第 5 章 微机的存储系统

1. 第5章 微机的存储系统 微机的存储系统是微机的仓库，存储着微机所需要的信息：控制微机工作的操作系统、驱动各个部件运行的软件、各种功能的应用软件、用户需要的各种数据等。微机存储系统一般是由半导体存储器组成，常用的有只读存储器ROM和可读写存储器RAM、光盘、U盘等。

2. 第5章 微机的存储系统 本章将介绍微机的存储系统的组成和层次结构；各种半导体存储器（ROM和RAM）的结构、工作原理和主要特征、常用的组成半导体存储器的芯片；简述新型的非挥发随机存取存储器；最后对PC机存储器的组织与管理作了概括。

3. 5.1 微机的存储系统的组成 计算机系统中，按与CPU的关系，存储系统可分为内存与外存。 内存是内部存储器的简称，又称为主存。主存直接与控制器、运算器连接，是计算机的组成部分。主存用来存放计算机运行期间的大量程序和需要处理的数据及处理过程中产生的中间结果等。

4. 5.1 微机的存储系统的组成 主存可以由CPU直接访问，一般由MOS型半导体存储器组成；计算机工作的过程即是不断地由控制器从主存中取出指令，再分析指令、执行指令的过程。 因此主存具有较快存取速度的能力以保证计算机的运行速度。

5. 5.1 微机的存储系统的组成 计算机硬件系统中的外存即外部存储器，又称为辅助存储器，简称辅存或外存。 外存储器用来存放系统程序和大型数据文件及数据库等。外存储器中的数据和程序必须调到内存中CPU才能执行或调用。外存不直接与CPU连接，而是通过I/O接口与CPU连接，其特点是存储器容量大、成本低但存取速度慢，目前主要有磁盘、光盘、磁带存储器等。

6. 5.1 微机的存储系统的组成 高速缓冲存储器（cache）是计算机系统中的一个高速但容量小的存储器，用来临时存放CPU正在使用和可能就要使用的局部指令和数据。通常用双极型半导体存储器组成，解决CPU与主存之间的存取速度问题。磁盘Cache具有主存的较快存取速度又解决了辅存的存取速度问题。

7. 5.1 微机的存储系统的组成

8. 5.1 微机的存储系统的组成 计算机的主存一般是由半导体存储器组成，外存有磁带、磁盘、光盘等，也可以由半导体存储器组成。近几年来，大容量的半导体存储器如Flash存储器（闪存）的价格迅速下降，用闪存制成的“优盘”、移动硬盘成了很受欢迎的外存。

9. 5.1.1 半导体存储器分类组成 半导体存储器的类型很多，可按存储介质、功能、结构的不同来进行不同的分类。 按存储介质：磁表面存储器（硬磁盘、软磁盘、磁带等）、光表面存储器和半导体存储器； 按读写功能：只读存储器ROM和随进存取存储器RAM；

10. 5.1.1 半导体存储器分类组成 按信息的可保存性：非永久性记忆存储器RAM和永久性记忆存储器（断电后信息仍保存）ROM、磁表面或光表面存储器； 按在计算机系统中的作用：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器。 按制造工艺：分为MOS型和双极型两大类。一般都是MOS型存储器。

11. 5.1.1 半导体存储器分类组成 磁鼓存储器 孔带磁鼓 软磁盘 磁带存储 磁芯存储器

12. 5.1.2 存储器的结构 存储器从结构上可分为存储体、地址译码电路及片选和读写控制逻辑三部分。 1. 存储体 存储体是存储器芯片的主要部分，用来存储信息。每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据。

13. 5.1.2 存储器的结构 2.地址译码电路 分为单译码结构、双译码结构。 根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元。双译码分X、Y轴排列方式，可简化芯片设计。

14. 5.1.2 存储器的结构 地址译码电路

15. 5.1.2 存储器的结构 3.片选和读写控制逻辑 （1）片选端CS或CE：有效时，可以对该芯片进行读写操作。 （2）输出OE：控制读操作。有效时，芯片内数据输出，该控制端对应系统的读控制线。 （3）写WE：控制写操作。有效时，数据可存入芯片中，该控制端对应系统的写控制线。

