《微机原理存储器》课件

微机原理存储器探讨计算机中不同类型的存储器系统包括主存储器、辅助存储器及其特点了,解存储器的重要性及其在微机系统中的作用课程目标理解微机原理基础掌握微机系统结构熟悉存储器原理掌握微机原理的基本概念和原理为后续学深入理解微机系统的组成和工作原理为设全面了解各类存储器的工作原理和特点为,,,习打下坚实基础计和应用微机系统奠定基础合理选择和应用存储器奠定基础存储器的基本概念存储器定义存储器是计算机系统中用于存储数据、程序和指令的硬件设备它是构建内存空间的重要组成部分存储器类型存储器包括随机存取存储器RAM和只读存储器ROM等不同种类及特性的存储设备存储器功能存储器提供了读取、写入和保存数据的基本功能,是计算机系统各部件之间进行数据交换的媒体存储器的分类按存储内容分类按存储单元工作原理分按存储特性分类按读写方式分类类根据存储内容的不同可将存存储器可分为随机存储器存储器也可分为串行存储器和,储器分为程序存储器和数据存常见的存储器有半导体存储器、和只读存储器并行存储器前者逐个读写数RAM ROM,储器两大类程序存储器用于磁性存储器和光学存储器等可在运行时随意存取数据后者可同时读写多位数据RAM,存储计算机程序数据存储器它们采用不同的物理机制来实据仅能读取预先写入的,,ROM用于存储计算机运行过程中产现数据的存储和读取固定数据生的各种数据半导体存储器集成电路技术丰富的类型12半导体存储器是利用集成电路半导体存储器有多种不同的类技术来实现的存储器件集成型如、等能满足不,ROM RAM,电路技术使存储器件能够集成同的存储需求大量的存储单元高度集成高速访问34现代半导体存储器可以在单片半导体存储器可以实现高速的芯片上集成数以百万或千万计数据读写满足计算机系统对存,的存储单元容量巨大储器的性能需求,只读存储器ROM定义特点主要用途特点优势是一种只能读取不能写入的存储常用于存储计算机系统的基本输入输存储内容可靠、结构简单、成本低廉、ROM/器内容在生产过程中就已经固定下来出程序和一些固定不变的数据读取速度快适合用于大规模批量生产,,BIOS,不会丢失的分类ROM掩膜式可编程可擦写电可擦写ROM MaskROM PROMROM EPROMROMROM EEPROM可由用户进行一次性编程数可通过紫外光擦除并重新编程,,通过掩膜技术在制造过程中固据一旦写入即不可擦除用于适用于需要频繁更新的场景可通过电压脉冲擦除和编程,化程序和数据具有不可擦除小批量定制产品或原型开发通常采用窗口式封装以方便擦无需拆卸即可完成操作适用,特性适用于大批量生产和不写于需要频繁更新的场合需要频繁更新的场景、和PROM EPROMEEPROMPROM可由制造商一次性编程的只读存储器EPROM可由用户使用紫外线光擦除重新编程的可编程只读存储器EEPROM可由用户使用电子方式擦除重新编程的电可擦可编程只读存储器随机存储器RAM灵活性强高速操作允许在任何时间对数据进行与磁盘等存储设备相比的数RAM,RAM随机读写操作可以更好地满足各据访问速度更快能够满足微处理,,种计算和存储需求器的高速处理要求易于扩展使用灵活可以根据需要轻松扩展存储空间满足系统不断增长的存储RAM,,需求的分类RAM静态动态1RAM SRAM2RAM DRAM采用触发器电路结构无需刷新采用电容存储结构需要定期刷,,,访问速度快但成本较高常用新访问速度较慢但成本低廉,,,于高速缓存存储器广泛应用于主存储器异步同步3RAM4RAM无需时钟信号控制简单易用需要时钟信号控制可实现高速,,,常用于较低速率的存储系统存取应用于高性能计算机系统,和SRAM