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第五章 存储器系统 华北电力大学 计算机系 刘丽 主要内容 存储器(Memory) 主要用来存放程序和数据。本章介绍微机系统中的存储器子系统，包括 存储器系统概述 各种类型的半导体存储器和典型芯片 存储芯片和CPU的典型链接 动态RAM的连接和使用 存储器技术及其发展 教学要求 1. 了解各类半导体存储器的应用特点 2. 熟悉半导体存储器芯片的结构 3. 熟悉SRAM和EPROM的引脚功能 4. 掌握存储芯片与CPU连接的方法，特别是片选端的处理 两个视角 研究存储器系统的两个视角： 小系统中的存储器系统（如嵌入式应用），一般由“ROM+静态RAM”构成 大系统中的存储系统（如PC机），一般由“高速缓存+主存+辅存”构成，包含了“高速缓冲存储”和“虚拟存储”两种功能结构 5.1存储器概述 存储器的分类和评价指标 存储系统的层次结构 5.1.1 存储器的分类和评价指标 1.按读写方式分类 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 顺序存取存储器（Serial Access Memory，SAM） 直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM） 2.按存储介质和工作原理分类 半导体存储器 磁表面存储器 光表面存储器 3.按存储时效分类 易失性存储器（Volatile Memory） 非易失存储器（Non-Volatile Memory） 4.按所处的位置分类 内存 外存 存储器的评价指标 速度：针对不同的存储器件和部件，该指标有不同的表示方法 半导体存储芯片用存取周期和读出时间来评价、内存条和内存总线用工作频率和带宽来评价，硬盘存储器用主轴转速、平均寻道时间和数据传输率来评价 带宽指单位时间里数据的传送数量，单位是位/秒（b/s）或字节/秒（B/s） 容量 存储器的容量用B、KB、MB、GB、TB、PB等进行表示 存储成本 一般用每兆字节的价格来表示 5.1.2 存储系统的层次结构 给存储器提的要求： 高速度、大容量和低成本 单一器件和单一设备是很难做到 解决方案： 构建一个多层次的存储器系统，通过合理配置存储资源来实现 减少高价存储器的用量，让更多的访问在高速存储器中进行，用大容量的存储设备来提供后备支持 1.存储器系统的构成层次 包括 CPU中的寄存器 高速缓冲存储器（高速缓存） 主存储器（主存） 辅助存储器（辅存） 三级存储结构 2. Cache缓冲存储和虚拟存储 高速缓冲存储 虚拟存储 两种结构都依赖于访问的局部性原理 5.2 半导体存储器 半导体存储器被用于微机大系统、微机小系统、通用微机系统、嵌入式系统等 他们或者以芯片形式存在于系统，或者被集成到CPU内部 5.2.1 半导体存储器的分类 半导体存储器的分类 ⑴读写存储器RAM 静态RAM 触发器为基本存储单元，不掉电信息不丢失。集成度低、速度快、功耗价格高 动态RAM MOS管为基本存储单元，极间电容充放电作为信息存储手段。电容容量很小，要不断刷新。集成度高、价格低、功耗小、速度比SRAM慢，主存 伪静态RAM 配备有自动刷新电路的DRAM芯片，价格和功耗都低于SRAM 非易失RAM 有多种结构形式，多数情况下指带有后备电池的SRAM芯片 双口RAM 有两套寻址和读写机构，可应对两个设备的访问，同时提供冲突避免机制，主要用于数据共享和数据缓冲的场合 铁电RAM 非易失RAM，利用铁电晶体中中心原子的位置变化来存储信息，价格较高 ⑴读写存储器RAM ⑵只读存储器ROM 掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改 PROM：允许一次编程，此后不可更改 EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程 EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写 Flash Memory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除 5.2.2 半导体存储器芯片的结构 ①存储体 每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据 存储容量与地址、数据线个数有关： 芯片的存储容量 ＝存储单元数×存储单元的位数＝2M×N M：芯片的地址线根数 N：芯片的数据线根数 例如 芯片2114为1K×4位（10根地址线，4根数据线） 芯片2716（2K×8位）（11根地址线，8根数据线） ②地址译码电路 ③控制电路和数据缓冲 片选端CS*（芯片选中）或CE*（芯片使能） 有效时，可以对该芯片进行读写操作 读控制OE*（输出允许） 控制读操作，有效时，芯片内数据输出 该控制端对应系统的读控制线 写控制WE*（写允许）