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  • 计算机的内存储器简称内存,它是()构成的。
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    2021-07-20 04:23:58

    计算机的存储系统

    一、存储器:是计算机的重要组成部分.

    它可分为:

    计算机内部的存储器(简称内存)

    计算机外部的存储器(简称外存)

    内存储器从功能上可以分为:读写存储器 RAM、只读存储器ROM两大类

    计算机存储容量以字节为单位,它们是:字节B( 1Byte=8bit)、千字节(1KB=1024B)、兆字节(1MB=1024KB)、千兆字节(1GB=1024MB)、1TB=1024GB

    二、计算机的外存储器一般有:软盘和软驱、硬盘、CD-ROM、可擦写光驱即CD-RW光驱还有USB接口的移动硬盘、光驱、或可擦写电子硬盘(优盘)等。

    三、存储器的容量的基本单位是字节(Byte),并有下列的运算换算关系:

    1KB=1024Bytes

    1MB=1024KB

    1GB=1024MB

    1TB=1024GB

    1个汉字在计算机内需要2个字节来存储;

    1个英文字符(即ASCII码)在计算机中需要1个字节来存储;

    1个字节相当于8个二进制位。

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  • 内存由半导体器件构成,分为RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)两大类;而我们平常所说的磁盘、光盘、U盘、移动硬盘则属于外存。 在主存储器中,RAM属于易失性存储器,掉电后信息丢失不能恢复;ROM属于非易失...

    1. 存储器概述

    1.1 微机系统的存储器体系

    微机系统的存储器主要可以分成两大类:一类是内部存储器,也称为主存储器,简称为内存和主存;另一类是外部存储器,也称为辅助存储器,简称为外存或赋存。内存由半导体器件构成,分为RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)两大类;而我们平常所说的磁盘、光盘、U盘、移动硬盘则属于外存。
    在主存储器中,RAM属于易失性存储器,掉电后信息丢失不能恢复;ROM属于非易失性存储器,掉电后信息不丢失,可长期保存,所以一般用来存放固定的程序(系统的引导程序、BIOS等)或重要参数。
    今天总结的主要是RAM,分为静态随机存取存储器SRAM、动态随机存取存储器DRAM两种。在整个微机系统存储体系的位置如下图所示。
    在这里插入图片描述

    1.2 半导体存储器性能指标

    存储容量:每一个存储芯片能够存储的二进制位数,GB级以上还有TB, PB, EB等单位。
    在这里插入图片描述
    存取速度:从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间,通常以ns为单位。
    存储器带宽:存储器每秒传输的数据总量,通常以 B/s 为单位。
    在这里插入图片描述

    2. RAM

    2.1 SRAM(静态RAM)

    2.1.1 工作原理

    SRAM的基本存储电路内部结构如图所示。其中,上半部分是基本存储单元,用来存储二进制信息0或1;下半部分是读写逻辑单元,由三个三态门、三根信号线和一根数据线组成。
    在这里插入图片描述

    另外,整张图中共有T1~T8八个MOS管,其中T1, T2, T3, T4组成了一个双稳态触发器;T5, T6为行线选通管;T7, T8为列线选通管。当对该存储单元进行读写时意味着该存储单元被选中,故行线X和列线Y为高电平,T5, T6和T7, T8全部导通,因此有了下图的信号流向。 下面假设数据线中为信号1,说明读写时内部电路信号流向(下图中信号线和上面一幅图稍有不同,我们忽略高低电平有效带来的差异,只说控制线是否“有效”)。

    • 写数据时如左图。“写控制”有效,“读控制”无效,所以三态门A、B导通,C呈现高阻状态。数据线中的1经过B到达O1节点,经过A(反向三态门)后变成了0到达了O2。到达O1的1接T1的输入端,所以T1导通,使T1稳定输出0;到达O2的0接T2的输入端,所以T2截止,从而T2稳定输出1。
    • 读数据时如右图。“读控制”有效,“写控制”无效,所以三态门A、B处于高阻状态,C导通。信息从O1点经过C传到数据线上,O1点为1即传过来1,为0则传过来0。
      在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

    2.1.2 典型芯片

    上面讲的是SRAM的基本存储电路,只能存取1位数据,而真正的SRAM芯片则是由多个基本电路以矩阵形式组成的存储阵列,下图是SRAM芯片的一般结构。左边上边是行列译码器,下边是三个控制信号(读、写、片选),右边是一个输出缓冲器。
    在这里插入图片描述
    拿出一块具体的芯片62256来说,就长右边这样:
    在这里插入图片描述

