存储系统及半导体存储器

1、存储系统及半导体存储器教学提示：存储器是计算机系统的记忆部件，用来存放程序和各种数据信息，根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。在计算机开始工作以后，存储器还要为其他部件提供信息，同时保存中间结果和最终结果。教学要求：通过本章的学习，读者需要掌握半导体存储器的分类，了解不同类型的存储器各自的特征，掌握存储器系统的组织方法，掌握存储器地址线、数据线、控制线的连接方法。5.1 存储系统与半导体存储器的分类在计算机发展初期，冯诺依曼定义的计算机五大系统，就包括存储系统，到了今天，存储系统还是计算机中最重要的部分。现在计算机的内存都是采用半导体存储器，外存则主要采用磁性材料，但是由半

2、导体存储器构成的外存发展迅速，有后来居上的趋势。5.1.1 存储系统存储器是微机的一个重要组成部分，一般分为内存储器和外存储器。内存储器也称为主存(Main Memory)，它和微处理器一起构成了微机的主机部分。CPU可以通过系统总线直接访问内存，因此其工作速度很快。在计算机内部，将内存储器划分成一个个存储单元来存储信息。每个存储单元能存放8位的二进制数据(即一个字节)。存储单元按照顺序的线性方式组织。排在前面的单元是0号单元，其地址(单元编号)为0，往下依次是1号单元、2号单元因为地址具有唯一性，对存储单元的访问就可以通过地址进行。内存储器的地址码用二进制数表示，若地址码有20位二进制位，则

3、其地址码的可编码范围为02201(1M)。在实际使用时，常用十六进制来表示地址。例如，地址0111 1111 1111 1111 1111 可写成7FFFFH。它的工作速度和存储容量对系统的整体性能，对系统所能解决的问题的规模和效率都有很大的影响。一般地，计算机系统中的内存容量总是有限的，远远不能满足用户存放数据的需求，并且内存不能长时间地保存数据，断电信息就丢失。所以，通常的计算机系统都要配置大容量且能长期保存数据的存储器，即外存储器(外存)又称辅助存储器，是计算机的外部设备。目前常用的外存储器有磁盘和光盘两种。磁盘是利用磁性介质来记录信息的设备，磁盘又可分为软磁盘和硬磁盘。光盘是利用激光原

4、理存储和读取信息的媒介。外存要通过接口电路和CPU通信，因此速度要慢一些。5.1.2 半导体存储器的分类从第三代计算机开始，内存储器就采用性能优良的半导体存储器。半导体存储器体积小、容量大、价格低、速度快，在计算机中得到了广泛的应用，也是目前微机中最主要的存储器。半导体存储器种类繁多，从使用功能上可以划分成两大类：一是随机存取存储器RAM(Random Access Memory)，也称读写存储器；二是只读存储器ROM(Read Only Memory)。随机存储器RAM中的内容既可以读也可以写，但里面存储的信息断电就消失。主要是用来存放一些和系统进行实时通信的输入、输出数据、中间结果以及和外

5、存交换的信息。只读存储器ROM中的信息是只能读不能写的，但断电后信息不消失，在计算机重新加电后，原有的内容仍可以读出来的。因此只读存储器ROM一般用来存放一些固定的程序和数据，如在微机中用它来存放监控程序、操作系统的核心部分、BASIC语言解释程序以及BIOS等。半导体存储器的分类如图5.1所示。半导体存储器 随机存取存储器(RAM) 双极型 RAM MOS型只读存储器 (ROM) RO静态 RAM(SRAM) 动态 RAM(DRAM) 掩膜 ROM 可编程 ROM(PROM) 可擦除可编程 ROM(EPROM) 电可擦除可编程 ROM(E2PROM) 动态金属氧化物 (MOS)RAM MOS

6、型图5.1 半导体存储器的分类1. 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)按照其制造工艺可分为双极型RAM和动态金属氧化物(MOS)RAM。1) 双极型半导体RAM双极型RAM具有存取速度高、集成度低、功耗大、成本高的特点。但它以晶体管的触发器作为基本存储电路，故管子较多。所以在存取速度要求比较高的微机中，常使用双极型RAM。2) 动态金属氧化物(MOS)RAMMOS型RAM制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜，在半导体存储器中占有重要地位。按照芯片内部基本存储电路结构的不同，它又可分为静态RAM(即SRAM)和动态RAM(DRAM)两类。静态RAM一般用双稳触发器作为基本存储电路，采用N

