微型计算机原理存储器(15-16)

1第4章存储系统2本章主要内容

4.1、概述(微型机的存储系统、分类及其特点)4.2、典型芯片举例(半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接)4.3、主存储器设计(存储器扩展技术)34.1概述

存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息——程序和数据。内容：微型机的存储系统半导体存储器的分类及其特点存储器地址译码41、微型机的存储系统

5两大类——内存、外存内存——存放当前运行的程序和数据。特点：快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。通常由半导体存储器构成RAM、ROM外存——存放非当前使用的程序和数据。特点：慢，容量大，顺序存取/块存取。需调入内存后CPU才能访问。通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘6Cache存储系统解决速度问题虚拟存储系统解决容量问题高速缓冲存储器*主存储器主存储器磁盘存储器*(3)、微型机的存储系统

7(1)只读存储器ROM(2)随机存取存储器RAM2、半导体存储器的分类8(1)只读存储器ROM

只读存储器(ReadOnlyMemory—ROM)——用户在使用时只能读出其中信息，不能修改或写入新的信息，断电后，其信息不会消失。①存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时一次性写入，称为掩膜ROM（MaskedROM）；

②

PROM(ProgrammableROM—可编程ROM)——PROM中的程序和数据是由用户自行写入的，但一经写入，就无法更改，是一次性的ROM；9③

EPROM(ErasebleProgrammableROM—可擦除可编程ROM)——可由用户自行写入程序和数据，写入后的内容可用紫外线灯照射擦除，然后可以重新写入新的内容，可以多次擦除，多次使用。④

E2PROM(ElectricallyErasebleProgrammableROM—电可擦除可编程ROM)——可用电信号进行清除和改写的存储器，使用方便。10随机存取存储器(RandomAccessMemory)——RAM的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样的。断电后，RAM中的信息即消失。分为两类：①SRAM(StaticRAM—静态RAM)——SRAM是利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”。只要电源不撤除，信息不会消失，不需要刷新电路。(2)随机存取存储器RAM11②DRAM(DynamicRAM—动态RAM)——DRAM是利用电容端电压的高低来表示“1”和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一般微机系统中的内存采用DRAM，配有刷新电路，每隔1—2ms刷新一次。12(1)存储容量(2)存储速度(3)可靠性3、存储器的性能指标13(1)存储容量

存储容量是指一块存储芯片上所能存储的二进制位数。假设存储芯片的存储单元数是M，一个存储单元所存储的信息的位数是N，则其存储容量为M×N。D7…D1D014例1、已知单片6116芯片的地址线是11位，每个存储单元是8位，求其存储容量?解:因为可编址范围211

，即M＝211，每个存储单元可存8位，即N＝8，所以，6116的存储容量=211×8 =2×1024×8 =2K×8

＝2KB15例2、若要组成64K字节的存储器，以下芯片各需几片? ①6116(2K×8) ②4416(16K×4)解:①(64K×8)÷(2K×8)=32(片)②(64K×8)÷(16K×4)=8(片)16区别：微机的最大内存容量和微机装机容量。①微机的最大内存容量

——由CPU的地址总线决定。如：PC486，地址总线是32位，则，内存容许最大容量是232=4G；②实际的装机容量

——由实际使用的若干片存储芯片组成的总存储容量。17存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主要因素，用两个参数来衡量：①存取时间TA

（AccessTime）——定义为启动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经历的时间。②存储周期TMC（MemoryCycle）——定义启动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间间隔。(2)存储速度18存储器的可靠性用MTBF来衡量。

