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1、MOV AL,BX,内存储器,CPU,CPU与内存的关系,存储器读操作,第5章 半导体存储器,随机存储器RAM只读存储器ROM存储器的连接设计,5.1 概述,存储器是计算机中实现记忆功能的重要部件，可存放程序和数据。存储器按与CPU的耦合关系分为两大类：一类是内部存储器，简称内存。另一类是外部存储器，简称外存。,我们只介绍内存，目前构成微机内存的主要是半导体存储器.,高速缓冲存储器(Cache):所用芯片都是高速的,其存取速度可与微处理器相匹配,容量由几十几百KB,通常用来存储当前使用最多的程序或数据。内存:速度较快,有一定容量(受DB位数限制),一般都在几十MB以上。,外存:速度慢,容量大,
2、如磁带,软盘,硬盘,光盘等。容量可达几百兆至几十个GB,又称“海量存储器”,通常用作后备存储器,存储各种程序和数据,可长期保存,易于修改,要配置专用设备。,存储器的分类,按存取方式分，半导体存储器分为两大类：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。,半导体存储器因其存取速度快、集成度高、功耗小、价格低，常用作内存。,一、半导体存储器的分类,半导体存储器,ROM,RAM,随机存取存储器RAM,使用属性:可读可写、断电信息丢失按制造工艺分类双极型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低微机中几乎都用MOS型RAM,MOS型RAM的分类静态RAM(SRAM)：其存储电路以
3、双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失,但集成度低。动态RAM(DRAM)：存储单元电路以电容为基础,电路简单,集成度高,功耗低,但因电容漏电,需定时刷新。组合RAM(IRAM)：附有片上刷新逻辑的DRAM,兼有SRAM和DRAM的优点。,二.主要性能指标,衡量半导体存储器的指标很多,如功耗,价格,可靠性等,但从选用来看主要考虑容量,存取时间和价格。,1.存储容量指每一个存储芯片或模块能够存储的二进制位数。芯片存储容量存储单元数M 每单元数据位数N,如：芯片有2048个单元，每单元存放8位二进制数，则容量为,简化表示：10248b1KB10241KB1MB 10241MB1GB
4、,20488b=2K8b=2KB=16Kb,由于在微机中对存储器的读写是以字节为单位寻址的。存储芯片为适用于1位、4位、8位计算机的需要,或因工艺上的原因,其数据线也有1位、4位、8位之分。例：Intel 2116为1位,2114为4位,6116为8位。所以标定存储器容量时,经常标出存储单元的数目和位数,即:存储器容量=单元数数据线位数 例:2114芯片为1K4位/片、6116芯片为2K8位/片 虽然微机字长已达16位,32位甚至64位,但其内存仍以一个字节为一个单元,不过在这种微机中,一次可同时对2,4,8个单元进行访问。,常用单位：B（Byte）、KB、MB、GB等。1字节=8bit；1K
5、B=210字节=1024字节；1MB=210KB；1GB=210MB=1024MB；1TB=210GB=1024GB。,3、其他指标集成度、功耗、可靠性、价格等。,芯片从接收到读/写信号到完成读出或写入操作的时间。CPU提供的读写时间必须比RAM芯片所要求的存取时间要长。存取时间直接决定了整个微机系统的运行速度。,2、存取时间,2.存取速度存取速度：从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间。超高速存储器的存取速度已小于20ns,中速存储器在100200ns之间,低速存储器在300ns以上。选用存储器时,存取速度最好选与CPU时序相匹配的芯片。另外在满足存储器总容量前提下,尽
6、可能选用集成度高,存储容量大的芯片。,三、半导体存储器芯片的结构,存储体：存储器芯片的主要部分，用来存储信息地址译码电路：根据地址编码来选中芯片内某个特定单元 控制逻辑：选中存储芯片，控制读写操作,存储体,存储单元 地址,可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片容量存储单元数存储单元的位数 2MN M：芯片的地址线根数 N：芯片的数据线根数,例：32K8的SRAM芯片62256,芯片引脚与容量的关系：容量=单元数位数=2地址线条数数据线条数对于62256：容量2158位32K8位 32KB,地址译码电路,片选和读写控制逻辑,片选端 CS*或CE*有