    2.2 DRAM(动态RAM)

    2.2.1 工作原理

    DRAM看起来就不那么复杂了,下面两图分别是写和读操作的信号流向。

    • 左图写。选中该存储单元时,T1, T2导通,数据线中的信号最后到达电容C1的上端,如果写的是1那么最终C1两端的电平就是高,反之就是低。这里特意强调了一下“最终”,因为电容两端的电压是不能突变的,所以这个写数据的过程本质上就是给电容C1充电的过程,因此需要一定的时间才能让C1的电平到达某个阈值。
    • 右图读。同样,行列线被选中,信息从C1两端经过T1, T2到达A端。

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    另外,虽然CMOS管是高阻器件,漏电流很小,但是漏电流总是客观存在的,因此C1两端的电荷经过一段时间就会泄露掉,所以不能长时间保存信息。为了维持所存储的信息,必须设法使信息再生,这也就是所谓的“刷新”,同样解释了DRAM为什么叫做动态(Dynamic)随机存取存储器;相比之下的SRAM十分稳定,无需刷新,所以叫做静态(Static)随机存取存储器。
    T0管为刷新电路提供信息通道,刷新电路每隔一段时间就会对电容两端的电压进行检测:如果高于Vcc/2,则T0管向位线重新写1从而给C1充电到Vcc;反之,写0使C1放电至0.只要刷新时间满足一定要求,就能保证原有的信息不丢失。
    刷新方式主要有三种:集中刷新、分散刷新、异步刷新,这里就不展开讲了。

    2.2.2 典型芯片

    DRAM的一般结构如下图:
    在这里插入图片描述

    这里值得注意的是,DRAM为了节省外部引脚采用了行选和列选的译码方式,使外部地址线条数只是实际寻址地址线条数的一半。 举个例子:
    在这里插入图片描述

    2.3 改进型DRAM

    有很多种改进型DRAM,这里主要提两种。

    • SDRAM(Synchronous DRAM 同步动态随机存取存储器)。将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在一起,使得RAM和CPU能够共享一个时钟周期,以相同的速度同步工作。
    • DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM 双倍速率同步动态随机存取存储器)。我们一般认为一个脉冲下CPU读写数据一次,但是它在系统时钟的上升沿和下降沿都能进行数据传输,即每次读取数据2次、预取数据2位,所以在数据宽度为64位的情况下,即使在100MHz的总线频率下,它的有效频率位200MHz,所以总线带宽 = 100MHz * 2 * (64b / 8) = 1.6GB/s。

    目前,最新一代的存储器规格是DDR4 SDRAM(可以在京东搜一下QAQ)。

    3. ROM

    简单列举几种ROM

    • 掩膜型只读存储器(MROM):存储信息是靠MOS管是否跨接来决定0、1的,当跨接MOS管,对应位信息为0,当没有跨接,MOS的位置对应的信息为1。
    • 可编程只读存储器(PROM):存储信息是靠存储单元中的熔丝是否熔断决定0、1的,熔丝未断为1,熔断为0。
    • 可擦除可编程只读存储器(EPROM):是靠FAMOS浮置栅是否积累电荷存储信息0和1的。
    • 电可擦除可编程只读存储器(EEPROM):可以在线擦除和改写。
    • 闪速存储器(Flash Memory):也成为快速擦写存储器,是由EEPROM发展起来的,因此它属于EEPROM类型。

    4. 新型非易失性随机存取存储器

    传统半导体存储器的两大体系:易失性存储器和非易失性存储器。前者例如SRAM、DRAM,虽然数据易失,但是有性能性能高、易用的特点;后者例如各种ROM,虽然断电后数据不丢失,但是都基于ROM技术,具有数据不易写入的缺点。新型的存储器既具有RAM的优点,又具有ROM非易失性特征,同时又可以快速无限次读写,这种新型存储器有铁电式随机存储器(FRAM)和磁阻式随机存储器(MRAM)。

    展开全文
  • 半导体存储器又称存储芯片,是以半导体电路作为存储媒介的存储器,用于保存二进制数据的记忆设备,是现代数字系统的 重要组成部分.半导体存储器具有体积小、存储速度快等特点,广泛应用于内存、U盘、消费电子、智能...
  • 第五章——半导体存储器 文章目录第五章——半导体存储器一、半导体存储器概述※(一)分类(二)结构二、典型存储器芯片及其接口特性※(一)典型的SRAM——6116(二)典型的DRAM——2164A(三)典型的ROM——2732A...

