主要分为主存储器、高速缓存、辅助存储器等三个层次。
其中主存储器一般是指DRAM和SRAM，常常直接集成在CPU中，是CPU和外部设备（如硬盘、光盘等）间信息交换的媒介；高速缓存是位于主存之外，但比主存存储更快、相应时间更短的存储器，用于加快主存储器与CPU之间的数据传输，同时也减轻了对内存访问的压力；辅助存储器则包括各种外存。
操作方法与流程存储器的操作包括存储和检索两个阶段，下面将分别解释存储器的操作方法与流程。
1. 存储操作流程存储操作是将数据写入存储器的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
（3）DRAM芯片从内存数组中选取对应的行，然后读取该行中所有的列，并将这些数据通过输出信号传给内存控制器。
（4）内存控制器接收到DRAM芯片输出的数据后，将其写入内存，同时向CPU发送写入成功的信号。
2. 检索操作流程检索操作是从存储器中读取数据的过程，其主要流程如下：（1）CPU通过地址总线将存储地址传给内存控制器。
（2）内存控制器接收到地址信息后，将其分解为行地址和列地址，并将其传给DRAM芯片。
第五章 存储器和存储器子系统
A16~A0
A16~A0 SRAM 628128 128k 8 D7~D0
D7~D0
地址线 双向数据线 片选信号 写允许信号
WE
OE CS
CS WE
OE
输出允许信号（读）
这种芯片内部位字结构
（即8位数据每位都有）
24
二、SRAM的内部结构与典型芯片
5
一、存储器的主要技术指标（续）
2、存取速度（可用多项指标比表示）
（1）存取时间（访问时间）TA 从存储器接收到读/写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）。 例如： ROM存取时间通常为几百 ns； RAM存取时间通常为几十 ns 到一百多 ns； 双极性RAM存取时间通常为10~20 ns。
8
一、存储器的主要技术指标（续）
3、体积与功耗 （嵌入式系统或便携式微机中尤为重要） 4、可靠性 平均故障间隔时间（MTBF），即两次故障之间的 平均时间间隔。 EPROM重写次数在数千到10万次之间； ROM数据保存时限是20年到100多年。
9
二、存储器的分类与性能
1、内存储器 也称主存储器，但有了Cache后，内存包括主存与 Cache。其速度快，价格贵，容量有限。它包括： （1）磁性存储器 磁泡存储器和磁芯存储器，信息不易丢失，但容量 小，体积大。 （2）半导体存储器 双极性存储器：速度快，功耗大，价格贵，容量 小。适宜作Cache、队列等；
10
二、存储器的分类与性能（续）
MOS存储器：速度稍慢，集成度高，功耗小，价格便宜。 a、只读存储器 ROM：掩膜ROM，厂家制造时已编程，用户不可编程， 不易挥发。 PROM：用户可一次编程（OTP）。不可擦除。 EPROM：UV-EPROM，紫外线擦除可编程ROM。 E2PROM：电可擦除可编程ROM。 b、RAM存储器（随机存取存储器，又称随机读/写存储器， 易挥发） SRAM：静态存储器，掉电后，信息丢失----挥发。 DRAM：动态存储器，即使不掉电，信息也会丢失，需要 定时刷新。
微机原理和接口技术-5-2 存储系统
20
Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
例3 （1）解：如果ROM和RAM存储器芯片都采用 8K×1的芯片，试画出存储器与CPU的连接图。
MREQ# A15-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
例2解
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
MREQ# A20-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
A20-18
000
3-8译码器
001
010
A17-0
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
D7~D0
D7~D0
D7~D0
…
111
WE A CS
如果采用的字节编址方式，则需要20条地址线，因为220=1024K byte。
注：字编址方式时，每个32位字地址能够访问4个字节； 如果按照字节编址方式，则每个地址只对应一个字节， 因此所需的地址数是前者的4倍， 218* 4=220 ，即需要20条地址线）
13
Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
解：256K*8位SRAM芯片包含18根地址线 (1) 该存储器需要2048K/256K = 8片SRAM芯片； (2) 需要21条地址线， 因为221=2048K， 其中高3位经过译码器输出后用于芯片选择， 低18位作为每个存储器芯片的地址输入。 (3) 该存储器与CPU连接的结构图如下。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2009.9
第五章存储器与存储系统
11
3)可擦除的EPROM
可以根据需要重写，同时也可以把写上的内容 擦去，且能改写多次。
写的速度慢，还需要额外的条件，即在修改时， 要将它从电路上取下来，并用紫外线制作的擦 抹器照射20分钟左右，使存储器复原。
即使要改写其中已经写入的一位，也必须把整 个内容全部擦去。
