第05章中北大学课件

第5章存储器第5章存储器本章重点：掌握各种存储器的工作原理及其CPU的存储器的扩展。本章难点：

理解存储器的工作原理及其地址空间的确定。定义：存储器是计算机系统的记忆设备，用于存放各种需要保存的信息，是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。作用：存放数据和程序功能:计算机要根据已经编制好的程序，对数据和信息自动快速地进行运算和处理，因此，必须将指令、数据和计算过程的中间结果存放在计算机内部，存储器就是计算中存储程序、原始数据及中间结果的设备。组成：由具有记忆功能的两态物理器件组成,如电容、双稳态电路等。两种基本操作：读操作和写操作5.1概述1、存储器与存储器系统的区别存储器是计算机的重要组成部件，用来存放数据和程序的，如内存、磁盘、硬盘等。存储器系统是将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用软件、硬件或软硬件相结合的方法连接起来，成为一个系统。计算机的重要组成部件，用来存放数据和程序的。5.1.1存储器系统的一般概念2、微机中的存储器系统1）分类：Cache存储系统、虚拟存储系统结构；前者提高存取速度，后者增加存储容量。2）Cache存储系统管理由硬件实现、由高速静态存储器SRAM和主存DRAM组成、存储系统的存取周期与Cache接近、Cache和主存容量比1:128、价格接近主存价格

3）虚拟存储系统由主存储器与磁盘存储器组成、用虚拟地址空间编址、访问的速度接近主存速度、平均价格接近磁盘价格。图5-1Cache存储系统图5-2虚拟存储系统3、存储器系统的主要性能指标1）存储量S2）存取时间T3）单位容量的平均价格C1、内存和存1）主存储器：速度较快，容量较小，价格较高，用于存储当前计算机运行所需要的程序和数据，可与CPU直接交换信息，习惯上称为主存，又称内存(内部存储器)。2）辅存储器：速度较慢，容量较大，价格较低，用于存放计算机当前暂时不用的程序、数据或需要永久保持的信息,辅存又称外存(外部存储器)或海量存储器。

外存要配备专门的设备才能完成对外存的读写。通常，将外存归入到计算机外设一类。5.1.2半导体存储器及其分类内存（RAM+ROM）：半导体存储器(本章内容)软盘：普通1.44M+可移动100MB磁盘硬盘：几十GB

光盘CD-R、CD-R/W可擦写光盘 (660MB左右）外存磁光盘MO：高密度、大容量、快速、“无限次”擦写、寿命长、可靠性高、抗干扰强、性价比高（1.3GB~几个GB，今后目标1TB）存储器

u盘（基于USB接口的电子盘）存储器的分类2、半导体存储器的分类按制造工艺分为：双极型、COMS型、HMOS型按存储器性质分类可分为：1）随机存储器RAM，特点是存储器中的信息可读可写，半导体RAM断电后信息会全部丢失（易失性）。2）只读存储器ROM，特点是存储器中信息只能读出，不能写入，关机后信息不会丢失（非易失性）。包括：掩膜ROM、可编程ROM、可读写ROM——电可擦除ROM、紫外线可擦除ROM。半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）闪速存储器（FlashMemory）微型计算机中半导体存储器的分类

1.存储容量2.存取速度3.功耗4.可靠性5.性能／价格比5.1.3半导体存储器主要性能指标1.存储体2.地址译码器3.控制逻辑电路4.数据缓冲器5.1.4存储器芯片的一般结构1．静态RAM基本存储电路静态RAM基本存储电路用来存储1位二进制信息（0或1），是组成存储器的基础。静态MOS六管基本存储电路如图所示。特点：不需要刷新，外围电路简化；集成度较低、功耗较大等。5.2随机存储器(RAM)5.2.1静态随机存储器(SRAM)2．静态RAM芯片常用的典型SRAM芯片有2114、6116、6264、62256等2114芯片2114芯片是1K×4的静态RAM芯片，其引脚图如图6-4所示。地址输入端10个(A9～A0)；数据输入/输出端4位(I/O1～I/O4)；片选端；写允许控制端。(2)6116芯片

