微型计算机存储器系统结构
第5章  微型计算机存储器系统结构
本章学习要点
    ●  存储器的分类及存储器系统的层次结构
    ●  随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的基本结构
    ●  存储器扩展接口
    ●  辅助存储器及新型存储器技术
5—1  本章知识重点
5-1—1  存储器的概念和基本结构
1．存储器的概念
  存储器是计算机中用来存储信息的部件，是微型计算机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交流中心。
2．存储器的分类
  存储器按照其制造材料、读写功能、信息的保存情况及其在微型计算机系统中的作用来区分，可以有以下4种分类方法：
    (1)按照存储介质分类
    采用半导体材料——半导体存储器。
    采用磁性材料——磁表面存储器。
    采用光学材料——光表面存储器。
耒怎么读    (2)按照读写功能分类
    存储内容固定不变，只能读出不能写入——只读存储器ROM。
    存储内容可以改变，既可以读出又能够写入——随机存取存储器RAM(又称为读写存储器)。
    (3)按照信息的可保存性分类
    断电后信息即消失——非永久性记忆的存储器。
    断电后仍能保存信息——永久性记忆的存储器。
    (4)按照在微型计算机系统中的作用分类
    存放当前正在运行的程序和数据——主存储器。
    存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据——辅助存储器。
    暂存CPU正在使用的指令和数据——高速缓冲存储器(Cache)。
3．存储器的基本性能指标
(1)存储容量：存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。
初一发朋友圈的精美句子    存储容量=存储器单元数×每单元二进制位数。
应该注意：通常8梦到鞋位二进制数称为一个字节，用B(Byte)表示，存储容量可以字节(B)为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)、
    吉字节(GB)、太字节(TB)等表示。
    其换算关系为：1KB=2100B=1024B    IMB=210B=1024KB
                  1GB=230B=1024MB    1TB=240B=1024GB
(2)存取时间：指启动次存储器操作到完成该操作所用的时问。
(3)存取周期：指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。
注意：存取时间和存取周期都是衡量存取速度的性能指标。
(4)价格：常用每位的价格来衡量。一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格则低得多。
  存储器总价格正比于存储容量，反比于存取速度。一般来说，速度较快的存储器，其价格
也较高，容量也不可能太大。因此，容量、速度、价格3个指标之间是相互制约的。
    所以，用户在设计和选用存储器时还要综合考虑这些因素，要根据实际需要全面衡量，尽可能满足主要要求并兼顾其他，尽量提高性能价格比。
4．存储系统的层次结构
  所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图5-1所示。
    在图5-1所示的存储系统多级层次结构中，由上向下分三级，其容量逐渐增大，速度逐级降低，成本则逐次减少。整个结构又可以看成两个层次：它们分别是主存一辅存层次和cache一主存层次。这个层次系统中的每一种存储器都不再是孤立的存储器，而是一个有机的整体。它们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可把主存一辅存层次作为一个存储整体，形成的可寻址存储空间比主存储器空间大得多。由于辅存容量大，价格低，使得
存储系统的整体平均价格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存层次可以缩小主存和cPu之间的速度差距，从整体上提高存储器系统的存取速度。尽管Cache成本高，但由于容量较小，故不会使存储系统的整体价格增加很多。
综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。
孙宁与王学兵图5-1存储系统的多级层次结构
5-1-2  IRAM与ROM
  1．随机存取存储器RAM
  现代微型计算机的主存储器已普遍采用半导体存储器。其特点是容量大、存取速度快、体积小、功耗低、集成度高、价格便宜。半导体存储器可分为两大类：随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
    所谓随机存取是指通过指令可以随机地对每个存储单元进行访问，其访问时间都是相同的，与存储单元的地址无关。通常随机存取存储器中每个存储单元的内容，可根据程序要求随时读／写，所以实际上称它为读写存储器更确切，但习惯上都把它叫做随机存取存储器。
    随机存取存储器根据存储原理又可分为静态RAM和
动态RAM。
    (1)静态RAM(sRAM)
  静态RAM的基本存储电路如图5-2所示。
图5-2静态RAM的基本存储电路
