微處理器系統結構與嵌入式系統-第五章-存儲器

微處理器系統結構與嵌入式系統設計第五章存儲器系統5.1存儲器件的分類5.2半導體存儲芯片5.3存儲系統的層次結構

存儲系統的分層管理

地址映射技術

3.

現代計算機的多級存儲體系

5.4主存儲器設計技術

存儲芯片選型存儲芯片的組織形式地址譯碼技術

存儲器接口設計決定芯片片選信號的實現兩級譯碼；全譯碼、部分譯碼、線譯碼；固定、可變存儲介質(存儲原理)、讀寫策略(存取方式)容量擴展；基本結構（RAM、ROM）、性能指標并行、多端口、聯想（改善主存的訪問速度和吞吐量）2023/2/42/545.1.1不同的存儲原理雙極型：

MOS型掩膜ROM一次性可編程PROM紫外線可擦除EPROM電可擦除E2PROM快閃存儲器FLASH易失性存儲器非易失性存儲器靜態(tài)SRAM動態(tài)DRAM存取速度快，但集成度低，一般用于大型計算機或高速微機的Cache；速度較快，集成度較低，一般用于對速度要求高、而容量不大的場合（Cache）集成度較高但存取速度較低，一般用于需較大容量的場合（主存）。半導體存儲器磁介質存儲器磁帶、軟磁盤、硬磁盤（DA、RAID）光介質存儲器只讀型、一次寫入型、多次寫入型2023/2/43/545.1.2不同的讀寫策略數據訪問方式并行存儲器(ParallelMemory)串行存儲器

(SerialMemory)數據存取順序隨機存取（直接存?。┛砂吹刂冯S機訪問；訪問時間與地址無關；順序存取

(先進先出)FIFO、隊列(queue)堆棧存儲先進后出(FILO)/后進先出(LIFO)；向下生成和向上生成；實棧頂SS、堆棧指針SP；2023/2/44/54堆棧的生成方式2023/2/45/54堆棧建立與操作示例堆棧段起始地址棧底及初始棧頂（a）向下生成堆棧的建立及初始化（b）入棧操作（實棧頂）（c）出棧操作（實棧頂）

地址存儲單元10200H10202H10204H10206H10208H1020AH1020CH……10230H0011

SS1020SP初值

0030棧頂PUSHAX1234PUSHBX1AB110200H10202H10204H10206H10208H……1022CH1022EH10230H0011

SS1020SP0030棧底堆棧段起始地址12341AB1002E002CPOPAXPOPBX10200H10202H10204H10206H10208H……1022CH1AB11022EH123410230H0011

SS1020

SP002C(棧底)堆棧段起始地址002E0030

1AB1

12346/422023/2/46/545.2.1靜態(tài)RAM的六管基本存儲單元集成度低，但速度快，價格高，常用做Cache。T1和T2組成一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于保存數據。T3和T4為負載管。如A點為數據D，則B點為數據/D。T1T2ABT3T4+5VT5T6行選擇線有效（高電平）時，A、B處的數據信息通過門控管T5和T6送至C、D點。行選擇線CD列選擇線T7T8I/OI/O列選擇線有效（高電平）時，C、D處的數據信息通過門控管T7和T8送至芯片的數據引腳I/O。2023/2/47/54動態(tài)RAM的單管基本存儲單元集成度高，但速度較慢，價格低，一般用作主存。行選擇線T1B存儲電容CA列選擇線T2I/O電容上存有電荷時，表示存儲數據A為邏輯1；行選擇線有效時，數據通過T1送至B處；列選擇線有效時，數據通過T2送至芯片的數據引腳I/O；為防止存儲電容C放電導致數據丟失，必須定時進行刷新；動態(tài)刷新時行選擇線有效，而列選擇線無效。（刷新是逐行進行的。）刷新放大器2023/2/48/54讀寫控制邏輯R/WCE數據緩沖器（三態(tài)雙向）d0d1dN-1…D0D1DN-1…RAM芯片的組成與結構（一）該RAM芯片外部共有地址線L根，數據線N根；該類芯片內部采用單譯碼（字譯碼）方式，基本存儲單元排列成M*N的長方矩陣，且有M=2L的關系成立；字線0字線M-10,00,N-1M-1,0M-1,N-1……………地址譯碼器a0a1aM-1……A0A1AL-1地址寄存器……D0DN-1位線0位線N-1存儲芯片容量標為“M*N”（bit）D0DN-1地址線數據線控制線2023/2/49/54RAM芯片的組成與結構（二）該RAM芯片外部共有地址線2n根，數據線1根；該類芯片內部一般采用雙譯碼（復合譯碼、重合選擇）方式，基本存儲單元排列成N*N的正方矩陣，且有M=22n=N2