16. 5.1.3 存储器的性能指标 1．存储容量　　这是内存储器的一个重要指标，通常用该内存储器所能存储的字数及字长的乘积来表示，即存储容量 = 字数 × 字长如16位微型机的最大内存容量为1 MB，即1M×8位，而32位微型机的最大内存容量为4 GB，即4G×8位等。

17. 5.1.3 存储器的性能指标 2．最大存取时间　　内存储器从接收、寻找存储单元的地址码开始，到它取出或存入数码为止所需的时间叫做存取时间。 通常手册上给出该常数的上限值，称为最大存取时间。最大存取时间愈短，存储器的工作速度愈高。半导体存储器的最大存储时间为几纳秒至几百纳秒。

18. 5.1.3 存储器的性能指标 3．可靠性　　存储器的可靠性指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。半导体存储器因采用大规模的集成电路的工艺，可靠性较高，平均无故障间隔时间为几千小时以上。 其它指标有体积、功耗、工作温度范围、成本等。

19. 5.2 随机存取存储器（RAM） 随机存取存储器RAM的特点是它的存储单元的内容可根据需要随时读出或写入，但断电后其存储的信息也会随着消失。 在微机中常用它存放原始的数据、运算的中间结果以及最终的结果，或断电后没有其他影响的用户程序。

20. 5.2 随机存取存储器（RAM） RAM存储器按工艺分为双极型和MOS型两种。MOS型RAM集成度高、工艺简单、功耗低，微机中广泛使用MOS型RAM。 由于技术的发展，无论SRAM和DRAM其集成度越来越高。不同的容量、不同的速度、不同的功能RAM芯片有很多种，为工业应用提供了选择上的灵活性。

21. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） 静态随机存取存储器SRAM结构简单，连接电路也方便，多数是由MOS管组成的双稳态触发器集成在硅晶片上而构成。 1. SRAM的结构 SRAM中的每一个存储单元可存放8位二进制信息。存储单元中的每1位由双稳态触发器（CMOS工艺）构成，称为一个基本存储电路，简称存储元件。

22. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） （1）基本存储电路 静态随机存取存储器SRAM有6个MOS管组成： T1～T4组成一个双稳态触发器。双稳态元件构成信息的基本存储单位。 T5、T6为行选通门(每个存储单元一对选通门)，受地址译码信号控制的。 T7、T8为列选通门(每列存储单元一对选通门)，受列选信号控制。

23. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM）

24. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） 静态随机存取存储器SRAM读出数据时相应的行选择信号和列选择信号均为有效高电平，T5、T6、T7、T8均导通，触发器的状态Q通过T5（T6）传递给数据线D，D通过T7（T8）送到I/O线上。读出信息时，触发器状态不受影响，为非破坏性读出。

25. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） （2）SRAM组成结构 SRAM结构由存储体和外围电路（行/列地址译码器、I/O缓冲器和读写控制电路等）组成。 每块存储芯片都有一个片选控制端，片选信号由地址线的高位译码产生，用来选择存储单元所在的芯片；而低位地址线经片内译码选中该芯片内的某个存储单元。 电路中的三态缓冲器用于输入输出缓冲。

26. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） 2. SRAM的读/写过程 读过程：先通过12位地址A0～A11加到RAM芯片的地址输入端，经X与Y地址译码器译码，分别产生一根行选信号与一根列选信号，选中行列交叉点上的存储单元。该单元中存储的代码I/O电路放大、整形后送至三态输入输出缓冲器。三态输入输出缓冲器在CPU发出的片选信号和读信号的控制下将三态门打开，于是存储单元的信息就被送到数据总线DB上，完成读出操作。

27. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） 写过程：SRAM的写入过程是通过12位地址A0～A11加到RAM芯片的地址输入端，双译码后选中某个存储单元；CPU将要写入的数据放在数据总线DB上，三态输入输出缓冲器在片选信号和写入信号作用下被打开，将DB上的数据送入缓冲器；缓冲器数据经I/O电路传送到I/O和线上，再送到存储单元的位线上，从而写入到所选中的存储单元内。

28. 5.2.1 静态随机存取存储器（SRAM） 3. 常用的SRAM存储器 （1）同步突发静态随机存取存储器 SB SRAM （2）多端口静态随机存取存储器 Multi-SRAM （3）先进先出存储器 FIFO SRAM （4）非挥发静态随机存取存储器 NV SRAM

29. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） DRAM特点有存储密度高，存取速度相对较慢，且需要定时刷新电路，否则所存储的内容会丢失。 DRAM用于大容量存储，一般用作计算机的主存储器（内存）。

30. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） DRAM基本存储电路多为单管电路，只有一个管子T和一个(寄生)电容C，单个基本存储电路存放的是“1”还是“0”，取决于电容器的充电状态。 1.DRAM的基本存储电路与存储器结构 （1）DRAM单管基本存储电路

31. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） DRAM在读操作时行地址译码选中某一行，该行上所有基本存储电路中的管子T全导通，于是连在每一列上的刷新放大器读取该行上各列电容C的电压。刷新放大器灵敏度高，将读得的电压放大整形成逻辑“0”或“1”的电平。对列地址进行译码产生列选信号，列选信号将被选行中该列的基本存储电路内容读出送到芯片的数据输入／输出（I/O）线上。

32. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） DRAM写操作时相应行、列选择线为“1”，数据输入／输出（I/O）线上的信息经刷新放大器驱动后再通过T管加到电容C上。 DRAM刷新(再生)时在读／写过程中，某条行选线为“1”，该行上所有(各列)基本存储电路都被选通，由刷新放大器读取电容C上电压；对非写的存储电路，刷新放大器读出、放大、驱动之后又立即对之重写，进行刷新(又称再生)，维持电容C上的电荷，保持该存储电路中的内容（即状态）不变。

33. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） （2）DRAM组成 某单管存储元件组成的DRAM存储矩阵，共有16384个存储单元，每个存储单元只有一个存储元件，故存储容量为16K×1。它需要14位地址码，分成X地址码（7位）和Y地址译码（7位）来共同选择所需的存储单元。

34. 5.2.2 动态随机存取存储器（DRAM） 2. 常见的 DRAM存储器 （1）早期 DRAM （2）FPM DRAM （3）EDO DRAM （4）SDRAM （5）SLDRAM （6）DDR SDRAM （7）RDRAM （8）铁电随机存取存储器FRAM （9）磁随机存取存储器MRAM

35. 5.3 只读存储器（ROM） 只读存储器ROM (Read Only Memory)正常在线使用时只读不写，其中的内容不会改变，即使掉电也不会丢失。ROM中存放系统软件和系统配置参数、应用程序和常数、表格等，存储在ROM中的这些内容称为固件(Firmware)。 大批量生产的固件常用Mask（掩模）ROM和PROM，研制和小批量生产时常用EPROM、E2PROM和FLASH，以便修改、升级程序和编程。

36. 1.只读存储器的组成 只读存储器与随机存取存储器类似，只读存储器也是由地址译码电路、存储矩阵读出电路等部分组成。 5.3.1 只读存储器的组成与分类

37. 5.3.1 只读存储器的组成与分类 只读存储器的存储矩阵有128×128，14位地址线分行、列译码，行译码选中一行时该行上的全部存储单元信息都选通到各列的列线上，而只有列译码选中的列上的三态门打开，该列上的信息才能经过该列选门送到片选信号控制的三态输出门进行输出，即只把行列交叉点上的单元内信息读出。

38. 5.3.1 只读存储器的组成与分类 信息所在存储单元的晶体管仅起一个开关作用：晶体管漏极与列线相连的单元存储的信息为“0”，因为选中时该单元晶体管导通，将列线下拉为“0”电平；晶体管漏极不与列线相连的单元存储的信息为“1”。 各单元存储的信息固定不变，只读不写，所以读出控制电路简单，读出信息可靠。八片这样的存储矩阵可构成16KB的ROM存储器。