    静态BAM的主要优点是工作稳定，不需外加刷新电路，从而简化了外部电路设计。但由于静态RAM的基本存储电路中所含晶体管较多，故集成度较低。另外，由T1、T2管组成的双稳态触发器总有一个管子处于导通状态，所以会持续地消耗功率，从而使静态RAM的功耗较大，这是静态RAM的两个缺点。
    静态RAM的结构一般采用基本存储电路排成阵列，再加上地址译码电路和读写控制电路就可以构成静态RAM。 
  (2)动态RAM(DRAM)     
图5—3单管动态存储电路
动态RAM的基本存储电路如图5-3所示。 
  动态RAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，但由于任何电容都存在漏电。因此，当电容C友的结构存储有电荷时，过一段时间由于电容的放电过程会导致电荷流失，使保存信息丢    失。解决的办法是“刷新”，即每隔一定时间(一般为2ms)就必须对动态RAM进行读出和再写入，使原来处于逻辑电平“l”的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”，这个过程叫动态RAM的刷新。
    动态RAM的刷新操作不同于存储器读／写操作，主要表现在以下几点：
    ●  刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。
    ●  由于动态RAM的基本存储电路可按行同时刷新，所以刷新只需要行地址，不需要列地址。
    ●  刷新操作时，存储器芯片的数据线呈高阻状态，即片内数据线与外部数据线完全隔离。
    动态RAM的缺点是需要刷新逻辑电路，而月．刷新操作时不能进行正常的读／写操作。但动态RAM与静态RAM相比，具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点，所以在大容量的
存储器中普遍采用。
  2．只读存储器ROM
  只读存储器(ROM)是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。
    只读存储器(ROM)的特点是非易失性，即它所存储的信息一经写入，就可以长久保存，不受电源断电的影响，即使掉电后存储信息仍不会改变，十分可靠。
    按存储单元的结构和生产工艺的不同，只读存储器ROM又可分为：掩膜只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、光可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)。
    (1)掩膜只读存储器(ROM)
    掩膜只读存储器(ROM)示意图如图5-4所示。
    掩膜只读存储器(ROM)中的信息是在制造过程中写入的。生产厂家在制造这种存储器时，采用光刻掩膜技术，将程序置入其中。掩膜ROM制成后，存储的信息就不能再改写了，用户在使用时，不能修改，只能进行读出操作，所以这种存储器称为掩膜只读存储器。
    (2)可编程只读存储器(PROM)
    可编稃只读存储器(PROM)大多采用熔丝式，其基本存储电路如图5—5所示。
图5—4掩膜只读存储器(ROM)示意图
图5-5熔丝式保罗沃克死了吗PROM基本存储电路
可编程只读存储器(PROM)一般由晶体管阵列组成，用户在使用前一次性写入信息，写入后只能读出，不能修改。
    可编程只读存储器(PROM)在出厂时，晶体管阵列的熔丝均为完好状态。当用户写入信息时，可在vcc端加高于正常工作电平的“写入电平”，通过编程地址使选中的行线为该电平。若某位写‘0’，写入逻辑使相应位线呈低电平，较人的电流使该位熔丝烧断，即存入‘0’，
；若某位写‘1’，相应位线呈高电平，使熔丝保持原状，即存入‘1’。显然，熔丝一旦烧断，就不能再复原。因此，用户对这种PROM只能进行次编程。
    PROM的电路和工艺比ROM复杂，又具有可编程逻辑，所以价格较贵。  一般在非批量使用时，用PROM合算；在批量使用时，则用掩膜ROM比较适宜。
(3)光可擦除可编程只读存储器(EPROM)
    光可擦除可编程只读存储器(EPROM)是利用浮栅MOS管构成，其结构如图5-6所示。
图5-6浮栅MOS管EPROM存储电路
  在原始状态，栅极上没有电荷，该管没有导通沟道，D和s是不导通的，管子处于截止状
态。如果将源极和衬底接地，在衬底和漏极形成的PN结j．加一个约24V的反向电压，首先在漏极引起雪崩击穿，产生许多高能量的电子。这些高能电子比较容易越过绝缘薄层进入浮栅，使浮栅带上负电荷，等效于栅极上加负电压。注入浮栅的电子数量由所加电压脉冲的幅度和宽度来控制。如果注入的电子足够多，这些负电子在硅表面上感应出一个连接源、漏极的反型层，使源、漏极之间形成一层正电荷的导电沟道，管子呈导通状态。
    当外加电压取消后，积累在浮栅上的电子没有放电回路，因而在室温和无光照的条件下可长期地保存在浮栅中。我们以浮栅是否积存电荷来区别管子存储内容是‘0’，还是‘1’。若浮栅无积存电荷，则源、漏极是不导通的。当行选线选中该存储单元时，列线输出高电平，即读出信息‘1’；若在浮栅中注入了电子，则MOS管就有导电沟道存在。当承受正偏压时，源、漏极导通，可在列线得到低电平，即读出信息‘0’。EPROM在出厂时，未经过编程，浮栅中没有积存电荷，位线上总是“l”，即存储内容为FFH。

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