7、效时，可以对该芯片进行读写操作输出 OE*控制读操作。有效时，片内数据输出对应系统的RD*写 WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中对应系统的WE*,5.2 随机存取存储器（RAM）,随机存取存储器，也称读写存储器，简称RAM（Random Access Memory）。特点：存储单元的内容能够根据需要读出或写入，但其保存的信息断电后不再保存，即具有“易失性”。常用于存放输入/输出数据、中间结果或用户应用程序。,动态RAM（Dynamic RAM）的基本存储电路利用MOS管和电容存储信息，电容泄漏须刷新。,静态RAM（Static RAM）的基本存储电路主要由R-S触发器构成，在有电源条件下
8、，存入的数据可一直保存。,5.2 随机存取存储器（RAM）,静态RAMSRAM 6264 SRAM 2114,动态RAMDRAM 2164,一、静态RAM,2、SRAM典型芯片 从使用的角度出发了解芯片几个方面：引脚功能地址线，数据线，控制线，如何与CPU连接 容量单元数，每单元位数 工作方式如何读/写,1、结构特点：SRAM的基本存储电路由6个MOS管组成,为双稳态触发器。外围电路包括地址译码、读/写控制、三态输出等。,SRAM芯片6264,28个引脚：,存储容量可寻址的单元数：213=8K每单元数据位数：8容量21388K8 b,13根地址线 A12A0,控制线片选 CS1*、CS2读写
9、WE*、OE*,8根数据线 D7D0,SRAM芯片6264,工作方式,2114芯片,引脚信号地址信号 A9A0数据线 I/O4I/O1控制线：片选 CS 读/写控制信号 WE,容量可寻址的单元数：210=1K每单元数据位数：4 210 4 1K4 b,二、动态RAM,1、结构特点：基本存储电路为单管或三管存储电路。外围电路：行、列地址译码，行、列地址锁存，1/4门控，读/写控制等。,使用动态RAM芯片，必须有一定的辅助电路提供行/列地址选通信号，将CPU送出的地址分为行/列地址，在2ms内刷新等，因此一般小系统中不使用。,动态RAM,DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备“读
10、出再生放大电路”进行刷新每次同时对一行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放一位需要8个存储芯片构成一个字节单元每个字节存储单元具有一个地址,引脚信号,容量可寻址的单元数：216=64K每单元数据位数：1容量216164K1 b,数据线：Dout输出，Din输入。,地址线：A7A0，重复使用，分二次接受16位地址信号。,2、典型芯片Intel 2164,DRAM芯片4116,存储容量为 16K116个引脚：7根地址线 A6A01根数据输入线 DIN1根数据输出线 DOUT行地址选通 RAS*列地址选
11、通 CAS*读写控制 WE*,内存条,是将若干片大容量的DRAM芯片设计并组装在一块电路板上，并集成了动态刷新电路。,SDRAM(同步)：168线，数据宽度达64位。DDR(双倍数据速率)：184线。,RAM芯片汇总,5.3 只读存储器ROM,只读存储器，简称ROM（Read-Only Memory）。存储单元的内容在使用时只能读出不能写入或可以写入但速度很慢。但其保存的信息断电后仍然保存，即具有“非易失性”。常用于存放固定的程序和参数表，如微机开机的引导程序等。,1、掩模ROM,2、可编程PROMProgrammable ROM特点：为空白存储器,允许用户编程一次，存储电路由熔丝相连，当加入