7、MOS电路，集成度较高。动态RAM采用的元件比静态RAM少，集成度更高，功耗更小，但它靠电容存储电荷来记录信息，而总是存在有泄漏电荷的情况，故要求附加刷新电路周期性地刷新电容上的电荷(即将存储单元中的内容读出再写入)。典型的大约每隔2ms刷新一遍。2. 只读存储器只读存储器中一旦有了信息，就不会在掉电时丢失。但其中的信息只能读出来，而不能用一般的方法将信息写入。它又可分为：1) 掩膜ROM厂家在制造集成电路芯片的最后，对用户定做的掩膜ROM进行编程。一旦做好，信息就固化其中，不能改变。2) 可编程ROM(PROM，Programmable ROM)芯片在出厂时并没有固化信息，允许用户一次性写入

8、，以后就不可更改了。3) 可擦除可编程EROM(Erasable Programmable ROM，EPROM)可以进行多次擦除和重写的可编程ROM。其写入的操作由专用的设备完成。写入的速度较慢，但由于它可以多次改写，特别适合用于科研工作。4) 电可擦除可编程ROM(Electrically Erasable Programmable ROM，E2PROM)使用特定电信号进行擦除可编程ROM，可以在线操作，因此很方便。但写入时电压要求较高，写入的速度也非常慢，总的写入次数也是有限，把E2PROM作为RAM使用是不合适的。5.2 随机存取存储器通常计算机内存中的大部分是由随机存取存储器组成的。内

9、存是按地址访问的，给出地址即可以得到相应内存单元里的信息，CPU可以随机地访问任何内存单元的信息。而且，目前所采用的存储芯片的访问时间与所访问的存储单元的位置并没有什么关系，完全是由芯片设计和生产技术以及芯片之间的互联技术所决定的。这种访问时间不依赖所访问的地址的访问方式称为随机访问方式，内存储器也因此被称为随机存取存储器。5.2.1 静态RAM1. 基本的存储电路静态存储电路是由两个增强型的NMOS反相器T1和T2交叉耦合而成的触发器，通过控制这些触发器的选中来实现存储原理的，如图5.2所示。图5.2 六管静态RAM基本存储电路DO/ IO/ IO/ IO/ IDO/ IDO/ IO/ I当

10、行选线(字选线)X输出为高电平时，T5、T6管导通，触发器就和数据线相通了；当这个电路被选中时，相应的列选线Y译码输出也是高电平，则T7、T8管也是导通的，于是D和(这是指存储器外部的数据线)相通。写入时，写入信号自I/O以及为“0”。I/O线上的高电平通过T7管、D线、T5管送到A点，而由于存储单元有电源和两负载管，可以不断地向栅极补充电荷，所以靠两个反相器地交叉控制，只要不掉电就能保持写入信号“1”，而不用刷新。若要写入“0”，则I/O线为“0”，而信号为止。在读出时，只要某一电路被选中，相应的T5、T6导通，A点和B点与位线D和相通，且T7、T8也导通，故存储电路的信号被送至I/O以及接

11、到一个差动放大器，由其电流方向即可判定存储单元的信息是“1”还是“0”；也可以只有一个输出端接到外部，以其有无电流通过而判定所存储的信息。2. 典型的静态RAM芯片静态RAM的种类繁多，常用的典型芯片有6116(2KB8位)、6264(8KB8位)、62256(32KB8位)、628128(128KB8位)等。下面介绍628128芯片，其结构图如图5.3所示。芯片的容量是128K8位，有128K个存储单元，需17根地址线。芯片内部的地址译码包括行译码和列译码两级译码，其中9根地址线用于行译码，另8根用于列译码。就与输入输出电路I/O以及线输入，当写“1”时，I/O线为“1”，而线上的低电平经T

12、8管、T6送到B点，这样就强迫T2管导通，T1管截止，相当于把输入电荷存储于T1和T2管的栅极。 当输入信号以及地址选择信号消失后，T5、T6、T7、T8都截止，线为“1”，使T1导通，而T2截止，同样写入的“0”信号也可以保持住，一直到写入新的线上。读出时可以把I/O以及图5.3 628128结构图图5.4 628128引脚WEOECS该芯片采用CMOS工艺，32引脚DIP封装，引脚如图5.4所示。其容量为128KB。有17根地址线A16A0和8根输入输出线I/O0I/O7，为写使能信号，其有效时允许写入，输出使能信号，其有效时允许输出。片选信号1和CS2同时有效时才选中芯片。Vcc是电源线

13、，Vss是地线，NC表示没有连接。具体的功能见表5-1。 表5-1 628128 的功能表csweoe工作模式1CS2未选中未选中禁止输出读出写入写入100000111110101100CC图5.5 单管动态存储电路5.2.2 动态RAM1. 单管动态存储电路是数据线的分布电容，一般C小于因此每个数据读出后，C上的电荷经 释放，信息被破坏，所以每位数据读出后，要重新恢复C上的电荷量，称为刷新。在写入时，字选线X为“1”，T1管导通，写入的信息通过数据线D存入电容C中；读出时，字选线X为“1”，存储在C电容上的电荷通过T1输出到数据线上，根据数据线上有无电流可得知存储的信息是“1”还是“0”。动

