微机原理5.ppt
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1、5.1 存储器系统概述主要内容:半导体存储器的分类及特点储存系统的一般概念(现代储存系统)存储器系统及其主要技术指标一、有关存储器几种分类 按构成存储器的器件和存储介质分类 半导体存储器 磁盘和磁带等磁表面存储器 光电存储器 由于半导体存储器具有存取由于半导体存储器具有存取速度快、集成度速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点高、体积小、功耗低、应用方便等优点,在此我,在此我们只讨论半导体存储器。也称们只讨论半导体存储器。也称内存内存外存,辅存内存,主存内存,主存按存取方式分类 随机存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器ROM(Read-Only Memor
2、y)RAM和和ROM是我们讨论的重点是我们讨论的重点半 导 体 存 储 器静态随机SRAM动态随机DRAM一次性编程 PROM可擦除 EPROM紫外光擦除 UREPROM电擦除 EEPROM读写存储器 RAM只读存储器 ROM双极型MOS掩膜ROM可编程ROM 图 半导体存储器分类二 多层存储结构概念(现代)1、核心是解决容量、速度、价格间的矛盾,建立起多层存储结构。将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法连接起来构成存储系统。价格,容量,速度,构成最佳性价比的储存系统8086内存主存2、Cache主存层次 Cache存储系统存储系统速度接近于Cache
3、,容量接近于主存;CacheCPU主存辅助硬件在主存和CPU之间设置高速缓存,构成Cache主存存储层次,Cache由硬件来实现,要能跟得上CPU的要求。解决速度与成本间的矛盾Cash储存系统要点:命中率H,CPU从速度较高的存储器中访问到数据的概率。程序访问局部化原理:指令是连续分布的;数据和变量的安排相对集中;循环程序和自程序的重复运行。对局部化的数据频繁访问。Cash由高速SRAM构成,存取时间为ns主存由动态存储器组成,存取时间为几十ns指令数据的预取技术,同时读取多字节指令或数据,可以有效提高命中率。从而提高内存的存取速度。T=H*TT=H*T1 1+(1-H1-H)*T T2 2现
4、代微机的Cash和内存空间比1:128,命中率90%以上。3、主存辅存层次:虚拟存储系统虚拟存储系统辅助软硬设备主存辅存通过软硬件结合,把主存与辅存统一成一个整体,形成主存辅存存储结构。程序员可以统一编址,构成虚拟储存容量,解决容量与成本间的矛盾。速度接近于内存,容量接近于辅存;区别实存容量虚拟储存系统要点:命中率H,CPU从速度较高的存储器中访问到数据的概率。程序访问局部化原理:指令是连续分布的;数据和变量的安排相对集中;循环程序和自程序的重复运行。对局部化的数据频繁访问。主存系统由Cash构成,存取时间为ns辅存多由磁表面存储器组成,存取时间为ms磁表面储存是以扇区(512B)为单位访问的
5、有效提高命中率。从而提高内存的存取速度。C=C=(C1*SC1*S1 1+C2*S+C2*S2 2)/(S S1 1+S+S2 2)三、主存储器的主要技术指标存储容量存取时间(Memory Access Time)储存周期(Memory Cycle Time)可靠性功耗等(1)容量存储容量 存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量(寻址空间,由CPU的地址线决定).实际存储容量:在计算机系统中具体配置了多少内存。常用单位:常用单位:常用单位:常用单位:MBMB、GBGB、TBTB其中:其中:其中:其中:1kB=21kB=21010B 1M=2B 1M=21010kB=2kB=22020B B
6、1GB=2 1GB=21010MB=2MB=23030B 1TB=2B 1TB=21010GB=2GB=24040B B(2 2 2 2).存取时间存取时间存取时间存取时间存存取取时时间间又又称称存存储储器器访访问问时时间间。指指启启动动一一次次存存储储器器操操作作到到完完成成该该操操作作所所需需的的时时间间 tA。(3 3 3 3).存取周期存取周期存取周期存取周期存存取取周周期期是是连连续续启启动动两两次次独独立立的的存存储储器器操操作作所所需需的的最最小小的的时时间间间间隔隔TC,一一般般TCtA。(4)可靠性 可靠性是用平均故障间隔时间来衡量(MTBF,Mean Time Betwee
