【正文】 1 微機原理與接口技術 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 2 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) ? 存儲器概述 ? 半導體存儲器的基本知識 ? 微機系統(tǒng)中的主存儲器組織 ? 高速緩沖存儲器 ? 輔助存儲器 3 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 一個 雙穩(wěn)態(tài) 的 半導體電路 或 磁性材料 的存儲元均可存儲一位二進制代碼，這個二進制代碼位是存儲器中最小的存儲單位，稱為一個 存儲位 或 存儲元 。 ? 由若干個存儲元組成一個 存儲單元 。 ? 由許多存儲單元 組成一個 存儲器 。 有了 存儲器，計算機就具有記憶 能力。 ? 由存放程序和數據的各類 存儲設備 及 相關軟件 構成存儲系統(tǒng) 。 4 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲器的分類 —— 按存儲介質分類 磁盤存儲器 磁帶存儲器 光介質存儲器 存 儲 器 半導體 存儲器 磁表面 存儲器 掩模只讀存儲器 MROM 可編程只讀存儲器 PROM 可擦除可編程只讀存儲器 EPROM 電可擦可編程只讀存儲器 EEPROM 快閃存儲器 Flash Memory 隨機 存儲器 RAM 只讀 存儲器 ROM 單極型 (MOS)半導體存儲器 雙極型 (TTL)半導體存儲器 動態(tài) DRAM 靜態(tài) SRAM 硬盤 軟盤 5 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲器的分類 —— 按信息的可保存性分類 易失性 存儲器 非易失性 存儲器 磁盤存儲器 磁帶存儲器 光介質存儲器 存 儲 器 半導體 存儲器 磁表面 存儲器 掩模只讀存儲器 MROM 可編程只讀存儲器 PROM 可擦除可編程只讀存儲器 EPROM 電探險可編程只讀存儲器 EEPROM 快閃存儲器 Flash Memory 隨機 存儲器 RAM 只讀 存儲器 ROM 單極型 (MOS)半導體存儲器 雙極型 (TTL)半導體存儲器 動態(tài) DRAM 靜態(tài) SRAM 硬盤 軟盤 6 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲器的分類 —— 按在計算機系統(tǒng)中的作用分類 ? 主存儲器 —— 又稱 內部存儲器 ，用來存放當前正在使用或者經常使用的程序和數據， CPU可直接對它進行訪問。主存由半導體存儲器組成，包括 ROM和 RAM兩種類型，其中 ROM用于存放系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)參數或永久性數據， RAM用于存放臨時性數據和應用程序，主要采用 單極型 (MOS)半導體存儲器件 。 ? 輔助存儲器 —— 又稱 外部存儲器 ，主要用來存放當前暫時不參加運算的程序和數據，通常 CPU不直接訪問輔存。 ? 高速緩沖存儲器 (Cache)—— 用于彌補計算機內部各器件之間的速度差異。主要采用 雙極型 (TTL)半導體存儲器件 。 7 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲器的主要性能指標 ? 存儲容量 —— 存儲器能夠存儲二進制信息的數量，常用單位：B、 KB、 MB、 GB、 TB。計算機可直接尋址的主存容量由地址碼位數確定。 ? 存儲器存取時間和存取速度 —— 存儲器存取時間 又稱為 存儲器訪問時間 ，是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間，也稱為 讀寫時間 。存取速度是存取時間的倒數。 ? 磁表面存儲器不同于半導體存儲器，其數據存取需要磁頭的機械運動，因此其操作過程由： 磁道定位時間 、 磁頭等待時間 、 讀寫時間 及傳 送時間 等部分組成，而且定位時間、磁頭等待時間都與 磁頭當前的位置和 要存取的數據位置 有關，因此通常 采用平均值表示 。 ? 價格 /位 —— 常用每字節(jié)或每 MB成本表示，即 C=價格 /容量 ? 可靠性 —— 通常用平均無故障工作時間（ Mean Time Between Failures，簡稱 MTBF）即兩次故障之間的平均時間來衡量。 8 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲系統(tǒng)的概念 存儲系統(tǒng) 由 存放程序和數據的各類 存儲設備 及 相關軟件 構成。 ? 應用程序員透明，并且從應用程序員角度看它是一個存儲器 ? 速度接近最快的那個存儲器 ? 容量與容量最大的那個存儲器相等或接近 ? 單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器 高 低 小 大 快 慢 輔存 寄存器 緩存 主存 磁盤 光盤 磁帶 速度 容量 價格 位 ／ CPU CPU 主機 9 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 存儲器概述 ? 存儲系統(tǒng)的概念 存儲系統(tǒng) 由 存放程序和數據的各類 存儲設備 及 相關軟件 構成。 高速緩存 的引入，把慢速的內存當高速內存來使用。 虛擬存儲器技術 是在內存與外存之間引入相應的硬件和軟件，把大容量的外存當大容量的內存來使用。 分級存儲器結構示意圖 CPU 內 部 寄 存 器 高速緩沖存儲器 (Cache) 內 存 儲 器 外 存 儲 器 容量增 速度、位價格減 10 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) ? 存儲器概述 ? 半導體存儲器的基本知識 ? 微機系統(tǒng)中的主存儲器組織 ? 