    第五章——半导体存储器

    一、半导体存储器概述※

    (一)分类

    在这里插入图片描述

    • 随机存取存储器RAM:
      能够随时进行数据的读出和写入,掉电后信息全部丢失。

      • SRAM :静态RAM,SRAM速度快计算机中的高速缓冲存储器大多用SRAM。
      • DRAM:动态RAM,目前计算机内的主存储器都是DRAM,它的集成度高、功耗很低,缺点是需要外加刷新电路,工作速度比SRAM慢。
    • 只读存储器ROM:
      用户在使用时只能读出其中的信息,不能修改和写入信息,掉电不会消失。

      • ROM
      • PROM:可编程,写入一次
      • EPROM:可擦除可编程,写入多次(用紫外线灯)
      • EEPROM:点可擦除可编程,写入多次(用电)
      • FALSH:可擦除(用电),操作简便

    (二)结构

    半导体存储器一般由存储器、译码驱动电路、地址寄存器、读写驱动电路、数据寄存器、控制逻辑组成。
    在这里插入图片描述

    • 存储体:
      存放1位信息:0、1——记忆单元/基本存储电路
      N个记忆单元——存储单元
      2^M个存储单元——存储体

    • 数据:
      存储体里一个存储单元为N位,故需要N条数据线。

    • 地址:
      存储体里有2^M个存储单元,要选完这些单元要用M条地址线。

    因此——存储器容量:

    半导体存储器芯片的存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量。用m×n表示,m为存储单元数,n为每个存储单元存储信息的位数。

    因此,若某存储器芯片有M位地址总线、N位数据总线,则其存储容量为2^M×N位。

    	例:某存储器芯片的地址线为16位,存储字长为8位,则其存储容量为多少?
    	解:该存储器芯片中M为16位,N为8位,则其存储容量为2^16×8位=64K×8位。
    
    	2^10 = 1k
    	2^20 = 1M
    	2^30 = 1G
    

    二、典型存储器芯片及其接口特性※

    (一)典型的SRAM——6116

    在这里插入图片描述

    6116有2K × 8位= 2^11 x 8 = 16384个存储位,排列成128x128的矩阵,可构成2KB的内存。
    2K 表示芯片内的地址有11位(A0-A10),因此有11条地址线,
    8位表示一个单元有8个二进制位,因此有8条数据线,
    芯片内有128×128的存储单元矩阵。
    它有11条地址线,
    7条用于行地址译码(可选择2^	7=128个),
    4条用于列地址译码(可选择2^4 = 16个),共128x16 = 2048 = 2K。
    

    • ~CE:片选,有效时,芯片才工作,否则为“高阻”
    • ~WE:读写控制,为0时写,为1时读;
    • ~OE:输出控制,为0时,允许输出。

    (二)典型的DRAM——2164A

    DRAM芯片都设计成位结构形式,即每个存储单元只有一位数据位
    一个芯片上含有若干字,如4K×1位,8K×1位,16K×1位, 64K×1位或256K×1位等。
    存储体的这一结构形式是DRAM芯片的结构特点之一。

    Intel 2164A的内部结构

    • 存储体:64K×1 = 64 x 2^10 = 64 x 8 x 128的存储体由4个128×128的存储阵列成。要选完,需要16位地址线,1位数据线
    • 地址锁存器:由于Intel 2164A 采用双译码方式,故其16位地址信息要分两次送入芯片内部。但由于封装的限制,这16位地址信息必须通过同一组引脚分两次接收,因此,在芯片内部有一个能保存8位地址信息的地址锁存器;
    • 数据输入/输出缓冲器: 用以暂存输入/输出的数据;
    • 1/4 I/O门电路:由行、列地址信号的最高位控制,能从相应的4个存储矩阵中选择一个进行输入/输出操作;
    • 行、列时钟缓冲器:用以协调行、列地址的选通信号;
    • 写允许时钟缓冲器:用以控制芯片的数据传送方向;
    • 128读出放大器:与4个128×128存储阵列相对应,共有4个128读出放大器,它们能接收由行地址选通的4×128个存储单元的信息,经放大后,再写回原存储单元,是实现刷新操作的重要部分;
    • 1/128行、列译码器: 分别用来接收7位的行、列地址,经译码后,从128×128个存储单元中选择一个确定的存储单元,以便对其进行读/写操作。

    在这里插入图片描述
    Intel 2164A的外部结构

    • A0~A7:地址信号的输入引脚,用来分时接收CPU送来的8位行、列地址
    • ~RAS:行地址选通信号输入引脚(row),低电平有效,兼作芯片选择信号。当为低电平时,表明芯片当前接收的是行地址;
    • ~CAS:列地址选通信号输入引脚(column),低电平有效,表明当前正在接收的是列地址(此时应保持为低电平);**
    • ~WE: 写允许控制信号输入引脚,当其为低电平时,执行写操作;否则,执行读操作。
    • DIN:数据输入引脚;
    • DOUT:数据输出引脚;
    • VDD:+5V电源引脚;
    • Vss:地;
    • N/C:未用引脚。