7、n Failures)(5)功耗 功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小 5.2 随机储存器RAM(ROM)掌握:SRAM与DRAM的主要特点几种常用存储器芯片及其与系统的连接(接口)存储器扩展技术DRAM通常用单管组成基本存储电路,存储元主要由电容构成,由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息不稳定,故DRAM芯片需要定时刷新。集成度高SRAM,存储单元由双稳电路构成,存储信息稳定。SRAM通常有6管构成的双稳态触发器作为基本存储电路,速度快一.特点现代微机中多使用DRAM,8086/8088多使用SRAM(1)静态存储单元静态存储单元SRAM 图图中中T T1 1T T2 2是是工工作作管管,
8、T T3 3T T4 4是是负负载载管管,T T5 5T T6 6是是 控控 制制 管管,T T7 7T T8 8也也是是控控制制管管,它它们们为为同同一一列列线线上上的的存存储单元共用。储单元共用。不需要刷新,简化外围电路。不需要刷新,简化外围电路。二、主存储器的基本组成(2)动态存储单元)动态存储单元DRAM (1)每每次次读读出出后后,内内容容被被破破坏坏,要要采采取取恢恢复复措措施施,即即需需要要刷刷新新,外外围电路复杂。围电路复杂。(2)集集成成度度高高,功功耗低。耗低。(3 3)、储存体)、储存体-RAM-RAM基本储存电路有规则的组合起来构成储存体。外围电路外围电路 a.地址译码
9、器地址译码器 b.I/O电路电路 c.片选控制片选控制CS,读,读/写控制写控制储存体和外围电路构成储存器RAM控制逻辑电路(4)SRAM常用芯片介绍常用芯片介绍 不不不不同同同同的的的的静静静静态态态态RAMRAM的的的的内内内内部部部部结结结结构构构构基基基基本本本本相相相相同同同同,只只只只是是是是在在在在不不不不同同同同容容容容量量量量时时时时其其其其存存存存储储储储体体体体的的的的矩矩矩矩阵阵阵阵排排排排列列列列结结结结构构构构不不不不同同同同。典典典典型型型型的的的的静静静静态态态态RAMRAM芯芯芯芯片片片片如如如如Intel Intel 21142114(1K 1K 44位位位
10、位),61166116(2K2K 8 8位位位位),62646264(8K8K 8 8位位位位),6212862128(16K16K 8 8位)和位)和位)和位)和6225662256(32K32K 8 8位)位)位)位)-8256-8256等。等。等。等。位结构决定了数据线的数量,容量结构决定了地址线的位结构决定了数据线的数量,容量结构决定了地址线的位结构决定了数据线的数量,容量结构决定了地址线的位结构决定了数据线的数量,容量结构决定了地址线的数量。数量。数量。数量。例如将例如将例如将例如将10241024 1 1位的芯片组成位的芯片组成位的芯片组成位的芯片组成1024B1024B的储存空间
11、,的储存空间,的储存空间,的储存空间,需要需要需要需要8 8块芯片;需要块芯片;需要块芯片;需要块芯片;需要1010根地址线。根地址线。根地址线。根地址线。8 8位芯片常用!位芯片常用!位芯片常用!位芯片常用!62128:16K8位(14根地址线)62256:32K 8位(15根地址线)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1428 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 156264 NC A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12I/O1 I/O2 I/O3GNDVCCWE CE2 A3 A2 A1 OE A0 CE1
12、I/O8 I/O7 I/O6 I/O5 I/O4 表表4.1 6264的操作方式的操作方式I/O1 I/O8 IN写写 1100OUT读读 0101高阻高阻输出禁止输出禁止1101高阻高阻未选中未选中0高阻高阻未选中未选中1I/O1 I/O8方式方式 WE CE1CE2OE 图 SRAM 6264引脚图图图4.8为为SRAM 6264芯片的引脚图,其容量为芯片的引脚图,其容量为8K8位,即共有位,即共有8K(213)个单元,每单元)个单元,每单元8位。因此,位。因此,共需地址线共需地址线13条,即条,即A12A0;数据线;数据线8条即条即I/O8I/O1、WE、OE、CE1、CE2的共同作用决