的關系成立；0,00,N-1N-1,0N-1,N-1………D0D0DN-1DN-1…Y0YN-1Y地址譯碼器Y地址寄存器……AnAn+1A2n-1X地址譯碼器X0X1XN-1……A0A1An-1X地址寄存器…DD數據緩沖器（三態(tài)雙向）D0讀寫控制存儲芯片容量標為“M*1”（bit）數據線控制線地址線2023/2/410/54靜態(tài)RAM芯片的引腳特性從三總線的角度看：1.地址線數目A、數據線數目D與芯片容量（M×N）直接相關：2A=MD=N2.控制信號應包括：片選信號和讀/寫信號所以，6264容量：

213×8＝8K×8可見6264為RAM芯片711/422023/2/411/54產品出廠時存的全是1，用戶可一次性寫入，即把某些1改為0。但只能一次編程。

存儲單元多采用熔絲－低熔點金屬或多晶硅。寫入時設法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。編程時VCC和字線電壓提高可編程只讀存儲器PROM2023/2/412/54紫外線可擦除ROM(UVEPROM)擦除：用紫外線或X射線擦除。需20~30分鐘。缺點：需要兩個MOS管；編程電壓偏高；P溝道管的開關速度低。

浮柵上電荷可長期保存在125℃環(huán)境溫度下，70%的電荷能保存10年以上。2023/2/413/54寫入（寫0）擦除（寫1）讀出

特點：擦除和寫入均利用隧道效應。浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。?0納米以下），稱為隧道區(qū)。當隧道區(qū)電場大于107V/cm時隧道區(qū)雙向導通。電可擦除的ROM(EEPROM)2023/2/414/54快閃存儲器(FlashMemory)

（1）寫入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接6V；控制柵12V脈沖，寬10s。

（2）擦除用隧道效應。控制柵接地；源極接12V脈沖，寬為100ms。因為片內所有疊柵管的源極都連在一起，所以一個脈沖就可擦除全部單元。

（3）讀出：源極接地，字線為5V邏輯高電平。2023/2/415/54半導體存儲芯片的主要技術指標存儲容量存取速度功耗可靠性工作電源電壓、工作溫度范圍、可編程存儲器的編程次數、成本

注意存儲器的容量以字節(jié)（B）為單位，而存儲芯片的容量以位（b）為單位。

即存取時間，以ns為單位，也可用存取時間Ta、存取周期Tm和存儲器帶寬Bm等表示。可用平均故障間隔時間來衡量以mW/芯片或μW/單元為單位2023/2/416/54存儲容量單位1kilobyteKB=1000(103)Byte1megabyteMB=1000000(106)Byte1gigabyteGB=1000000000(109)Byte1terabyteTB=1000000000000(1012)Byte1petabytePB=1000000000000000(1015)Byte1exabyteEB=1000000000000000000(1018)Byte1zettabyteZB=1000000000000000000000(1021)Byte1yottabyteYB=1000000000000000000000000(1024)Byte1nonabyteNB=1000000000000000000000000000(1027)Byte1doggabyteDB=1000000000000000000000000000000(1030)Byte

23.32=10210220230……2023/2/417/54存儲器是計算機的核心部件之一。如何以合理的價格搭建出容量和速度都滿足要求的存儲系統，始終是計算機體系結構設計中的關鍵問題之一?，F代計算機系統通常把不同容量、不同速度的存儲設備按一定的體系結構組織起來，以解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾。存儲器結構5.3存儲器分層結構設計目標整個存儲系統速度接近M1而價格和容量接近Mn二.操作策略映像規(guī)則：用于確定一個新的塊（頁）被調入本級存儲器時應放在什么位置上。查找規(guī)則：用于確定需要的塊（頁）是否存在本級存儲器中以及如何查找。替換規(guī)則：用于確定本級存儲器不命中且已滿時應替換哪一塊（頁）。寫規(guī)則：用于確定寫數據時應進行的操作。2023/2/419/54分段與分頁技術分段存儲器的分段管理；由多個寄存器表示訪問的實際地址；邏輯地址（段基址：段內偏移）物理地址；分頁

