微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第3章

微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù),第 3 章,存儲(chǔ)器及其組成設(shè)計(jì),在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中,存儲(chǔ)器處于全機(jī)中心地位,3.1 概述,存儲(chǔ)器,運(yùn)算器控制器,輸入,輸出,復(fù)習(xí)：存儲(chǔ)器各個(gè)概念之間的關(guān)系,單元地址,0000,0001,.,.,.,.,.,.,.,.,XXXX,存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)元,存儲(chǔ)體,1.存儲(chǔ)容量,（Memory Capacity）,存儲(chǔ)器由若干“存儲(chǔ)單元”組成，每一單元存放一個(gè)“字節(jié)”的信息,1字節(jié)（,Byte)即為8位二進(jìn)制數(shù),2字節(jié)即為1個(gè)“字”(word),4字節(jié)即為1個(gè)“雙字”(Dword),1K,容量為,1024,個(gè)單元,1,M=1024K=1024*1024,單元,1,G=1024M,1T=1024G,10000101,一.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo),2.存取時(shí)間,（Memory Access Time）,3存儲(chǔ)周期,(Memory Cycle Time),4可靠性,（Reliability）,5功耗與集成度,（Power Loss and Integration Level）,6性能價(jià)格比,(Cost Performance),7存取寬度,(Access Width),二.存儲(chǔ)器分類:,1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。,磁表面存儲(chǔ)器：,用磁性材料做成的存儲(chǔ)器。,2.按存儲(chǔ)方式分,隨機(jī)存儲(chǔ)器,：任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取,時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。,順序存儲(chǔ)器：,只能按某種順序來存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元,的物理位置有關(guān)。,3.按存儲(chǔ)器的讀寫功能分,只讀存儲(chǔ)器(ROM),：存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而,不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。,隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM),：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。,4.按信息的可保存性分,非永久記憶的存儲(chǔ)器,：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器。,永久記憶性存儲(chǔ)器：,斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器。,5.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分,根據(jù)存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，可分為:,主存儲(chǔ)器,、,輔助存儲(chǔ)器,、,高速緩沖存儲(chǔ)器,、,控制存儲(chǔ)器,等。,半,導(dǎo),體,存,儲(chǔ),器,只讀,存儲(chǔ)器,ROM,隨機(jī)讀寫,存儲(chǔ)器,RAM,掩膜,ROM,可編程,ROM,（,PROM,）,可擦除,ROM,（,EPPROM,）,電擦除,ROM,（,E,2,PROM,）,靜態(tài),RAM,（,SRAM,）,動(dòng)態(tài),RAM,（,DRAM,）,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,內(nèi)存條,:,由于動(dòng)態(tài),RAM,集成度高，價(jià)格較便宜，在微機(jī)系統(tǒng)中使用的動(dòng)態(tài),RAM,組裝在一個(gè)條狀的印刷板上。系統(tǒng)配有動(dòng)態(tài),RAM,刷新控制電路，不斷對(duì)所存信息進(jìn)行“再生”。,1.RAM：,隨機(jī)存儲(chǔ)器,是“內(nèi)存”的重要組成部分，CPU執(zhí)行指令可對(duì)其進(jìn)行“讀”、“寫”操作。,靜態(tài),RAM,：,集成度低，信息穩(wěn)定，讀寫速度快。,動(dòng)態(tài),RAM,：,集成度高，容量大，缺點(diǎn)是信息存儲(chǔ)不穩(wěn)定，只能保持幾個(gè)毫秒，為此要不斷進(jìn)行“信息再生”，即進(jìn)行“刷新”操作。,2.ROM:,只讀存儲(chǔ)器，所存信息只能讀出,不能寫入。,缺點(diǎn),不能重寫,只能一次性改寫,只讀存儲(chǔ)器,掩模式,(ROM),一次編程,(PROM),多次編程,(EPROM),(EEPRPM),定義,數(shù)據(jù)在芯片制造過程中就確定,用戶可自行改變產(chǎn)品中某些存儲(chǔ)元,可以用紫外光照 射或電擦除原來的數(shù)據(jù)，然后再重新寫入新的數(shù)據(jù),優(yōu)點(diǎn),可靠性和集成度高，價(jià)格便宜,可以根據(jù)用戶需要編程,可以多次改寫ROM中的內(nèi)容,閃速存儲(chǔ)器,Flash memory,4.高速緩沖存儲(chǔ)器Cache:,Cache位于CPU與主存儲(chǔ)器之間，由高速靜態(tài)RAM組成。