39. 5.3.1 只读存储器的组成与分类 2.只读存储器的分类 只读存储器的基本存储电路可看作一个开关电路，开关种类不同，只读存储器类型亦不同。 掩模式ROM在芯片制造过程中可采用连线或断线的方法使开关S接通或断开，栅或厚栅(开启电压低或高)来使开关S接通或断开。 PROM制成后所有开关都处于同一种状态，允许用户在特定的设备上对成品芯片中的各个开关S作一次性编程修改。

40. 5.3.1 只读存储器的组成与分类 EPROM：出厂时所有存储的值全为“1”。24V电压写值，紫外线透过石英玻璃窗口照射清除。EPROM具有多次改写的优点，但价格比PROM贵。 E2PROM：可电擦除编程ROM工作原理与EPROM类似，但擦除和编程更方便，但也更贵，集成度也更低。写操作的时间比读操作的长得多。 FLASH：工作原理与EPROM/ E2PROM类似，无论是价格还是功能，都介于后两者之间。

41. 5.3.2 常用EPROM存储芯片 Intel 27×××系列芯片引脚图

42. FLASH也称闪烁存储器，简称闪存，因其可以快速重新编程使其内容频繁变化而得名。FLASH也称闪烁存储器，简称闪存，因其可以快速重新编程使其内容频繁变化而得名。 FLASH存储信息密度高、存取速度快、成本低、不挥发，可以块擦除、单一供电，得到广泛应用。 5.3.3 快闪存储器(FLASH)

43. 5.3.3 快闪存储器(FLASH) 1. FLASH单元存储电路与存储矩阵 FLASH单元存储电路由一个晶体管构成，其被氧化物包围的浮空栅内有电荷（电子）时衬底上源和漏极导通，为一种稳定状态，可视之为“0”；浮空栅内无电荷（电子）时源与漏极不通，为另一种稳定状态，可视之为“1”。

44. 5.3.3 快闪存储器(FLASH) FLASH单元存储电路和逻辑符号

45. 5.3.3 快闪存储器(FLASH) FLASH单元存储矩阵

46. 5.3.3 快闪存储器(FLASH) 2. FLASH芯片内部结构 HN29WT800是广泛应用的8Mb FLASH存储器。HN29WT800组成由存储体、地址缓冲与译码、命令用户接口CUI、状态/标识寄存器、写状态机WSM、灵敏放大器、复接器及数据输入/输出缓冲器等。HM29WT800共有19个块，这些块位于不同的寻址空间，各块存储内容不同，操作各自独立，每块都可单独编程设置成不同的操作模式。

47. 5.3.3 快闪存储器(FLASH)

48. 5.3.3 快闪存储器(FLASH) 3. FLASH操作 读操作模式有四种：读取存储块中数据、读取状态寄存器、读取分块锁定状态、读取标识。 写操作模式有三种：编程(写入命令和数据)、擦除(写入命令)、其它(写入命令)。

49. 5.4 高速缓冲存储器（Cache） 现代计算机的运行速度不断提高，就存储器子系统而言，除了器件本身的性能提高外，还要归功于(Cache)技术的应用。Cache也用半导体材料制成，速度比主存快5倍左右。因其价格较高，故容量通常较小，仅用于保存主存中最经常用到的一部分内容副本。使用一级Cache，可使存储器的存取速度提高4至10倍。

50. 5.4.1 Cache工作原理 微机中均设置有一级缓存(L1 Cache)和二级缓存(L2 Cache)，Cache内容只是主存中部分存储数据块的副本，它们以块为单位一一对应 ，Cache使CPU访问内存的速度大大加快。 所谓“Cache”原意是指勘探人员的藏物处，现引申为“高速缓存”，Cache由规模较小、速度与CPU相当的SRAM构成。