【正文】 第四章 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器概述 外部特性 ， 性能參數(shù) ， 層次結(jié)構(gòu) 靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元構(gòu)成 一位存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)陣列 ， 多端口 SRAM， 讀寫(xiě)時(shí)序 半導(dǎo)體 ROM存儲(chǔ)器 MROM， PROM， EPROM， EEPROM， FLASH 存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成以及存儲(chǔ)器主要技術(shù)指標(biāo) 存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù) 位 、 字 、 字位擴(kuò)展 本講安排 本講將解決的主要問(wèn)題 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類 、 組成及組成部件的作用及工作原理 、 讀 /寫(xiě)操作的基本過(guò)程 。 SRAM、 DRAM芯片的組成特點(diǎn) 、 工作過(guò)程 、 典型芯片的引腳信號(hào) 、 了解 DRAM刷新的基本概念 。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo) 、 芯片的擴(kuò)充 、 CPU與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器間的連接 。 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器處于全機(jī)中心地位，其原因是： (1) 當(dāng)前計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)（除了暫存于 CPU寄存器的）均存放在存儲(chǔ)器中。 CPU直接從存儲(chǔ)器取指令或存取數(shù)據(jù)。 (2) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中輸入輸出設(shè)備數(shù)量增多，數(shù)據(jù)傳送速度加快，因此采用了直接存儲(chǔ)器存取（ DMA）技術(shù)和 I/O通道技術(shù)，在存儲(chǔ)器與輸入輸出系統(tǒng)之間直接傳送數(shù)據(jù)。 (3) 共 享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)的出現(xiàn)，利用存儲(chǔ)器存放共享數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)處理機(jī)之間的通信，更加強(qiáng)了存儲(chǔ)器作為全機(jī)中心的地位。 由于中央處理器都是由高速器件組成，不少指令的執(zhí)行速度基本上取決于主存儲(chǔ)器的速度。所以，計(jì)算機(jī)解題能力的提高、應(yīng)用范圍的日益廣泛和系統(tǒng)軟件的日益豐富，無(wú)一不與主存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。 簡(jiǎn)介 存儲(chǔ)器概述 存儲(chǔ)器： 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)元： 存儲(chǔ)器的最小組成單位，用以存儲(chǔ) 1位二進(jìn)制代碼。 存儲(chǔ)單元： 是 CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器基本單位，由若干個(gè)具有相同操作屬性的存儲(chǔ)元組成。 單元地址： 在存儲(chǔ)器中用以表識(shí)存儲(chǔ)單元的唯一編號(hào)， CPU通過(guò)該編號(hào)訪問(wèn)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。 字存儲(chǔ)單元 ：存放一個(gè)字的存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的單元地址叫字地址。 字節(jié)存儲(chǔ)單元： 存放一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的單元地址叫字節(jié)地址 按字尋址計(jì)算機(jī)： 可編址的最小單位是字存儲(chǔ)單元的計(jì)算機(jī)。 按字節(jié)尋址計(jì)算機(jī) ：可編址的最小單位是字節(jié)的計(jì)算機(jī)。 存儲(chǔ)體： 存儲(chǔ)單元的集合，是存放二進(jìn)制信息的地方 幾個(gè)基本概念 存儲(chǔ)器各個(gè)概念之間的關(guān)系 單元地址 00…00 00…01 . . . . . . . . XX…XX 存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元 存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)體 存儲(chǔ)器分類 1. 按存儲(chǔ)介質(zhì)分 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 磁表面存儲(chǔ)器： 在金屬或塑料基體的表面上涂一層磁性材料，工作時(shí)磁層隨載磁體高速運(yùn)轉(zhuǎn)，用磁頭在磁層上進(jìn)行讀 寫(xiě)操作；按其剩磁狀態(tài)的不同區(qū)分“ 0”、“ 1” 光盤(pán)存儲(chǔ)器： 用激光在記錄介質(zhì) (磁光材料 )上進(jìn)行讀寫(xiě)， 記錄密度高、耐性好、可靠性高、可互換性強(qiáng) 2. 按存取方式分 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(wú)關(guān) 順序存儲(chǔ)器： 只能按某種順序來(lái)存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān) 雙極型 TTL：高速 MOS：高集成度，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，功耗小 易失 非 易失 3. 按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)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(xiě)入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。 通常用來(lái)存放固定不變的程序、常數(shù)和漢字字庫(kù)，甚至用于操作系統(tǒng)的固化。 早期采用掩模工藝，把原始信息記錄在芯片中，一旦制成就無(wú)法改變。 隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器（ RAM） ：既能讀出又能寫(xiě)入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，分為靜態(tài) RAM和動(dòng)態(tài) RAM 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 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(xiě) 存儲(chǔ)器 RAM 掩模 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 磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán) 高速緩沖存儲(chǔ)器（ Cache） Flash Memory 存 儲(chǔ) 器 主存儲(chǔ)器 掩模 ROM PROM EPROM EEPROM RAM ROM 靜態(tài) RAM 動(dòng)態(tài) RAM 輔助存儲(chǔ)器： 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 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 高 低 小 大 快 慢 速度 容量 價(jià)格 位 ／ 名 稱 高速緩沖 存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器 簡(jiǎn)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(kù) 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) 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 存儲(chǔ)容量；存取時(shí)間（存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間）、存儲(chǔ)周期和存儲(chǔ)器帶寬；可靠性；功耗及集成度。 指 標(biāo) 存儲(chǔ)容量 存取時(shí)間 存儲(chǔ)周期 存儲(chǔ)器帶寬 含 義 在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù) 啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作所經(jīng)歷的時(shí)間 連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔的最小時(shí)間 單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量 表 現(xiàn) 存儲(chǔ)空間的大小 主存的速度 主存的速度 數(shù)據(jù)傳輸速率技術(shù)指標(biāo) 單 位 字?jǐn)?shù)， 字節(jié)數(shù) ns ns 位 /秒， 字節(jié) /秒 ?可靠性 主存儲(chǔ)器的可靠性通常用平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF (Mean Time Between Failures)來(lái)表征。 MTBF指連 續(xù)兩次故障之間的平均時(shí)間間隔。顯然， MTBF越 長(zhǎng)，意味著主存的可靠性越高。 ? 功耗 作為目前的主存儲(chǔ)器的主體的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的功耗包 括 “ 維持功耗 ” 和 “ 操作功耗 ” ， 應(yīng)在保證速度的前提下 盡可能地減小功耗 ， 特別是要減小 “ 維持功耗 ” 。 ? 集成度 所謂集成度是指在一片數(shù)平方毫米的芯片上能集成 多少個(gè)存儲(chǔ)單元 ， 每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位 ， 所以集成度常表示為 位 /片 。 高位字節(jié) 地址為字地址 低位字節(jié) 地址為字地址 設(shè)地址線 24 根 按 字節(jié) 尋址 按 字 尋址 若字長(zhǎng)為 16 位 按 字 尋址 若字長(zhǎng)為 32 位 字地址 字節(jié)地址 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 8 4 0 字節(jié)地址 字地址 4 5 2 3 0 1 4 2 0 主存中存儲(chǔ)單元地址的分配 224 = 16 M 8 M 4 M 芯片容量 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介 1. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu) 譯 碼 驅(qū) 動(dòng) 存 儲(chǔ) 矩 陣 讀 寫(xiě) 電 路 1K 4位 16K 1位 8K 8位 片選線 讀 /寫(xiě)控制線 地 址 線 … 數(shù) 據(jù) 線 … 地址線 （單向） 數(shù)據(jù)線 （雙向） 10 4 14 1 13 8 存儲(chǔ)芯片片選線的作用 用 16K 1位 的存儲(chǔ)芯片組成 64K 8位 的存儲(chǔ)器 32片 每次讀出一個(gè)存儲(chǔ)字時(shí)，只需選中 8片 8片 16K 1位 8片 16K 1位 8片 16K 1位 8片 16K 1位 0,0 15,0 15,7 0,7 讀 /寫(xiě)控制電路 地 址 譯 碼 器 字線 0 15 … … 16 8矩陣 … … … 0 7 D 0 7 D 位線 讀 / 寫(xiě)選通 A 3 A 2 A 1 A 0 … … 2. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的譯碼驅(qū)動(dòng)方式 (1) 線選法 0 0 0 0 ………讀 寫(xiě) 選通 讀 寫(xiě)控制電路 左圖是一個(gè) 16 1字節(jié)線選法存儲(chǔ)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。 用一根字選擇線（字線）直接選中一個(gè)存儲(chǔ)單元的各位（如一個(gè)字節(jié)）。 這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是只適用于容量不大的存儲(chǔ)芯片。 如當(dāng)?shù)刂肪€A3A2A1A0為 1111時(shí)，第 15根字線被選中，圖中最后一行 8位代碼可以直接讀出或?qū)懭搿? A 3 A 2 A 1 A 0 A 4 0,31 0,0 31,0 31,31 Y 地址譯碼器 X 地 址 譯 碼 器 32 32 矩陣 … … A 9 I/O A 8 A 7 A 5 6 A Y 0 Y 31 X 0 X 31 D 讀 /寫(xiě) … … (2) 重合法 0 0 0 0 0 0 0 0 0