14、态RAM相对于静态RAM来说电路简单、集成度高、功耗小，但缺点是需要附加刷新电路，电路较复杂。动态RAM一般用于组成大容量的RAM存储器。常用的动态RAM芯片有：2116(16K1)，2118(16K1)，2164(64K1)，424256(256K4)，下面介绍2164芯片的工作原理。C表示存储的二进制信息是“1”，无电荷表示“0”。5.5所示。电容C上有电荷之间的寄生电容C存储电荷的原理来存储信息的。如图利用MOS管栅极和源极动态RAM(DRAM)是RASCAS2. 动态RAM的刷新动态RAM是靠电容存储电荷来保存信息的，由于电容会泄漏放电，所以，为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM

15、不断进行读出和再写入，以使放电泄漏的电荷得到补充。温度上升时，电容的放电速度也会加快，所以两次刷新的时间间隔是随温度而变化的，一般为1100ms，在70时，一般的刷新间隔为2ms。而读/写操作的随机性，不能保证内存中所有的RAM单元都在2ms中可以通过正常的读/写操作来刷新，因此依靠专门的存储器刷新周期来系统地完成动态RAM的刷新。3 典型的动态RAM芯片Intel 2164A1) Intel 2164A的结构芯片2164A的容量为64K1位，即片内共有64K(65536)个地址单元，每个地址单元存放一位数据。用8片Intel 2164A就可以构成64K字节的存储器。片内要寻址64K，则需要1

16、6条地址线，为了减少封装引线，地址线分为两部分：行地址与列地址。芯片的地址引线只要8条，内部设有地址锁存器，利用多路开关，行地址选通信号(Row Address Strobe)变低，把先出现的8位地址，送至行地址锁存器；(Column Address Strobe)低电平，把后出现的8位地址送至列地址锁存器。这8条然后列地址选通信号地址线也用于刷新(刷新时地址计数，实现一行行刷新)。2164A的存储体由4个128128的存储矩阵构成，其内部结构如图5.6所示。每个128128的存储矩阵，有7条行地址和7条列地址线进行选择。7条行地址经过译码产生128条选择线，分别选择128行；7条列地址线经过

17、译码也产生128条选择线，分别选择128列。 图5.6 2164引脚及结构示意图WEWEWERASRASCASRASCASWEWECASRASCASRASCASWEWECASCAS锁存在行地址锁存器中的7位行地址RA6RA0同时加到4个存储矩阵上，在每个矩阵中都选中一行，则共有512个存储电路被选中，它们存放的信息被选通至512个读出放大器，经过鉴别、锁存和重写。锁存在列地址锁存器中的7位列地址CA6CA0(地址总线上的A14A8)，在每个存储矩阵中选中一列，则共有4个存储单元被选中。最后经过1：4I/O门电路(由RA7与CA7控制)选中一个单元，可以对这个单元进行读写。数据的输入和输出是分开

18、的，由信号控制读写。当为高时，实现读出，选中单元的内容经过输出2) 数据读出数据读出的过程是由行地址选通信号变低开始的。为了能使行地址可靠锁存，通常希望行地址能先于信号有效。同样，为了保证列地址的可靠锁存，列地址领先于要从指定单元读出信息，有效后，也有效。信息的读写，取决于控制信号。为实现读出，则信号必须在3) 数据写入要选定写入的单元，和必须都有效，而且行地址必须领先有效，且要保持一段时间。有效，也要保持一段时间。由有效实现写入，信号必须领先有效。要写入的信息，必须在有效前已经送至数据输入线DIN，且在有效后必须保持时间。缓冲器(三态缓冲器)在DOUT引脚上读出。当有效(低电平)时，DIN引

19、脚上的信号经过输入缓冲器对选中单元进行写入。信号。必须有效之前变为高电平。列地址必须领先RASCASWERASRASCAS4) 读修改写在指令中，常要对某一单元的内容读出进行修改，然后再写回这一单元。在存储器中设计了读修改写周期专门用来实现此功能。这一周期相当于读出周期和写周期的组合，但它并不是由两个单独的读周期和写周期结合起来的，而是在和同时有效的情况下由5) 刷新在Intel 2164A中有512个读出放大器，所以刷新时，最高位行地址RA7是不起作用的，由RA6RA0在四个存储矩阵中都选中一行(每次同时刷新512个单元)，所以经过128个刷新周期，就可以完成整个存储体的刷新。虽然读操作、写