6116芯片的容量为2K×8bit，有2048个存储单元。工作过程如下：读出时：A10～A0送地址信号到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元；由CS＝0，OE＝0，WE＝1构成读出逻辑；被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到D7～D0输出。写入时：A10～A0送地址信号到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元；由CS＝0，OE＝1，WE＝0构成写入逻辑；从D7～D0端输入的数据经三态门到I/O电路，写到存储单元中。无操作：CS＝1，I/O三态门呈高阻状态，存储器芯片与系统总线“脱离”。（1）存储器基本电路——单管动态电路（MOS管栅极与衬底之间分布电容）（2）特点：定时刷新。（3）刷新要求：在几毫秒时间内每隔一段时间刷新一次；进行刷新操作的时间内存储器不能进行读写（死时间）；在每一个指令周期中利用CPU不进行访内操作的时间进行刷新。

5.2.2动态RAM(DRAM)特点：信息在使用时不能被改变（只能读出，不能写入）；用于存放固定的程序和常量优点：非易失性的。

5.3只读存储器（ROM）掩膜式ROM——制成后，用户不能修改。可编程只读存储器（PROM）——可以由用户自己编程（只可写入一次）。可擦写只读存储器（EPROM）——写入：利用编程器。擦除：利用紫外线光照射。电擦写可编程只读存储器(E2PROM)——特点：对硬件电路没有特殊要求，操作简单；在线读写，在断电情况下保存的数据信息不会丢失；可在写入过程中自动进行擦写。常用的典型EPROM芯片有2708（1K×8）、2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)、27128(16K×8)、27256(32K×8)、27512(64K×8)等，方式\引脚CSOEPGMA9A0VppVcc数据端功能读低低高××Vcc5V数据输出输出禁止低高高××Vcc5V高阻备用高××××Vcc5V高阻编程低高低××12.5VVcc数据输入校验低低高××12.5VVcc数据输出编程禁止高××××12.5VVcc高阻标识符低低高高低高VccVcc5V5V制造商编码器件编码(1)2764A芯片EPROM2764A芯片为双列直插式28引脚的标准芯片，有13条地址线，8条数据线，2个电压输入端Vcc和VPP，一个片选端CS，此外还有输出允许OE和编程控制端PGM，容量为8K×8位，其引脚如图所示。七种工作方式如表所示。CPU要实现对存储单元的访问，首先要选择存储芯片，即进行片选；然后再从选中的芯片中依地址码选择出相应的存储单元，以进行数据的存取，这称为字选。片内的字选是由CPU送出的N条低位地址线完成的，地址线直接接到所有存储芯片的地址输入端，而片选信号则是通过高位地址得到的。实现片选的方法可分为三种：线选法、全译码法和部分译码法。5.4存储器地址选择线选法就是用除片内寻址外的高位地址线直接分别接至各个存储芯片的片选端，当某地址线信号为“0”时，就选中与之对应的存储芯片。特点：不需要地址译码器，线路简单，适用于连接存储芯片较少的场合。5.4.1线选法

全译码法将片内寻址外的全部高位地址线作为地址译码器的输入，把经译码器译码后的输出作为各芯片的片选信号，将它们分别接到存储芯片的片选端，以实现对存储芯片的选择。译码法的优点是每片(或组)芯片的地址范围是唯—确定的，而且是连续的，也便于扩展，不会产生地址重叠的存储区，但全译码法对译码电路要求较高。5.4.2全译码法

部分译码法是对高位地址线中的一部分(而不是全部)进行译码，以产生各存储器芯片的片选控制信号。当采用线选法地址线不够用，而又不需要全部存储器空间的寻址能力时，可采用这种方法。