    (三)典型的ROM——2732A

    在这里插入图片描述
    Intel 2732A是一种4K×8 b的EPROM
    4k = 2^12,因此需要12条地址线A_11~A_0
    8位数据,需要8条数据线O_7~O_0;

    ~CE为芯片允许信号,用来选择芯片;
    ~OE为输出允许信号,用来把输出数据送上数据线,只有当这两条控制线同时有效时,才能从输出端得到读出的数据。
    在这里插入图片描述

    (四)典型的NOR Flash 和 NAND Flash

    • NOR FLASH最初由Intel公司于1988年推出,其采用了ETOX(EPROM Tennel Oxide)技术,因此具有EPROM的数据非易失性和可更新性。

      • 其数据的写入和擦除由主机系统内用电信号实现。
      • 与EEPROM 的数据擦除方式不同,NOR FLASH的数据擦除方式只能采用按块擦除的方式(块的大小一般为256KB~20MB);
      • 且NOR FLASH比较适合应用于频繁随机读写的场合,常用于手机等嵌入式系统的程序代码存储器。
    • NAND FLASH结构最初由东芝公司于1989年推出,与前几种ROM不同,其数据和地址采用同一总线进行串行读取,不能随机按字节进行访问

      • 但与NOR FLASH相比,其成本相对较低,容量大,适用于纯数据存储和文件存储的场合
      • 我们常用的U盘和数码存储卡大都是采用NAND型闪存。

    (五)双端口存储器——IDT7132

    双端口存储器具有两组相互独立的读写控制电路,两组电路独立并行工作,因而工作速度较快而得到较为广泛的应用。

    典型的双端口静态存储器芯片IDT7132
    在高速双端口存储器IDT7132 中,有两个相互独立的端口:左端口和右端口。分别具有各自的地址线、数据线和控制信号。当任意一个端口被选中时,即可对整个存储器进行读写。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    三、主存储器的设计※

    (一)存储器系统的组织

    1. 存储器结构确定
      微机中的内存往往被分为片内存储器和扩展的片外存储器。构建存储器系统时,应根据微处理器的不同,选择不同的存储器组织结构。如:

      • 8086/8088CPU 以及MCS-51单片机只使用片外存储器
      • 部分型号的C8051F单片机在片内集成了一定容量的数据存储器。当系统的容量超出该范围时,则必须通过扩展片外存储器来解决
      • 某些嵌入式芯片的适用范围有限制。如S3C2410(ARM920T内核)虽然理论上支持0~232-1的寻址空间,但只有1G的地址空间(0X00000000-0X40000000)用于支持片外存储器的连接,其他空间有一小部分用于I/O端口或部件的寻址。
    2. 外部存储器系统设计步骤

      • 确定存储容量,根据容量选择存储芯片的类型和数量
      • 划分RAM.ROM去,画出地址分配图
      • 根据地址分配图确定译码方法
      • 画译码电路图
        (见笔记)

    四、分级存储体系

    存储层次(Memory hierarchy)是综合考虑容量、速度、价格的因素,建立的存储器组合,以满足系统对存储器在性能和经济两个方面的要求。
    存储层次的结构:
    在这里插入图片描述

    为了缓解CPU与内存之间额速度差异,目前的微机型技术一般采用在CPU和内存之间插入一速度较快的SRAM,起缓冲作用。

    五、高速缓存技术

    问题的提出:
    微机系统中的内部存储器通常采用动态RAM构成,具有价格低,容量大的特点,但由于动态RAM采用MOS管电容的充放电原理来表示与存储信息,其存取速度相对于CPU的信息处理速度来说较低。这就导致了两者速度的不匹配,也就是说,慢速的存储器限制了高速CPU的性能,影响了微机系统的运行速度,并限制了计算机性能的进一步发挥和提高。高速缓冲存储器就是在这种情况下产生的。

    存储器访问的局部性:
    CPU需要频繁地与内存进行数据交换,包括取指令代码及数据的读写操作。
    在一个较短的时间内,取指令代码的操作往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内(多数情况下,指令顺序执行,因此指令代码地址的分布就是连续的,再加上循环程序段和子程序段都需要重复执行多次,因此对这些局部存储单元的访问就具有时间上集中分布的倾向);
    数据读写操作的这种集中性倾向虽不如取指令代码那么明显,但对数组的存储和访问以及工作单元的选择也可以使存储器单元相对集中。
    这种对局部范围的存储器单元的访问比较频繁,而对此范围以外的存储单元访问相对甚少的现象,称为程序访问的局部性