20、操作、读+修改+写操作都可以实现刷新，但推荐使用唯有效的刷新方式，它比别的周期有效把刷新地址锁存入行地址锁存器，则选中的512个单元都读出和重写。在刷新过程中始终无效，故数据不会读出至DOUT线上。信号先实现读出，再作修改后又实现写入。功耗可降低20%。由由于5.3 只读存储器只读存储器(ROM)是一种非易失性的半导体存储器件。其中所存放的信息可长期保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固定的程序和数据。在一般工作状态下，ROM中的信息只能读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来信息擦除，以便再次编程。5.3.1

21、 掩膜ROM掩膜ROM一般由生产厂家根据用户的要求而定制，适合于批量生产和使用。图5.7所示是一个简单的44位的MOS ROM，采用字译码方式，两位地址输入，经译码后，输出四条选择线，每一条选中一个字，位线输出即为这个字的各位。在图5.7的存储矩阵中，有的列没有连管子，这是在制造时由二次光刻版的掩膜所决定的，所以称其为掩膜ROM。在图5.7中，若地址信号为00，选中第一条字线，则它的输出为高电平。若有管子与其相连如D0和D3，则相应的MOS管导电，输出为“0”；而D1和D2，没有管子与字线0相连，则输出为“1”(实际输出到数据总线上的是“1”还是“0”，取决于在输出线上有无反相)。因此当某一字

22、线被选中时，连有管子的位线输出为“0”(或“1”)；而没有管子相连的位线输出为“1”(或“0”)。存储矩阵的内容取决于制造工艺，而一旦制造好以后，用户无法改变。图5.7 掩膜ROM结构示意图由此也可看出ROM的一个特性：ROM所存储的信息不容易丢失，但电源断开又接上时，存储的信息不变。5.3.2 可编程的ROM图5.8为一种双极型可编程的ROM(PROM)的基本存储结构。图中，晶体管发射极与数据位线间连有熔丝，所以这种PROM也称“熔丝式”PROM。出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留；若准备写入0，则

23、向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。换句话说，所有存储单元出厂时均存放信息1，一旦写入0使熔丝烧断，就不可能再恢复。所以，用户只可对它进行一次性编程。图5.8 熔丝式PROM5.3.3 可擦除可编程的ROM1. 基本存储电路用户可以对PROM进行编程，但对它只能修改一次。为了便于用户根据自己需要来确定ROM的存储内容，逐渐发展产生了一种可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片。可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片的特点是：芯片的上方有一个石英玻璃的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而将写入的信号擦去。如图5.9所示。它与普

24、通的P沟道增强型MOS电路相似，在N型的基片上安置了两个高浓度的P型区，它们通过欧姆接触，分别引出源极(S)和漏极(D)，在S和D之间有一个由多晶硅构成的栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包围。出厂时，硅栅上没有电荷，则管子内没有导电沟道，D和S之间是不导电的。当把EPROM管子用于存储矩阵时，它输出为全1(或0)。要写入时，则在D和S之间加上25V的高压，另外加上编程脉冲(其宽度约为50ms)，所选中的单元在这个电源作用下，D和S之间被瞬时击穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当高压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，故注入的电子无处泄漏走，硅栅就为负，于是就形成了导电沟道，从而使EPRO

25、M单元导通，输出为“0” (或“1”)。图5.9 可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片电路图2. 典型的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片随着超大规模集成电路技术的发展，高集成度的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片使用已很普遍。下面以Intel 27512为例介绍一下它的主要特点。Intel 27512 是64K8的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片，28脚双列直插式封装，地址线为16条A15A0，数据线8条O7O0，带有三态输出缓冲，读出时只需单一的5V电源。Intel 27512的内部结构如图5.10所示。图5.10 Intel 27512的内部结构Intel 27512的工

26、作方式见表5-2。表5-2 Intel 27512工作方式选择表CEOE工作模式/VPPVCCO7O0读维持编程编程校验编程禁止0+5V00+5V0任意12.5V012.5V5V+5V+5V+5V+5V数据输出高阻数据输入数据输出高阻CEOECECECECEIntel 27512有以下五种工作方式。(1) 读方式：一般使用时就处于这种方式。进入这种方式的条件是使片选控制线和输出允许控制线(2) 维持方式：当片选控制线(3) 编程方式：在Vpp端加规定好的高压(12.5V)，(4) 校验方式：在Vpp端保持低电平，(5) 编程禁止方式：Vpp为12.5V，为高电平时，编程禁止，输出总线呈高阻状态

