第6章 存储系统及半导体存储器

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1、第6章存储系统及半导体存储器6.1存储系统与半导体存储器的分类6.2存储器层次结构及译码电路6.3随机存储器（RAM）6.4只读存储器(ROM)6.5CPU与存储器的连接6.6高速缓存Cache及其工作原理习题与思考题6.1.1存储系统计算机的存储器分为内存储器和外存储器。内存储器用来存放当前系统运行的程序和数据，是计算机主机的一部分，一般把具有一定容量且速度较高的存储器作为内存储器，CPU可直接用指令对内存储器进行读写。在微机中通常用半导体存储器作为内存储器。外存储器是存储容量大、速度较低、位于主机之外的存储器。外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，CPU不能直接用指令对外存储

2、器进行读写，要使用外存储器中的信息，必须先将它调入内存储器。6.1存储系统与半导体存储器的分类随着操作系统的发展，程序员摆脱了在内外存之间进行地址定位的操作，通过软件、硬件之间的结合，把内存和外存统一成了一个整体，内存-外存形成了一个存储层次，即存储系统。从整体看存储系统的速度接近于内存的速度，其容量接近于外存的容量，而每位平均价格接近于廉价的慢速的外存平均价格。内存-外存存储层次的形成，解决了存储器的大容量和低成本之间的矛盾。在速度方面，计算机的内存和CPU大约有一个数量级的差距，限制了CPU速度潜力的发挥。现代计算机中为了解决内存与CPU速度不匹配的瓶颈，在CPU和内存中间增

3、加一层高速缓冲器（Cache），这样构成了高速缓存（Cache）-内存层次。要求Cache在速度上能跟CPU的运算速度相匹配。高速缓存-内存采用的地址映像调度技术是完全由硬件来实现。从CPU的角度看，Cache-内存层次的速度是接近于Cache的。以上叙述了内存-外存和Cache-内存这两种存储层次，在现代微机中同时采用这两种存储层次，构成Cache-内存-外存三级存储系统。这三级存储系统的形成，满足了现代微型计算机对存储系统的速度快、容量大且价格低廉的要求。6.1.2半导体存储器的分类及特点微型机的存储体系中，内存一般用来存放当前活跃的程序和数据，其速度高、容量小、每位价格高。

4、目前主要采用半导体存储器，使用随机存取方式，外存用于存放当前不活跃的程序和数据，其速度慢、容量大、每位价格低，一般采用软磁盘、硬磁盘、光盘、磁带机；缓冲存储器用在两个具有不同工作速度的部件之间，在交换信息时起缓冲作用，一般称之为cache。在本章主要学习用作内存的半导体存储器。半导体存储器的分类方法有很多种。按器件原理分，有双极型存储器和MOS型存储器；按存取方式来分，有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按存储原理来分，有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）；近年来由Intel公司推出一种闪速存储器（FlashMemory）的新型半导体存储器，其特点是既具

5、有RAM易读易写、体积小、集成度高、速度快等优点，又有ROM断电后信息不丢失等优点。1.半导体存储器的分类半导体存储器分类如图6.1所示。图6.1半导体存储器的分类2.半导体存储器的性能指标衡量半导体存储器性能的指标很多，如功耗、可靠性、容量、价格、集成度、存取速度等，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的指标是存储器芯片的容量和存取速度。（1）存储容量存储容量是指存储器（或存储器芯片）存放二进制信息的总位数，即：存储容量=存储单元数×单元的位数。存储容量在计算机中通常以字节B（Byte）为单位，如存储容量为256KB、512KB、1MB等。为了表示大容量的存储器，用MB、GB、

6、TB为单位。在衡量半导体存储芯片时，由于不同的存储芯片的集成方式不同，有些芯片一个单元可以存放8个二进制位，有的只能存放4个二进制位，有的只能存放1个二进制位，所以在衡量存储芯片的容量时不能单纯地用字节来衡量。通常采用比特（Bit）作为芯片的容量单位。如N×8、N×4、N×1这样的形式来表示芯片的容量。其中N表示存储单元数，后面的数字则表示一个单元可以存放二进制数的位数。（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CPU给出有效的存储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。具体来说，对一次读操作的存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有

7、效之间的时间，通常在101～102ns之间。而对一次写操作，存取时间就是写入时间。（3）存取周期指连续启动两次独立的存储器读/写操作所需的最小间隔时间。对于读操作，就是读周期时间；对于写操作，就是写周期时间。通常，存取周期应大于存取时间，因为存储器在读出或者写入数据之后还要用一定的时间来完成内部操作，这一时间称为恢复时间。读出或者写入时间加上恢复时间才是读写周期。由此可见，存取时间和存取周期是两个不同的概念。（4）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。半导体存