第8章 计算机优秀课件.ppt

第1页，本讲稿共37页 了解存储器的分类及各类存储器的特点和了解存储器的分类及各类存储器的特点和应用场合，了解存储器的主要性能指标对存应用场合，了解存储器的主要性能指标对存储器性能的影响；掌握半导体存储器的逻辑储器性能的影响；掌握半导体存储器的逻辑功能和使用方法，理解半导体存储器的电路功能和使用方法，理解半导体存储器的电路结构和工作原理；熟悉可编程逻辑器件的类结构和工作原理；熟悉可编程逻辑器件的类型、工作原理型、工作原理及编程方式。及编程方式。学习目的与要求第2页，本讲稿共37页8.1 存储器基本知识存储器基本知识 存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。存储器容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。显然，计算机对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用主存储器、高速缓冲存储器和外存储器。1.存储器概述存储器概述第3页，本讲稿共37页2.存储器的分类存储器的分类 存储器按构成的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类又可分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。随机存储器RAM又称读写存储器，是能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。只读存储器ROM在计算机系统的在线运行过程中，是只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。第4页，本讲稿共37页2.存储器的分类存储器的分类 计算机系统中，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作，因此被称作系统的主存或者内存内存。内存一般由半导体存储器构成，通常装在计算机主板上，存取速度快，但容量有限；辅存存储器位于系统主机的外部，广泛采用的是磁介质，CPU对其进行的存/取操作时，必须通过内存才能进行，因此称作外存外存。由于CPU不能直接对外存访问，因此外存的信息必须调入内存后才能被CPU访问并进行处理。外存是为了弥补内存容量的不足而配置的，外存所储信息既可修改也可长期保存，但存取速度较慢；缓冲存储器简称缓缓存存，位于主存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，一般用来暂时解决存取速度与存储容量之间的矛盾，缓存提高了整个系统的运行速度。第5页，本讲稿共37页（1）内存储器 内存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入、输出和数据存储功能的集成电路。按存储信息的功能内存储器可分为只读存储器ROM、可改写的只读存储器EPROM和随机存储器RAM。内存通常是指随机存储器RAM，它的存储单元根据具体需要可以读出，也可以写入或改写。RAM帮助中央处理器CPU工作，从键盘或鼠标之类的来源读取指令，帮助CPU把资料写到一样可读可写的辅助内存中，以便日后仍可取用。RAM的大小直接影响计算机的速度，RAM越大，表明机器所能容纳的资料越多，CPU读取的速度越快。目前使用的RAM多为MOS型半导体电路，一般分为静态和动态两种。第6页，本讲稿共37页（2）外存储器 外存储器一般用来存放需要永久保存的或是暂时不用的程序和数据信息。外存储器不直接与CPU交换信息。当需要时可以调入内存和CPU交换信息。目前计算机中广泛采用了价格较低、存储容量大、可靠性高的磁介质作为外存储器。外存储器设备种类很多，微型计算机常用的外存储器是磁盘存储器、光盘存储器和优盘存储器等。磁盘存储器分有软盘和硬盘，现在软盘已经用得很少，而硬盘是计算机中使用最广泛的外存储器之一。硬盘对信息的读、写，其速度远远高于软盘，其容量远远大于软盘，具有存储容量大、存取速度快等突出特点。