第 5 章存储器 Memory

第5章存储器 Memory 本章主要教学内容 • 存储器概述 • 存储器与CPU的典型连接 • 内存实用技术解读

内部存储器 外部存储器 ★存储系统概述——存储体系★ 存储系统——是计算机的重要组成部分,用来存储计算机工作需要的信息（程序和数据）的部件，构成计算机的信息记忆功能。存储器可分为两大类：内部存储器外部存储器

几种存储器介绍－Cache • 高速缓冲存储器：它是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。 • 主要由三大部分组成： • Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。 • 地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。 • 替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

几种存储器介绍－网络存储器 • NAS：它是英文“Network Attached Storage”的缩写, 即“网络附加存储”。简单的说就是连接在网络上, 具备资料存储功能的装置，因此也称为“网络存储器”或者“网络磁盘阵列”。 • 从结构上讲，NAS是功能单一的精简型电脑，因此在架构上不像个人电脑那么复杂，在外观上就像家电产品，只需电源与简单的控制钮。 • NAS是一种专业的网络文件存储及文件备份设备，它是基于LAN的，按照TCP/IP协议进行通信，以文件的I/O方式进行数据传输。

几种存储器介绍－网络存储器 图1－网络存储器实例图

几种存储器介绍－虚拟存储器 • 虚拟存储器：在具有层次结构存储器的计算机系统中，自动实现部分装入和部分替换功能，能从逻辑上为用户提供一个比物理贮存容量大得多，可寻址的主存储器。虚拟存储区的容量与物理主存大小无关，而受限于计算机的地址结构和可用磁盘容量。 • 对于虚拟内存主要设置两点，即内存大小和分页位置，内存大小就是设置虚拟内存最小和最大值；而分页位置则是设置虚拟内存应使用那个分区中的硬盘空间。

几种存储器介绍－虚拟存储器 • 如果操作系统和应用程序需要的内存数量超过了计算机中安装的物理内存数量，操作系统就会暂时将不需要访问的数据通过一种叫做“分页”的操作写入到硬盘上一个特殊的文件中，从而给需要立刻使用内存的程序和数据释放内存，这个位于硬盘上的特殊文件就是分页文件（也就是虚拟内存文件，或叫做交换文件，Windows 2000/XP/2003中的分页文件名为pagefile.sys）。

几种存储器介绍－虚拟存储器

几种存储器介绍－闪存 • 闪存的英文名称是Flash Memory，一般简称为Flash，它属于内存器件的一种。 • 目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存； • 闪存则是一种不挥发性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

内部存储器分类 它里面存储的信息是由电脑出厂时已经写好的，掉电不丢失。只读存储器（ROM) 内部存储器它是我们常说的内存，它里面存储的信息是电脑当前正在处理的程序或数据，掉电则丢失。随机访问存储器(RAM) 备注：今后我们说“内存”就是指RAM，除非特别指明

内部存储器分类 掩膜ROM 只读存储器 ROM 可编程ROM（PROM）可擦去的ROM（EPROM）

内部存储器分类 双极型RAM 读写存储器 RAM 静态动态 MOS型 RAM

内存综述 Memory 作为PC不可缺少的重要核心部件——内存，它伴随着其它硬件走过了多年历程，其规格、技术、总线带宽等不断更新换代不过我们有理由相信，内存的更新换代可谓万变不离其宗，其目的在于提高内存的带宽，以满足CPU不断升高的带宽要求、避免成为高速CPU运算的瓶颈

外存储器内存中央接口总线处理器内存的功能 • 内存的作用： • 运行程序； • 暂存常用的程序、数据； • 与外存储器、外设交换数据的缓冲存储。外存主要有磁存储器、光存储器和 Flash存储器三种。