5.4.3部分译码法1．芯片选择2．CPU与存储芯片的时序验算3．地址分配与连接4．数据线的连接5．控制信号的连接6．负载能力的验算5.5CPU与存储器的连接5.5.1CPU与存储体连接时需解决的问题8位CPU有16根地址线A15～A0，8根数据线D7～D0。CPU可接访问的空间为64K，地址范围为0000H～FFFFH，容量扩展存储器的类型可以是ROM和RAM。5.5CPU与存储器的连接5.5.28位CPU与存储器的连接1．ROM与8位CPU的连接设某系统需扩展6KB的ROM，地址范围安排在0000H～17FFH，选用3片EPROM2716构成。2716的容量2K×8位，8根数据线，11根地址线，CPU地址总线A10～A0与芯片的地址线直接接连，高位地址线A15～A11通过译码器74LS138产生，且3片2716的高位地址分别为00000，00001，00010。选择A13A12A11作为3位输入端，并保证A15A14分别低电平，为低电平有效，2716与8位CPU的连接线路示意图如图所示。5.5.28位CPU与存储器的连接3．ROM、RAM与8位CPU连接

某8位微处理器有地址线16根，数据线8根，存储器请求控制信号为，读控制信号，写控制信号，试为该CPU设计一存储器，要求扩展ROM6KB，地址从0000H开始（连续），RAM16KB，地址从4000H开始（连续）(1)芯片选择系统扩展ROM6KB，可选4K×8EPROM(2732）与2K×8EPROM（2716）各1片。扩展RAM可选8K×8SRAM（6264）2片。ROM、RAM与8位CPU的连接示意图如图所示。(2)地址分配与连接低位地址线直接与芯片地址线相连，高位地址A15A14A13产生片选信号。地址分配如表所示。

(3)数据线的连接

芯片8位数据线与数据总线直接接连。(4)控制信号连接

控制信号连接如图所示。A15A!4A!3A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址范围2732000000000000000000001111111111110000H0FFFH2716000100000000000000010111111111111000H17FFH6264010000000000000001011111111111114000H5FFFH6264011000000000000001111111111111116000H7FFFHROM、RAM与8位CPU连接地址分配表8086CPU有20位地址线，无论在最小方式下，还是在最大方式下，都可寻址1MB的存储空间，存储器通常按字节组织排列成一个个单元，每个单元用一个地址码表示，这称为存储器的标准结构。若存放的数据为8位，则将它们按顺序进行存放；若存放的数据为16位的字，则将字的高位字节存于高地址单元，低位字节存于低地址单元；若存放的数据为32位的双字(这通常是指地址指针数据)，则将地址指针的偏移量(字)存于低地址单元中，将地址指针的段基址(字)存于高地址单元中。5.68086CPU的存储器扩展8086CPU在组织1MB的存储器时，其空间实际上被分成两个512KB的存储体(或称为存储库)，分别称为偶地址体和奇地址体。奇地址体与8086数据总线中的D15～D8相连，其中每个单元的地址均为奇数。偶地址体与数据总线中的D7～D0相连，其中每个单元的地址均为偶数。地址线A0和控制线用于存储体的选择，分别接到每个存储体的选择端，其余地址线A19～A1同时接到两个存储体的存储芯片上，以寻址每个存储单元。存储器奇/偶存储体与总线的连接如图所示。5.68086CPU的存储器扩展8086CPU对存储器的读方式结论CPU总是16位的读；从偶地址读；二、 CPU提供的信号线 数据线D15～D0 地址线A19～A0 存储器或I/O端口访问信号M/IO# /RD读信号/WR写信号 /BHE总线高字节有效信号特点1、控制线可以组合不同功能2、CPU根据指令发出信号三、存储器接口举例

例:设计一RAM扩展电路，容量为32K字，地址从10000H开始。芯片采用62256。解：a、计算所需要的芯片个数32K×16=64K×864K×8/(32K×8)=2(片)b、确定CS电路c、偶片、奇片CS的产生此方案不满足八位的写操作！c、偶片、奇片CS的产生此方案不满足16位的写操作！增加控制线/BHE(总线高字节有效信号)c、偶片、奇片CS的产生d、电路e、总结

8086CPU EPROM DB7…0 D7…0(偶片) DB15…8 D7…0(奇片) /RD /OE /WR /WR An…1 An-1..0

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