硬盘中的每个盘片被划分成若干个磁道和扇区，各个盘片中的同一个磁道称为一个柱面。一块硬盘可以被划分成几个逻辑盘，并分别用盘符C、D、E、进行表示。第7页，本讲稿共37页 光盘直径为12cm，中心有一个定位孔。光盘分为三层，最上面一层是保护层，一般涂漆并注明光盘的有关说明信息；中间一层是反射金属薄膜层；底层是聚碳酸酯透明层。记录信息时，使用激光在金属薄膜层上打出一系列的凹坑和凸起，将它们按螺旋形排列在光盘的表面上，称为光道。目前广泛应用的主要是只读型光盘CD-ROM。读取光盘上的信息是利用激光头发射的激光束对光道上的凹坑和凸起进行扫描，并使用光学探测器接收反射信号。当激光束扫描至凹坑的边缘时，表示二进制数字“1”；当激光束扫描至凹坑内和凸起时，均表示二进制数字“0”。光盘的主要优点是结构原理简单、存储信息容量大，十分方便于大量生产，且价格低廉。第8页，本讲稿共37页 优盘采用了Flash Memory存储技术，它通过二氧化硅形状的变化来记忆数据。由于二氧化硅稳定性大大强于磁存储介质，使得优盘存储数据的可靠性大大提高。同时二氧化硅还可以通过增加微小的电压来改变形状，从而达到反复擦写的目的。优盘又称为快闪存储器，其工作原理和磁盘、光盘完全不同。如果使用的Flash Memory材质品质优良，一个优盘甚至能够达到擦写百万次的寿命。从优盘的外部来看，轻便小巧，便于携带；从内部来说，由于无机械装置，其结构坚固、抗震性极强。优盘还有一个最突出的特点，就是它不需要驱动器。使用优盘只需用一个USB接口，就可以十分方便地做到文件共享与交流，即插即用，热插拔也没问题。作为新一代的存储设备，优盘具有很好地发展前景。第9页，本讲稿共37页3.存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标 存储器中可容纳的二进制信息量称为它的存储容量。二进制数的最基本单位是“位位”，是存储器存储信息的最小单位，8位二进制数称为一个“字节字节”，存储容量的大小通常都是用字节来表示的。由于存储器容量一般都很大，因此字节的常用单位还有KB、MB和GB。其中1KB=1024字节，1MB=1024KB，1GB=1024MB。存储器容量越大，存储的信息量也越大，计算机运行的速度也就越快。内存的最大容量是由系统地址总线决定的，内存的大小反映了实际装机容量。例如一个Pentium4计算机，其地址总线为36位，决定了内存允许的最大容量为236=64GB。计算机技术发展很快，目前内存的实际装机容量通常只有256MB或512MB，剩余容量可为今后的发展留有余地。（1）存储容量第10页，本讲稿共37页 计算机内存的存取速度取决于内存的具体结构及工作机制。存取速度通常用存储器的存取时间或存取周期来描述。所谓存取时间，就是指启动一次存储器从操作到完成操作所需要的时间；存取周期是指两次存储器访问所需的最小时间间隔。存取速度是存储器的一项重要参数。一般情况下，存取速度越快，计算机运行的速度才能越快。（2）存取速度 半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，因此散热不容易。在保证速度的前提下，应尽量减小功耗。由于MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器，所以MOS型存储器的应用比较广泛。（3）功耗第11页，本讲稿共37页 存储器对电磁场、温度变化等因素造成干扰的抵抗能力称其可靠性，也叫电磁兼容性。半导体存储器采用大规模集成电路工艺制造，内部连线少，体积小，易于采取保护措施。与相同容量的其他类型存储器相比，半导体存储器抗干扰能力较强，兼容性较好。（4）可靠性 存储器芯片的集成度越高，构成相同容量的存储器芯片数就越少。MOS型存储器的集成度高于双极型存储器，动态存储器的集成度高于静态存储器。因此，微型计算机的主存储器大多采用动态存储器。除上述指标外，还有性能价格比、输入、输出电平及成本价格等指标。（5）集成度第12页，本讲稿共37页 目前使用的半导体存目前使用的半导体存储器，主要类型是什么储器，主要类型是什么？按其存储信息的功能？按其存储信息的功能又可分为哪两大类。又可分为哪两大类。