存储器4班2组课件

第第2章章 存储器存储器 2.1 存储器存储器 2.1.1 读写存储器（读写存储器（RAM）2.1.2 只读存储器（只读存储器（RAM）2.2 80C51中的存储器组织的特点中的存储器组织的特点2.3 程序存储器程序存储器2.4 数据存储器数据存储器 2.4.1 外部数据存储器空间外部数据存储器空间 2.4.2 内部数据存储器内部数据存储器 2.4.3 堆栈堆栈 2.4.4 特殊功能寄存器空间特殊功能寄存器空间 .目标目标1.了解存储器的基本组成、分类和性能指标了解存储器的基本组成、分类和性能指标2.掌握掌握RAM和和ROM的基本原理的基本原理3.掌握掌握80C51中存储器的特点中存储器的特点.计算机的计算机的 存存 储储 器器外存储器外存储器 作用：用于存放当前运行的作用：用于存放当前运行的程序和数据，是主机一部分。程序和数据，是主机一部分。特点：通常用半导体存储器特点：通常用半导体存储器作为内存储器。内存速度较高，作为内存储器。内存速度较高，CPU可直接读写。可直接读写。作用：用于存放暂时不用的作用：用于存放暂时不用的程序和数据。程序和数据。特点：容量大、速度较低、特点：容量大、速度较低、CPU不能直接读写。不能直接读写。内存储器内存储器存储器的分类存储器的分类.一、有关存储器几种分类一、有关存储器几种分类存储介质分类存储介质分类 半导体存储器半导体存储器 磁盘和磁带等磁表面存储器磁盘和磁带等磁表面存储器 光电存储器光电存储器 按存取方式分类按存取方式分类 随机随机/读写存储器读写存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器只读存储器ROM（Read-Only Memory）串行访问存储器串行访问存储器(Serial Access Storage)按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类 主存储器主存储器(内存内存)辅助存储器辅助存储器(外存外存)高速缓冲存储器高速缓冲存储器 存储器的分类存储器的分类.存储器的分类存储器的分类存储器的分类存储器的分类静态RAM动态RAM.静态静态SRAM 动态动态DRAM 一般用双稳触发器作为基本存储电路，采用一般用双稳触发器作为基本存储电路，采用 NMOS NMOS 电路电路,特点是集成度介于双极型特点是集成度介于双极型RAM与动态与动态RAM之间，不需要刷新，之间，不需要刷新，易用电池易用电池备用电源，功耗也在双极型和动态备用电源，功耗也在双极型和动态RAM之之间。间。靠电容存储电荷来记录信息，而总是存在有靠电容存储电荷来记录信息，而总是存在有泄漏电荷的情况泄漏电荷的情况,须定时刷新须定时刷新,大约每隔大约每隔 15ms 15ms 刷新一遍刷新一遍。集成度最高，比静态。集成度最高，比静态RAM功耗功耗低，价格便宜。低，价格便宜。2.1.1 读写存储器读写存储器RAM的分类及特点的分类及特点.T1、T2为控制管，为控制管，T3、T4是负是负载管，载管，T5、T6、T7、T8是控制是控制管管。该该电电路路有有两两种种稳稳定定状状态态：T T1 1截截止止，T T2 2导导通通为为状状态态“1”“1”；T T2 2截截止，止，T T1 1导通为状态导通为状态“0”“0”。NMOSNMOS的基本存储电路的基本存储电路X地址译码线地址译码线 接接 Y地地 址址 译译码器码器 T8B T7A T6 T5 T2 T1 T4 T3VCCI/O I/O1.静态存储器（静态存储器（SRAMSRAM）由两个增强型的由两个增强型的NMOS反相器交叉耦合而成，静态反相器交叉耦合而成，静态RAM基本存储基本存储电路用来存储电路用来存储1位二进制信息，是组成存储器的基础。位二进制信息，是组成存储器的基础。(通道金属氧化通道金属氧化半导体半导体N-channel metal oxide semiconductor).1.静态存储器（静态存储器（SRAMSRAM）图图2-1 静态存储电路内部结构图静态存储电路内部结构图1 10 010六管静态存储器电路如六管静态存储器电路如图图2-1所示。其中所示。其中T1、T2为控制管，为控制管，T3、T4为负载管，为负载管，T5、T6为控为控制管。根据制管。根据T1、T2的状的状态，便可确定该存储单态，便可确定该存储单元是存放元是存放“0”还是还是“1”。当行选线当行选线(字选线字选线)X输出为高电平时，输出为高电平时，T5 、T 6管导通，管导通，触发器就和数据线触发器就和数据线相通了；当相通了；当 这个电这个电路被选中时，相应路被选中时，相应的列选线的列选线 Y 译码输译码输出也是高电平，则出也是高电平，则 T7、T8 管也是导管也是导通的，于通的，于 是是 D 和和D/就与输入输出电就与输入输出电路路 I/O 以及以及I/O(这这是指存储器外部的是指存储器外部的数据线数据线)相通。