DRAMSRAM DRAM SRAMvs DRAM是一种静态随机存储器无需定期刷是一种动态随机存储器需要定期刷更适合对速度要求较高的场合而SRAM,DRAM,SRAM,新读写速度快但单位面积存储容量小它新以保持数据读写速度较稍慢但单更适合需要大容量存储的场合两者,,,SRAM,DRAM通常用于缓存和低功耗应用位面积存储容量大它通常用于主存储器和各有优缺点是微处理器系统中不可或缺的,图形显存重要组成部分存储器的基本结构存储器的基本结构由存储元件、地址译码器、数据总线控制单元等部分组成存储元件用于存储数据地址译码器负责将地址转换为存储单元的选择信号数据总,,线控制单元负责在读写操作中控制总线的收发这些部件通过合理的组合形成高效的存储系统存储器的工作过程数据读取1根据地址信号寻找存储单元数据传输2将数据从存储单元送到处理器数据写入3将数据从处理器写入存储单元存储器的工作过程包括数据读取、数据传输和数据写入三个步骤首先根据地址信号寻找到目标存储单元，然后将数据从存储单元传输到处理器如果是写入操作，则将数据从处理器写入到存储单元中这个过程通过地址总线、数据总线和控制总线协调完成存储单元的寻址地址总线1通过地址总线传输存储单元的地址信息用于定位存储单元的具,体位置地址译码器2将地址总线上的地址信息转换为用于选择存储单元的选通信号选通信号3选通信号用于激活特定的存储单元从而实现对该存储单元的读,写操作存储系统的组织存储单元矩阵地址译码输入输出电路存储单元以二维矩阵的形式排列通过行地地址译码电路根据地址信号选择对应的存储通过数据总线实现数据在和存储器之,CPU址和列地址可以访问任意单个存储单元单元行译码器和列译码器共同完成地址的间的传输控制总线提供读写控制地址总,译码线负责指定访问的存储单元存储系统的访问方式随机访问顺序访问直接读取任意存储单元的数据不需要按照一定的顺序逐个读取存储单元的,按顺序访问广泛用于等储存器数据如磁带等设备适用于大容量存RAM,储器直接访问存储器映射通过地址直接定位到存储单元无需经将外围设备的寄存器或存储单元映射,过中间步骤如磁盘等设备访问速度到主存储器的地址空间可直接访,,CPU快问存储器的性能指标存储器的选择性能需求成本因素根据系统对存储器的访问速度、对于成本敏感的应用需要平衡性,容量等性能指标需求来选择合适能和成本选择性价比最高的存储,的存储器类型器物理因素功耗和散热考虑存储器的工作环境如温度、选择能够满足功耗和散热要求的,湿度、抗干扰性等选择合适的存存储器确保系统稳定可靠运行,,储器存储器的扩展容量扩展位宽扩展12通过增加存储单元数量来提高存储容量满足不同应用场景扩展存储数据的位宽提高数据处理的精度和灵活性,,的需求并行扩展级联扩展34采用多个存储模块并行工作提高数据的吞吐量和处理速度将多个存储器件级联扩展存储系统的层次结构和功能,,高速缓存存储器高速缓存存储器是一种特殊的存储器，用于弥补和主存之间CPU速度差异它利用空间局部性和时间局部性原理将数据和指令临,时存储在更快的存储器中提高整个计算机系统的运行效率,当需要访问数据时首先会查找缓存存储器如果找到所需数据CPU,,,则直接从缓存中读取无需访问主存从而大大减少了访问时间,,高速缓存存储器的原理数据访问CPU访问主存数据时,会先检查高速缓存是否含有所需数据,若有则直接从缓存取用数据传输当CPU访问所需数据时,如果数据在缓存中,则会通过高速缓存总线直接传输到CPU,提高了访问速度缓存命中当请求的数据在缓存中时称为命中,提高了系统整体的性能和响应速度缓存替换当请求的数据不在缓存中时,需要从