    Cache-主存存储结构及其实现:
    在主存和CPU之间设置高速缓冲存储器Cache,把正在执行的指令代码单元附近的一部分指令代码或数据从主存装入Cache中,供CPU在一段时间内使用。由于存储器访问的局部性,在一定容量Cache的条件下,可以做到使CPU大部分取指令代码及进行数据读写的操作都只要通过访问Cache,而不是访问主存而实现

    优点:

    • Cache的读写速度几乎能够与CPU进行匹配,所以微机系统的存取速度可以大大提高;
    • Cache的容量相对主存来说并不是太大,所以整个存储器系统的成本并没有上升很多。

    如果数据在Cache中,则CPU对Cache进行读写操作,称为一次命中。命中时,CPU从Cache中读(写)数据。由于Cache速度与CPU速度相匹配,因此不需要插入等待状态,故CPU处于零等待状态,也就是说CPU与Cache达到了同步,因此有时称高速缓存为同步Cache;
    若数据不在Cache中,则CPU对主存操作,称为一次失败。失败时, CPU必须在其总线周期中插入等待周期TW。

    例如:RAM的存取时间为80ns,CACHE的存取时间为6ns,CACHE的命中率为90%。
    	 则存储器整体访问时间由没有CACHE的80ns减少为:
    6ns×90% + 80ns×10% = 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。

    Cache与内存的空间比一般为1:128。

    六、虚拟存储技术

    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。

    (1) 主存-辅存层次
    主存一般由半导体器件构成,辅存一般为磁存储器和光存储器。主存的速度远高于辅存,但辅存成本低,容量 大,而且断电后信息不会丢失。
    CPU不能直接访问辅存,辅存主要用于存放大量程序、数据文件。当CPU执行某程序时,在存储管理软件和有关硬件的支持下,把有关程序从辅存调入主存,再由CPU执行,这样便形成了主-辅存的存储层次

    (2) 虚拟存储器的概念
    一台计算机主存容量有限,而辅存容量很大,如果一个程序及数据要比主存容量大,就无法运行。为解决这类问题,采用了硬件和软件的综合技术 ——虚拟存储器

    • 将主存和辅存的地址空间统一编址,提供了比实际物理内存大得多的存储空间。
    • 在程序运行时,存储器管理软件只是把虚拟地址空间的一小部分映射到主存储器,其余部分则仍存储在磁盘上。
    • 当访问存储器的范围发生变化时,处于后台的存储器管理软件再把用户所需要的内容从磁盘调入内存,覆盖原先存在的部分后继续运行。

    七、STM32存储器结构※

    (一)STM32的存储器组织

    在STM32的存储器系统中,存储器与外设空间采用统一编址方式,且各字节按小端格式在存储器中存储。
    STM32 采用了固定的存储映射结构,其地址空间是4 GB,程序存储器、数据存储器、寄存器和 I/O 端口排列在此空间内,整个存储空间分为8个主要块,每个块为 512 MB
    在这里插入图片描述
    通过地址计算内存:
    地址0x00000000 ~ 0x1FFFFFFF,就是2x16^7 = 0.5G = 512 MB)

    • 代码区(0x00000000 ~ 0x1FFFFFFF):用于存放程序。

    • SRAM 区(0x20000000 ~ 0x3FFFFFFF):用于片内SRAM,可存储数据,亦可以存放程序,用于固件升级等维护工作。

    • 片上外设区(0x40000000 ~ 0x5FFFFFFF):用于片上外设。STM32通过把片上外设的寄存器映射到外设区,从而可以简单地通过访问内存的方式来访问这些外设的寄存器,以控制外设的工作。

      • 外部外设区的前半段(0xA000 0000 ~ 0xBFFF FFFF):用于片外外设的寄存器,也用于多核系统中的共享内存。
      • 外部外设区的后半段(0xC000 0000 ~ 0xDFFF FFFF):用于片外外设的寄存器,也用于多核系统中的共享内存。这两部分合起来可以组成1GB的片外外设空间。
    • 外部RAM 区的前半段(0x6000 0000 ~ 0x7FFF FFFF):指向片上RAM 或片外RAM。

    • 外部RAM 区的后半段(0x8000 0000 ~ 0x9FFF FFFF):指向片上RAM 或片外RAM。这两部分合起来可以组成1GB的片外RAM空间。

    • 系统区(0xE000 0000 ~ 0xFFFF FFFF):用于私有外设和芯片厂商指定功能区。

    STM32系列采用可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)这种新型的存储器扩展技术来进行外部存储器扩展,其可根据系统的应用需要,灵活方便地进行不同类型大容量静态存储器的扩展。
    FSMC支持多种数据宽度的异步读/ 写操作,而且支持对NOR闪存、PSRAM、NAND 闪存的同步突发访问,支持程序从FSMC扩展的外部存储器直接运行。

    外部RAM的扩展:
    STM32支持1GB 的外部RAM扩展,在进行存储器扩展时,FSMC可以将外部存储器划分为256MB 的连续4个存储块。(0x60000000 到 0x9FFFFFFF)

    • 存储块(0x60000000 ~ 0x6FFFFFFF)用于访问最多4个64MB 的NOR闪存或者PSRAM。
    • 存储块(0x70000000 ~ 0x7FFFFFFF)和(0x80000000~0x8FFFFFFF)用于访问NAND 闪存,容量为512MB
    • 存储块(0x90000000~0x9FFFFFFF) 用于访问PC卡存储设备.