相通。DD.图图2-1 静态存储电路内部结构图静态存储电路内部结构图1 10 010写入时写入时，写入信，写入信号号 自自I/O 以及以及I/O 线输入，当写线输入，当写“1”时，时，I/O 线线“1”，而而 I/O 非为非为“0”。I/O线上的高电平线上的高电平通过通过 T7 管、管、D 线、线、T5 管送到管送到 A 点，而点，而I/O 线上线上的低电平经的低电平经 T8 管、管、D/、T6 送到送到 B 点，这样就强迫点，这样就强迫 T2 管导通，管导通，T1 管截止，相当于管截止，相当于把输入电荷存储把输入电荷存储于于 T1 和和 T2 管的管的 栅极。栅极。在读数时在读数时：由地址译码器：由地址译码器选中基本存储器，选中基本存储器，T5和和T6导通，导通，T1的状态被送的状态被送到到I/O线上，而线上，而T2的状态的状态被送到被送到I/O非线上，于是非线上，于是就读出取了原来存储的信就读出取了原来存储的信息。息。特点特点:管子多，位容量少；管子多，位容量少；集成度低，功耗较大。集成度低，功耗较大。速度快，稳定；速度快，稳定；无刷新电路。无刷新电路。DD1.静态存储器（静态存储器（SRAM）.2.2.动态读写存储器（动态读写存储器（DRAMDRAM）动态读写原理动态读写原理 DRAM是利用是利用电容存储电荷的原理电容存储电荷的原理来保存信息的，它将晶体管电来保存信息的，它将晶体管电容的充电状态和放电状态分别作为容的充电状态和放电状态分别作为1和和0。特点：集成度高，功耗低。特点：集成度高，功耗低。速度慢于速度慢于SRAM，需要不断刷新。，需要不断刷新。电容电容 Cs 上有电荷表示存储的二进制信息是上有电荷表示存储的二进制信息是“1”，无电荷表示，无电荷表示“0”。因此每个数据读出后，。因此每个数据读出后，要重新恢复要重新恢复 Cs 上的电荷量，称为刷新。上的电荷量，称为刷新。写入信号：行选择线为写入信号：行选择线为“1”，Ts管导通，管导通，写入信号由位线（数据线）存入电容写入信号由位线（数据线）存入电容Cs中；中；读出时：行选择线为读出时：行选择线为“1”，存储在，存储在Cs上上的电荷，通过的电荷，通过Ts管输出到数据管输出到数据(I/O)线上线上,通过读出放大镜得到存储信息。通过读出放大镜得到存储信息。.（2）ROM的分类及特点的分类及特点 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM是芯片厂家用光刻工艺是芯片厂家用光刻工艺掩膜对存储器进行编程，一旦制造完毕，其内容掩膜对存储器进行编程，一旦制造完毕，其内容就不可更改。就不可更改。2.1.2 2.1.2 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM).（2）ROM的分类及特点的分类及特点 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 允许用户烧断允许用户烧断管子熔丝的方法一次性写入，一旦写入也管子熔丝的方法一次性写入，一旦写入也不可更改。不可更改。2.1.2 2.1.2 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM).（2）ROM的分类及特点的分类及特点 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 可擦除只读存储器可擦除只读存储器EPROM EPROM允许用户由专用编程器完成多次允许用户由专用编程器完成多次写入信息。写入之前应先擦除原来写入的写入信息。写入之前应先擦除原来写入的信息。用紫外光照射信息。用紫外光照射15分钟左右，芯片中分钟左右，芯片中信息被擦除。信息被擦除。2.1.2 2.1.2 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM).（2）ROM的分类及特点的分类及特点 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 可擦除只读存储器可擦除只读存储器EPROM 可电改写的只读存储器可电改写的只读存储器EEPROM 即用特定的电信号对其进行在线擦除、即用特定的电信号对其进行在线擦除、改写操作，因此很方便。特点是写入时改写操作，因此很方便。特点是写入时电压要求较高（电压要求较高（12V以上）、速度较慢。以上）、速度较慢。保存信息保存信息100年。年。