第5章 微型计算机存储器系统结构
本章学习要点
● 存储器的分类及存储器系统的层次结构
● 随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的基本结构 ● 存储器扩展接口
● 辅助存储器及新型存储器技术
5—1 本章知识重点
5-1—1 存储器的概念和基本结构 1．存储器的概念
存储器是计算机中用来存储信息的部件，是微型计算机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交流中心。 2．存储器的分类
存储器按照其制造材料、读写功能、信息的保存情况及其在微型计算机系统中的作用来区分，可以有以下4种分类方法： (1)按照存储介质分类
采用半导体材料——半导体存储器。 采用磁性材料——磁表面存储器。 采用光学材料——光表面存储器。 (2)按照读写功能分类
存储内容固定不变，只能读出不能写入——只读存储器ROM。
存储内容可以改变，既可以读出又能够写入——随机存取存储器RAM(又称为读写存储器)。
(3)按照信息的可保存性分类
断电后信息即消失——非永久性记忆的存储器。 断电后仍能保存信息——永久性记忆的存储器。 (4)按照在微型计算机系统中的作用分类
存放当前正在运行的程序和数据——主存储器。
存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据——辅助存储器。 暂存CPU正在使用的指令和数据——高速缓冲存储器(Cache)。 3．存储器的基本性能指标
(1)存储容量：存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。 存储容量=存储器单元数×每单元二进制位数。
应该注意：通常8位二进制数称为一个字节，用B(Byte)表示，存储容量可以字节(B)为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)、 吉字节(GB)、太字节(TB)等表示。
其换算关系为：1KB=2B=1024B IMB=2B=1024KB
0
1010
1GB=2B=1024MB 1TB=2B=1024GB
(2)存取时间：指启动次存储器操作到完成该操作所用的时问。 (3)存取周期：指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。
3040
注意：存取时间和存取周期都是衡量存取速度的性能指标。
(4)价格：常用每位的价格来衡量。一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格则低得多。
存储器总价格正比于存储容量，反比于存取速度。一般来说，速度较快的存储器，其价格也较高，容量也不可能太大。因此，容量、速度、价格3个指标之间是相互制约的。
所以，用户在设计和选用存储器时还要综合考虑这些因素，要根据实际需要全面衡量，尽可能满足主要要求并兼顾其他，尽量提高性能价格比。 4．存储系统的层次结构
所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图5-1所示。
在图5-1所示的存储系统多级层次结构中，由上向下分三级，其容量逐渐增大，速度逐级降低，成本则逐次减少。整个结构又可以看成两个层次：它们分别是主存一辅存层次和cache一主存层次。这个层次系统中的每一种存储器都不再是孤立的存储器，而是一个有机的整体。它们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可把主存一辅存层次作为一个存储整体，形成的可寻址存储空间比主存储器空间大得多。由于辅存容量大，价格低，使得存储系统的整体平均价格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存层次可以缩小主存和cPu之间的速度差距，从整体上提高存储器系统的存取速度。尽管Cache成本高，但由于容量较小，故不会使存储系统的整体价格增加很多。
综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。
图5-1存储系统的多级层次结构
5-1-2 IRAM与ROM
1．随机存取存储器RAM
现代微型计算机的主存储器已普遍采用半导体存储器。其特点是容量大、存取速度快、体积小、功耗低、集成度高、价格便宜。半导体存储器可分为两大类：随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
所谓随机存取是指通过指令可以随机地对每个存储单元进行访问，其访问时间都是相同
的，与存储单元的地址无关。通常随机存取存储器中每个存储单元的内容，可根据程序要求随时读／写，所以实际上称它为读写存储器更确切，但习惯上都把它叫做随机存取存储器。 随机存取存储器根据存储原理又可分为静态RAM和 动态RAM。
(1)静态RAM(sRAM)
静态RAM的基本存储电路如图5-2所示。
图5-2静态RAM的基本存储电路
静态BAM的主要优点是工作稳定，不需外加刷新电路，从而简化了外部电路设计。但由于静态RAM的基本存储电路中所含晶体管较多，故集成度较低。另外，由T1、T2管组成的双稳态触发器总有一个管子处于导通状态，所以会持续地消耗功率，从而使静态RAM的功耗较大，这是静态RAM的两个缺点。
静态RAM的结构一般采用基本存储电路排成阵列，再加上地址译码电路和读写控制电路就可以构成静态RAM。 (2)动态RAM(DRAM)
图5—3单管动态存储电路
动态RAM的基本存储电路如图5-3所示。
动态RAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，但由于任何电容都存在漏电。因此，当电容C存储有电荷时，过一段时间由于电容的放电过程会导致电荷流失，使保存信息丢 失。解决的办法是“刷新”，即每隔一定时间(一般为2ms)就必须对动态RAM进行读出和再写入，使原来处于逻辑电平“l”的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”，这个过程叫动态RAM的刷新。
动态RAM的刷新操作不同于存储器读／写操作，主要表现在以下几点： ● 刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。 ● 由于动态RAM的基本存储电路可按行同时刷新，所以刷新只需要行地址，不需要列地址。
● 刷新操作时，存储器芯片的数据线呈高阻状态，即片内数据线与外部数据线完全隔离。
动态RAM的缺点是需要刷新逻辑电路，而月．刷新操作时不能进行正常的读／写操作。但动态RAM与静态RAM相比，具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点，所以在大容量的
微型计算机存储器系统结构
