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1、第第 3 3 章章 存储器及其组成设计存储器及其组成设计在现代计算机中在现代计算机中,存储器处于全机中心地位存储器处于全机中心地位3.1 概述概述存储器存储器运算器运算器控制器控制器输入输入输出输出复习：存储器各个概念之间的关系复习：存储器各个概念之间的关系单元地址单元地址00000001.XXXX存储单元存储单元存储元存储元存储体存储体1.1.存储容量存储容量（Memory Capacity）H 存储容量指存储器可以存储的二进制信息量。存储容量指存储器可以存储的二进制信息量。存储容量存储容量=字数字数字长字长如：一个存储器能存储如：一个存储器能存储1024个字，字长个字，字长8位，则存储器容
2、量可位，则存储器容量可用用 1024 8表示表示H 微机中的存储器一般都是以字节（微机中的存储器一般都是以字节（8 8位）进行位）进行编址，即总是认为一个字节是编址，即总是认为一个字节是“基本基本”的字长。的字长。常用常用B B表示表示 H 存储单元数一般用存储单元数一般用K K、M M、G G、T T表示表示 1K=10241K=1024 1M=1024K=1024 1M=1024K=1024*10241024 1G=1024M 1G=1024M 1T=1024G 1T=1024G 10000101一一.计算机系统存储器的主要性能指标计算机系统存储器的主要性能指标 2.存取时间存取时间（Me
3、mory Access Time）定义为访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所需要定义为访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所需要的时间，一般用的时间，一般用ns表示，如表示，如55ns/65ns/120ns等。等。3功耗功耗 工作电流和待机电流工作电流和待机电流 4工作电压工作电压 5V、3.3V、1.8V 5.工作温度工作温度 商用级（商用级（0+70C）、工业级（）、工业级（-40C+85C）、军）、军用级（用级（-55C+125C）二二.存储器分类存储器分类:1.按存储介质分按存储介质分 半导体存储器半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：
4、磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。用磁性材料做成的存储器。2.按存储方式分按存储方式分 随机存储器随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取 时间和存储单元的物理位置无关。时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器：顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元 的物理位置有关。的物理位置有关。3.按存储器的读写功能分按存储器的读写功能分 只读存储器只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而：存储的内容是固定不变的，只能读出而 不能写入的半导体存储器。不能写入的半导体存储器。随机读
5、写存储器随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。：既能读出又能写入的半导体存储器。4.按信息的可保存性分按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。：断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。断电后仍能保存信息的存储器。5.按在计算机系统中的作用分按在计算机系统中的作用分 根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为:主存储器主存储器、辅助存储器辅助存储器、高速缓冲存储器高速缓冲存储器、控制存储器控制存储器等。等。半半导导体体存存储储器器 只读只读
6、存储器存储器 ROM 随机读写随机读写存储器存储器RAM 掩膜掩膜ROM 可编程可编程ROM（PROM ）可擦除可擦除ROM（EPROM ）电擦除电擦除ROM（E2PROM ）静态静态RAM（SRAM ）动态动态RAM（DRAM ）半导体存储器半导体存储器H 内存条内存条:由于动态由于动态RAMRAM集成度高，价格较便宜，在微机系统集成度高，价格较便宜，在微机系统中使用的动态中使用的动态RAMRAM组装在一个条状的印刷板上。系统配有组装在一个条状的印刷板上。系统配有动态动态RAMRAM刷新控制电路，不断对所存信息进行刷新控制电路，不断对所存信息进行“再生再生”。1.RAM 1.RAM：随机存储
7、器随机存储器,是是“内存内存”的重要组成部分，的重要组成部分，CPUCPU执执行指令可对其进行行指令可对其进行“读读”、“写写”操作。操作。H静态静态RAMRAM：集成度低，信息稳定，读写速度快。：集成度低，信息稳定，读写速度快。H动态动态RAMRAM：集成度高，容量大，缺点是信息存储不稳定，：集成度高，容量大，缺点是信息存储不稳定，只能保持几个毫秒，为此要不断进行只能保持几个毫秒，为此要不断进行“信息再生信息再生”，即，即进行进行 “刷新刷新”操作。操作。SRAM内存条内存条2.ROM:只读存储器，只读存储器，所存信息只能读出所存信息只能读出,不能写入。不能写入。缺点缺点不能重写不能重写只能
8、一次只能一次性改写性改写只读存储器只读存储器 掩模式掩模式 (ROM)一次编程一次编程(PROM)多次编程多次编程(EPROM)(EEPROM)定义定义数据在芯片制造过程数据在芯片制造过程中就确定中就确定 用户可自行改变产品用户可自行改变产品中某些存储元中某些存储元 可以用紫外光照可以用紫外光照 射射或电擦除原来的数据，或电擦除原来的数据，然后再重新写入新的数然后再重新写入新的数据据优点优点 可靠性和集成度可靠性和集成度高，价格便宜高，价格便宜 可以根据用户需要可以根据用户需要编程编程 可以多次改写可以多次改写ROM中的内容中的内容快闪存储器快闪存储器Flash memoryEPROM4.高速
