微机原理及应用：第3章 存储器及其接口

1、第三章 存储器及其接口一、教学基本要求使学生掌握半导体存储器的基本知识，了解SRAM、DRAM、ROM、EPROM、EEPROM的存储信息的原理及各自特点。重点掌握存储器的组织以及与系统连接的基本技术。 二、教学重点和难点*半导体存储器的基本知识。*SRAM、DRAM的工作原理。*只读存储器。*存储器的组织以及与系统连接的基本技术。 3.1 存储器的分类。计算机存储器可分两大类:内存或称主存; 外存即外部存储器.。内存CPU可以直接访问,外存则用来存放相对不太常用的程序或数据.。内存存取速度快,但容量相对较小. 。8位机16位地址线,内存最大容量64K（216单元）。8086/8088是16位

2、机,20根地址总线,最大寻址范围1M（220单元）。系统引导程序.监控程序是操作系统中的基本输入输出部分（BIOS）,时刻都在使用,必须常驻内存由ROM区构成.。长期保存又便于修改的程序，必须外存软盘.硬盘.光盘等.均须驱动设备,且存储速度较慢.。计算机工作时,一般先由ROM中的引导程序启动系统,再从外存中读取系统程序和应用程序, 送到内存的RAM中,程序运行结束时结果保存到外存,有非易失性. 3.2 微型计算机内存的通常结构。8位作为一个字节单元,故16位数据总线可一次访问2个单元.地址是必需的,以区分不同单元.。一般用半导体存储器来组成内存.一个单元对应8个基本存储电路,每个基本存储电路对

3、应1个二进制位,但常把每个字节的同一位制造在一个器件中. 存储器的分类。如1K1的芯片, 8片可组成1K8,即1K字节容量的内存。1K4的芯片，2片即成1K8,分别作为字节的高、低4位.。存储器组成内存时,是按矩阵形式来排列. 。地址的最高几位用来选择模块或芯片组,中几位用来选择具体芯片,其余几位作为行列地址选中具体单元.。内存模块插件板只要插在系统扩展槽上,就和系统总线相连了.。在内存容量较小的系统中,也可以不要模块结构,甚至不用分组结构. 3.3 选择存储器的考虑因素从哪几方面来考虑呢？易失性 只读性 位容量 4K1和1K4芯片 ，后者小系统用。 速度 一类：双极型技术半导体器件速度快，但

4、功耗大价格贵二类：互补金属氧化物半导体技术功耗低，速度正在随技术 功耗 CMOS-complementary metal-oxide semiconductor) 功耗低 HMOS（High density metal-oxide semiconductor ）技术在速度和功耗之间有了很好的折衷。 可靠性 价格 存储容量价格与容量有关。固定开销是附加电路价格与容量关系不大3.4静态RAM3.4.1静态RAM的工作原理静态RAM的基本存储电路通常由6个MOS场效应管组成 Q1和Q2是交叉耦合的，Q1截止时Q2导通Q2截止时Q1导通-双稳态。Q5、Q6是控制(状态)管。写操作时，如要写“1”，则I

5、/O为“1”， 使Q1截止时Q2导通如要写“0”，则I/O为“0”，使 Q2截止时Q1导通读操作时,地址译码器送来高电平的选择信号,Q1的状态被送到I/O线上 静态RAM包含管子较多，器件位容量小，交叉耦合，总有1管导通功耗大优点是不需要刷新，外围电路简单。 静态RAM的例子:2114(1K4)6116(2K8)6264HM62128(512K8)。以1K1静态RAM组成4K8存储矩阵为例。每列中的8个芯片组成1个组，CE片选信号端连在一起，。A11和A10作为行选信号，A9A0作为列选信号。 RAM与CPU的连接 3.动态RAM3.1动态RAM的工作原理1. 4管动态RAM。如要写“1”则I