主存中读取并将其存储在缓存中,并根据替换算法替换掉旧数据高速缓存存储器的结构高速缓存存储器由三个基本部分组成缓存存储体、缓存控制电路和地址映射电:路缓存存储体用于暂时保存从主存取得的数据缓存控制电路负责管理数据的;读取和替换地址映射电路将的逻辑地址转换为缓存存储体的物理地址这;CPU种结构使高速缓存能够快速地为提供所需的数据提高整个系统的性能CPU,高速缓存存储器的工作过程数据传输1向高速缓存请求数据CPU就地命中2高速缓存检查并返回数据缓存未命中3从主存读取数据填充缓存当需要访问数据时首先会查询高速缓存存储器如果数据在高速缓存中就地命中可以快速返回给使用如果数据不在高速缓CPU,,CPU存中缓存未命中则需要从主存储器中读取数据并将其加载到高速缓存中以备将来使用这个过程保证了可以快速获取所需的数据,,,CPU高速缓存存储器的性能访问时间高速缓存存储器的访问时间非常短通常在几纳秒到几十纳秒之,间远小于主存储器的访问时间,命中率高速缓存的命中率决定了它的实际性能较高的命中率意味着大部分访问都在高速缓存中完成从而显著提升系统性能,带宽高速缓存存储器的带宽较高可以满足对数据的高速传输需,CPU求有效提升系统吞吐量,存储器的电源和时序电源要求时序信号访问控制信号数据信号存储器需要稳定的电源供应存储器需要精确的时钟信号来存储器使用各种访问控制信号存储器需要可靠的数据信号传,,通常包括数字逻辑电源和模拟控制读写操作的时间关系时如片选信号、读写信号等来输包括地址总线、数据总线,,电源电源电压精度和钟信号的频率、相位和脉冲宽选择存储单元并控制读写操作等总线的驱动能力、驱动时ripple要求非常严格以确保存储器度都要满足要求以保证数据这些信号的时序也需要严格满间、上升下降时间等都需要注,,正常工作的可靠传输足要求意存储系统的接口I/O数据传输存储系统需要与CPU、外设等设备进行数据传输,采用各种标准的I/O接口协议存储总线存储系统通常由地址总线、数据总线和控制总线组成,实现存储单元的寻址和数据传输存储管理操作系统中的存储管理模块负责为应用程序分配和释放内存,同时也管理存储器的虚拟地址映射存储系统的错误检测和纠正错误检测错误纠正存储系统中容易发生各种错误如数据位错误、地址错误等为了如果检测到错误还需要采取纠正措施简单的错误可以通过重复,,确保数据的正确性和完整性必须采取相应的错误检测措施常见读取或重新传输来纠正对于复杂的错误则需要使用纠错码技术,,,的检测方法包括奇偶校验、循环冗余校验和海明码等如错误校正码和技术这些方法可以自动识别和修CRC ECCRAID正错误保证数据的完整性,存储器的发展趋势高密度化多样化12通过集成电路技术的不断进步存储器芯片的集成度不断提各种类型的存储器如、、等根据应用,,SRAMDRAMFlash,高存储容量持续大幅增长需求不断推出新产品,低功耗化性能提升34更先进的制程工艺和电路设计使得存储器产品的功耗持续存储器的访问速度和带宽不断提高满足高速计算和大数据,,降低适用于移动设备等领域处理的需求,在微机系统中的应用举例微机系统中存储器的广泛应用包括存储程序指令和数据信息、实现缓存机制提高系统性能等存储器还可用于保存系统操作参数、系统状态信息以及其他临时数据另外一些特殊用途的存储器如,可实现系统参数的灵活配置和升级EEPROM课程小结重点总结实践应用本课程详细介绍了微机原理中存学习如何选择适合的存储器并在储器的基本概念、分类、结构、微机系统中进行扩展和组织，以工作原理及性能指标等内容满足不同的应用需求未来发展探讨了存储器技术的最新发展趋势，为进一步学习奠定基础。