虛擬存儲器的分頁管理；頁號與頁內地址結合表示訪問的實際地址；邏輯地址（頁基址：頁內偏移）物理地址；2023/2/420/54存儲器的地址映射

地址映射也叫地址重定位，指將用戶程序中的邏輯地址，轉換為運行時機器可直接尋址的物理地址。有效地址、虛擬地址分頁技術頁是信息的物理單位，與源程序的邏輯結構無關；頁長由系統確定，大小固定，用戶不可見；頁面只能以頁大小的整倍數地址開始，頁一般不能共享；分段技術

段是信息的邏輯單位，由源程序的邏輯結構所決定；段長由用戶確定（用戶可見），大小不固定；

段可從任意地址開始，段內連續(xù)編址，段間不一定連續(xù)；2023/2/421/54虛擬地址———————>物理地址MMU地址映射表程序空間、邏輯地址空間實存空間、硬件地址空間分頁映射分頁技術：頁的大小固定；虛擬地址到物理地址；分段技術：

段的大小可變；邏輯地址到物理地址；現代計算機的四級存儲結構：寄存器＋Cache＋主存＋輔存CPU內部高速電子線路(如觸發(fā)器)一級：在CPU內部二級：在CPU外部一般為靜態(tài)隨機存儲器SRAM。一般為半導體存儲器，也稱為短期存儲器；解決讀寫速度問題；包括磁盤（中期存儲器）、磁帶、光盤（長期存儲）等；解決存儲容量問題；其中：cache-主存結構解決高速度與低成本的矛盾；主存-輔存結構利用虛擬存儲器解決大容量與低成本的矛盾；2023/2/424/54現代計算機中的多級存儲器體系結構寄存器組特點：讀寫速度快但數量較少；其數量、長度以及使用方法會影響指令集的設計。組成：一組彼此獨立的Reg，或小規(guī)模半導體存儲器。RISC：設置較多Reg，并依靠編譯器來使其使用最大化。Cache高速小容量(幾十千到幾兆字節(jié))；借助硬件管理對程序員透明；命中率與失效率；主（內）存編址方式：字節(jié)編址信息存放方式：大/小端系統、對齊方式輔（外）存信息以文件(file)的形式存放，按塊為單位進行存取。虛擬存儲技術2023/2/427/54Cache技術和虛擬存儲器技術相同點：以存儲器訪問的局部性為基礎；采用的調度策略類似；對用戶都是透明的；不同點：劃分的信息塊的長度不同；Cache技術由硬件實現，而虛擬存儲器由OS的存儲管理軟件輔助硬件實現；28/42Cache塊：8～64字節(jié)虛擬存儲器塊：512～幾十K個字節(jié)2023/2/428/54cache的功效設cache的存取時間為tc，命中率為h，主存的存取時間為tm，則平均存取時間：ta=tc×h+(tc+tm)×(1-h)?！纠?.1】某微機存儲器系統由一級cache和主存組成。已知主存的存取時間為80ns，cache的存取時間為6ns，cache的命中率為85%，試求該存儲系統的平均存取時間。ta=6ns×85%+86ns×(1-85%)=5.1+12.9=18nscache的命中率與cache的大小、替換算法、程序特性等因素有關。cache未命中時CPU還需要訪問主存，這時反而延長了存取時間。

2023/2/429/54大/小端模式：多字節(jié)數據存儲2023/2/430/54對齊方式：

不同寬度數據的存儲方式按整數邊界對齊存儲可以保證訪存指令的速度按任意邊界對齊存儲可以保證存儲空間的利用2023/2/431/545.4存儲器設計:存儲芯片的選擇

確定類型根據不同應用場合的特點確定采用何種類型的芯片，如考慮選用SRAM還是DRAM，是否需要E2PROM、FLASH等等；確定具體型號及數量根據容量、價格、速度、功耗等要求確定芯片的具體型號和數量思考：若要求擴展64K容量的內存，以下幾種選擇哪種最優(yōu)？

64K*1的芯片數量N＝(64K*8)/(64K*1)＝1*8片;8K*8的芯片數量N＝(64K*8)/(8K*8)＝8*1片；

16K*4的芯片數量N＝(64K*8)/(16K*4)＝4*2片；

顯然，芯片的種類和數量應越少越好；在芯片數量相同的情況下應考慮總線的負載能力和系統連接的復雜性。從總線負載和系統連接來看，第一種選擇較好。32/422023/2/432/54內（主）存儲器的基本結構存儲芯片存儲模塊存儲體

