1、熱能與動力工程,第5章存儲器,熱能與動力工程,存儲器是計算機系統(tǒng)中用來存儲信息的部件，它是計算機中的重要硬件資源。 從存儲程序式的馮.諾依曼經典結構而言，沒有存儲器，就無法構成現代計算機。,熱能與動力工程,熱能與動力工程,5.1 存儲器體系結構,5.1.1 分級存儲器結構 1、存儲系統(tǒng)的層次結構 是指把各種不同存儲容量、存取速度和價格的存儲器按層次結構組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的程序和數據按層次分布在各種存儲器中 2、常用的存儲系統(tǒng)的層次結構 主要由高速緩沖存儲器Cache、主存儲器和輔助存儲器組成，如圖所示 3、解決CPU與主存儲器速度差所采取的措

2、施 （1）CPU內部設置多個通用寄存器 （2）采用多存儲模塊交叉存取 （3）采用高速緩沖存儲器（Cache）,熱能與動力工程,熱能與動力工程,可將整個存儲系統(tǒng)看成三級： 高速緩存 主存（內存） 外存（輔存） 也可看成兩個二級系統(tǒng)： 高速緩存主存（一級） 主存外存（一級） 請注意： 這兩個二級存儲系統(tǒng)各自的基本功能是不相同的； 前者：提高CPU訪問存儲器的速度； 后者：彌補主存容量的不足。,熱能與動力工程,另外，這兩級存儲系統(tǒng)的數據通路和控制方式也不相同： 高速緩存主存的通路是： 主存外存的通路是：,熱能與動力工程,5.1.2 虛擬存儲器結構,1 什么叫虛擬存儲器 虛擬存儲器是建立在主存與輔存物

3、理結構基礎之上，由附加硬件裝置以及操作系統(tǒng)存儲管理軟件組成的一種存儲體系。 它把主存和輔存的地址空間統(tǒng)一編址，形成一個龐大的存儲空間。程序員采用這個地址編程，CPU通過該地址碼訪問存儲器，使得從CPU看到的是一個速度接近主存，容量接近輔存的存儲器。 編好的程序由計算機操作系統(tǒng)裝入輔助存儲器中，程序運行時，附加的輔助硬件機構和存儲管理軟件會把輔存的程序一塊塊自動調入主存由CPU執(zhí)行或從主存調出。,熱能與動力工程,2 虛地址和實地址,虛地址：虛擬存儲器的輔存部分也能讓用戶像內存一樣使用，用戶編程時指令地址允許涉及到輔存的空間范圍，這種指令地址稱為“虛地址”（即虛擬地址），或叫“邏輯地址”。 虛地址

4、對應的存儲空間稱為“虛擬空間”，或叫“邏輯空間”。 實際的主存儲器單元的地址則稱為“實地址”（即主存地址），或叫“物理地址”，實地址對應的是“主存空間”，也稱“物理空間”。,熱能與動力工程,3 虛擬存儲器和主存-CACHE存儲器,虛擬存儲器和主存Cache存儲器是兩個不同存儲層次的存儲體系。 相同之處： 都把程序劃分為一個個信息塊，運行時都能自動地把信息塊從慢速存儲器向快速存儲器調度，信息塊的調度都采用一定的替換策略，新的信息塊將淘汰最不活躍的舊的信息塊，以提高繼續(xù)運行時的命中率。新調入的信息塊需遵守一定的映射關系變換地址后來確定其在存儲器的位置,熱能與動力工程,不同之處： 主存Cache存儲

5、器采用與CPU速度匹配的快速存儲元件來彌補主存和CPU之間的速度差距；而虛擬存儲器雖然最大限度地減少了慢速輔存對CPU的影響，但它卻彌補了主存的容量不足，具有容量大和程序編址方便的優(yōu)點。 兩個存儲體系均以信息塊作為存儲層次之間基本信息的傳遞單位，主存-CACHE存儲器每次傳遞是定長的的信息塊，長度只有幾十字節(jié)，而虛擬存儲器信息塊劃分方案很多，有頁、段等等，長度均在幾百字節(jié)至幾千字節(jié)左右。,熱能與動力工程,5.2 半導體存儲器的分類與選用原則,5.2.1 存儲器的分類 1、按制造工藝 雙極型：速度快、集成度低、功耗大 MOS型：速度慢、集成度高、功耗低 2、按使用功能 隨機存取存儲器RAM：可讀

6、可寫、斷電丟失 只讀存儲器ROM：正常只讀、斷電不丟失 3、按信息的可保存性分類 非永久性記憶的存儲器、永久性記憶的存儲器 4、按在微機系統(tǒng)中的作用分類 主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器 5、按存儲介質分類 半導體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器,熱能與動力工程,5.2.2 半導體存儲器的分類,熱能與動力工程,掩膜ROM 在出廠前由芯片廠家將程序寫到ROM里，以后永遠不能修改。,1、ROM的類型,熱能與動力工程,可編程的ROM(Programmable-ROM，PROM) 掩模ROM的存儲單元在生產完成之后，其所保存的信息就已經固定下來了，這給使用者帶來了不便。為了解決這個矛盾，設計制造