存储器内存的最存储器内存的最大容量是由什么来大容量是由什么来决定的？决定的？多看多练多做多看多练多做何谓计算机的存储容何谓计算机的存储容量？存储容量的大小量？存储容量的大小通常用什么来表示？通常用什么来表示？检验学习结果检验学习结果 多级结构的存储器是多级结构的存储器是由哪三级存储器组成的由哪三级存储器组成的？每一级存储器使用什？每一级存储器使用什么类型的存储介质？么类型的存储介质？第13页，本讲稿共37页 计算机的内存储器由ROM和RAM两部分组成。其中只能读不能写的存储器，称为只读存储器ROM；即能读又能写的存储器，叫做可读写存储器RAM。由于历史上的原因，可读写存储器也被人们称为随机存取存储器。通常ROM中的程序和数据是事先存入的，在工作过程中不能改变，这种事先存入的信息不会因下电而丢失，因此ROM常用来存放计算机监控程序、基本输入输出程序等系统程序和数据。RAM中的信息则下电就会消失，所以主要用来存放应用程度和数据。对存储器的读写或取出都是随机的，通常要按顺序随机存取。按顺序随机存取有两种方式：先进先出；后进先出。8.2 随机存取存储器随机存取存储器RAM第14页，本讲稿共37页存储矩阵存储矩阵读写控制器行行地址译码器列列地址译码器2 2n nRAMRAM电路结构框图 m mn位地址码 1.RAM的功能与结构输出控制m位数据片选控制读/写控制地址译码器：地址译码器：RAM中的每个寄存器都有一个编号，称为地址。每次读/写信息时，只能和某一个指定地址的寄存器之间进行取出或是存入，此过程称为访问存储器。访问地址的是机器识别的二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输出线给出信号，控制被选中的寄存器与存储器的I/O端子，使其进行读/写操作。第15页，本讲稿共37页存储矩阵存储矩阵读写控制器行行地址译码器列列地址译码器2 2n nRAMRAM电路结构框图 m mn位地址码输出控制m位数据片选控制读/写控制读写控制器：读写控制器：读/写控制线可对RAM的读出和写入进行控制。如R/W0 0时，执行写写操作，R/W1 1时，执行读读操作；由地址输入端输入的n 位地址码经地址译码器译码后选中一组(信息长度m 位)存储单元，m位的二进制代码经I/O 接口被写入或被读出。第16页，本讲稿共37页存储矩阵存储矩阵读写控制器行行地址译码器列列地址译码器2 2n nRAMRAM电路结构框图 m mn位地址码输出控制m位数据片选控制读/写控制I I/O O控制器：控制器：为了节省器件引脚的数目，数据的输入和输出共用相同的I/O引脚。读出时它们是输出端，写入时它们又是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。I/O端子数决定于一个地址中寄存器的位数。通常RAM中寄存器有五种输入信号和一种输出信号：地址输入信号、读/写控制输入信号、OE输出控制信号、CS片选控制输入信号、数据输入信号和数据输出信号。第17页，本讲稿共37页存储矩阵存储矩阵读写控制器行行地址译码器列列地址译码器2 2n nRAMRAM电路结构框图 m mn位地址码输出控制m位数据片选控制读/写控制片选控制：片选控制：由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装在一起构成一台计算机的存储器。当CPU访问存储器时，存储器中只允许一片RAM中的一个地址与CPU交换信息，其它片RAM不能与CPU发生联系，所谓片选片选就是实现这种控制。通常一片RAM有1根或几根片选线，当某一片的片选线为有效电平时，则该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址与CPU接通；片选线为无效电平时，与CPU之间呈断开状态。例如片选信号CS“1”时，RAM禁止读写，处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态；CS“0”时，RAM可在读/写控制输入R/W的作用下作读出或写入操作。