進行位擴展以實現按字節(jié)編址的結構

進行字擴展以滿足總容量的要求存儲體、地址譯碼、數據緩沖和讀寫控制

位擴展：因每個字的位數不夠而擴展數據輸出線的數目；

字擴展：因總的字數不夠而擴展地址輸入線的數目，所以也稱

為地址擴展；并行存儲器、多端口存儲器、相聯存儲器等2023/2/433/54存儲芯片的位擴展⑧64K*1I/O⑦64K*1I/O⑥64K*1I/O⑤64K*1I/O④64K*1I/O③64K*1I/O②64K*1I/O①64K*1I/OA0~A15R/WCSD0D7…等效為64K*8A0~A15D0~D7R/WCS用64K×1bit的芯片擴展實現64KB存儲器

進行位擴展時，模塊中所有芯片的地址線和控制線互連形成整個模塊的地址線和控制線，而各芯片的數據線并列（位線擴展）形成整個模塊的數據線（8bit寬度）。

34/422023/2/434/54存儲芯片的字擴展用8K×8bit的芯片擴展實現64KB存儲器64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效為A0~A12R/WD0~D7⑧64K*1D0~7⑦64K*1D0~7⑥64K*1D0~7⑤64K*1D0~7④64K*1D0~7③64K*1D0~7②64K*1D0~7CS1①8K*8D0~7CS3-8譯碼器Y0Y1Y7………A13

A14

A15

進行字擴展時，模塊中所有芯片的地址線、控制線和數據線互連形成整個模塊的低位地址線、控制線和數據線

，CPU的高位地址線（擴展的字線）被用來譯碼以形成對各個芯片的選擇線——片選線。

2023/2/435/54存儲芯片的字、位同時擴展用16K×4bit的芯片擴展實現64KB存儲器16K*416K*4A0~A13R/WD0~D3D4~D72－4譯碼器A15A14CS64K*8A0~A15D0~D7R/WCS等效為16K*416K*416K*416K*416K*416K*4

首先對芯片分組進行位擴展，以實現按字節(jié)編址；

其次設計個芯片組的片選進行字擴展，以滿足容量要求；2023/2/436/54并行

存儲器4體交叉存儲器2023/2/438/54在下圖所示的低位多體交叉存儲器中，若處理器要訪問的字地址為以下十進制數值，試問該存儲器比單體存儲器的平均訪問速率提高多少(忽略初啟時的延時)？(a)1，2，3，4，…，100(b)2，4，6，8，…，200(c)3，6，9，12，…，3002023/2/439/54（a）4個存儲體訪問可以交叉進行，訪問速率可達到單體存儲器的4倍。（b）2個存儲體訪問可以交叉進行，訪問速率可達到單體存儲器的2倍。（c）4個存儲體訪問可以交叉進行，訪問速率可達到單體存儲器的4倍。雙端口存儲器相聯（聯想）存儲器地址譯碼技術:兩級物理地址譯碼方案讀/寫控制信號、數據寬度指示信號、傳送方式指示信號，等2023/2/442/54假設某系統地址總線寬度為20bit，現需要將0C0000H~0CFFFFH地址范圍劃分為8個同樣大小的地址空間，提供給總線上的8個模塊，試設計相應的譯碼電路。全譯碼電路的實現部分譯碼方式

最高段地址不參與譯碼，將會因此存在地址重疊，且模塊地址不連續(xù)。45/422023/2/445/54線譯碼方式需較多選擇線，且同樣存在地址重疊，且模塊地址不連續(xù)。思考：試寫出各芯片占用的地址空間。2023/2/446/5474LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY700010&A3A4A5+5VA6A7A8A9AENIORIOW&端口譯碼電路練習:分析圖中74LS138各輸出端的譯碼地址范圍。2023/2/447/54三種譯碼方式的比較全譯碼

系統所有地址線全部都應該參與譯碼：低段地址線應直接接在模塊上，尋址模塊內單元；中段地址線譯碼后產生片選信號區(qū)分不同模塊；高段地址線可用作片選信號有效的使能控制；部分譯碼

高段地址信號不參與譯碼，會造成地址空間的重疊及不連續(xù)。線譯碼

電路結構簡單，但系統必須保證參與片選的地址線不能同時為有效電平；同部分譯碼法一樣，因為有地址信號不參與譯碼，也存在地址重疊及不連續(xù)的問題；2023/2/448/54設計一個地址譯碼電路，要求每個模塊內占用地址數為4，模塊地址在1000H~13DFH范圍內可選49/42*2023/2/449/54