7、了一種可由用戶通過簡易設備寫入信息的ROM器件，即可編程的ROM，又稱為PROM。 PROM 的類型有多種，如二極管破壞型PROM存儲器、熔絲式PROM等。 對PROM來講，這個寫入的過程稱之為固化程序。由于擊穿的二極管不能再正常工作，燒斷后的熔絲不能再接上，所以PROM器件只能固化一次程序，數據寫入后，就不能再改變了。,熱能與動力工程,可擦除可編程ROM(Erasable Programmable ROM,EPROM) EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內部的集成電路，紫外線透過該孔照射內部芯片就可以擦除其內的數據，完成芯片擦除的

8、操作要用到EPROM擦除器。一般擦除信息需用紫外線照射l520分鐘。,熱能與動力工程,電可擦除可編程ROM (Electronic Erasible Programmable ROM, EEPROM) EEPROM內資料的寫入要用專用的編程器，并且往芯片中寫內容時必須要加一定的編程電壓(1224V，隨不同的芯片型號而定)。 EEPROM在寫入數據時，仍要利用一定的編程電壓，此時，只需用廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫內容，所以，它屬于雙電壓芯片。借助于EPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級時，把跳線開關打至“ON”的位置，即給芯片加上相應的編程電壓，就可

9、以方便地升級；平時使用時，則把跳線開關打至“OFF”的位置，防止病毒對BIOS芯片的非法修改。,熱能與動力工程,快擦型存儲器(Flash Memory) 快擦型存儲器是不用電池供電的、高速耐用的非易失性半導體存儲器，它以性能好、功耗低、體積小、重量輕等特點活躍于便攜機存儲器市場。 快擦型存儲器具有EEPROM的特點，可在計算機內進行擦除和編程，它的讀取時間與DRAM相似，而寫時間與磁盤驅動器相當?？觳列痛鎯ζ饔?V或12V兩種供電方式。對于便攜機來講，用5V電源更為合適?？觳列痛鎯ζ鞑僮骱啽?，編程、擦除、校驗等工作均已編成程序，可由配有快擦型存儲器系統(tǒng)的中央處理機予以控制。 快擦型存儲器可替代

10、EEPROM，在某些應用場合還可取代SRAM，尤其是對于需要配備電池后援的SRAM系統(tǒng)，使用快擦型存儲器后可省去電池?？觳列痛鎯ζ鞯姆且资院涂焖僮x取的特點，能滿足固態(tài)盤驅動器的要求，同時，可替代便攜機中的ROM，以便隨時寫入最新版本的操作系統(tǒng)。快擦型存儲器還可應用于激光打印機、條形碼閱讀器、各種儀器設備以及計算機的外部設備中。,熱能與動力工程,2、RAM的類型,SRAM 以6管構成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路作為基本存儲電路，不需要刷新。 DRAM 基本存儲電路用單管線路組成（靠電容存儲電荷），需要定時刷新 IRAM 組合RAM，附有片上刷新邏輯的DRAM。 NVRAM 非易失性RAM，由SRAM和EE

11、PRAM共同構成，正常時為RAM，掉電或電源故障時，立即將SRAM中的信息保存在EEPROM中。,熱能與動力工程,熱能與動力工程,5.3 半導體存儲器芯片的結構, 存儲體 存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息 地址譯碼電路 根據輸入的地址編碼來選中芯片內某個特定的存儲單元 讀/寫電路 包括讀寫放大器和數據緩沖器，是輸入和輸出通道。 片選和讀寫控制邏輯 選中存儲芯片，控制讀寫操作,熱能與動力工程,存儲器芯片的結構示意圖,熱能與動力工程,5.3.1存儲體,存儲體是由大量的位存儲單元按矩陣方式排列的組合體。每個位存儲單元只能存儲1位二進制信息。 存儲一個字節(jié)的容量被稱為1個存儲單元。每個存儲單元被賦予

12、一個惟一的編號，即該單元的地址。 存儲單元的容量與地址線位數有關： 2n N n：地址線位數 N：存儲單元的容量,熱能與動力工程,注意：存儲器芯片的存儲容量與地址、數據線的位數有關： 芯片的存儲容量2nm 存儲單元數存儲單元的位數 n： 芯片的地址線根數 m：芯片的數據線根數,熱能與動力工程,5.3.2 地址譯碼電路,熱能與動力工程,單譯碼結構：也叫字結構，只用一個譯碼器，譯碼輸出的字選擇線直接選中地址所表示的存儲單元； 雙譯碼結構：又稱重合譯碼，用2個譯碼器分別譯碼，X向選中矩陣中行存儲單元，Y向選中矩陣中列存儲單元，只有XY相同時選中的存儲單元才能進行讀/寫操作。 雙譯碼可簡化芯片設計 主