12、写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再改写。适合批量生产。,Masked ROM特点：其存储的信息在芯片制造时已确定，用户不可更改。掩模ROM成本低，适用于大批量生产。,3、可擦除可编程EPROM,（2）典型EPROM芯片,Intel 27系列是常用的EPROM芯片。芯片的容量2KB、4KB、8KB、16KB、32KB等。它们在容量上不同，但工作原理、编程及读操作上相似。,（1）Erasable Programmable ROM 特点：在线使用时，只能读出，不能写入。用户按规定方法可多次改写内容,编程时，从电路板取下，在编程器上实现擦除和写入,适合于研制和开发。,EPROM,顶部开
13、有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程编程后，应该贴上不透光封条出厂未编程前，每个存储单元都是信息1编程就是将某些单元写入信息0,Intel 2764芯片,引脚信号,可寻址的单元数：213=8K每单元数据位数：821388KB,容量,控制线：片选 编程控制信号 输出允许信号,数据线D7D0,地址信号A12A0,EPROM 2764的功能,Intel 27芯片,4、电擦除可编程EEPROM,E2PROM特点：电擦除可编程芯片的擦除和改写均用电信号进行，既可在编程器上擦除和编程，也可直接在印制电路板上在线进行。,5、快擦写存储器 Flash Memo
14、ry,快擦写存储器简称闪存。闪存具有EEPROM电擦除可编程特点，其内部可自行产生编程所需电压，仅需Vcc供电。但内部组织不同于EEPROM，可提供全片擦除、块擦除、页面擦除能力，实现快速擦除。,闪存（Flash Memory）,采用一种非挥发性存储技术，即掉电后数据信息可以长期保存，在不加电的情况下，信息可以保持10年。能在线擦除和重写。由EEPROM发展起来，属于EEPROM目前几乎所有主板中的BIOS ROM均采用Flash,单一电源,读取速度较快(100ns左右),低功耗,改写次数目前达100万次,价格接近EPROM。存储容量从64KB,256KB到32MB、64MB等。体积小,可靠性
15、高,内部无可移动部分,无噪声,抗震动力强,是小型硬盘的代替品,也是代替EPROM和E2PROM的理想器件,市场前景看好。Flash有单片应用和固态盘应用，固态盘分卡式和盘式两种。闪速卡,用在可移动计算机中,如数字相机,手机,CD-ROM等。闪速固态盘,用于恶略环境中代替硬盘。目前几乎所有主板中的BIOS ROM均采用Flash。,闪存（Flash Memory）,80年代末推出的新型存储芯片,主要特点是在掉电情况下可长期保存信息,原理象ROM,但又能在线擦除与改写,功能象RAM,兼有E2PROM和SRAM的优点。,5.4 存储器设计,1、设计原则,根据存储器容量要求、应用场合、速度要求、价格、
16、体积、功耗等方面综合考虑。存储器设计应包含两个方面：,（1）选片,芯片类型选择：小系统中多使用SRAM，而DRAM的集成度较高多用于中、大系统中。掩模ROM、PROM成本低多用于较成熟程序；EPROM、EEPROM则用于保存不常修改的数据，如系统运行过程的参数等。,（2）存储芯片与CPU的连接,存储地址空间的分配：内存分为系统区（即机器的监控程序或操作系统占用的区域）和用户区，用户区又要分成数据区和程序区，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，通常一个存储器是由许多存储芯片组成，就需要将各个芯片正确的接到系统总线上。,CPU总线负载能力：一般考虑其输出线的直流负载能力。,CPU时序与存储芯
17、片存取速度的配合：CPU在存储器读/写操作时，是有固定时序的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求。,前面介绍的各种存储器芯片（RAM和ROM）的容量都是有限的，当实际系统需要更大存储容量时，就必须采用多片现有的存储器芯片构成较大容量的存储器模块，这就是存储器扩展。,扩展存储器有三种方法：一是存储单元数的扩展（字扩展），二是字长的扩展（位扩展），三是将前两者结合起来的字位全扩展。微机系统中的内存大多数是采用多个存储芯片字位全扩展方法组成较大容量的存储器模块。,SRAM与CPU的连接,这是本章的重点内容SRAM与CPU的连接译码方法同样适合I/O端口,主要考虑的问题：存储芯片的数据线存储芯