MTBF即MeanTimeBetweenFailures——平均故障间隔时间，MBTF越长，表示可靠性越高。(3)可靠性194、存储器的基本结构1、存储体—由多个基本存储单元组成，容量即为M×N；2、地址寄存器（地址锁存器）—锁存CPU送来的地址信号；3、地址译码器—对地址信号进行译码，选择存储体中要访问的存储单元；4、读/写驱动电路—包括读出放大和写入电路；5、数据缓冲器—芯片数据信号经双向三态门挂在数据总线上，未选中该片，呈高阻状态；6、读/写控制电路—接受来自CPU的片选信号、读/写信号。（对ROM—只读；对DRAM－刷新信号）OE20“读”操作工作过程（1）送地址—CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；（2）发出“读”命令—CPU通过控制总线将“存储器读”信号送入读/写控制电路；（3）从存储器读出数据—读/写控制电路根据“读”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，从该单元读出数据，送到数据缓存器。再经过数据总线送到CPU。21“写”操作工作过程（1）送地址—CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；（2）发出“写”命令—CPU通过控制总线将“写”信号送入读/写控制电路；（3）写入数据到存储器—读/写控制电路根据“写”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，将数据总线上的数据，送到数据缓存器，再写入到选中的存储单元。224.2、典型存储器芯片及地址译码

D0~D7A0A12•••WEOECS1•••A0A12MEMWMEMR译码电路高位地址信号D0~D7••••••1.译码电路23译码：将输入的一组二进制编码变换为一个特定的控制信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的控制信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定该存储器芯片在内存中的地址范围。24存储器译码有三种方法：全译码法部分译码法线选法25全地址译码用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址。存储器芯片译码器低位地址高位地址全部地址片选信号26全地址译码举例例若将6264芯片的地址范围按排为：F0000H~F1FFFH，设计地址译码电路。

111100000……00~111100011……11A19A18A17A16A15A14A13&≥1CS1A12～A0D7～D0高位地址线全部参加译码6264A12-A0D7-D0OEWE27部分地址译码用部分高位地址信号（而不是全部）通过译码电路形成片选信号。被选中得存储器芯片将占有几组不同的地址范围。芯片每个存储单元地址不唯一。

28部分地址译码举例同一物理存储器占用两组地址：

F0000H~F1FFFHB0000H~B1FFFHA18不参与译码A19A17A16A15A14A13&≥1到6264CS129再例.IBMPC/XT与SRAM6116的连接,见书P214,图4.31。与非门30选择使用74LS138译码器构成译码电路

Y0G1Y1G2AY2G2BY3Y4AY5BY6CY7片选信号输出译码允许信号地址信号（接到不同的存储体上）74LS138逻辑图：3174LS138的真值表：（注意：输出低电平有效）可以看出，当译码允许信号有效时，Yi是输入A、B、C的函数，即Y=f(A,B,C)11111111XXX其他值0111111111110010111111110100110111111011001110111110010011110111011100111110110101001111110100110011111110000100Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0CBAG1G2AG2B32应用举例:D0~D7A0A12•••WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMRD0~D7G1G2AG2BCBA&&A19A14A13A17A16A15+5VY0下图中A18不参与译码，故6264的地址范围为：38000H~39FFFH78000H~79FFFH6264332.典型芯片(1)、静态数据存储器（SRAM）有两种操作：读操作和写操作。常用的SRAM有：

6116（2Kx8)211X8bit6232(4KX8)212X8bit6264(8KX8)213X8bit62128(16KX8)214X8bit62256(32KX8)215X8bit适用于较小系统。

这类存储器，数据线为8条，容量不同地址线不同。容量与地址线的关系为2n

x8bit，n为地址线根数。每个地址单元存储8为二进制信息。只要不掉电，信息会稳定保持，不需要刷新。34SRAM芯片HM6116(简称6116）

11条地址线，8位数据线，3条控制线，两条电源线，单片存储容量2K×8。35(2)、动态随机存储器DRAM特点：⑴DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息的，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新），所以动态RAM需要设置刷新电路，相应外围电路就较为复杂。⑵刷新定时间隔一般为几微秒～几毫秒。⑶DRAM的特点是集成度高（存储容量大，可达1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。⑷DRAM在微机中应用非常广泛，如微机中的内存条（主存）、显卡上的显示存储器几乎都是用DRAM制造的。36典型DRAM芯片2164A

