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剩昀砾袁
5 years ago
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1 第十九讲授课教师 : 陆俊林王箫音 2012 年秋季学期

2 主要内容一存储器层次和实现二静态 RAM(SRAM) 三动态 RAM(DRAM) 四只读存储器 (ROM) 教材相关章节 : 微型计算机基本原理与应用 ( 第二版 ) 第 13 章存储器及其接口 1

3 主要内容一存储器层次和实现二静态 RAM(SRAM) 三动态 RAM(DRAM) 四只读存储器 (ROM) 2

4 存储系统的层次结构提高访存速度通用寄存器 Byte 量级高速缓存 KB~MB 量级主存 MB~GB 量级更小更快单位字节成本更高增大存储容量本地二级存储 GB~TB 量级更大更慢单位字节成本更低 3

5 存储器各层次的实现高速缓存静态 RAM(SRAM) 主存动态 RAM(DRAM) 本地二级存储机械硬盘 (Hard Disk Drive) 固态硬盘 (Solid State Disk) 4

6 内存条插槽北桥芯片典型计算机中的存储层次 CPU 高速缓存内存接口控制器内存条 (RAM) 硬盘 ROM 接口控制器硬盘接口南桥芯片硬盘接口控制器 BIOS 芯片 (ROM) 5

7 存储器按存储介质分类半导体存储器磁存储器光学存储器双极型存储器 (TTL 电路 ) 磁芯存储器只读式光盘单极型存储器 (MOS 电路 ) 磁表面存储器可擦写式光盘 6

8 半导体存储器的分类随机存储器 Random Access Memory 易失性存储器 Volatile Memory 只读存储器 Read Only Memory 非易失性存储器 Non-Volatile Memory RAM ROM SRAM DRAM Mask ROM PROM EPROM EEPROM Flash 7

9 存储器的性能指标 1. 存储容量 2. 存取速度 3. 可靠性 4. 性能价格比 5. 功耗 6. 8

10 存储容量存储容量是存储器可以容纳的二进制信息总量, 即存储信息的总位数 (bits), 也称存储器的位容量设 : 存储器芯片的地址线位数是 p 存储器芯片的数据线位数是 q 则 : 存储器芯片的编址单元总数为 2 p 存储器芯片的位容量为 2 p q 9

11 存取速度存取时间 (Access Time) 从 CPU 发出有效存储器地址从而启动一次存储器读 / 写操作, 到该读 / 写操作完成所经历的时间存储周期 (Memory Cycle) 连续启动两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔存储器在完成读 / 写操作之后需要一段恢复时间, 因而存储周期通常略大于存取时间 10

12 存储字和内存中的数据组织内存通常采用的是按字节编址, 即每个内存地址对应一个字节存储单元在计算机系统中, 作为一个整体一次读出或写入存储器的数据称为存储字, 存储字通常由多个字节组成多字节的存储字在内存中的存放顺序是什么? 内存地址字节存储单元....?

13 存储字的数据存储格式大端模式 (Big Endian) 高位字节排放在内存的低地址端低位字节排放在内存的高地址端该模式符合人类的正常思维小端模式 (Little Endian) 高位字节排放在内存的高地址端低位字节排放在内存的低地址端该模式便于计算机处理举例 : 地址为 1000H 的 32 位 (4 字节 ) 存储字 0A0B0C0DH 1003H 1002H 1001H 1000H 1003H 1002H 1001H 1000H.. 0DH 0CH 0BH 0AH.... 0AH 0BH 0CH 0DH.. 12

14 字节顺序 (Byte Order) 字节顺序 : 字节间的相对顺序 1. 网络字节顺序大端模式 2. 主机字节顺序大端模式 :IBM System/360 IBM System/370 PDP-10 Motorola 系列微处理器小端模式 :PDP-11 VAX Intel 系列微处理器 13

15 主要内容一存储器层次和实现二静态 RAM(SRAM) 三动态 RAM(DRAM) 四只读存储器 (ROM) 14

16 SRAM 的基本存储单元位线位线双稳态触发器 15

17 SRAM 的基本结构地址线片选线存储矩阵码驱动数读写控制据线读 / 写控制线译 16

18 SRAM 的特点和主要用途优点速度较快缺点集成度低功耗较高价格较高主要用途 Intel Core 2 Quad( 酷睿四核 ) 通常用作微型计算机系统中的高速缓存 17

19 主要内容一存储器层次和实现二静态 RAM(SRAM) 三动态 RAM(DRAM) 四只读存储器 (ROM) 18

20 DRAM 的基本存储单元定期对所有单元进行刷新 (Refresh), 使原来表示逻辑 1 电容上的电荷得到补充, 而原来表示逻辑 0 的电容仍保持无电荷状态刷新放大器行选择信号 T C 基本存储单元任何电容均存在漏电效应, 经过一段时间后电容上的电荷会流失殆尽, 导致所存信息丢失列选择信号数据输入 / 输出线 19