27、。为低电平，就可以将指定地址单元的内容从数据总线上读出。为高电平时，芯片进入维持方式，这时输出为高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。为低电平，就能将数据线上的数据固化到指定的地址单元中去。为低电平(实际就是读方式)，可以读出编程固化好的内容，以校验写入的内容是否正确。5.3.4 电可擦除可编程的ROM电可擦除可编程的ROM(Electrically Erasable PROM，E2PROM)是20世纪80年代初问世的产品，近年来得到人们广泛的重视和应用。它和EPROM相比的最大特点是擦除过程不需用紫外线光源，不用从应用系统中拆卸下来而是“在线”地进行电改写。改写后的信息可以快速读出，可以长期非易失

28、性地保持信息。正是由于它的这一特性，因而它在智能仪器、控制装置、分布式监测系统子站、开发装置中得到广泛的应用。E2PROM有以下应用特性：(1) 对硬件电路没有特殊要求，编程简单。早期的E2PROM芯片是靠片外设置高电压(约20V)进行擦写。而后发展成国内升压电路集成在片内构成新型的E2PROM，使得擦写操作只要在5V电源下进行，给使用带来了很大方便。(2) 采用5V电源擦写的E2PROM，通常不需要设置单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除。但目前擦除的时间尚较长，约需10ms，故要保证有足够的写入时间。有的E2PROM芯片设有写入结束标志，可供中断请求或程序查询。(3) E2PROM器件大

29、多是并行总线传输的，但也有采用串行数据传送的。后者具有体积小、成本低、电路简单、占用系统地址线和数据线少的优点，但数据传输率较低。下面以E2PROM 2817A为例说明E2PROM的结构和使用。2817A的内部结构如图5.11所示。图5.11 2817A的内部结构BUSYBUSYBUSYE2PROM 2817A容量为2K8，采用单一的5V电源，写入时自动擦除原内容，最大读取时间为200ns。2817A的字节写入时间较长，比CPU指令执行时间慢几个数量级。2817A是通过其内含的硬件接口逻辑、写操作所需的电压发生部件以及与写操作相配合的自擦除、自定时等部件解决写入时的同步问题。芯片上有一个准备就

30、绪/忙控制信号端RDY/，在写入期间RDY/CPU可以用查询方式获知写入操作是否完成，或者采用中断方式，一旦字节写入5.3.5 闪速存储器闪速存储器(Flash Memory)是一种新型非挥发性存储器。目前，它已广泛应用在Pentium及其以上级别的主板中，在超小型专用便携式电脑(代替微型硬盘)中也有应用。由Flash Memory取代ROM及特种专用微型硬盘已成为一种发展趋势。Flash Memory技术是日本东芝公司于1980年申请专利，并在1984年的国际半导体学术会议上首先发表的。稍后，美国Intel公司和SEEQ半导体公司等才积极致力于Flash Memory商用芯片的研制与开发。如

31、今，Flash Memory技术的研制和生产依然被美、日两国的几大半导体制造厂商所垄断。Intel公司更是独领风骚。Flash Memory芯片吸收了EPROM结构简单的特点，又吸收了E2PROM电擦除的特点；不但具备RAM(随机存储器)的高速性，而且还兼有ROM(只读存储器)的非挥发性。同时它还具有可以整块芯片电擦除、耗电低、集成度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、可重新改写、重复使用性好(至少可反复使用10万次以上)等优点。Flash Memory的读出时间仅为70160纳秒，比普通外部存储器(如硬盘机、磁带机)快50200倍。平均写入速度低于0.1秒。使用它不仅能有效解决外部存储器

32、和内存之间速度上存在的瓶颈问题，而且能保证有极高的读出速度。为低电平，写入完成为高电平。完毕，便由RDY/端向CPU发出中断请求来通知CPU写入完成。Flash Memory使用先进的CMOS制造工艺，最大工作电流只有20mA，备用状态下的最大电流不过100 s。而典型的EPROM，写入时高电平为75mA，低电平为30mA。如此之低的功耗对于笔记本电脑来说可是重要指标之一。目前耗电量最小的硬盘也要3W左右，用4节5A电池供电时，其连续工作能力一般不超过4小时。而用Flash Memory做“固态”盘(Solid State Disk：也称半导体盘)时，由于其99%的时间是处于“静态”，只有1%

33、的时间需加电工作。因此，同样的供电情况下，它可连续工作200小时。因此Flash Memory具有低功耗优势。Flash Memory的抗干扰能力很强，如广泛使用的Intel ETOX系列产品，它允许电源电压的误差高达10%，再加上其独特的EPI技术，可实现最高程度的死锁保护。即使在地址线和数据线上承受100mA的涌动电流和Vcc1V的波动电压，它也能安然无事。在强冲击和振动环境中的工作性能优于2.5英寸硬盘机50倍。以往所使用的ROM芯片，是在出厂时将BIOS程序一次写入，因而不能修改。如要更换ROM芯片，又有诸多方面的限制，普通用户难以实现，这对BIOS程序的更新、版本升级极为不利。而利用

