《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課件微接5

第五章

存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器子系統(tǒng)5.1存儲(chǔ)器概述5.2半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器5.3動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)器5.4存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)5.5高速緩沖存儲(chǔ)器5.6虛擬存儲(chǔ)器5.1存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)有：存儲(chǔ)容量存取速度體積和功耗可靠性

5.1.2存儲(chǔ)器的分類

按照存儲(chǔ)介質(zhì)，可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁介質(zhì)存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器。

按照存儲(chǔ)器與CPU的耦合程度，可分為內(nèi)存和外存。

按存儲(chǔ)器的讀寫功能，分為讀寫存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。

按掉電后存儲(chǔ)的信息可否保持，分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。5.1.2存儲(chǔ)器的分類

按照數(shù)據(jù)存取的隨機(jī)性，分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、順序存取存儲(chǔ)器（SAM）和直接存取存儲(chǔ)器（DAM）。

按訪問的串并行性，分為并行存取存儲(chǔ)器和串行存取存儲(chǔ)器。

5.1.2存儲(chǔ)器的分類

按照存儲(chǔ)器的尋址方式，分為按地址尋址的存儲(chǔ)器和按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器（CAM，相聯(lián)存儲(chǔ)器）。

按照半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)方法，分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。

按存儲(chǔ)器的功能，分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器、顯示存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器等。5.1.3內(nèi)存的基本組成5.1.4存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1．程序的局部性原理圖5.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖5.3由cache和主存構(gòu)成的兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)

2．多級(jí)存儲(chǔ)體系的組成3．多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能5.2半

導(dǎo)

體

靜

態(tài)

存

儲(chǔ)

器SRAM和各種類型的ROM都屬于半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器。5.2.1SRAM存儲(chǔ)器相對(duì)于DRAM而言，SRAM的速度快、接口簡(jiǎn)單、讀寫操作簡(jiǎn)便，但存儲(chǔ)密度較高、存儲(chǔ)容量較小、價(jià)格也比較高，通常在不需要太大的存儲(chǔ)容量的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（例如嵌入式系統(tǒng)）中作為RAM存儲(chǔ)器使用，或是在多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中被用于構(gòu)成cache存儲(chǔ)器。1．SRAM的基本存儲(chǔ)單元2．SRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部特性SRAM內(nèi)部一般由行／列譯碼器、存儲(chǔ)矩陣、讀寫控制電路、輸入／輸出數(shù)據(jù)緩沖器等組成。

圖5.5SRAM628128的管腳信號(hào)

5.2.2UV-EPROM存儲(chǔ)器UV-EPROM是用絕緣柵MOS管構(gòu)成的，它利用與周圍完全絕緣的柵極（稱浮柵）上是否帶有電荷來(lái)決定存儲(chǔ)的信息是1還是0。圖5.6EPROM27C040的管腳信號(hào)

5.2.3EEPROM存儲(chǔ)器EEPROM（E2PROM）是在絕緣柵MOS管的浮柵附近再增加一個(gè)柵極（控制柵）。給控制柵加一正電壓，就可在浮柵和漏極之間形成厚度不足200A的隧道氧化物。圖5.7EEPROM28256的管腳信號(hào)5.2.4

閃速存儲(chǔ)器特點(diǎn)是：（1）按區(qū)塊（sector）或頁(yè)面（page）組織

（2）可進(jìn)行快速頁(yè)面寫入

（3）具有內(nèi)部編程控制邏輯

（4）具有在系統(tǒng)編程能力

（5）具有軟件和硬件保護(hù)能力

1．閃存的內(nèi)部組織（1）閃存的特點(diǎn)（2）閃存的組織結(jié)構(gòu)①按頁(yè)面組織

②按區(qū)塊組織

2．閃存芯片舉例（1）SST28EE020——2M比特頁(yè)面式閃存（2）SST28SF040——4M比特區(qū)塊式閃存3．閃存的應(yīng)用存儲(chǔ)監(jiān)控程序、引導(dǎo)程序或BIOS等基本不變或不經(jīng)常改變的程序。儲(chǔ)存在掉電時(shí)需要保持的系統(tǒng)配置等不常改變的數(shù)據(jù)。

固態(tài)盤應(yīng)用。

5.3動(dòng)

態(tài)

RAM存

儲(chǔ)

