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微机原理与接口技术 第 4 章 微机存储器 第 4 章 微机存储器 4.1 半导体存储器 4.2 存储器与系统的连接 4.3 现代存储器体系结构 习题例 半导体存储器的性能指标 由于半导体存储器具有集成度高、功耗低、可靠性好、存取速度快、成本低等优点，是构成存储器的最主要的器件。 ◆存储容量：存储器容量是数据存储能力的指标，以字节为单位编址，存储器容量用最大字节数描述。 ◆ 存取速度：存储器存取速度用最大存取时间或存取周期描述。存储器存取时间定义为从接收到存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据为止所需时间（单位为纳秒, ns）。 ◆ 功耗：功耗用存储单元功耗（μW/单元），或存储芯片功耗（mW/芯片）描述。功耗指标也涉及到到芯片集成度。 ◆ 可靠性：可靠性是指存储器对电磁场、温度等外界变化因素的抗干扰能力，一般用平均无故障时间描述。 半导体存储器的分类 常用半导体存储器件的特点 ◆双极型RAM：存取速度快，与MOS型RAM相比集成度低、功耗大、成本高。 ◆MOS型RAM：制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜，存取速度不及双极型RAM。静态RAM（SRAM）以双稳态触发器做基本存储电路，集成度较高。动态RAM （DRAM）利用电容电荷存储信息，需附加刷新电路，采用的元件比静态RAM少，集成度更高，功耗更小。DRAM优于SRAM。 ◆EPROM：是可用紫外线进行（脱线）擦除，用编程器固化信息的ROM。EPROM可以多次改写，但编程速度较慢。 ◆E2PROM：是可用特定电信号进行（在线）擦除和编程的ROM。 E2PROM比EPROM使用方便，但存取速度较慢，价格也较高。 ◆快擦写存储器：在E2PROM基础上发展的，比E2PROM擦除和改写速度快得多。 基本存储电路 存储芯片的基本组成 存储器芯片的容量表示 ◆存储器芯片的容量表示： 存储芯片的单元数×单元位数 例如，1 K×4 8 K×1 16K×8 ◆存储器芯片组成存储器的芯片数计算： 存储器字节数 8 芯片单元数 芯片位数 例如，设计一个64KB的RAM存储器: 若用静态RAM 6116（2K×8）芯片组成，则 64/2×1=32 片; 若用动态RAM 2116（16K×1）芯片组成，则 64/16×8=32片，32片分成4组，每组8片。 常用存储器芯片的组成特性 数据线、地址线的连接 读/写控制线的连接 存储器容量的扩充 位扩充连接示意图 字节扩充连接示意图 片选信号的产生 片选信号的译码电路例 存储器设计应用例 用8K×4位的RAM存储芯片和8K×8 位的ROM存储芯片，组成8KB RAM和16KB ROM的存储器。 RAM存储器地址：0000H~1FFFH; ROM存储器地址：C000H~FFFFH。 设计存储器与系统数据总线D7~D0、地址总线A15~A0，译码电路和读/写控制线的连接。 存储器应用例图 微机内存储器组织 微机内存空间结构由多个模块（板）构成内存储器空间。 存储器模块/板结构 IBM PC微机内存空间分配 微机存储器设计要点 ◆ 芯片的选择（类型、存储容量、存取速度） ◆ 总线的负载（需要时增加缓冲/驱动器） ◆ 速度的匹配（需要时设计“READY” 电路） ◆ 地址的分配（实现分级地址译码） ——必须保证对存储单元寻址的惟一性 现代存储器技术 微机存储器体系结构 并行主存储器结构 ◆存储器的操作，如果一次只访问一个存储字，其存取速度成为限制微机系统速度提高的瓶颈问题。 ◆多体存储器结构（并行主存储器）结构，是高速流水型微机典型的主存结构。 ◆并行主存储器的基本原理：采用字长w位的n个容量相同的存储器，并行连接组成一个更大的存储器（多体）。多体存储器在一个存取周期内并行存取n个字，即在单位时间内存储器提供的信息量扩大了n倍，有效地提高了单位时间内信息的吞吐率。 ◆并行主存储器结构： 单体多字并行主存 多体交叉存取并行主存 单体多字并行主存结构 高速缓冲存储器 ◆现代存储器系统是用静态RAM组成一个小容量存储器，称为高速缓冲存储器（Cache）；用动态RAM（DRAM）组成大容量的主存储器，构成一个两级存储器结构，既Cache—主存结构。 ◆Cache位于主存与微处理器之间，其容量一般为（8~32）KB。高档微处理器（如，80486，Pentium ）甚至在微处理器芯片内又集成了Cache，形成了两级Cache结构。 Cache存储系统基本结构 Cache地址映像方法 ◆应用某种函数把主存地址映像到Cache中定位，称作Cache地址映像。 ◆当主存信息按这种映像关系装入Cach