容量較小，為提高整機(jī)的運(yùn)行速度而設(shè)置,應(yīng)用程序不能訪問Cache，CPU內(nèi)部也有Cache。,3.ROM/EPROM在微機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用:,存放“基本輸入,/,輸出系統(tǒng)程序”,(,簡稱,BIOS),。,BIOS,是計(jì)算機(jī)最底層的系統(tǒng)管理程序,操作系統(tǒng)和用戶程序均可調(diào)用。,5.閃速存儲(chǔ)器,什么是閃速存儲(chǔ)器？,Flash Memory,閃速存儲(chǔ)器是一種高密度、非易失性的讀/寫半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它突破了傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系，改善了現(xiàn)有存儲(chǔ)器的特性。,特點(diǎn)：,固有的非易失性,(2),廉價(jià)的高密度,(3),可直接執(zhí)行,(4),固態(tài)性能,閃速存儲(chǔ)器的工作原理,電擦除和重新編程能力,閃速存儲(chǔ)器是在EPROM功能基礎(chǔ)上增加了電路的電擦,除和重新編程能力。28F256A引入一個(gè)指令寄存器來實(shí),現(xiàn)這種功能。其作用是：,(1)保證TTL電平的控制信號(hào)輸入；,(2)在擦除和編程過程中穩(wěn)定供電；,(3)最大限度的與EPROM兼容。,采用并行操作方式,-雙端口存儲(chǔ)器,芯片技術(shù),研究開發(fā)高性能芯片技術(shù)，如：,DRAM,FPMDEDO,EDRAMCDRAM,SDRAM,RambusDRAM,。,6.高速存儲(chǔ)器,采用并行主存儲(chǔ)器,提高,讀出并行性,-多模塊交叉存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器采用更高速的技術(shù)來縮短存儲(chǔ)器的讀出時(shí)間,-相聯(lián)存儲(chǔ)器,(2),結(jié)構(gòu)技術(shù),由于CPU和主存儲(chǔ)器在速度上不匹配，限制了高速計(jì)算。,為了使CPU不至因?yàn)榈却鎯?chǔ)器讀寫操作的完成而無事可做，可以采取一些加速CPU和存儲(chǔ)器之間有效傳輸?shù)奶厥獯胧?Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，同步是指Memory工作需要步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。,1.存儲(chǔ)體,一個(gè)基本存儲(chǔ)電路只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位。,將基本的存儲(chǔ)電路有規(guī)則地組織起來，就是存儲(chǔ)體。,存儲(chǔ)體又有不同的組織形式,：,將各個(gè)字的,同一位,組織在一個(gè)芯片中，如：8118 16K*1（DRAM）,將各個(gè)字的,4位,組織在一個(gè)芯片中，如：2114 1K*4（SRAM）,將各個(gè)字的,8位,組織在一個(gè)芯片中，如：6116 2K*8（SRAM）。,2.外圍電路,為了區(qū)別不同的存儲(chǔ)單元，就給他們各起一個(gè)號(hào)給于不同的地,址，以地址號(hào)來選擇不同的存儲(chǔ)單元。,于是電路中要有,地址譯碼器,、,I/O電路,、,片選控制端CS,、,輸出緩沖,器,等,外圍電路,三.存儲(chǔ)器（芯片）結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)原理,故：,存儲(chǔ)器（芯片）=存儲(chǔ)體+外圍電路,3.存儲(chǔ)原理,小 園 點(diǎn)：,存儲(chǔ)空間，每一個(gè)都有一個(gè)唯一的地址線同它相連（bit),地址譯碼器：,接收到地址總線送來的地址數(shù)據(jù)之后，它會(huì)根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)定位CPU想要調(diào)用的數(shù)據(jù)所在的位置，然后數(shù)據(jù)總線就會(huì)把其中的數(shù)據(jù)傳送到CPU,關(guān)鍵詞：,行 線 矩陣,4.地址譯碼,單譯碼方式適用于小容量存儲(chǔ)器中，只有一個(gè)譯碼器。,雙譯碼方式地址譯碼器分成兩個(gè)，可,減少,選擇線的數(shù)目。,例：1024*1 的存儲(chǔ)器,5.驅(qū)動(dòng)器,雙譯碼結(jié)構(gòu)中，在譯碼器輸出后加驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器掛在各條X方向選擇線上的所有存儲(chǔ)元電路。,6.I/O電路,處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間，控制被選中的單元讀出或?qū)懭耄糯笮畔ⅰ?7.片選,在地址選擇時(shí)，首先要選片,只有當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，此片所連的地址線才有效。,8.輸出驅(qū)動(dòng)電路,為了擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量，常需要將幾個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)使用；另外存儲(chǔ)器的讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)都放在雙向的數(shù)據(jù)總線上。這就用到三態(tài)輸出緩沖器。,8.一個(gè)實(shí)際的靜態(tài)RAM的例子,Intel 2114 存儲(chǔ)器芯片,1024*4 的存儲(chǔ)器4096 個(gè)基本存儲(chǔ)單元，排成 64*64 的矩陣，需 10 根地址線尋址。,X 譯碼器輸出 64 根選擇線，分別選擇 1-64 行，,Y 譯碼器輸出 16 根選擇線，分別選擇 1-16 列控制各列的位線控制門。