2.1.2 2.1.2 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM).（2）ROM的分类及特点的分类及特点 掩膜只读存储器掩膜只读存储器MROM 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 可可 擦擦 除除 可可 编编 程程 只只 读读 存存 储储 器器EPROM 可电改写的只读存储器可电改写的只读存储器EEPROM 闪速存储器（闪速存储器（Flash Memory）特点是在不加电的情况下可以长期保存数据，特点是在不加电的情况下可以长期保存数据，又具有非易失性，还可以在线进行快速擦写又具有非易失性，还可以在线进行快速擦写与重写，兼有与重写，兼有EPROM和和SRAM的优点。的优点。只读存储器只读存储器(ROM)(ROM).图图2-3 掩膜掩膜ROM举例举例 掩膜掩膜ROM是在制造制是在制造制造过程中根据需求以不同造过程中根据需求以不同的掩膜做成，用户不能修的掩膜做成，用户不能修改。改。若地址信号为若地址信号为00，选，选中字线中字线1，它的输出为高，它的输出为高电平，与它相连的管子的电平，与它相连的管子的位线输出为位线输出为“0”(如位线如位线1、4)，不相连的输出为，不相连的输出为“1”(如位线如位线2、3)。ROM的特点：信息不的特点：信息不易丢失，即掉电后接通电易丢失，即掉电后接通电源时，它所存储的信息是源时，它所存储的信息是不变的。不变的。.表表2-1 ROM的内容的内容 位位 字字位位1位位2位位3位位4字字10（1）1（0）1（0）0（1）字字20（1）1（0）0（1）1（0）字字31（0）0（1）1（0）0（1）字字40（1）0（1）0（1）0（1）.2 2可擦除的可编程序的只读存储器（可擦除的可编程序的只读存储器（EPROMEPROM）图图2-4 EPROM的基本存储电路的基本存储电路.2.2 80C51中的存储器组织的特点中的存储器组织的特点 8051系系列列存存储储器器组组织织的的特特点点是是程程序序存存储器与数据存储器在逻辑上分离。储器与数据存储器在逻辑上分离。程程序序存存储储器器与与数数据据存存储储器器截截然然分分开开，分分为为两两个个不不同同的的地地址址空空间间，并并且且配配备备各各自自独独立立的的寻寻址址机机构构、寻寻址址方方式式与与操操作作指指令令。这这种种体体系系结结构构是是由由Harward Aiken于于1944年年提提出出的的，称称为为“Harward（哈哈佛佛）体体系系结结构构”。8051系系列列采采用用的的就就是是这这种种哈哈佛佛体体系结构。系结构。.存储器层次结构存储器层次结构 把把不不同同存存储储容容量量、存存取取速速度度和和价价格格的的存存储储器器按按层层次次结结构构组组成成多多层层存存储储器器，并并通通过过管管理理软软件件和和辅辅助助硬硬件件有有机机组组合合成成统统一一的的整整体体，使使所所存存放放的的程程序序和和数数据据按按层层次次分分布布在在各各种种存存储器中。储器中。主主要要由由高高速速缓缓冲冲存存储储器器Cache、主主存存储储器器和和辅辅助助外外存存组组成。成。核心是解决容量、速度、价格间的矛盾，建立起多核心是解决容量、速度、价格间的矛盾，建立起多层存储结构。层存储结构。一个金字塔结构的多层存储体系一个金字塔结构的多层存储体系 充分体现出容量和充分体现出容量和速度关系速度关系.存储器层次结构存储器层次结构微型计算机存储层次图微型计算机存储层次图 呈现金字塔形结呈现金字塔形结构，越往上存储器构，越往上存储器件的速度越快，件的速度越快，CPU的访问频度越的访问频度越高；同时价格也越高；同时价格也越高，系统拥有量越高，系统拥有量越小。小。.微型计算机存储层次图微型计算机存储层次图 寄存器位于塔顶端，寄存器位于塔顶端，数量有限、存取速度数量有限、存取速度最快。向下依次是最快。向下依次是Cache、主存储器、主存储器、辅助存储器。位于塔辅助存储器。位于塔底的存储设备，其容底的存储设备，其容量最大，每位价格最量最大，每位价格最低，但速度最慢。低，但速度最慢。存储器层次结构存储器层次结构.狭义三层：狭义三层：Cache、内存、外存。、内存、外存。广义四层：广义四层：加上加上CPU寄存器构成微寄存器构成微处理器四层存储体系。处理器四层存储体系。存储器的层次结构主要存储器的层次结构主要体现在缓存体现在缓存 主存和主存主存和主存 辅存这两个存储层次上。辅存这两个存储层次上。图图6.2 微型计算机存储层次图微型计算机存储层次图存储器层次结构存储器层次结构.速度方面，内存比速度方面，内存比CPU大约慢一个数量级，存在速度匹大约慢一个数量级，存在速度匹配的瓶颈。配的瓶颈。