第18页，本讲稿共37页存储矩阵存储矩阵读写控制器行行地址译码器列列地址译码器2 2n nRAMRAM电路结构框图 m mn位地址码输出控制m位数据片选控制读/写控制存储矩阵：存储矩阵：存储矩阵是存储器的主体，含有大量的基本存储单元。通常数据和指令是用一定位数的二进制数来表示的，这个二进制数称为字字，字的位数称为字长字长。存储器以字为单位进行存储，为了存入和取出的方便，必须给每个字单元以确定的标号，这个标号称为地址，不同的字单元具有不同的地址。存储器的容量由地址码的位数m决定，当地址码的位数为n，字长的位数为m时，存储器内含2nm个存储单元。第19页，本讲稿共37页2.RAM的存储单元电路 存储单元是RAM的核心部分，RAM字中所含的位数是由具体的RAM器件决定的，可以是4位、8位、16位和32位等。每个字是按地址存取的。一般操作顺序是：先按地址选中要进行读或写操作的字，再对找到的字进行读或写操作。打一比方：存储器好比一座宿舍楼，地址对应着房间号，字对应着房间内住的人，位对应床位。存储器按功能的不同可分为静态静态和动态动态两类，按所用元件的类型又可分为双极型和单极型两种。双极型存储单元速度高，单极型存储单元功耗低、容量大。在要求存取速度快的场合常用双极型RAM电路，对速度要求不高场合下，常用单极型存储器。我们主要以单极型存储器为例介绍RAM的工作原理。第20页，本讲稿共37页存储数据输出存储数据输出T1QQ+UDD1 1 1 1位线(1)静态RAM存储单元0 0 0 0位线行选择线T2T3T4T6T5 图中T1和T2、T3和T4分别构成两个反相器。两个反相器交叉耦合又构成了基本触发器，作为储存信号的单元，当Q时为“1 1”态，Q0 0时为“0 0”态。T5和T6是门控管，其导通和截止均受行选择线控制。当行选择线为高电平时，T5T6导通，触发器输出端与位线接通1 1当行选择线为低电平时，T5T6截止，存储单元和位线断开。导导导导通通通通导导导导通通通通0 0截截截截止止止止截截截截止止止止保持原态不变保持原态不变1 10 0第21页，本讲稿共37页动态RAM存储单元(2)动态RAM存储单元C 一个MOS管和一个电容即可组成一个最简单的动态存储单元电路。由于C和数据线的分布电容C0相并，因此C要损失部分电荷。为保持原有信息不变，使放大后的数据同时回送到数据线上，对C应进行重写，称为刷新。对长时间无读/写操作的存储单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进行刷新，这是动态存储器的特点。字选线TC0数据线 当存储单元未被选中时：当存储单元被选中时：0 0截止截止隔隔离离 写入时，送到数据线上的二进制信号经T存入C中；读出时，C的电平经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。1 1导通导通读/写操作第22页，本讲稿共37页 3.RAM的容量扩展 RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此常用的容量扩展法有位扩展位扩展、字扩展字扩展和字位扩展字位扩展三种形式。16片1024字1位的RAM构成1024字16位的RAM。地址码A0A9CSCSI/O 16 片1片16片2I/O 2I/O 1 如果一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可采用位扩展连接方式解决。其数据位的扩展方法是：将各个RAM的地址码并联并联片选端并联片选端并联即可。第23页，本讲稿共37页 RAM的字扩展 下图所示为RAM字扩展的典型实例：利用两片1024字4位的RAM器件构成2048字4位的RAM。A0A9A10片 1片 2I/O 14CS1 1CS 利用地址码的最高位A10控制RAM器件的片选CS端，以决定哪一片RAM工作。地址码的低A0A9并联接到两片RAM的地址输入端。两片RAM的数据输入/输出端（I/O14）按位对应地并联使用。第24页，本讲稿共37页 RAM的字位同时扩展字位同时扩展连接较复杂，如下图示：16片10244位的 RAM和3线8线译码器74LS138相接可扩展三个地址输入端，构成一个8K4位的RAM。