,寫允許,片選,16,M,容量的存儲(chǔ)器,地址范圍：,000000,H,FFFFFFH,由,24,根地址線提供地址碼。,1M,容量的存儲(chǔ)器,地址范圍：,00000,H,FFFFFH,由,20,根地址線提供地址碼。,四.存儲(chǔ)器的讀寫操作:,系統(tǒng)為每一單元編排一個(gè)地址，地址碼為二進(jìn)制數(shù)，習(xí)慣上寫成16進(jìn)制。,1.存儲(chǔ)器容量由地址線“寬度”決定：,4G,容量的存儲(chǔ)器,地址范圍：,0000,0000,H,FFFF,FFFFH,由,32,根地址線提供地址碼。,例,：容量為8KB（2,13,B）的存儲(chǔ)器地址范圍：0000H1FFFH，由13根地址線提供地址。,A11,A12,A0,0000H,0001H,1FFFH,地,址,譯,碼,器,讀寫控制電路,存儲(chǔ)體,存儲(chǔ)器讀寫命令,數(shù)據(jù)線D0-D8,地址線,2.存儲(chǔ)器讀寫示意:,讀,存儲(chǔ)器過程,某一存儲(chǔ)單元的內(nèi)容,送往CPU,數(shù)據(jù)線。,CPU通過地址線發(fā)出地址；,由地址譯碼器對(duì)地址進(jìn)行“翻譯”,選中某一存儲(chǔ)單元；,CPU發(fā)出存儲(chǔ)器讀命令,0000H,存儲(chǔ)器,C,P,U,地,址,線,A12,A0,1FFFH,地,址,譯,碼,器,讀寫控制電路,CPU控制線,數(shù)據(jù)線,C,P,U,數(shù)據(jù),線,A11,0001H,89H,存儲(chǔ)器讀命令,1234H,89H,寫,存儲(chǔ)器過程,0000H,存儲(chǔ)器,C,P,U,地,址,線,A12,A0,1FFFH,地,址,譯,碼,器,讀寫控制電路,CPU控制線,數(shù)據(jù)線,C,P,U,數(shù)據(jù),線,A11,0001H,CPU通過地址線發(fā)出地址，并把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上；,1101000110101,36H,CPU發(fā)出存儲(chǔ)器寫命令；,存儲(chǔ)器寫命令,由地址譯碼電路對(duì)地址線進(jìn)行“翻譯”,“選中”某一單元；,1A35H,89H,把數(shù)據(jù)線信息送入,選中的,存儲(chǔ)單元。,36H,3.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器組織,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器處于全機(jī)中心地位,容量大，速度快，成本低,為解決三者之間的矛盾，目前通常采用,多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),，即使用,高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器,。,對(duì)存儲(chǔ)器的要求是：,寄存器,Cache,主存儲(chǔ)器,輔助存儲(chǔ)器,名稱,高速緩沖,存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,外存儲(chǔ)器,簡稱,Cache,主存,外存,用途,高速存取指令和數(shù)據(jù),存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù),存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫,特點(diǎn),存取速度快，但存儲(chǔ)容量小,存取速度較快，存儲(chǔ)容量不大,存儲(chǔ)容量大，位成本低，速度慢,存儲(chǔ)器的用途和特點(diǎn),存儲(chǔ)器的基本組織,(1)與CPU的連接,主要是,地址線、控制線、數(shù)據(jù)線,的連接。,(2)多個(gè)芯片連接,設(shè)計(jì)的,存儲(chǔ)器容量與實(shí)際提供的存儲(chǔ)器多有不符。實(shí)際使用時(shí)，需進(jìn)行,字和位擴(kuò)展,(多個(gè)芯片連接），組成所需要的實(shí)際的存儲(chǔ)器,例如：存儲(chǔ)器容量為8K8，若選用2114芯片(1K 4)，則需要：,A,0,A,12,D,0,D,7,位擴(kuò)展法,只加大字長，而存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)與存儲(chǔ)器芯片字?jǐn)?shù)一致,對(duì)片子沒有選片要求。,用8k*1的片子組成8k*8的存儲(chǔ)器需 8 個(gè)芯片,地址線需 13 根 數(shù)據(jù)線 8 根,控制線 WR接存儲(chǔ)器的WE,2:4,16K,8,16K,8,16K,8,16K,8,字?jǐn)U展法,用16K,8位的芯片組成64,K,8位的存儲(chǔ)器需4個(gè)芯片,地址線 共需16根 片內(nèi)：(2,14,=16384)14根，選片：2根,數(shù)據(jù)線 8根 控制線 WE,最低地址,最高地址,C000,FFFF,00,0000,0000,0000,11,1111,1111,1111,11,11,4,最低地址,最高地址,8000,BFFF,00,0000,0000,0000,11,1111,1111,1111,10,10,3,最低地址,最高地址,4000,7FFF,00,0000,0000,0000,11,1111,1111,1111,01,01,2,最低地址,最高地址,0000,3FFF,00,0000,0000,0000,11,1111,1111,1111,00,00,1,說明,總地址,片內(nèi),A,13,A,12,.A,1,A,0,選片,A,15,A,14,地址,片號(hào),地址空間分配表,CPU,用1k,4 的存儲(chǔ)器芯片 2114 組成 2k,8 的存儲(chǔ)器,字位同時(shí)擴(kuò)展法,例：,有若干片1K8位的SRAM芯片，采用字?jǐn)U展方法構(gòu)成4KB存儲(chǔ)器，問：(1)需要多少片RAM芯片？(2)該存儲(chǔ)器需要多少地址位？(3)畫出該存儲(chǔ)器