34、Flash Memory存储主板的BIOS程序，则使BIOS升级非常容易。现在的Pentium、Pentium Pro主板普遍使用Flash Memory。目前成本价格昂贵与写入速度相对不高是制约Flash Memory占领更大市场的重要因素，而市场竞争是要遵循性能/价格比最优的法则。从96年起随着大容量、低成本、单芯片Flash Memory的问世，价格也许不会成为主要障碍，今后的关键也许还是在推广应用上。就现阶段而言，用Flash Memory作固态盘(或存储卡)来普遍取代电脑中硬盘还很不现实，若不是特殊用途(如国防工业、航空航天、军事作战等)不考虑价格的话，用户对其价格实在很难接受。因此

35、，它在大范围实用方面，尚有不小问题需要解决。5.4 CPU与存储器的连接CPU与存储器之间的信息交换是通过数据总线、控制总线和地址总线进行的。当CPU需要信息时，先由地址总线给出存放信息的起始地址的地址信号，然后通过控制总线发出一个“读”信号。这些信号被送到存储器，存储器中所指定的起始地址及其后的一串单元中所存储的信息经过“读出”被送到数据总线。CPU就可以由数据总线得到所需要的数据了。写入操作与此类似，CPU把要写入的数据以及写入位置的开始地址分别送入数据总线和地址总线，并在控制总线发出一个“写”信号，数据即被写入指定内存单元。可见，CPU与存储器连接时，地址总线、数据总线和控制总线都要连接

36、。因此连接时应注意CPU与存储器之间速度的匹配问题。如果存储器速度跟不上的话，就会影响整个系统的性能。还有就是在连接前要确定内存容量的大小和选择存储器芯片的容量大小，然后通过译码器实现地址分配。5.4.1 地址译码器74LS138使用一个存储芯片或芯片组成的存储器，其地址单元很有限，一般不能满足需要，因此存储器是由多个存储芯片或芯片组组成，在这种情况下，必须要进行寻址。用译码器对多余的高位地址线进行译码，其输出分别去连接不同芯片的片选端、选通不同的芯片。其特点是不会产生地址空间的重叠，也避免空间分散的缺点(即各芯片的地址可以相互连接)。如图5.12所示74LS138是常用的地址译码器，其真值表

37、见表5-3。图5.12 三八译码器 74LS138 芯片表5-3 74LS138的真值表2AG2BGG1CBA选 中100000Y0100001Y1100010Y2100011Y32AG2BG续表G1CBA选 中100100Y4100101Y5100110Y6100111Y7不是上述情况未工作2AG2BG2AG2BGCSWE 由于有三个输入量A、B、C，共有8种状态组合，即可译出八个输出信号Y0Y7，这也是三八译码器名字的由来。74LS138有三条控制线G1、，只有当G1等于1，等于0，。5.4.2 存储器容量扩充技术通常单片存储芯片的容量不能满足系统要求，需要多片组合来扩充存储器的容量。存储

38、器扩充又可分为位扩充、字扩充和字位扩充。1. 位扩充当实际存储芯片每个单元的位数和系统需要内存单元字长不等时采用的方法。 用1K1的静态RAM芯片位扩充形成1KB的存储器，所需芯片数为8。这8片芯片的地址线A0A9分别连在一起，各芯片的片选信号以及读/写控制信号各自独立的，每片代表一位。当CPU访问该1KB的存储器时，其发出的地址和控制信号同时传给8个芯片，选中每个芯片某个单元的同一位，8个芯片上的同一位就组成同一个字节的8位，其内容被同时读至数据总线的相应位(或数据总线上的内容被同时写入相应单元)，完成对一个字节的读(写)操作。 等于0时，三八译码器才能工作，否则译码器输出全为高电平，对应于

39、CBA的任何一种组合输入，其8个输出端中只有一个是0，其他7个输出均为1。输出信号Y0Y7是低电平有效的信号也都分别连在一起，只有数据线是图5.13 1K1芯片组成1KB存储器WE2. 字扩充当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，但存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数量，就称为字扩展。例如用1K8的芯片扩充组成4KB的存储器。现有存储芯片的字长满足要求，构成容量为4KB的存储器需要4KB/1KB=4片。线路连接如图5.14所示。这4个1K8芯片组的地址线A0A9，数据线D0D7，及读写信号字节数的扩充使得新的存储器需要有12位地址A0A11；增加的两位高位地址A0、A11通过2-4