    (二)位绑定

    位绑定操作是指把一个地址单元的32 位变量中的每一位,通过一个简单的地址变换算法,映射到另一个地址空间,使得每一位占用1个地址,当对此地址空间进行操作时,只有数据的最低位是有效的。
    当对某空间位操作时,就不必进行传统的读取-屏蔽-操作,可以直接对32位变量中的每一位进行直接操作,从而优化了RAM和I/O寄存器的读/写方式,提高了32位变量中位操作的速度。

    在这里插入图片描述

    在SRAM区的下部,地址空间0x2000 0000~ 0x2010 0000为存储器“1MB的位绑定区(Bit - Band)”,与之对应的是 32MB 的“位绑定别名区”,位于地址空间0x2200 0000~0x23FF FFFF。
    位绑定别名区里面的每一个字(32 位) 就对应位绑定区的一位,而在位绑定区中,每一位都会映射到别名地址区的一个字中的最末位,从而使得对别名地址的访问最终会变换成对位绑定区的访问。

    别名区中的每个字与对应位绑定区的相应位的对应关系为:
    在这里插入图片描述
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    如SRAM 地址为0x20000300 的字节中的第2 位,对应别名区中地址计算如下:
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    • 对0x22006008 地址的读操作将返回SRAM 中地址0x20000300 字节的第2 位的值
    • 而对0x22006008 地址的写操作,则与对SRAM 中地址0x20000300 字节的第2 位执行“读—改—写” 操作有着相同的效果。
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  • 半导体存储器存储器的分类内存储器(简称内存)外存储器半导体存储器的分类随机读写存储器RAM只读存储器ROM半导体存储器的主要技术指标1.存储容量 :2.存取时间3.存储周期4.功耗5.可靠性6.集成度7.性能/价格比...


    存储器是计算机的重要组成部分,计算机要执行的指令以及待处理的数据等都要事先存储在存储器中,以实现计算机自动的、连续的工作。

    存储器的分类

    按存取速度和用途可以把存储器分为两类:

    内存储器(简称内存)

    内存:通过系统总线直接与CPU相连、具有一定容量、存取速度快的存储器。

    CPU可以直接对内存进行访问,计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入内存后方可被CPU读取并执行。

    外存储器

    外存:通过接口电路与系统相连、存储容量大而速度较慢的存储器。

    外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据,以及一些需要永久性保存的信息。

    通常将外存并入计算机外部设备,外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。

    半导体存储器的分类

    半导体存储器的分类

    随机读写存储器RAM

    RAM是可读、可写的存储器,CPU可以对RAM的内容随机地读写访问,RAM中的信息断电后即丢失。

    随机读写存储器RAM分为:双极型、MOS型

    双极型存储器:存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点,适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器;

    MOS型存储器:集成度高、功耗低、价格便宜等特点,适用于内存储器。

    MOS型存储器又分为:

    静态RAM(Static RAM,简称SRAM):SRAM存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失。
        优点是不需要刷新,控制电路简单,但集成度较低。
        适用于不需要大存储容量的计算机系统
    
    动态RAM(Dynamic RAM,简称DRAM):DRAM存储单元以电容为基础,电路简单,集成度高,但也存在问题,即电容中的电荷由于漏电会逐渐丢失,因此DRAM需要定时刷新
        它适用于大存储容量的计算机系统。  
    
    只读存储器ROM

    ROM的内容只能随机读出而不能写入,断电后信息不会丢失,常用来存放不需要改变的信息(如某些系统程序),信息一旦写入就固定不变了

    只读存储器ROM又分为:

      掩膜式ROM:用户不可对其编程,其内容已由厂家设定好,不能更改;
      可编程ROM(简称PROM):用户只能对其进行一次编程,写入后不能更改;
      可擦除的PROM(简称EPROM):其内容可用紫外线擦除,用户可对其进行多次编程;
     电擦除的PROM(简称EEPROM或E2PROM):能以字节为单位擦除和改写。
    

    半导体存储器的主要技术指标

    1.存储容量 :