高速緩沖存儲器 ? 輔助存儲器 11 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器的特點 ? 速度快，存取時間可達到納秒 (ns)級 ? 高度集成化，不僅存儲單元所占的空間小，而且譯碼電路和數據緩沖寄存器以及存儲單元都集成在一個芯片中，體積特別小 ? 功耗低，一般為幾十毫瓦 (mW) 12 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 13 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 位片結構 —— 組成存儲單元的存儲元只有一位，譯碼選中一個存儲單元時只能進行一位信息的讀寫，即字長等于 1位。 字片結構 —— 字長大于 1位，可以為 4位或 8位等。 存儲芯片的容量一般用 字數 字長 表示。如： 1K 1位、 128 8位 SRAM常采用字片結構， DRAM常采用位片結構。 14 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 地址鎖存器的作用是保存 CPU輸入的地址信息，以等待譯碼電路選擇存儲單元。 15 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 譯碼器將地址碼轉換成譯碼器輸出線上相應的有效電平，表示選中某一存儲單元，并由驅動器提供驅動電流去驅動相應的讀寫電路，完成被選中單元的讀寫操作。 譯碼驅動方式有兩種： 一維地址譯碼 、 二維地址譯碼 。 16 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 一維地址譯碼 —— 每個存儲單元連在一條字線上，由地址譯碼器驅動字線 。 缺點：當地址線增加時，譯碼器的復雜度按 2n增加。 17 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 二維 地址譯碼 —— 把 n位地址分成大致相等的兩段，一段用于水平方向作 X地址線， 另一段用于垂直方 向作 Y地址線，存儲 單元的地址由 X和 Y 兩個方向的地址來 決定。 18 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 包括 讀出放大器 、 寫入電路 和 讀寫控制電路 ，用以完成被選中存儲單元中各位的讀出和寫入操作。 19 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 半導體存儲器芯片的結構 地址譯碼和驅動 I/O控制電路 地址鎖存 存儲體 讀寫控制 AB CB DB 控制邏輯接收 CPU送來的啟動、讀、寫及清除命令，經控制電路處理后，由控制邏輯產生一組時序信號來控制存儲器的讀出和寫入操作。 20 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 典型芯片 SRAM 引腳特點 ?地址線 An 接 CPU 的地址總線 AB ?數據線 Dm 接 CPU 的數據總線 DB ?片選線 /CE（ /CS）由 CPU 的 AB 線譯碼產生 ?讀寫線 /OE、 /WE 由 CPU 的控制線 /RD、 /WR控制 AB DB VCC GND /RD /WR /OE /WE /CS A0 ~ An D0 ~ Dm 譯碼電路 21 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 典型芯片 1. SRAM存儲芯片 —— Intel 2114 1K 4bit的 SRAM存儲器 芯片 VCC GND A3 A4 A5 A6 A7 A8 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 輸入 數據 控制 行 選 擇 64?64 存儲矩陣 列 I/O電路 列選擇 A0 A2 A1 A9 A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 GND CS WE CS WE Vcc A7 A8 A9 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 17 16 15 14 13 12 11 10 （ b） Intel 2114的外部引腳 （ a） Intel 2114的內部結構 22 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 典型芯片 2. SRAM存儲芯片 —— Intel 6264 8K 8bit低功耗 CMOS SRAM A0 A1 A2 A10 Y譯碼 存儲體 存儲體 控制邏輯 X 譯 碼 A3 A9 A11 A12 … … I/O 緩 沖 D0～ D7 VCC CS2 A8 A9 A10 A11 27 28 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 D7 D6 D5 D4 D3 NC A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 6264 … WE1CSOE （ b）外部引腳圖 （ a）內部結構 23 第 5章 微機的存儲系統(tǒng) 半導體存儲器的基本知識 ? 典型芯片 2. SRAM存儲芯片 —— Intel 6264 8K 8bit低功耗 CMOS SRAM ? 提供兩條片選線是為了應用時控制方式多樣 ? 讀寫線為兩條是為不同 CPU服務 /CS1接低、 CS2控制 /CS1 CS2 GND 6264 CS2接高、 /CS1控制 /CS1 CS2 VCC 6264 8086CPU 6264SRAM 讀 :/RD=L,/WR=H。/WE=H,/OE=L 寫 :/RD=H,/WR=L。/WE=L, /OE=H 8086CPU與 6264SRAM的接線圖