1、第 6 章6.16.26.36.4微机原理与接口技术6.1 存储器的分类存储器的分类1.按按制造工艺分类制造工艺分类类型类型速度速度功耗功耗价格价格集成度集成度用途用途双极型快大高低高速缓存（CPU内部）MOS型慢小低高内存（主板上）类型类型又称又称速度速度用途用途内部存储器内存/主存快用来存放当前正在使用或经常使用的程序和数据外部存储器外存/辅存慢不常用的数据2.按用途分类按用途分类3.3.按按存储器存取方式分类：存储器存取方式分类：随机存取存储器随机存取存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器只读存储器ROM(Read-Only Memory)静态静态RAM动态动
2、态RAM掩膜掩膜ROM（MROM）可编程可编程ROM（PROM）可擦除编程可擦除编程ROM（EPROM）电擦除电擦除PROM（EEPROM）存放信息的原理不同按照能否擦写分类6.1 存储器的分类存储器的分类掉电易失掉电不失6.2 半导体存储器的结构存储器的结构图6-1 半导体存储器结构框图 6.2.1 6.2.1 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）1.1.静态随机存储器（静态随机存储器（SRAMSRAM）结构：结构：A A,B,B为存储点为存储点，若A=1，使T2导通，B=0；B=0，使T1截止，A=1，优点：性能稳定优点：性能稳定缺点：集成度低，功耗大缺点：集成度低，功耗大6.2 半导体
3、存储器的结构存储器的结构 典型芯片：HM 6116（2K8位）、6264（8K8位）、62128（16K8位）、62256（32K8位）等。2.2.动态随机存储器（动态随机存储器（DRAMDRAM）结构：结构：一个MOS管加一个电容器组成一位存储单元。信号存储在电容C上。每个存储单元可存放1bit信息（0或1）特点：特点：只要电容上的电荷不损失，锁存的信息就不会丢失。但电容上的电荷是必然会损失的，动态DRAM在使用时必须定时向电容充电补充其损失的电荷 优点：优点：集成度高，功耗低 缺点：缺点：需要定时刷新 典型芯片：典型芯片：2116（16K1）、4164（64K1）6.2 半导体存储器的结构
4、存储器的结构 6.2.1 6.2.1 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）只读存储器 6.2.2 只读存储器ROM 只读存储器ROM，是一种非易失性的半导体存储器件。其中所存放的信息可长期保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固定的程序和数据。在一般工作状态下，ROM中的信息只能读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来信息擦除，以便再次编程。1.固定掩膜编程ROM 一般由生产厂家根据用户的要求定制的。图中，有管子存储0，无管子存储1000110116.2 半导体存储器的结构存储器的结构 6.2.2 6.2.2
5、只读存储器（只读存储器（ROMROM）特点：用户不能擦写特点：用户不能擦写2.可编程的ROM（PROM）出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。均存放信息1；编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入若准备写入1 1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留熔丝将被保留；若准备写入若准备写入0 0，则向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断熔丝烧断。一旦熔丝烧断，就不可能再恢复。6.2 半导体存储器的结构存储器的结构 6.2.2 6.2.2 只读存储器（只读存储器（ROMROM）特点：特点：用户可一次写入用户可一次写入3.紫外光可擦除可编程(EPROM)擦写原理：擦写原理：芯片的上方
6、有一个石英玻璃的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而将写入的信号擦去。6.2 半导体存储器的结构存储器的结构 6.2.2 6.2.2 只读存储器（只读存储器（ROMROM）特点：特点：用户可通过紫外线照射，实现多次擦写用户可通过紫外线照射，实现多次擦写EPROM 典型芯片：2716（2K8位），2732（4K8位），2764（8K8位）、27128（16K8位），27512（32K 8位）4.4.电可擦除可编程电可擦除可编程EEPROMEEPROM（E E2 2PROMPROM）特点：不需要设置单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除。典