Flash的种类： 根据内存晶体管设计架构之不同可分为Cell Type以及Operation Type两种，Cell Type又可分为SelfAligned Gate（Stack Gate）以及Split gate两种，前者以Intel为代表，后者则被Toshiba、SST（硅碟） 等厂商所采用；至于Operation Type，依据功能别又可区分为Code Flash（储存程序代码）以及 Data Flash（储存一般资料），Code Flash动作方式有NOR及DINOR两种，而Data Flash动作方式则 有NAND及AND两种，其中Code Flash主要以NOR型为主，储存系统程序代码及小量资料，多半应用 于PC、通讯行动电话、PDA、STB等产品上；而Data Flash则是以NAND型为主，用于储存大量资料， 主要应用范围包括DSC、MP3等所需要的各式规格的小型记忆卡。
随着技术的进步，E2PROM的擦写速度不 断加快，可作为非易失性RAM使用。
2009.9
第五章存储器与存储系统
13
5)快速擦写存储器Flash Memory
又称快闪存储器； 可以整体电擦除； 是完全非易失性半导体存储器，可代替
EEPROM。
2009.9
第五章存储器与存储系统
14
Flash Memory阅读材料
EPROM是目前应用较广泛的一种ROM芯片。
2009.9
第五章存储器与存储系统
12
4).电可擦除的PROM
简 称 为 EEPROM 或 E2PROM(Electrically Erasable PROM)：
能以字节为单位擦除和改写，且不需要 把芯片拔下来插入编程器编程，在用户 系统中就可以直接操作。
主要内容
5.1 存储器概念和分类
RAM的种类
ROM的种类
5.2 RAM 结构
存储体 外围电路
地址译码方式
5.3 8086系统的存储器组织
8086CPU的存储器接口 8086CPU与存储器系统的连接
2009.9
第五章存储器与存储系统
1
5-1 半导体存储器分类
2009.9
第五章存储器与存储系统
Flash Memory介绍 Flash Memory的标准物理结构，称之为基本位（cell），其特色为一般MOS的闸极（Gate）和信道
的间隔为氧化层之绝缘（gate oxide），而Flash Memory在控制闸（Control gate）与信道间却多了 一层物质，称之为浮闸（floating gate）。拜多了这层浮闸之赐，使得Flash Memory可以完成三种基 本操作模式，亦即读（一个byte或word）、写（一个byte或word）、抹除（一个或多个内存空间）， 就算在不提供电源给内存的环境下，也能透过此浮闸，来保存资料的完整性。
2009.9
第五章存储器与存储系统
6
(2)DRAM (动态RAM)
a．基本存储电路由单管线路组成(靠电 容存储电荷)；
b．需要刷新电路，典型要求是每隔2毫 秒刷新一遍;
c．较高的集成度，比SRAM的集成度高；
2009.9
第五章存储器与存储系统
7
(3)Non Volatile RAM
非易失性RAM或掉电自保护RAM，即 NVRAM(Non Volatile RAM), 这种RAM由 SRAM加E2PROM共同构成，正常运行时 和SRAM一样，但是它在掉电时和电源有 故障的瞬间，将SRAM的信息保存到 E2PROM中，从而信息就不会丢失。
b．无需刷新，故可省去刷新电路，功耗比双 极型低，但比动态RAM高。
c．可以用电池做后备电源，因而不需刷新逻 辑电路(RAM中一个最大的问题就是：一旦RAM 掉电，其存储的信息便会丢失。这就要求当交 流电源掉电时，能够自动切换到一个用电池供 电的低压后备电源，以此来保持RAM中的信息)
d．较高的集成度。
2
1．RAM的种类
(1) 双极型RAM (2) MOS型RAM
静态RAM 动态RAM
2009.9
第五章存储器与存储系统
3
1)．双极型RAM
存储速度高
对于射极耦合逻辑(ECL)电路，可达到10ns，对于 肖特基(Schottky)TTL逻辑电路，可到达25ns。
集成度与MOS相比较低；功耗大，成本高。 以晶体管的触发器作为基本存储电路，故所用
晶体管数目多。 主要应用于速度要求较高的位片式微型机中。
2009.9
第五章存储器与存储系统
4
2)．MOS RAM
(1)SRAM (静态RAM) (2)DRAM (动态RAM)
2009.9
第五章存储器与存储系统
5
(1)SRAM (静态RAM)
a．由6管构成的触发器作为基本存储电路，集 成度介于双极型和动态RAM之间。
2009.9
第五章存储器与存储系统
8
2.只读存储器ROM
掩膜ROM 可编程的只读存储器
PROM(Programmable ROM) 可擦除的EPROM(Erasable PROM) 电可擦除的PROM 快速擦写存储器Flash Memory
2009.9
第五章存储器与存储系统
9
1).掩膜ROM
是由生产过程中的一道掩膜工艺决定其 中的信息，半导体厂家按照固定的线路 制造的，一旦制造好后，其中的信息只 能读而不能改变。
2009.9
第五章存储器与存储系统
10
2).可编程的只读存储器PROM
可以在特殊条件下编程的只读存储器。 制造厂家生产的PROM在出厂时，各个单
元都处于相同状态，用户根据需要在专 用的设备上写入自己需要的信息，但是 只能写一次。它适合小批量生产。 它比掩膜ROM的集成度低，价格较贵。
由于浮闸的物理特性与结构，使得当浮闸被注入负电子时，此一cell就由数字”1”被写成”0”，相对 的，当负电子从浮闸中移走后，此一cell就由数字”0”变成”1”，此过程称之为抹除。目前产业界有许 多将负电子注入浮闸或移除技术的探讨，其中热电子注入法（hot-electron injection），是当源极 （source）接地，控制闸的电压大于汲极（Drain）的电压时，浮闸与信道间氧化层的能量带会变得 很狭隘，因此在信道中的负电子会被加速自信道上跳到浮闸中，进而完成写的动作。同样的原理可 以运用在抹除的功能上，当控制闸接地且source接至一个高压时，浮闸上的负电子将会自浮闸中拉 至source，进而完成抹除的动作。Flash Memory就是透过这种负电子存放或移除于浮闸的原理，使 得本身具有重复读写的特性。