21 DRAM 的特点和主要用途优点集成度高功耗较低价格较低缺点速度较慢定时刷新主要用途现代 PC 机大多采用 DRAM 作为主存 20

22 DRAM 和 SRAM 的比较 DRAM SRAM 存储单元电容双稳态触发器集成度高低功耗低高价格低高速度慢快刷新有无 21

23 内存模组与 DRAM 芯片北桥芯片 : 内含内存接口控制器等北桥芯片内存接口控制器内存条插槽 CPU CPU 插槽内存模组 DRAM 芯片 (Memory Module) (DRAM Chip) 内存条插槽 22

24 DRAM 芯片的内部结构 Column Decoder Data In/Out Buffers Sense Amplifiers Bit Lines Row Decoder Word Lines Memory Array DRAM 芯片 (DRAM Chip) 内存模组 DRAM 芯片 (Memory Module) (DRAM Chip) 23

25 内存系统的组织结构内存模组 DRAM 芯片 (Memory Module) (DRAM Chip) DIMM 0 DIMM 1 Address & Command 内存控制器 Data Bus (64 bits) 16 bits Chip Select 0 1 每个内存模组容量为 256M Bytes, 由 4 个 DRAM Chip 组成 Chip Select 1 24

26 内存系统的组织结构内存模组 DRAM 芯片 (Memory Module) (DRAM Chip) DIMM 每个 DRAM Chip 容量为 512M bits, 由 8 个组成 4 5 MUX 6 7 I/O 25

27 内存系统的组织结构内存模组 DRAM 芯片 (Memory Module) (DRAM Chip) 3 每个容量为 64M bits bitline Memory Array ( ) wordline MUX I/O 行数目列数目 DRAM Chip 位宽 (x4/x8/x16) 26

28 内存系统示例单个内存模组容量 :256M Bytes 内存的总容量 :512M Bytes 分配给内存的地址空间 : H~1FFFFFFFH 0~512M Bytes DIMM 0 DIMM 1 27

29 回顾 : 内存系统的组织结构 bitline DIMM Memory Array ( ) wordline M bits 256M Bytes MUX I/O 512M bits 28

30 内存寻址过程示例 DIMM 1 bitline 访存地址 : H M Bytes MUX I/O M bits 3 Memory Array ( ) 64M bits wordline 内存控制器片选 DIMM 1 选择 3 行选择第 4097 行列选择第 257 列步骤 1: 总线地址译码步骤 2: 内存控制器地址译码 64 bits ( 存储器位宽 ) 29

31 DRAM 芯片的内部结构 Column Decoder Data In/Out Buffers Sense Amplifiers Bit Lines Row Decoder Word Lines Memory Array 30

32 DRAM 的访问过程 (1) 1 Bus Request Column Decoder 内存 CPU BUS 控制器 BUS Data In/Out Buffers Row Decoder Word Lines Sense Amplifiers Bit Lines Memory Array 31

33 DRAM 的访问过程 (2) 2 [Precharge] and Row Access Column Decoder 内存 CPU BUS 控制器 BUS ACT (Activate) or RAS (Row Access Strobe) Data In/Out Buffers Row Decoder Word Lines Sense Amplifiers Bit Lines Memory Array 32

34 DRAM 的访问过程 (3) 3 Column Access Column Decoder 内存 CPU BUS 控制器 BUS Data In/Out Buffers READ or CAS (Column Access Strobe) Row Decoder Word Lines Sense Amplifiers Bit Lines Memory Array 33

35 DRAM 的访问过程 (4) 4 Bus Transmission Column Decoder CPU 内存 BUS 控制器 BUS Data In/Out Buffers Row Decoder Word Lines Sense Amplifiers Bit Lines Memory Array 34

36 典型 SDRAM 的读操作时序图 Clock RAS CAS Command ACT READ Address Row Address Column Address DQ Valid Data Valid Data Valid Data Valid Data 35