内存的主要技术指标 • 存储容量：存储器可以容纳的二进制信息量，以字节(Byte)为单位1KB = 210 = 1024B 1MB = 220 = 1024KB = 1,048,576B 1GB = 230 = 1024MB = 1,048,576KB = 1,073,741,824B • 速度：读取时间=从发出读出命令到信息稳定在存储器输出端的时间，一般单位为ns(10-9秒)。DRAM芯片：一般为几十ns。目前由DRAM芯片构成的内存条(模块)：突发传送模式下读写速度可以达到2ns。如DDR400连续读取的极限速度为2.5ns。 • 带宽：(存储器位数/8)*读取速度峰值，单位为MB/s。

★内存的工作示意图★ • 内存的构成：包括存储阵列、地址/数据寄存器、地址译码器、时序控制电路(动态存储器还包括刷新控制电路)和读写驱动等部分组成。系统总线 CPU 地址总线读写控制数据总线地址寄存器 MAR 时序控制电路数据寄存器 MDR 存储芯片阵列地址译码器读写驱动电路

RAM与CPU的连接主要有三部分： • 地址线的连接:地址总线AB传输被访问的存储单元的地址信号 • 数据线的连接:数据总线DB传输被访问的存储单元的数据信号 • 控制线的连接:控制总线CB传输读/写信号和其他控制信号

CPU对RAM的操作演示： ★ • http://netclass.csu.edu.cn/VClass/NCourse/hep082/page/chap2/232.htm • 由于CPU和内存的速度存在着差距，所以两者之间的速度匹配是很关键的，通常有两种匹配方式：同步内存存取和异步内存存取。 • 上面给出的读/写基本操作是以异步内存存取来考虑的，CPU和内存间没有统一的时钟，由内存工作完成信号（MFC）通知CPU内存工作已完成。

CPU对RAM的操作演示： • 对于读操作，若MFC=1，说明信息已经读出；对于写操作，若MFC=1，说明数据已写入相应的存储单元。 • 对于同步内存存取，CPU和内存采用统一时钟，同步工作，因为内存的存取速度较慢，所以CPU与之配合也必须放慢速度。在这种内存中，不需要内存工作完成信号。

A0 0 1 A1 i 2n-1 An-1 D7 D0 D1 内存与CPU的连接（宏观层面图）控制总线地址译码器 C P U 地址总线存储单元（字节） … 数据总线

A1-A19地址线 A0 BHE 奇地址(高字节) 存储体 512K×8 偶地址(低字节) 存储体 512K×8 D8-D15高8位数据总线 D0-D7低8位数据总线 ★8086系统的存储器结构(要求理解) ★ 8086系统的存储器结构

★静态RAM与CPU的连接★ • 通常，一片存储器芯片的存储容量不可能正好是CPU的内存寻址范围。当单片RAM不能满足存储容量的要求时，可把多个单片RAM进行组合，扩展成大容量存储器。 • 多片存储芯片的组合可能是为了满足CPU数据线宽度的需要（对数据线的扩展），也可能是为了给CPU提供更大的存储空间（对地址线的扩展）。

静态RAM与CPU的连接（位扩展）

静态RAM与CPU的连接（位扩展） • 前面的图为1024×1的存储器芯片与8位CPU的连接。由于每片存储器芯片只有1位数据线，因此需要8片存储器芯片才能满足CPU的8位数据线的需求，每一片存储器芯片连接1位数据线。 • 在这种结构中，每片存储器芯片除了数据线连至CPU不同位的数据线外，地址线和控制线的连接都是相同的。

位扩展法连接图 方法：① 各芯片的数据线分别接到数据总线的各位上（黄线）；　　　② 各芯片的地址线并接在一起，连到相应的地址总线各位（粉红线）；　　 ③ 各芯片的控制线并接在一起，连到相应的控制线上（红线）。

静态RAM与CPU的连接（字扩展） 字扩展法－连接图

例：用256K×8位的存储芯片设计容量为2048K×32位的存储器例：用256K×8位的存储芯片设计容量为2048K×32位的存储器解：需存储芯片数为：（2048K / 256K）× （32 /8）= 32（片）由每组四片存储芯片完成位扩展；八组这样的存储芯片完成字扩展。　　　　