13、要采用的譯碼結構 可減少譯碼器的輸出線，簡化譯碼器結構,熱能與動力工程,5.3.3 片選和讀寫控制邏輯,片選端CS*或CE* 有效時，可以對該芯片進行讀寫操作 讀RD*或OE* 控制讀操作。有效時，芯片內數據輸出 該控制端對應系統(tǒng)的讀控制線 寫WR* 控制寫操作。有效時，數據進入芯片中 該控制端對應系統(tǒng)的寫控制線,熱能與動力工程,5.3.4 典型存儲器芯片介紹,SRAM芯片2114,存儲容量為10244 18個引腳： 10根地址線A9A0 4根數據線I/O4I/O1 片選CS* 讀寫WE*,熱能與動力工程,SRAM芯片6264,存儲容量為8K8 28個引腳： 13根地址線A12A0 8根數據線

14、D7D0 片選CS1*、CS2 讀寫WE*、OE*,熱能與動力工程,EPROM芯片2716,存儲容量為2K8 24個引腳： 11根地址線A10A0 8根數據線DO7DO0 片選/編程CE*/PGM 讀寫OE* 編程電壓VPP,熱能與動力工程,5.4 主存儲器系統(tǒng)的構成原理,5.4.1 存儲器結構的確定,數據寬度為8位外部數據總線為8位的微處理器，其存儲器只需用單體結構。,外部數據總線為16位的微處理器，一般需用兩個8位存儲體。,對于80486等32位微處理器，一般使用4個由字節(jié)組成的存儲體。,存儲器結構的確定，主要指采用單存儲體結構還是多存儲體結構。,64位存儲器系統(tǒng)由8個存儲體組成，每個存儲

15、體的存儲空間為512MB（Pentium）或8GB（Pentium Pro）。,熱能與動力工程,16位微處理器80286存儲器結構,熱能與動力工程,熱能與動力工程,16位微處理器8086存儲器結構,熱能與動力工程,32位微處理器存儲器結構,80386/80486微處理器的存儲器結構,熱能與動力工程,32位微處理器存儲器結構(續(xù)),熱能與動力工程,64位微處理器存儲器結構,熱能與動力工程,64位微處理器存儲器結構,熱能與動力工程,5.4.2 存儲器芯片的選配,1 存儲器位擴展,若芯片的數據線正好8根： 一次可從芯片中訪問到8位數據； 全部數據線與系統(tǒng)的8位數據總線相連； 若芯片的數據線不足8根：

16、 一次不能從一個芯片中訪問到8位數據 需利用多個芯片擴充數據位 這個擴充方式簡稱“位擴展”，即“位并聯(lián)”。,熱能與動力工程,位擴充,多個位擴展的存儲芯片的數據線連接于系統(tǒng)數據總線的不同位數； 地址線的相應位、各控制線并聯(lián)； 這些芯片應被看作是一個整體； 常被稱為“芯片組”。,熱能與動力工程,例：2K1位芯片組成2K8位存儲器,熱能與動力工程,例：1K4位芯片組成1K8位存儲器,熱能與動力工程,位擴展的特點： 每個存儲芯片的地址線和控制線（包括選片信號線、讀寫信號線等）并聯(lián)在一起，以保證對兩個芯片及內部存儲單元的同時選中。 數據線分別引出連接至數據總線的不同位上，以保證通過數據總線一次可訪問到8

17、位數據。 經過位擴展以后，圖713所示的8片2K1芯片等效于一片2K8芯片。,熱能與動力工程,2、存儲器字擴展,存儲器字擴展是增加存儲器的字節(jié)數量，也就是擴展了存儲器地址范圍進行“地址擴展”或“地址串聯(lián)”。 如2片1K*8的存儲器，可組成2K*8的存儲器，即存儲器的容量增加了一倍,熱能與動力工程,地址擴展（容量擴展）,熱能與動力工程,字擴展的特點： 各芯片的數據線并聯(lián)，接至相應的系統(tǒng)數據總線。 芯片的地址線并聯(lián)到地址總線對應位上，地址總線高位接 譯碼器，譯碼器輸出用作各個芯片的片選信號。 讀寫控制信號并聯(lián)后與控制總線中相應的信號連接。,熱能與動力工程,3、字位全擴展,擴展方法如圖所示，這8片1

18、6K4芯片經字位擴展后仍等效于一片64K8芯片。 內存擴展的次序一般是先進行位擴展，構成字長滿足要求的內存模塊，然后再用若干個這樣的模塊進行字擴展，使總容量滿足要求。,熱能與動力工程,5.4.3 存儲器接口的設計 組成一個存儲系統(tǒng)通常是由多個存儲芯片組成。CPU每次訪問內存只能對一個存儲單元進行讀或寫，這個單元位于某個芯片中或一組芯片中。因此，首先要找到這個或這組芯片，這就是所謂的片選問題。 地址線的編排原則是： 低位選址、高位選片 低位選址由低位地址線滿足每個芯片組內的選址需要。 高位選片由剩余的高位地址線用于各個芯片組的選擇。 通常我們有三種片選方法：線選法、全譯碼法、部分譯碼法。,熱能與動力工程,1、線選法 在剩余的高位地址總線中，任選一位作為片選信號直接與存貯芯片的CS引腳相連，這種方式就稱為線選法。其特點是無需譯碼器，但有較多的地址重疊區(qū)。該方法適用于存儲器容量不大，所使用