2164A(64KX1)216X1bit8条地址线，2位数据线(输出和输入），3条控制线，两条电源线，单片存储容量64K×1。地址线采用分时复用，由CAS（列选通）和RAS（行选通），从而实现16位地址线，M＝216＝64K。

地址线的数量仅为同等容量SRAM芯片的一半。10001000列地址37主要引线RAS：行地址选通信号，用于锁存行地址；CAS：列地址选通信号。地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在RAS和CAS有效期间被锁存在地址锁存器中。

DIN：数据输入DOUT：数据输出WE=0数据写入WE=1数据读出WE：写允许信号38(3)典型EPROMEPROM2764(8KX8)213X8bit

其引脚与SRAM6264完全兼容。地址信号：A0~A12

数据信号：D0~D7

输出信号：OE

片选信号：CS

编程脉冲输入：PGM39(4)典型E2PROM芯片2864A8K×8bit芯片13根地址线（A0~A12）8位数据线（D0~D7）输出允许信号（OE）写允许信号（WE）选片信号（CE）状态输出端（READY/BUSY）40E2PROM的应用可通过编写程序实现对芯片的读写，但每写入一个字节都需判断READY/BUSY

端的状态，仅当该端为高电平时才可写入下一个字节。41(5)、闪速E2PROM特点：通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式，而非用引脚的信号来控制芯片的工作。应用便携式闪存硬盘(6)、串行E2PROM——I2CEEPROM24C01/24C02/24C0493C46/93C56/93C66424.3、存储器扩展技术位扩展——扩展每个存储单元的位数。字扩展——扩展存储单元的个数。字位扩展——二者的综合。用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。43位扩展例例、用8片2164A芯片构成64KB（64Kx8bit）存储器。2164A:64Kx1，需8片构成64Kx8（64KB）LS138A16~A192164A2164A2164ADBABD0D1D7A0~A7/A8~A15…译码输出读写信号A0~A19D0~D7A0~A7/A8~A1544归纳位扩展方法：将每片的地址线并联、控制线并联、片选线并联，数据线分别引出。位扩展特点：地址空间不扩展，位数扩展。各片存储器的地址空间相同。再例.见书P217图4.33，IBMPC/XTRAM子系统，内存条是由36片2164分4组构成256KB45字扩展地址空间的扩展。适用于芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足情况。扩展原则：每个芯片的地址线并联、数据线并联、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。46例.选用6116芯片和2732芯片构成8KBRAM和8KBROM存储系统。需4片6116和2片2732，进行字扩展。4748再例.见书P216图4.32,IBMPC/XTROM子系统。49字位扩展根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展以满足容量要求。若已有存储芯片的容量为L×K，要构成容量为M×N的存储器，需要的芯片数为：（M/L）×（N/K）504.48088系统中存储器的连接方法存储器与8088系统总线的连接的要点：存储器的地址范围？根据要求的地址范围可确定用哪几根地址线进行片选，哪几根地址线做片内寻址以及如何进行片选译码。系统总线上与存储器有关的信号线有哪些？熟悉与存储器有关的总线信号和存储芯片引脚的功能。译码电路的构成（译码器的连接方法）系统地址空间一般比存储芯片的容量大（即总线中的地址线数多于存储芯片的地址线数），物理内存实际只占用系统地址空间的一小块区域。把物理内存分配到系统地址空间的哪一块区域，取决于如何进行地址译码。518088系统中存储器连接涉及到的总线信号包括：地址线A19-A0数据线D7-D0存储器读信号MEMR（RD、M/IO）存储器写信号MEMW（WR、M/IO）需要考虑的存储芯片引脚地址线An-1-A0：接系统地址总线的An-1-A0数据线D7-D0：接系统数据总线的D7-D0