40、译码器，产生4个片选信号，分别选择4个1K8的芯片组。图5.14 1K8的芯片扩充组成4KB的存储器都是分别连在一起的。该存储器的12位地址中，低10位地址A9A0实现的是片内寻址(页内寻址)，高2位地址A11A10实现的是片间寻址(页面寻址)。对于某一个指定的12位地址，可以并且只可以在一个页面中选中一个单元和它相对应(存储器单元寻址的唯一性)。图中4片芯片的地址范围分别为：000H3FFH、400H7FFH、800HBFFH、C00HFFFH。3. 字位扩充需要同时进行位扩充和字扩充才能满足系统存储容量需求的方法称为字位扩充。例如要构成容量为128KB的内存，但目前只要Intel 2164

41、芯片。Intel 2164的容量是64K1的，因此首先需要位扩充，用8片2164组成64KB的内存模块，然后再用两组这样的模块进行字扩充。总共需要这样的芯片16片。线路连接示意图如图5.15所示。要寻址128K个内存单元至少需要17位的地址线(217128K)。2164的容量是64K，需要16位地址线(21664K)，剩下的一位用于区分两组存储模块。两组模块的地址范围分别是00000H0FFFFH、10000H1FFFFH。5.4.3 存储器芯片片选端的处理当多个存储芯片组成存储器时，CPU对某一存储单元的寻址要经过两种选择：一是通过片选选择存储芯片，再通过片内寻址从该存储芯片中选择某一存储单

42、元。片内寻址是经芯片内部的地址译码电路实现的，而片选是由地址的高位部分提供，通过存储器外部的有关电路而产生的。主要介绍三种产生片选信号的方法：线选法、部分译码和完全译码。图5.15 用Intel 2164构成容量为128KB的内存1. 线选法地址的高位直接作为各个芯片的片选信号，在寻址时只有一位有效来使片选信号有效的方法称为线选法。如图5.16所示采用6116存储芯片(2K8)用线选法实现的8KB存储器。若要选中芯片0#时，应使A11为低电平，而A14、A13、A12为高电平。芯片0#的片选信号CS了芯片0#。同理要选中其他的芯片就是使相应的高位地址为低电平，其他的为高电平就可以了。图中的0#

43、芯片的寻址范围是7000H77FFH，1#芯片的寻址范围是6800H6FFFH，2#芯片的寻址范围是5800H5FFFH，3#芯片的寻址范围是3800H3FFFH。4个芯片的地址范围是不连续的。有效，这样就选中图5.16 线选法示例0YCS2. 部分译码法用部分高位地址进行译码产生片选信号。如图5.17所示采用6116存储芯片(2K8)用部分译码法实现的8KB存储器。用A12、A11来译码实现对4个芯片的选中。要选中芯片0#时，应使A12、A11为低电平，译码器的有效，相应的芯片0#的片选信号有效，选中芯片0#，地址分配见表5-4。图5.17 部分译码示例A12 A11有效芯片地址范围0 00

44、#0000H07FFH0 11#0800H0FFFH1 02#1000H17FFH1 13#1800H1FFFH表5-4 地址分配和有效地址位对照表3. 完全译码法全部高位地址译码产生片选信号。如图5.18所示采用6116存储芯片(2K8)用完全译码法实现的8KB存储器。芯片6116的片内地址为A0A10，所剩余的高位地址A19A11进行完全译码。图5.18 全译码示例A2GB2G产生片选信号的译码电路可采用很多方式，如图5.19所示给出一种解决方法。高位地址A19A13作为译码器的控制输入信号，要使三八译码器有效，G1=100才可以，A19A13应取1000000，对应的地址范围为80000

45、H81FFFH。图5.19 产生片选信号译码电路方法5.5 存 储 系 统5.5.1 IBM PC/XT的存储系统IBM PC/XT 采用Intel 8086/8088微处理器，其地址为20位，寻址范围为1MB，其物理地址范围为00000HFFFFFH。通常1MB空间分为3个区，即RAM区、保留区和ROM区。存储空间的分配如图5.20所示。从低地址00000H开始的640K区域是RAM区域，这部分主要是BIOS操作系统、DOS操作系统、外围设备的驱动程序、中断向量表、一些常驻的程序、空闲可用的内存空间、以及一般的应用软件等都可在此空间执行，这部分是用户的主要工作区，既可读出也可以写入。这640