9、缓冲存储器高速缓冲存储器Cache:Cache位于位于CPU与主存储器之间，由高速静态与主存储器之间，由高速静态RAM组组成。容量较小，为提高整机的运行速度而设置成。容量较小，为提高整机的运行速度而设置,应用程序应用程序不能访问不能访问Cache，CPU内部也有内部也有Cache。3.ROM/EPROM3.ROM/EPROM在微机系统中的应用在微机系统中的应用:H 存放存放“基本输入基本输入/输出系统程序输出系统程序”(简称简称BIOS)BIOS)。H BIOSBIOS是计算机最底层的系统管理程序是计算机最底层的系统管理程序,操作系统和用户操作系统和用户程序均可调用。程序均可调用。一个基本存储
10、电路只能存储一个二进制位。一个基本存储电路只能存储一个二进制位。将基本的存储电路有规则地组织起来，就是存储体。将基本的存储电路有规则地组织起来，就是存储体。存储体又有不同的组织形式，体现在每种有不同的存储体又有不同的组织形式，体现在每种有不同的数据宽度。数据宽度。例：例：16K16K1位的存储体位的存储体，每次存储器访问可获得每次存储器访问可获得1 1位位数据项，如：数据项，如：81188118芯片芯片 1 1K4位的存储体，每次存储器访问可获得位的存储体，每次存储器访问可获得4位位数据项，如：数据项，如：21142114芯片芯片 32K32K8位的存储体，每次存储器访问可获得位的存储体，每次
11、存储器访问可获得8位位数据项，如：数据项，如：62256芯片芯片 为了区别不同的存储单元，每个单元给予不同的地址，为了区别不同的存储单元，每个单元给予不同的地址，CPU通过地址通过地址来访问存储单元。来访问存储单元。于是电路中要有于是电路中要有 地址译码器地址译码器、I/O电路电路、片选控制端片选控制端CS、数据缓冲数据缓冲 器器 等等三三.存储器（芯片）结构存储器（芯片）结构存储器存储器内部内部框图框图存储体存储体列列地地址址译译码码地地址址输输入入缓缓冲冲行地址译码行地址译码控控制制逻逻辑辑数数据据缓缓冲冲A0An/WE/OE/CSI/O1I/Ox3.2 微型计算机系统中的存储器组织微型计
12、算机系统中的存储器组织 现代计算机中的存储器处于全机重要地位现代计算机中的存储器处于全机重要地位 容量大，速度快，成本低容量大，速度快，成本低 为解决三者之间的矛盾，目前通常采用为解决三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构多级存储器体系结构，即使用即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器。对存储器的要求是：对存储器的要求是：寄存器寄存器Cache主存储器主存储器 辅助存储器辅助存储器CPU内部内部访问速度访问速度低低高高 名称名称 高速缓冲高速缓冲 存储器存储器 主存储器主存储器 辅助存储器辅助存储器 简称简称 Cache 主存主存 外存外存用途用
13、途 高速存取指令和数据高速存取指令和数据 存放计算机运行期间的存放计算机运行期间的大量程序和数据大量程序和数据 存放系统程序和大型数据存放系统程序和大型数据文件及数据库文件及数据库特点特点 存取速度快，但存存取速度快，但存储容量小储容量小存取速度较快，存取速度较快，存存储容量不大储容量不大存储容量大，位成存储容量大，位成本低，速度慢本低，速度慢不同类型存储器的用途和特点不同类型存储器的用途和特点一一.存储器与存储器与CPU的连接的连接译码器译码器ABDBCPUCSRD存储器存储器WR数据总线数据总线n位位地址总线地址总线K位位ReadWriteH2424位地址（位地址（A23-A0），最多可访
14、问最多可访问16MB16MB容量的存储器。容量的存储器。地址范围：地址范围：000000H000000HFFFFFFH FFFFFFH H2020位地址（位地址（A A1919-A-A0 0），最多可访问），最多可访问1MB1MB容量的存储器。容量的存储器。地址范围：地址范围：00000H00000HFFFFFH FFFFFH 二二.CPU.CPU对存储器的读写操作对存储器的读写操作 每个存储单元都编排有一个地址，每个存储单元都编排有一个地址，CPUCPU对存储器进行操作，对存储器进行操作，需要通过地址码确定要访问的单元，地址码是一串二进制数，需要通过地址码确定要访问的单元，地址码是一串二进制
15、数，习惯上写成习惯上写成1616进制。进制。1.CPU1.CPU所能访问的存储器容量大小由地址线的所能访问的存储器容量大小由地址线的“宽度宽度”决定：决定：H3232位地址（位地址（A A3131-A-A0 0），最多可访问），最多可访问4GB4GB容量的存储器。容量的存储器。地址范围：地址范围：0000,0000H0000,0000HFFFF,FFFFHFFFF,FFFFH 例例：容量为：容量为8KB8KB（2 21313B B）的存储器）的存储器,地址范围：地址范围：0000H0000H1FFFH1FFFH，由，由1313根地址线提供地址。根地址线提供地址。A11A11A12A12A0A0
16、0000H0000H0001H0001H1FFFH1FFFH地地址址译译码码器器读写控制电路读写控制电路存储体存储体存储器读写命令存储器读写命令 数据线数据线D7-D0D7-D0地址线地址线2.2.存储器读写示意存储器读写示意:CS读读存储器过程存储器过程某一存储单元的内容某一存储单元的内容送往送往CPUCPU数据线。数据线。CPUCPU通过地址线发出地址；通过地址线发出地址；由地址译码器对地址进行由地址译码器对地址进行“翻译翻译”,选中某一存储单元；选中某一存储单元；CPUCPU发出存储器读命令发出存储器读命令,0000H0000H存储器存储器C CP PU U地地址址线线 A12A12A0A01FFFH1FFFH 地地址址译译码码器器读写控制电路读写控制电路 CPUCPU控制线控制线 数据线数据线C CP PU U数数据据线线 A11A110001H0001H89H存储器读命令存储器读命令10010001101001234H1234H89H89HCS0写写存储器过程存储器过程0000H0000H存储器存储器C CP PU U地地址址线线 A12A12A0A01FFFH1FFFH 地