    存储容量越大,所能存储的信息越多,计算机系统的功能便越强

       (1)用字数x位数表示,以位为单位。
           常用来表示存储芯片的容量,如1 Kx4位,表示该芯片有1 K个单元(1 K=1024),每个存储单元的长度为4位。
       (2) 用字节数表示容量,以字节为单位,如128 B,表示该芯片有 128个单元,每个存储单元的长度为8位。
           现代计算机存储容量很大,常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小。
    
    2.存取时间

    存取时间越小,存取速度越快

    存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

     eg:读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始,直到将被选单元的内容读出为止所用的时间。
    
    3.存储周期

    一般情况下,存储周期略大于存取时间

    是衡量主存储器工作速度的重要指标

    连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的最短间隔时间称为存储周期。

    4.功耗

    功耗反映了存储器耗电的多少,同时也反映了其发热的程度。

    5.可靠性

    MTBF越长,可靠性越高,存储器正常工作能力越强

    可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。

    存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF来衡量,MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。

    6.集成度

    集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路,每个基本存储电路存放一位二进制信息,所以集成度常用位/片来表示。

    7.性能/价格比

    性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合指标,它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指标,而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。

    半导体存储器芯片的基本结构

    半导体存储器芯片一般由存储体和外围电路两大部分组成,如图所示

    半导体存储器组成框图
    1、存储体由大量的基本存储电路组成

    2、 外围电路主要包括:

    (1)地址译码电路

     存储芯片中的地址译码电路对CPU从地址总线发来的n位地址信号进行译码,经译码产生的选择信号可以惟一地选中片内某一存储单元,在读/写控制电路的控制下可对该单元进行读/写操作。 
    
    芯片内部的地址译码方式主要有两种:
    (1)单译码方式:适用于小容量的存储器芯片
    (2)双译码方式:适用于容量较大的存储器芯片
    

    (2)三态数据缓冲器

    (3)控制逻辑两部分组成的读/写控制电路

    典型半导体存储器介绍

    1、SRAM

    (1)SRAM的基本存储电路
    静态RAM的基本存储电路通常由6个MOS管组成,如图为六管SRAM存储电路:
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    写操作

    如果要写入“1”,则在I/O线上加上高电平,在I/O线上加上低电平,并通过导通的V5、V6、V7、V8  4个晶体管,把高、低电平分别加在A、B点,即A=“1”,B=“0”,使V1管截止,V2管导通。当输入信号和地址选择信号(即行、列选通信号)消失以后,V5、V6、V7、V8管都截止,V1和V2管就保持被强迫写入的状态不变,从而将“1”写入存储电路。此时,各种干扰信号不能进入V1和V2管。所以,只要不掉电,写入的信息不会丢失。

    写入“0”的操作与其类似,只是在I/O线上加上低电平,在I/O线上加上高电平
    读操作

    若该基本存储电路被选中,则V5、V6、V7、V8管均导通,于是A、B两点与位线D和D相连,存储的信息被送到I/O与I/O线上。读出信息后,原存储信息不会被改变。

    缺点:故集成度较低,静态RAM的功耗比较大
    优点:不需要刷新电路,简化了外围电路 
    

    (2)Intel 2114 SRAM 芯片

    Intel 2114 SRAM芯片的容量为1 Kx4位,18脚封装,+5 V电源,有4096个基本存储电路
    在这里插入图片描述
    Intel 2114 芯片中,将4096个基本存储电路排成64行x64列的存储矩阵,每根列选择线同时连接4位列线,对应于并行的4位(位于同一行的4位应作为同一单元的内容被同时选中),从而构成了64行x16列=1 K个存储单元,每个单元有4位。1 K个存储单元应有A0~A9 10个地址输入端,2114片内地址译码采用双译码方式,A3~A8 6根用于行地址译码输入,经行译码产生64根行选择线,A0、A1、A2和A9 4根用于列地址译码输入,经过列译码产生16根列选择线。

     地址输入线A0~A9送来的地址信号分别送到行、列地址译码器,经译码后选中一个存储单元(有4个存储位)。
       
       当片选信号CS=0且WE=0时,数据输入三态门打开,I/O电路对被选中单元的4位进行写入;
       当CS=0且WE=1时,数据输入三态门关闭,而数据输出三态门打开,I/O电路将被选中单元的4位信息读出送数据线;
       当CS=1即CS无效时,不论WE为何种状态,各三态门均为高阻状态,芯片不工作
    
    2、DRAM

    动态RAM的基本存储电路利用电容存储电荷的原理来保存信息,由于电容上的电荷会逐渐泄漏,因而对动态RAM必须定时进行刷新,使泄漏的电荷得到补充。

    动态RAM的基本存储电路主要有六管、四管、三管和单管

    单管动态存储电路
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    四管动态存储电路
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    2、Intel 2164A 内部结构