在在CPU和内存中间增加一层高速和内存中间增加一层高速Cache，又构成了，又构成了高速高速缓存（缓存（Cache）-内存层次内存层次。要求。要求Cache速度与速度与 CPU速度匹速度匹配或接近。配或接近。高速缓存（高速缓存（Cache）-内存层次：内存层次：解决了提高存储速度问题。解决了提高存储速度问题。内存内存-外存存储层次：外存存储层次：解决了大容量和低成本的矛盾。解决了大容量和低成本的矛盾。存储器层次结构存储器层次结构.内存内存一般用一般用来存放当前活跃来存放当前活跃的程序和数据。的程序和数据。目前主要采用半目前主要采用半导体存储器，使导体存储器，使用随机存取方式用随机存取方式 外存外存用于存放用于存放当前不活跃的程当前不活跃的程序和数据。一般序和数据。一般采用软盘、硬磁采用软盘、硬磁盘、光盘、优盘盘、光盘、优盘 cache用在用在CPU与内存之与内存之间，在交换信间，在交换信息时起缓冲作息时起缓冲作用。用。CacheCPU内存储器内存储器 外外 存存 储储 器器2个层次三级体系：个层次三级体系：存储器层次结构存储器层次结构.半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标性能指标性能指标:功耗、可靠性、容量、价格、集成度、存取速度功耗、可靠性、容量、价格、集成度、存取速度从功能和接口电路角度，最重要是芯片的从功能和接口电路角度，最重要是芯片的存取容量存取容量和和速度速度。（1）存储容量）存储容量 存储容量是指存储器存放二进制信息的总位数存储容量是指存储器存放二进制信息的总位数 即：即：存储容量存储容量=存储单元数存储单元数单元的位数。单元的位数。芯芯片片的的容容量量通通常常采采用用比比特特（Bit）作作为为单单位位。如如N8、N4、N1这这样的形式来表示芯片的容量样的形式来表示芯片的容量(集成方式集成方式)。计计算算机机中中一一般般以以字字节节B（Byte）为为单单位位，如如256KB、512KB等等。大大容量的存储器用容量的存储器用MB、GB、TB为单位。为单位。主存储器及存储控制主存储器及存储控制.（2）存取时间）存取时间 是反映存储器工作速度的一个重要指标，是指从是反映存储器工作速度的一个重要指标，是指从CPU给出有效的存储给出有效的存储器地址启动一次存储器读器地址启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。写操作，到该操作完成所经历的时间。读操作：读操作：存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有效之间存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有效之间的时间，通常在的时间，通常在101102ns之间。之间。写操作：写操作：而对一次写操作，存取时间就是写入时间。（一般大于读）而对一次写操作，存取时间就是写入时间。（一般大于读）存取速度存取速度是以存储器的存取时间来衡量的，一般为几是以存储器的存取时间来衡量的，一般为几ns到几百到几百ns，存，存取时间越短，存取速度越快，存取时间主要是与存储器的制造工艺有关，取时间越短，存取速度越快，存取时间主要是与存储器的制造工艺有关，一般双极型速度高于一般双极型速度高于MOS型速度。型速度。.（3）存取周期）存取周期 指连续启动两次独立的存储器指连续启动两次独立的存储器 读读/写操作所需的最小间隔时间写操作所需的最小间隔时间 注意注意!存在内部操作的恢复时间，存在内部操作的恢复时间，读读/写周期写周期=读出读出/写入时间写入时间+恢复时间。恢复时间。（4）功耗）功耗 包包括括“维维持持功功耗耗”和和“操操作作功功耗耗”，反反映映了了存存储储器器在在一一定定时时间间内内耗耗电电的的多多少少，同同时时也也反反映映了了它它的的发发热热程程度度。大大多多数数半半导导体体存存储储器器的的维维持持功耗小于操作功耗。功耗小于操作功耗。读周期时间读周期时间写周期时间写周期时间.（5）可靠性）可靠性 指存储器对环境温度与电磁场等变化的抗干扰能力。指存储器对环境温度与电磁场等变化的抗干扰能力。大大规规模模集集成成电电路路结结构构的的平平均均无无故故障障时时间间MTBF（表表示示两两次次故故障障之之间间的的平平均均时时间间间间隔隔）一一般般都都在在几几千千小小时时以以上上。平平均均无无故故障障时时间间越越长长，则则可可靠靠性性越越高。高。（6）集成度）集成度 对于半导体存储器来说，集成度是一个重要的衡量指标。对于半导体存储器来说，集成度是一个重要的衡量指标。集成度是指在平方毫米芯片上集成基本电路的数量。集成度是指在平方毫米芯片上集成基本电路的数量。（7）性价比）性价比.个人观点供参考，欢迎讨论！