★ 练习：用256×4位的存储芯片组成1K×8位的RAM。★ A8 译码器 A9 CS6 CS2 CS4 CE8 A0 A0 A0 A0 4 2 6 8 A0 . . A7 CS5 CS1 CS3 CE7 A0 A0 A0 A0 256×4 256×4 256×4 256×4 3 7 1 5 I/O I/O I/O I/O A7 A7 A7 A7 I/O I/O I/O I/O D0 D7

随堂练习题(针对考试需要) ★ ★ ★ • 1.下列RAM芯片需要多少条地址线，多少条数据线？ • 512K*8 512×1024＝29×210＝219 要19条地址线 • 1K*4（Intel 2114）计算方法同上 • 8K*8（Intel 6264）*后面是几则数据线为几 • 64K*1 数据线需要1条 • 2.现有Intel 6264存储芯片若干，要组成16K*16的系统， • 请问： • 需要多少片？ • 画出示意图（仿照前一页的图来画）

随堂练习题(针对考试需要) ★ ★ ★ • 3.用4k×1位的RAM芯片组成8K×8位的存储器， • 需要多少芯片？ • 地址线A0－A19中哪些参与片内寻址？ • 哪些地址线用作芯片组的片选信号？【解答过程如下】 ①（8K×8位）/（4K×1位）= 16片，所以需要16片芯片。 ② 这些芯片中，每8片一组，分成2组。每组的存储容量为4KB = 212B，故片内寻址需要12位地址线，即A11~A0； ③2组芯片可用1位地址线进行区分，即可用A12做芯片组的片选信号，A19~A13可浮空或做其他用途。

随堂练习题(针对考试需要) ★ ★ ★ • 4.设有一个具有14位地址和8位数据的存储器，问： • 该存储器能存储多少字节的信息？ • 如果存储器由8K×4位RAM芯片组成，需要多少片？ • 需要多少位地址作为芯片组的选择？（1）该存储器能存储的字节个数是214= 24×210 = 16K。（2）该存储器能存储的总容量是16KB，若由8K×4位RAM芯片组成，需要的片数为（16K×8）/（8K×4）= 4片。（3）因为该存储器中读写数据的宽度为8位，所以4片8K×4位RAM芯片要分成两组，用一位地址就可区分。另一方面，每一组的存储容量为8K×8位 = 213×8位，只需要13位地址就可完全访问。

随堂练习题(针对考试需要) ★ ★ ★ 5.若某RAM的容量为4K×8，首地址为2600H，求最后一个单元的地址？解答：4K×8=4×1024×8 bit 4×1024×8/8＝4×1024 Byte=212 Byte 212-1=1111 1111 1111 B=0FFFH 2600H+0FFFH=35FFH

随堂练习题(针对考试需要) ★ ★ ★ • 6.用16K×1位的DRAM芯片组成64K×8的存储器，问： • 需要多少片16K×1的芯片？ • 需要多少地址线做片内寻址？ • 需要多少位地址作为片选信号？解答： (1)(64K×8)/(16K×1)=32,所以需要32片16K×1位的DRAM芯片。 (2)32片中每8片组成一组做位扩展，由这样的4组进行字扩展。每一组的存储容量为16K×8位＝16KB=214B,所以需要14位地址线做片内寻址。 (3)4组芯片需要2位地址做片组选择，即片选信号。

内存性能参数 • 容量(单位：字节Byte) SD : 64M,128M,256M,512M DDR : 256M,512M,1G DDR2 : 512M,1G,2G • 频率(单位：Mhz) SD : 66,100,133 DDR : 200,266,333,400 DDR2 : 533,667,800

内存带宽一览表 带宽(单位：MB/s) ＝频率(单位：MHz) × 位宽(单位：bit) / 8

内存选购小贴士 • 尽可能选择单条容量大的 • 尽可能选择同规格中频率高的 • 尽可能选择品牌的或出货量大的

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