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    2164A的读/写操作由WE信号来控制:

    读操作时,WE为高电平,选中单元的内容经三态输出缓冲器从DOUT引脚输出;
    写操作时,WE为低电平,DIN引脚上的信息经数据输入缓冲器写入选中单元。
    2164A没有片选信号,实际上用行地址和列地址选通信号RAS和CAS作为片选信号,可见,片选信号已分解为行选信号与列选信号两部分。 
    
    3、MROM

    MROM的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的,写入后不能修改。

    MROM采用二次光刻掩膜工艺制成,首先要制作一个掩膜板,然后通过掩膜板曝光,在硅片上刻出图形。制作掩膜板工艺较复杂,生产周期长,因此生产第一片MROM的费用很大,而复制同样的ROM就很便宜了,所以适合于大批量生产,不适用于科学研究。

    MROM有: 双极型MOS型

    4、PROM

    可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0,用户可用专门的PROM写入器将信息写入,这种写入是破坏性的,即某个存储位一旦写入1,就不能再变为0,因此对这种存储器只能进行一次编程。

    根据写入原理PROM可分为两类:结破坏型和熔丝型

    5、EPROM

    根据擦除芯片内已有信息的方法不同,可擦除、可再编程ROM可分为两种类型:

    (1)紫外线擦除PROM(简称EPROM)

    (2)电擦除PROM(简称EEPROM或E^2PROM)。

    EPROM芯片有多种型号,常用的有2716(2 Kx8)、2732(4 Kx8)、2764(8 Kx8)、27128(16 Kx8)、27256(32 K x 8)等。

    2716 EPROM芯片采用NMOS工艺制造,双列直插式24引脚封装。其内部结构如图6.16所示
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    1)  2716的内部结构和外部引脚
       A0~A10:11条地址输入线。其中7条用于行译码,4条用于列译码。
       O0~O7:8位数据线。编程写入时是输入线,正常读出时是输出线。 
       CS:片选信号。当CS=0时,允许2716读出。
       PD/PGM:待机/编程控制信号,输入。
       VPP:编程电源。在编程写入时,VPP=+25 V;正常读出时,VPP=+5 V。
       VCC:工作电源,为+5 V。
    
    1. 2716的工作方式
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        (1) 读出方式:当CS=0时,此方式可以将选中存储单元的内容读出。
        (2) 未选中:当CS=l时,不论PD/PGM的状态如何,2716均未被选中,数据线呈高阻态。
        (3) 待机(备用)方式:当PD/PGM=1时,2716处于待机方式。这种方式和未选中方式类似,但其功耗由525 mW下降到132 mW,下降了75%,所以又称为功率下降方式。这时数据线呈高阻态。
        (4) 编程方式:当VPP=+25 V,CS=l,并在PD/PGM端加上52 ms宽的正脉冲时,可以将数据线上的信息写入指定的地址单元。数据线为输入状态。
        (5) 校验编程内容方式:此方式与读出方式基本相同,只是VPP=+25 V。在编程后,可将2716中的信息读出,与写入的内容进行比较,以验证写入内容是否正确。数据线为输出状态。
        (6) 禁止编程方式:此方式禁止将数据总线上的信息写入2716。 
      
    6、闪速存储器
     Flash存储器既有MROM和RAM两者的性能,又有MROM、DRAM一样的高密度、低成本和小体积。
     目前惟一具有大容量、非易失性、低价格、可在线改写和较高速度几个特性共存的存储器。
     同DRAM比较,F1ash存储器有两个缺点:可擦写次数有限和速度较慢。所以从目前看,它还无望取代DRAM,但它是一种理想的文件存储介质,特别适用于在线编程的大容量、高密度存储领域。
    

    存储芯片的扩展

    对存储芯片进行扩展与连接时要考虑两方面的问题:一是如何用容量较小、字长较短的芯片,组成满足系统容量要求的存储器;另一个是存储器如何与CPU连接。

    这里仅总结了存储芯片的扩展方法:

    (1)位扩展

        位扩展是指存储芯片的字(单元)数满足要求而位数不够,需对每个存储单元的位数进行扩展
    

    (2)字扩展

        字扩展用于存储芯片的位数满足要求而字数不够的情况,是对存储单元数量的扩展
    

    (3)字位同时扩展

    在实际应用中,往往会遇到字数和位数都需要扩展的情况。

        若使用lxk位存储器芯片构成一个容量为MxN位(M>l,N>k)的存储器,那么这个存储器共需要(M/l)x(N/k)个存储器芯片。连接时可将这些芯片分成(M/l)个组,每组有(N/k)个芯片,组内采用位扩展法,组间采用字扩展法。
    
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