6、/O1，送到A点，Q2导通Q1截止，选择信号撤除后，靠Q1和Q2栅极电容的存储作用，保持一段时间写入的信息。 。在读出时,先对Q5和Q6的漏极电容C5.C6进行预充电,使达电源电压当某个基本存储电路被选中时,Q5 Q6导通存储信息从IO线输出. 。刷新过程:信息稍有削弱,给与充电的过程. 读出过程也是刷新过程.。4管动态RAM每2ms就要刷新一次。 1. 3管动态RAM既然管子越少越好，3管动态RAM就出现了。读选择线和写选择线、读数据线和写数据线都是分开的。写操作时，写选择线为“1”Q1导通,要写入的数据Q1送到 Q2栅极;读操作时,先通过公共的预充电管Q4使读数据线上的分布电容CD充电,此

7、时读得信号为0,正好与原存信息相反.要经读出放大器反相送数据线 单管动态RAM 。读操作时,根据对行地址（高位地址）译码，使某条行选线高电平,本行所有Q管子导通.列地址产生列选信号,基本存储电路才受到驱动,输出.。写操作时,行选线为”1”,如列选线也为1,数据线来的信息通过刷新放大器和Q送到电容C. 以上3种动态RAM中,。4管RAM管子最多,容量小,读过程就是刷新,电路简化.。3管RAM管子略少,读写数据信号线分开,刷新电路复杂.。单管RAM管子最少,读出信号弱,要高灵敏度读出放大器. 新型存储器： 1.基于RAM阵列的FIFO缓存器2.双口SRAM数据缓存器 3.高速缓存CACHE 3.5

8、动态RAM的刷新。不管哪一种动态RAM，都要刷新。刷新间隔与温度有关1100ms ，70时 2ms ,读写是随机的不能作为刷新信号。 3.5.1动态RAM控制器及其使用。一般用专门的刷新电路，将刷新定时器、刷新地址计数器、多路转换器集成一起动态RAM控制器。8203如何与2164一起使用？。2164是64K1的动态RAM芯片。 。按字存取的情况下，2个存储组(分别存放高位和低位字节)一起被选中，2个存储组共用1个体选信号，比如RAS0。还有一种能解决刷新问题并减少动态RAM支持电路的方法，就是在每芯片上设置刷新逻辑电路存储器件自身刷新综合型动态RAM，工作起来和静态RAM一样。系统较大时，采用

9、动态RAM组成模块结构，需要刷新电路 。图中包括两部分：存储矩阵 总线驱动器(与系统总线的接口)和外围电路。对4个存储矩阵的3点说明：一是关于芯片允许信号CE，同一矩阵的CE连在一起，4个CE中只能有一个有效，CE无效者数据线高阻，故4个矩阵的数据端连在一起。 二是关于数据端D7D0，芯片内部数据输入输出线是分开的,外部双向三是关于写信号WE,没有读信号,因为非读即写.负脉冲写,高电平读.。地址线分3部分: A19-A14作为模块选择信号,如与本模块的约定信号相匹配,再根据MRDC或MWTC产生内部模块选择信号； 。 A13A12产生4个矩阵的芯片允许信号；。A11A0作为矩阵内部的行地址和列

10、地址。CE0与地址最低的4K存储矩阵的芯片允许输入端相连。 所有情况下，CE有效信号输出前，内部模块选择信号均须为“1” 3.5.2存储器的工作时序读写时序不同且要求严格，还要与CPU读写时序相配合。存储器对读周期和写周期的时序要求3.6半导体存储器的备份电源MOS RAM一旦断电，信息丢失，有些场合不允许丢失，应有备份电源 3.7 存储器容量的扩展1. 位扩展用1位或4位的存储器扩展成8位存储器位扩展。例如：用8片1M1的芯片扩展成1M8的存储模块，方法：(1)各芯片地址线全部并联，与CPU相应连接。(2)各芯片数据线分高低位分别与CPU对应相连。(3)各芯片读写控制信号线并联后接CPU控制

11、总线读写线。片选信号有三种产生方法：地址线高位；地址线译码输出；CPU的存储器选择信号。 1. 字扩展字扩展也称地址扩展存储容量扩展。按片选信号产生方法不同分三种方法：线选法；局部译码；全译码。(1) 线选法低位地址直接与存储器相连，余下的高位地址线片选。例如：用4片静态RAM6116(2K8)组成8K8位的模块。 （2）局部译码法利用高位地址线中的几根进行译码产生片选信号。例如：用4片6264芯片(8K8)组成32K8模块。 （3）全译码法除芯片内单元寻址所需地址线外，剩余高位地址线全部用于译码，产生片选信号。例如：用4片62512（64K8）存储器构成128K（256KByte）,全译码法