18、片的地址线存储芯片的片选端存储芯片的读写控制线,1.存储芯片与系统数据总线连接,若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部与系统的8位数据总线相连,若芯片的数据线不足8根：“位扩充”利用多个存储器芯片的数据线和系统数据总线的不同信号线相连，达到扩充数据位,2114的逻辑图：,芯片容量存储单元数存储单元的位数=2地址线条数数据线条数=1K4b,2114的数据线不足8根位扩充,D4D7,D0D3,各芯片的数据线连接系统数据总线的不同位数这些芯片应被看作是一个整体；称为“芯片组”,2.存储芯片与系统地址总线连接,高位地址线用于选择不同的存储芯片 系统中的存储器由多片芯片构成，须通过译码
19、电路将高位地址线译码产生芯片的片选信号，即为片选。,低位地址线等于存储芯片地址线数目 低位地址线与存储芯片直接相连，由芯片的内部译码电路确定具体的存储单元，即为字选(片内译码)。,系统总线中地址信号为A19A0，存储芯片的地址线一般少于此。将系统地址总线分为两部分：,（1）字选（片内译码）,CPU低位地址线与存储芯片的地址线直接相连。如6264芯片的连接：,A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A0 0 0 1 1,基本地址 00000H 01FFFH,所谓基本地址是对该芯片而言，用作片选的高位地址全为0。,芯片的地址空间（高7位未确定）：,（2）片选,将高位地址线通
20、过译码电路产生片选信号，有全译码、部分译码和线选三种方式：,地址的利用率高，使存储器中任一单元都有唯一的确定的地址。译码电路复杂。,全译码 除了存储器内部需要的地址信号线外，其他高位地址信号线全部参加译码。,低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址（片内译码），高位地址线对存储芯片的译码寻址（片选译码）,芯片的地址空间：A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1,地址译码（字扩充）,D7D0,A9A0,译码和译码器,译码：将某个特定的“编码输入”翻译为唯一“有效输出”的过程,译码电路可以使用门电路组
21、合逻辑,译码电路更多的是采用集成译码器常用的2:4译码器：74LS139常用的3:8译码器：74LS138常用的4:16译码器：74LS154,译码的概念,N 位编码输入,2N 位译码输出,唯一有效的输出其余均无效,译码器,A,B,Y,&,A,B,Y,1,A,Y,1,逻辑门 国家标准符号 旧教材使用符号,与 门Y=A B,或 门Y=A B,与非门Y=A B,或非门Y=A B,A,B,Y,1,A,B,Y,&,A,B,Y,A,B,Y,逻辑门的表示方法,8088系统BUS,0,0,0,O,&,D0D7,D0D7,A0,A0,A1,A1,A12,A12,.,.,OE,WE,CS1,CS2,MEMR,M
22、EMW,A13,A14,A15,A16,A19,.,.,6264 SAM,最大方式,+5 V,D0 D7数据线A0 A12地址线OE读允许WE写允许CS1=0CS2=16264选中工作,门电路译码,门电路译码,38000H3FFFFH,1,1,译码器74LS138,Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,E3,E2,E1,C,B,A,74LS138原理图,74LS138功能表,74LS138连接示例1,74LS138连接示例2,B8000HBFFFFH,A8000HAFFFFH,全译码示例,A12A0,部分译码,除了存储器内部需要的地址信号线外，其他高位地址信号线未全部参加译码，只有部
23、分（高位）地址线译码。,一个实际存储单元对应多个地址（地址重复），地址的利用率低。电路简单。,芯片的两个地址范围：DC000H DDFFFH FC000H FDFFFH,部分译码示例,A11A0,线选译码,除了存储器内部需要的地址信号线外，只用少数几根高位地址信号线直接控制存储器的片选端，进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）。,线选法节省译码电路，设计简单。存储器芯片中的一个存储单元有多个地址，地址空间严重浪费，多个存储单元共用的存储地址不应使用。,线选译码示例,切记：A14 A1300的情况不能出现00000H01FFFH 的地址不可使用,片选端译码小结,芯片的片选端可以看作是一根最