器圖5.10單管動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)單元

5.3.2

DRAM的管腳信號(hào)與讀寫操作圖5.11DRAM的管腳信號(hào)DRAM的刷新操作是周期性的，整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行一次刷新操作的時(shí)間間隔稱為刷新周期。刷新周期一般為2ms，4ms或8ms。5.3.3

DRAM的刷新1．DRAM的刷新策略（1）集中刷新（2）分散刷新（隱式刷新）（3）異步刷新2．DRAM的刷新模式

（1）只用信號(hào)的刷新模式

（2）在之前的刷新模式

5.3.4

DRAM控制器圖5.15DRAM控制器的結(jié)構(gòu)

由于DRAM的存儲(chǔ)密度較高，因而非常適于在需要較大容量存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中作為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。PC微機(jī)即采用各種類型的DRAM作為可讀寫主存。

5.3.5

PC機(jī)的DRAM存儲(chǔ)器1．PC機(jī)隨機(jī)存儲(chǔ)器的演變（1）FPMDRAM（FastPageModeDRAM）（2）EDODRAM（ExtendedDataOutDRAM）（3）SDRAM（SynchronousDRAM）（4）RDRAM（RambusDRAM）（5）DDRSDRAM（DualRateSDRAM）2．DRAM內(nèi)存條的接口特性（1）地址信號(hào)線（輸入）（2）數(shù)據(jù)信號(hào)線（輸入/輸出）（3）控制信號(hào)線（4）串行存在探測(cè)（SPD）信號(hào)線（5）電源3．內(nèi)存的組織圖5.16PC機(jī)的內(nèi)存組織

圖5.1916位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織

圖5.2032位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織

5.4.1存儲(chǔ)器的接口信號(hào)存儲(chǔ)器通過總線與CPU連接。CPU與存儲(chǔ)器之間要交換地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息。

5.4存

儲(chǔ)

器

的

接

口

設(shè)

計(jì)圖5.21存儲(chǔ)器的接口信號(hào)

5.4.2

存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)需要考慮的問題

1．存儲(chǔ)器容量2．存儲(chǔ)空間的安排3．總線上的存儲(chǔ)器存取信號(hào)及時(shí)序4．?dāng)?shù)據(jù)總線寬度本節(jié)將介紹cache的地址變換原理以及替換算法，并且只考慮使用一級(jí)cache的情況。5.5高

速

緩

沖

存

儲(chǔ)

器

5.5.1

cache的工作原理

1．為引入cache必須解決的問題2．帶有cache的存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5.26cache的工作原理5.5.2

cache地址映射和地址變換地址映射方法有三種：1．全相聯(lián)映射2．直接映射3．組相聯(lián)映射圖5.27組相聯(lián)映射及其變換

5.5.3

替換算法1．隨機(jī)替換法2．先進(jìn)先出（FIFO）算法3．最近最少使用（LRU：LeastRecentlyUsed）算法4．最久沒有使用（LFU：LeastFrequentlyUsed）算法5.5.4

cache的一致性問題——更新算法導(dǎo)致主存和cache內(nèi)容的不一致原因一是CPU改變了cache的內(nèi)容，而主存沒有改變；二是輸入偷出設(shè)備或其它主控部件改變了主存，而cache的內(nèi)容沒有隨之改變。5.6虛

擬

存

儲(chǔ)

器5.6.1虛存的概念

1．實(shí)地址與虛地址用戶編制程序時(shí)使用的地址稱為虛地址或邏輯地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱為虛存空間或邏輯地址空間；而計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的訪問地址則稱為實(shí)地址或物理地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱為物理存儲(chǔ)空間或主存空間。

圖5.29實(shí)地址和虛地址的對(duì)應(yīng)

2．虛存的訪問過程（1）虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過程（2）虛存機(jī)制要解決的關(guān)鍵問題3．cache與虛存的異同（1）cache一主存和主存一輔存兩個(gè)存儲(chǔ)層次的相同點(diǎn)①出發(fā)點(diǎn)相同

②原理相同

（2）cache一主存和主存一輔存兩個(gè)存儲(chǔ)層次的不同點(diǎn)①側(cè)重點(diǎn)不同

②數(shù)據(jù)通路不同

③透明性不同

④未命中時(shí)的損失不同

5.6.2虛存的地址變換目前應(yīng)用的地