7、型EEPROM芯片：ATMEL公司的AT24C08、AT24C64、AT24C256等6.2 半导体存储器的结构存储器的结构 6.2.2 6.2.2 只读存储器（只读存储器（ROMROM）6.2.36.2.3快闪存储器（快闪存储器（Flash MemoryFlash Memory）既有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又有ROM断电不丢失信息的特点。特点：耗电低、集成度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、重复使用性好（至少可反复使用10万次以上）等优点。平均写入速度低于0.1秒。典型应用：典型应用：U盘6.36.3.1.1 存储系统扩充的方式存储系统扩充的方式 若把m*n（小芯片）M*
8、N（大容量）所需数量 1.位扩充 如：1K*41K*8 2.字扩充 如：1K*8 2K*83.字位扩充 1K*42K*8n*m*NMK 6.3 存储器系统设计存储器系统设计6.36.3.2.2存储系统扩充的具体方法存储系统扩充的具体方法 1.线选法 一根地址线，选择一个小芯片2.部分译码法 部分地址线参与译码3.全译码法 所有地址线均参与译码6.3.3 6.3.3 线选法的应用线选法的应用同理，1KRAM的地址空间分配为0400H 07FFH。分析：地址出现重叠，若片选线不合理选择容易造成地址不连续分析：地址出现重叠，若片选线不合理选择容易造成地址不连续1KROM地址：6.3 存储器系统设计存
9、储器系统设计6.3.46.3.4部分译码法的应用部分译码法的应用 例：静态SRAM芯片6116（2K8）组成（8K8）存储系统 所需芯片数：48*28*8n*m*KKNMK6.3 存储器系统设计存储器系统设计同理，6116#2:08800H08FFFH 6116#3:09000H097FFH 6116#4:09800H09FFFH结论：结论：地址连续，但存在重叠（因A1916=1或0均可）6.3.5 6.3.5 全全译码法的应用译码法的应用6.3 存储器系统设计存储器系统设计同理：6116#2的地址空间：F0800H F0FFFH。6116#3的地址空间：F1000H F17FFH。6116#
10、4的地址空间：F1800H F1FFFH。结论：结论：地址连续且不存在重叠地址连续且不存在重叠存储系统的层次化结构：存储系统的层次化结构：6.4 新型存储技术辅存（外存）主存（内存）缓存（cache）存放当前正在使用存放当前正在使用或经常使用的程序或经常使用的程序和数据和数据存放正在执行存放正在执行的程序和数据的程序和数据存放当前暂时不参加运算的存放当前暂时不参加运算的程序和数据程序和数据CPUCPU一级一级cachecache二级二级cache cache 三级三级cachecache内存内存主板 外外 存存寄存器片外片外cachecache6.4.16.4.1高速缓冲存储器（高速缓冲存储器
11、（CacheCache）1.1.为什么需要高速缓存？为什么需要高速缓存？为解决解决CPUCPU与内存工作速度不匹配与内存工作速度不匹配的问题，在CPU和RAM之间插入高速缓存成本上升不多、但速度可大幅度提高。6.4 新型存储技术2.2.工作原理：工作原理：基于程序执行的两个特征：程序访问的局部性程序访问的局部性：循环、子程序。数据存取的局部性数据存取的局部性：数据相对集中存储。3.3.工作过程：工作过程：CPU访问存储器时，首先验证被访问的存储单元的内容是否已在Cache中，如果在，则称为命中命中。如果没在，则取数的同时，把数据在一级缓存中备份，以便下次命中。例如：RAM的存取时间为80ns，
12、CACHE的存取时间为6ns，命中率为90%。平均访问时间：6ns90%+80ns10%=13.4ns 在一定的范围内，Cache越大，命中率 就越高，但相应成本也相应提高 CacheCache与内存的空间比一般为与内存的空间比一般为1 1 128128 6.4.3 6.4.3虚拟缓存技术虚拟缓存技术 虚拟存储器（Virtual Memory）是指在内存不足的情况下，利用外存储器的一部分空间模外存储器的一部分空间模 拟内存拟内存，使软件可以将其当成一般的内存使用，从使用的角度来看，除了速度较慢外，其 他的和内存相比并无明显区别。将主存和辅存的地址空间统一编址统一编址，提供了比实际物理内存大得多的存储空间。6.4 新型存储技术 1.半导体存储器分类 2.存储器设计（难点）线选法：结构简单、地址重叠不连续 部分译码：结构复杂、地址可连续，但重叠 全译码：结构复杂，地址不重叠，连续 3.新型存储 高速缓存Cache 虚拟存储器本章重点 6-4、6-6作业