37 DDR(Double Data Rate) 36

38 DDR3 SDRAM 读操作时序图示例 37

39 主要内容一存储器层次和实现二静态 RAM(SRAM) 三动态 RAM(DRAM) 四只读存储器 (ROM) 38

40 ROM 的特点和主要用途特性一 : 只读 (Read Only) 数据是预先写入的, 使用过程中无法改写, 或者无法像 RAM 一样快速而方便地加以改写特性二 : 非易失性 (Non-Volatile) 信息一经写入, 即便断电, 写入的数据也不会丢失主要用途存放不需要经常修改的程序或数据例如 :BIOS 程序运算查找表等 39

41 ROM 按功能和工艺分类 Mask ROM PROM ROM EPROM EEPROM Flash 40

42 1 Mask ROM 制造过程中, 通过掩膜 (Mask) 将存储的内容烧录于电路中, 因此称为掩膜式 ROM 存储的内容由制造厂家一次性写入, 写入后就不能修改掩膜式 ROM 是真正的只读存储器缺点用户无法修改内容, 灵活性差少量生产时造价较高, 只适用于定型批量生产 41

43 2 PROM 制造过程中, 存储的内容为全 1 或全 0, 之后利用电流烧断熔丝或永久性击穿二极管, 可以写入用户需要的内容, 因此称为可编程 ROM(Programmable ROM) 存储的内容由用户而不是制造厂家一次性写入, 写入后就不能修改缺点用户只能一次性修改内容 42

44 3 EPROM 芯片封装外壳上方有一个石英玻璃窗口, 当用一定波长一定光强的紫外线透过窗口照射时, 存储内容将被清除, 因此称为可擦除可编程 ROM(Erasable PROM) 43

45 3 EPROM( 续 ) 优点 : 存储的内容可多次编程, 灵活性较好缺点 : 即使只有一个二进制位需要修改, 也必须将芯片从机器或板卡上拔下来用紫外线光源擦除后重写, 因而给实际使用带来不便主要用途早期微控制器中用于存储程序例如 : Intel 8048 Intel

46 4 EEPROM 擦除不需要借助紫外线, 而是使用高电场来完成, 因此只需用厂商提供的专用刷新程序就可以在线擦除和编程, 因此称为电可擦除可编程 ROM(Electrically EPROM) 擦除可以按字节分别进行, 不必将存储内容全部擦除才写入缺点 : 在写入数据时, 仍要利用一定的编程电压 ( 比正常工作电压更高的电压 ) 45

47 5 Flash Memory 1984 年, 东芝公司的桀冈富士雄 (Fujio Masuoka) 首先提出快速闪存存储器 ( 简称闪存 ) 的概念可按字节区块或页面快速进行擦除和编程操作, 也可按整片进行擦除和编程可进行在线擦除与编程, 在正常工作电压下即可实现编程操作片内有命令寄存器和状态寄存器, 因而具有内部编程控制逻辑分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类 46

48 NOR Flash 的结构和原理 1988 年, 由 Intel 公司研发成功并生产上市存储单元并行连接到位线, 与 NOR 门相似具有独立的地址线和数据线, 读取数据的方式与 RAM 类似, 可以随机读取每一个字节 47

49 NOR Flash 的特点和用途集成度低, 价格较高, 容量较小支持芯片内执行 (XIP,eXecute In Place), 存储在 NOR Flash 上的程序不需要复制到 RAM 就可以直接运行通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行 48

50 NAND Flash 的结构和原理 1989 年, 由东芝公司研发成功并生产上市存储单元串行连接到位线, 与 NAND 门相似采用地址线和数据线共用的 I/O 线, 只能以页面为单位进行数据读取 49

51 NAND Flash 的特点和用途集成度高, 价格较低, 容量较大, 写入和擦除的速度很快, 通常用于数据存储闪存卡 Smart Media(SM 卡 ) Compact Flash(CF 卡 ) Multi Media Card(MMC 卡 ) Secure Digital(SD 卡 ) Memory Stick( 记忆棒 ) 固态硬盘 (Solid State Disk,SSD) 50

52 NOR Flash 和 NAND Flash 性能比较 NOR Flash (Mbytes/Second) NAND Flash (Mbytes/Second) 读速度写速度擦除速度 * 注 :NOR Flash 和 NAND Flash 型号众多, 性能参数差异较大, 上述数据仅作为大致的比较 51

53 作业作业题 : 教材第 410 页第 7 12 题补充题 : 简述 CPU 从内存 DRAM 读取数据的过程 52

54 下讲预告下讲主题存储器及其接口 ( 二 ) 学习资料教材第 13 章 53

55 谢谢! 54

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031