24、高位地址线在系统中，主要与地址发生联系：包括地址空间的选择（接系统的IO/M*信号）和高位地址的译码选择（与系统的高位地址线相关联）对一些存储芯片通过片选无效可关闭内部的输出驱动机制，降低功耗,3.存储芯片与系统控制总线连接,三个信号组合产生存储器写和存储器读信号分别连至存储芯片的写信号 和输出允许信号。,8088最小方式下系统总线中与存储器有关的控制信号有：,当芯片被选中、且读命令有效时，存储芯片将开放并驱动数据到总线,当芯片被选中、且命令有效时，允许总线数据写入存储芯片,位扩展和字扩展总结：,芯片的数据位小于8位时，将几片作一组，它们的低位地址线、片选信号线、读/写控制线连接在一起，因此每
25、片芯片的地址空间相同，它们的数据线组合为一个8位数据。此为位扩展。,字扩展 芯片的数据位为8位，但总容量达不到规定的容量，则需要多片芯片，它们的低位地址线、读/写控制线连接相同，片选信号线不同，因此每片芯片有不同的地址空间。此为字扩展。,位扩展,用2K1b存储器芯片组成 2K8b RAM,用10241位的芯片组成1K RAM,【例1】利用全地址译码将6116（2K8）接到 04000H047FFH、06800H06FFFH的内存区。,（1）该地址空间共有多少KB？,（2）需要几片6116？,（3）画电路图。,6116的逻辑图,芯片容量=2地址线条数数据线条数=2118 2K8 b,【例2】已知
26、某系统地址总线共有20位，数据总线8位，存储器扩展如图所示，则(1)单片2764的容量是多少?(2)这种译码电路是全译码、部分译码还是线译码？说明判断理由.(3)分配给2764的地址范围分别是多少?,【例3】用两片64K8位的SRAM芯片构成容量为128KB的存储器，地址范围分别为：20000H2FFFFH和30000H3FFFFH。,练习:,1、6264为8K8的SRAM芯片，要求地址范围是FA000HFBFFFH，设计其连线。,练习:,2、使用一块3-8译码器74LS138，将两片6116所占的内存地址范围安排在7C000 7CFFFH。,3、设计一微处理器系统，要求存储器容量为8KB的E
27、PROM，采用2764芯片，地址为FE000HFFFFFH；RAM容量为16KB，选用6264芯片，地址为F0000HF3FFFH。采用全译码方式，画出74LS138的连接图。,解：确定芯片的个数。,各芯片的高位地址：2764：1111 11116264：1111 00026264：1111 001,练习:,4、图示为某一8088最小系统的存储器连接图，试确定其中各芯片的地址范围。,练习:,对应 输出的芯片：,再由A13线选两片6264，起始地址分别为30000H、32000H1#6264地址30000H31FFFH，26264地址32000H33FFFH,对应 输出的芯片：,A19 A18
28、A17 A16 A15 A140 0 1 0 0 0即起始地址为：0010 0000 0000 0000 000020000H,27128芯片的地址范围为：20000H23FFFH,A19 A18 A17 A16 A15 A140 0 1 1 0 0即起始地址为：0011 0000 0000 0000 0000 30000H,3.某以8088为CPU的微机内存RAM区为00000H3FFFFH，若采用6264、62256、2164或21256芯片，各需要多少芯片？4.利用全地址译码将6264芯片接在8088的系统总线上，其所占地址范围为BE000HBFFFFH，试画连接图。7.已有2片6116，现将他们接在8088的系统中，其地址范围为40000H40FFFH，试画连接图。写入某数据并读出与之比较，若有错，则在DL中写入01H，若每个单元均对，则在DL写入EEH，试编写此检测程序。内存地址40000HBBFFFH共有多少千字节？,1、存储器的分类、RAM和ROM的特点。,2、RAM和ROM的典型芯片：6264、2114和2764等的容量。,3、存储器和CPU的连接：全译码、部分译码；LS138译码器；译码电路图和地址范围的相互对应关系。,本章总结,6264：8K862256：32K82164：64K121256：256K16116：2K8,