46、KB的常规内存基本上分两部分，一部分给各种不同的操作系统程序使用，另一部分给数据、程序使用。图5.20 IBM PC/XT的存储系统保留区的空间是128KB，地址范围为A0000HBFFFFH。这部分用作字符/图形显缓冲器区域。单色显示适配器使用4KB的显示缓存区，彩色字符/图形显示适配器需要16KB空间作为显示缓存区，显示适配器的分辨率越高，则需要的缓冲区容量更大。存储空间的最后256KB是ROM区，其地址范围是C0000HFFFFFH。最上面的40KB是基本ROM，其中8KB用来存放基本输入输出系统BIOS，32KB用来存放BASIC语言的解释程序。扩充的192KB可以存放汉字字库或某些外

47、部设备的驱动程序，也可以存放完整的应用软件。其中有4KB(C8000HC8FFFH)是分配给硬盘驱动程序的。保留区和ROM区合起来又称为上位内存(UMB，Upper Memory Block的缩写)，地址范围为0A0000H0FFFFFH。在DOS可以控制的1MB内存空间中，常规内存占了640KB，其余的384KB的上位内存(UMB)保留给BIOS ROM、显示卡和其他各种扩展卡使用，但是还有一些保留空间未使用，所以在DOS 5.0以上的版本，能突破640KB的限制，允许使用常规内存上面的384KB的上位内存UMB(地址0A0000HOFFFFFH)，但是要超越传统的640KB，必须满足一定的

48、条件并执行相应的操作，具体介绍如下。(1) 386以上的电脑和384KB以上的扩展内存。(2) DOS 5.0以上的版本。(3) CONFIG.SYS设置Device=C:DOSHIMEM.SYS(扩展内存XMS驱动程序)。(4) CONFIG.SYS设置Device=C:DOSEMM386.EXE，NOEMS(扩充内存EMS模拟驱动程序)。(5) CONFIG.SYS设置DOS=HIGH，UMB。5.5.2 80X86扩展存储器高端内存区(HMA，High Memory Area的缩写)。它是1024KB1088KB之间的64KB内存，称为高端内存区，其地址为100000H10FFEFH或以

49、上，CPU在实地址模式下以Segment：OFFSET(段地址：偏移量)方式来寻址，其寻址的最大逻辑内存空间超过8088 CPU的20条线所能寻址的lMB的上限，故286 CPU的地址线有24条，只要把A20地址信号线的“逻辑门”打开，即可使用此64KB范围的内存，这段内存乃在实地址模式下。一般说HMA是64KB，其实是指lMB以上至现在CPU所能寻址的广大空间4GB，它们都称为高端内存区(HMA)，如何去打开A20地址线(A20Gate，逻辑门)以上的内存，只要在DOS 5.0或以上版本中使用扩展内存驱动程序，其操作如下所述。在CONFIG设置驱动程序：(1) 286以上的电脑和lMB以上的

50、内存。(2) DOS 5.0以上的版本。(3) Devicec：DOSHIMEM.SYS(扩展内存XMS驱动程序)。(4) DOS=HIGH。(5) 打开A20地址线，A20Gate(逻辑门)=1，即可寻址lMB内存以上的空间。(6) A20地址线没有打开，A20GateO，不能寻址lMB内存以上的空间。(7) A20 Gate信号由软件驱动键盘BIOS 8042或芯片组产生。扩展内存块(EMB，Extended Memory Block的缩写)是指lMB以上的内存空间，其地址是从100000H开始，连续不断向上扩展的内存，所以把这种内存称为EMB(Extended Memory Block)

51、。扩展内存取决于CPU的寻址能力，286 CPU可寻址到16MB，386 CPU以上至Pentium II CPU可寻址到4GB。但是，有些主板上芯片组的实际地址译码电路并没有设计为可寻址那么大的地址空间，如286 AT的主板上最大寻址空间只到4MB，Pentium系列主板目前的最大扩展内存也只到1GB，距实际CPU的寻址空间还有一段距离。对于这些扩展内存，由于超过了DOS的寻址范围，并不能直接被实地址模式的BIOS或DOS (1) Device=C:DOSHIMEM.SYS。(2) 扩展内存是lMB以上连续的内存。(3) 进入扩展内存程序，必须在保护模式下。(4) 进入扩展内存，必须先打开CPU的A20逻辑门，使内存寻址连续。(5) 在主板由键盘BIOS 8042的A20逻辑门信号输出或芯片组来打开。(6) A20逻辑门信号是实地址模式和保护地址模式的切换开关。(7) 执行驱动扩展内存，在实地址模式有64KB高端内存的扩展。(8) 扩展至顶端的最大内存，对DOS而言，只能存放数据。扩充内存(EMS，Expanded Memory Specification的缩写)是由Lotus/Intel/Microsoft三家公司制订。扩充内存是利用1MB内存中64KB的内存区，此内存区为连续的4页，每页为16KB