12、产生片选信号。 （3）字位全扩展位数和容量都需要扩展时，高位地址用于译码。数据线也扩展。例如：用2114芯片（1K4）扩展成4K8模块，扩展后地址为F0000H开始。 3.8 只读存储器ROM器件有两个显著优点：。结构简单，所以位密度高。具有非易失性，所以可靠性高 ROM常用来存放系统启动程序和参数表，以及常驻内存的监控程序或操作系统中常驻内存的部分，甚至字库、编译程序、解释程序。ROM可分4种：掩模ROM简称ROM，信息由厂家写入，用户无法修改，适合大量生产可编程只读存储器PROM(Programmable read only memory)出厂后用户用一定方法写入，无法再改变。可擦除可编程

13、EPROM(erasable programmable ROM)可电擦除的可编程只读存储器E2ROM(electrically erasable PROM) 3.8.1掩膜型ROM掩模ROM中的信息是厂家根据用户给定的程序或数据对芯片图形(掩模)进行2次光刻决定的，批量少时，价格昂贵。 3.8.2可编程只读存储器PROM PROM 一旦进行了编程，就不能再修改了，PROM适宜非批量生产 3.8.3可擦除、可编程的ROM(EPROM)在EPROM中,信息的存储是通过电荷分布来决定的,编程过程就是一个电荷注入过程,编程结束后由于绝缘层的包围,注入的电荷无法泄漏. 只有当某个外部能源(如紫外光)加到

14、上面时，内部电荷分布才会被破坏。在EPROM芯片上方有一个石英窗，用于紫外照射。EPROM在初始状态下，所有位数均为“1”，只可改成0，紫外线照射后回到“1” 在读方式下，Vpp和Vcc接5V电压。在编程方式下，Vcc仍加5V电压，Vpp按厂家要求加21-25V，CE引腿为高电平，A12-A0端输入要编程的单元地址，D7-D0端输入数据，再在PGM端加上5V编程脉冲，便可编程。EPROM除读方式、编程方式和检验方式外，还有一种备用方式。 如果某个芯片未被允许，即CE和PGM处于高电平，则处于备用方式。由于PROM和EPROM编程信号要求复杂，每写入一个字节都要加50ms宽的PGM编程脉冲。有E

15、PROM编程器通过接口卡与微机相连。编程器上有EPROM插座，可插多种型号EPROM。 3.8.4可用电擦除的、可编程的ROM(E2PROM)EPROM用紫外光擦除不方便, E2PROM用电擦除，方便。典型的EEPROM芯片2864是8K8的E2PROM，引脚与EPROM2764完全兼容。除13根地址线、8根数据线、读写线外，还有R/B：Ready/Busy 状态指示，擦写时低电平，写入后高电平。2864使用单一5V电源，内有21V升压电路等。有读出方式、写字节擦除、整片擦除和维持方式。 3.8.5 只读存储器的扩展例如：线选法用4片2732（4K8）芯片组成16K8ROM RAM和ROM综合

16、扩展实例：机器复位后从FFFF0H执行，下部6片2764（8K8）的48K的EPROM，上部6片6264（8K8）的48K的RAM，片选信号、奇偶库选信号、读写信号图317。 四、存储器考核点与例题解析12.1 存储器考核点：存储器概念、内存通常的结构、静态RAM、动态RAM电路结构与工作原理、动态RAM的刷新、动态RAM的使用（地址译码与连线方法）、存储器的工作时序、掩膜ROM、可编程ROM、可编程可擦除ROM的含义与用途。12.2 存储器例题解析：1. 微机硬件系统存储器分为哪几级？其中哪一级的工作速度与CPU相近答案要点 ：分三级：高速缓冲存储器，主存储器，外部存储器 高速缓冲存储器的工作速度与CPU相近。 2. 存储