74LS138译码器译码器A10A11A12A0A9R/WY0Y7I/00I/01I/02I/03第25页，本讲稿共37页RAM有几种类型的有几种类型的存储单元？各适用存储单元？各适用于什么场合？于什么场合？什么是随机存储器什么是随机存储器？随机存储器有何？随机存储器有何特点？特点？多看多练多做多看多练多做 存储器的容量由存储器的容量由什么来决定？什么来决定？在工作过程中，既可方便地读出所在工作过程中，既可方便地读出所存信息，又能随时写入新的数据的存信息，又能随时写入新的数据的存储器称为随机存储器，随机存储存储器称为随机存储器，随机存储器。其特点是在系统工作时，可以器。其特点是在系统工作时，可以很方便地随机地对各个存储单元进很方便地随机地对各个存储单元进行读行读/写操作，但发生掉电时数据写操作，但发生掉电时数据易丢失。易丢失。检验学习结果检验学习结果按功能不同可分为静态和动按功能不同可分为静态和动态两类，按所用元件可分为态两类，按所用元件可分为双极型和单极型双极型存储双极型和单极型双极型存储器适用于存取速度要求高的器适用于存取速度要求高的场合，单极型的存储器适用场合，单极型的存储器适用于容量大、低功耗，对速度于容量大、低功耗，对速度 要求不高的场合。要求不高的场合。存储器的容量是由地址码的位数存储器的容量是由地址码的位数n和字长的位数和字长的位数m共同决定的。共同决定的。第26页，本讲稿共37页 可编程逻辑器件属于只读存储器ROM，其方框图与RAM相似。ROM将RAM的读写电路改为输出电路；ROM的存储单元由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。1.只读存储器ROM的基本概念 只读存储器在工作时只能进行读出操作，结构原理如下：存储单元存储单元矩阵矩阵地址译码n2n“位位”mm数据I/O地址码“字字”输出电路 只读存储器ROM的特点是：存储单元简单，集成度高，且掉电时数据不会丢失。8.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件第27页，本讲稿共37页 只读存储器ROM存入数据的过程称为“编程编程”。根据编程方式的不同，可分为内容固定的ROM，一次性编程的PROM、可多次编程的EPROM和电改写的E2PROM。早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单元利用其内部熔丝是否被烧断来写入数据的，因此只能写入一次，使其应用受到很大限制。目前使用的PROM可多次写入，其存储单元是在MOS管中置入浮置栅浮置栅的方法实现的。2、可编程逻辑器件的存储单元 左图是浮置栅型PMOS管的结构原理图，浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之中。写入时，在漏极和衬底之间加足够高的反向脉冲电压把PN结击穿，雪崩击穿产生的高能电子穿透二氧化硅绝缘层进入浮置栅中。脉冲电压消失后，浮置栅中的电子无放电回路而被保留下来。P+P+P+P+N N型衬底型衬底S SD D浮置栅浮置栅第28页，本讲稿共37页字线浮置栅MOS管位线+UDDEPROMEPROM存储单元存储单元 浮置栅PMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使PMOS管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该单元位线即为低电平；若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅PMOS管截止，位线为高电平。当用户需要 改写存储单元中的内容时，要用紫外线或X射线照射擦除，使浮置栅上注入的电荷形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未写入时的状态，因此又可重新写入新信息。利用光照抹掉写入内容需要大约30min左右较长时间。为了缩短抹去时间，人们研制出了电擦除方式。电擦除的速度一般为ms数量级，其擦除的过程就是改写的过程，改写是以字为单位进行的。