13、定的共同作用决定了了SRAM 6264的操作方式,如表的操作方式,如表4.1所示。所示。(5)DRAM常用芯片介绍常用芯片介绍 P207 典典典典型型型型的的的的动动动动态态态态RAMRAM芯芯芯芯片片片片如如如如Intel Intel 21162116(16K 16K 11位位位位),2 21 1256256(2 25656KK11位)。位)。位)。位)。l l行列地址分时传送,共用一组地址信号线;行列地址分时传送,共用一组地址信号线;行列地址分时传送,共用一组地址信号线;行列地址分时传送,共用一组地址信号线;地址信号线的数量仅为同等容量地址信号线的数量仅为同等容量地址信号线的数量仅为同等容
14、量地址信号线的数量仅为同等容量SRAMSRAM芯芯芯芯 片片片片的一半。的一半。的一半。的一半。1 1位芯片常用!位芯片常用!位芯片常用!位芯片常用!读命令DRAM 2164A DRAM 2164A 的数据读出时序图的数据读出时序图DRAM芯片2164A12345678161514131211109NCDINWERASA0A1A2GNDVCCCASDOUTA6A3A4A5A7主要引线RAS:行地址选通信号。用于锁存行地址;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。DIN:数据输入DOUT:数据输出WE=0 数据写入数据写入W
15、E=1 数据读出数据读出WE:写允许信号:写允许信号图图图图4.17 EPROM4.17 EPROM的基本存储电路和的基本存储电路和的基本存储电路和的基本存储电路和FAMOSFAMOS结构结构结构结构P PP PS SD D SIOSIO22 SIOSIO22+N N基底基底源极源极漏极漏极多晶硅浮置栅多晶硅浮置栅字选线浮置栅 场效应管位线(a)EPROM(a)EPROM的基本存储结构的基本存储结构(b)(b)浮置栅雪崩注入型场效应管结构浮置栅雪崩注入型场效应管结构(6)EPROM 基本储存电路 P213特点:特点:(1)可以多次修改擦除。可以多次修改擦除。(2)EPROM通过紫外线光源擦除通
16、过紫外线光源擦除(编程后,编程后,窗口应贴上不透光胶纸窗口应贴上不透光胶纸)。(3)E2PROM电可擦除。电可擦除。典型的典型的EPROM芯片芯片 常常 用用 的的 典典 型型 EPROM芯芯 片片 有有:2716(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)、27128(16K8)、27256(32K8)、)、27512(64K8)等。)等。和SRAM兼容!VCCPGM NC A8 A9 A11 OE A10 CE D7 D6 D5 D4 D3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1428 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 1
17、52764VPP A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0D0 D1 D2GND封装及引脚封装及引脚2764封装图 A0A12 地址输入,213=8192=8K D0D7 双向数据线 VPP 编程电压输入端 OE 输出允许信号 CE 片选信号 PGM 编程脉冲输入端,读数据 时,PGM=1Intel-2764芯芯 片片 是是 一一 块块 8K8bit的的EPROM芯片,如图所示:芯片,如图所示:2764操作方式操作方式2764中第中第26脚为脚为NC,若改为,若改为A13,则为,则为27128芯片封装图芯片封装图EPROM和和SRAM的相应型号器件完全的相应型号器件完全兼容,如兼
18、容,如2764和和6264引脚完全兼容。引脚完全兼容。与与系统连接和系统连接和RAM使用相同的方法。使用相同的方法。编成脉冲编成脉冲PGM和和Vpp都连接在都连接在+5V。图。图5-28 p215三.SRAM芯片应用(EPROM)P202数据总线控制总线CPU 地址总线 存 储 器 图图 CPU与存储器连接示意图与存储器连接示意图 82848282存储器8286I/O接口VccVccCLKMN/MXRDWRIO/MALEA16-A19AD0-AD15DT/RDENINTAINTRREADYRESET8088CPUSTBTOE数据总线地址总线OE8088最小组态系统配置图时钟发生器在最小模式系统
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