电擦除的E2PROM既可以在掉电时不丢失数据，又可以随时改写写入的数据，重复擦除和改写的次数可达1万次以上。第29页，本讲稿共37页 3、可编程逻辑器件 可编程逻辑器件按编程方式可分为掩膜编程和现场编程。掩膜编程是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作；现场编程则是由用户在工作现场进行编程，以实现所需要的逻辑功能。任意一个逻辑函数都可以写成与或表达形式，所以可编程逻辑器件的基本结构是一个与阵列和一个或阵列。PLDPLD主体示意图主体示意图 PLD有较大的与或阵列，其逻辑图的画法也与传统的画法有较大的区别。&A B C DF F1 1F F1 1=ABD=ABD固定连接固定连接逻辑连接逻辑连接与阵列11A B C DF F2 2或阵列F F2 2=A+C=A+C第30页，本讲稿共37页 可编程逻辑阵列PLA在存储器中的主要应用是构成组合逻辑电路，下面我们举例进行说明。(1)可编程逻辑阵列PLA例 用PLA实现 4 位二进制数转换为Gray 码的电路。GG0 0GG1 1GG2 2GG3 3与与阵阵列列B0B0B1B1B2B2B3B3或或阵阵列列PLA的特点：与阵列和或阵列与阵列和或阵列都可以编程。都可以编程。PLA中的与阵列被编程产生所需的全部与项；PLA中的或阵列被编程完成相应与项间的或运算并产生输出。由此大大提高了芯片面积的有效利用率。第31页，本讲稿共37页例由图可得 Y1=ABC+ABC+ABC Y2=ABC+ABC Y3=ABC+ABCABC与阵列Y3Y2Y1或阵列例 用 PLD 实现逻辑函数L0=ABC+ABC+ABC+ABCL1=BC+BCL2=BC+BCL0L1L2第32页，本讲稿共37页(2)可编程阵列逻辑PALPALPAL结构示意图结构示意图 可编程阵列逻辑PAL的速度高且价格低，电路输出结构形式有多种，因可以方便地进行现场编程，所以受到用户欢迎。为实现时序逻辑电路的功能，可编程阵列逻辑PAL又设计制造了在或门和三态门之间加入D触发器，并且将D触发器的输出反馈回与阵列，从而使PAL的功能大大提高。与同样位数的PLA相比，PAL不但减少了编程点数，而且也简化了编程工作，更加有利于辅助设计系统的开发。第33页，本讲稿共37页 PAL编程是按“熔丝图熔丝图”进行的，下图所示为实现“异或异或”函数的熔丝图，图中“”表示熔丝保留，而无“”的交点表示熔丝烧断。11&1 11 1ABABAB 由于PAL采用双极型熔丝工艺，工作速度较高，但由于与阵列的“熔熔丝丝”工艺，因此只能进行一次编程，而且需要在专门的编程器上进行编程，所以其应用仍受到限制。第34页，本讲稿共37页(3)通用阵列逻辑GAL 目前多用GAL，因为与PAL相比，GAL采用的是浮栅编程技术；有较高的通用性和灵活性。GAL可重复编程、工作速度高、价格低、具有强大的编程工具和软件支撑，并且用可编程的输出逻辑宏单元取代了固定输出电路，因而功能更强。GAL内部原理图（局部）OLMC O011&11OLMC O01&11CPI0I71OE第35页，本讲稿共37页可编程的含义是什可编程的含义是什么？有哪几种编程么？有哪几种编程方式？方式？PLD有几种类型？有几种类型？指出它们的不同点指出它们的不同点？多看多练多做多看多练多做 PLD通常有可编程逻辑阵列通常有可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑、通用阵列逻辑GAL。PLA的与阵列和或阵列都可编的与阵列和或阵列都可编程，输出电路固定；程，输出电路固定；PAL与阵列可编与阵列可编程，或阵列固定，输出电路固定；程，或阵列固定，输出电路固定；GAL与阵列可编程，或阵列固定，输与阵列可编程，或阵列固定，输出电路可组态。出电路可组态。存储信息由用户根据需要存储信息由用户根据需要可以重新编程修改即可编可以重新编程修改即可编程。可编程方式有掩膜编程。可编程方式有掩膜编程和现场编程两种方式。程和现场编程两种方式。第36页，本讲稿共37页认真复习，加强练习，认真复习，加强练习，巩固成果，学以致用！巩固成果，学以致用！Goodbye!第37页，本讲稿共37页