微机存储器系统

微机中存储器的层次结构半导体存储器分类半导体存储器的主要性能指标典型存储器芯片和译码芯片存储器芯片与CPU连接存储器空间的使用教学目的和要求掌握微型计算机中存储器的基本概念、存储器的系统组成掌握半导体存储器的分类和主要性能指标掌握典型半导体存储器芯片的特点和工作方式掌握8086/8088与存储器的连接原理与方法、存储空间的使用和分配了解高速缓冲存储器技术4.1存储器概述4.1.1存储器的基本概念存储器由大量的记忆单元组成，记忆单元是一种具有两个稳定状态的物理器件，可用来表示二进制的0和1，这种物理器件一般由半导体器件或磁性材料等构成。存储器基本概念由若干个最基本的存储单元组成，每个单元存储一个字。字长有4位、8位、16位以及32位等。在微机中，存储器按8位二进制数（1个字节）编址，习惯上把一个地址所寻址的8位二进制数称为一个存储单元。存储器容量一般都很大，内存和外存，均以字节为单元，常用的有210字节=1KB，220字节=1024KB=1MB，230字节=1024MB=1GB，240字节=1024GB=1TB存储器的存储空间与微机的地址线位数有关。4.1.2微机中存储器的层次结构微机中存储器的层次内存（主存）内存用于存放当前计算机正在执行或经常要使用的程序或数据，CPU可直接从内存中读取指令并执行，还可直接从内存中存取数据。通常直接与系统总线相连。内存也称半导体存储器，一般由快速的半导体存储器件构成，它与CPU交换数据的速度很快。在共享存储器的多处理机系统中，内存中数据可以共享，并可实现多处理机间的通信。微机中存储器的层次外存一般是由磁性材料以及运用激光技术等实现的存储器，分为硬磁盘、软磁盘、光盘等。通常是通过总线接口电路与系统总线相连。外存容量很大，掉电信息不丢失，但存取速度慢，通常使用DMA技术和IOP技术来实现内存与外存之间的数据直接传送。微机中存储器的层次高速缓冲存储器Cache

简称缓存，是位于CPU与主存间的一种容量较小但速度很高的存储器。缓存主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾。在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（缓存+内存）就变成了既有缓存的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。4.2半导体存储器4.2.1半导体存储器分类

按器件分类双极型TTL速度较快、集成度低、功耗大、成本高金属氧化物型MOS现大量使用CMOS存储器，存储速度可达几ns特点：集成度高(单片可达1Gb)、功耗小、成本低电荷耦合器速度快、但成本较高半导体存储器分类

按存取方式分类随机存取存储器RAMSRAM（StaticRAM，静态RAM）：速度快。DRAM（DynamicRAM，动态RAM)：速度较慢，需定时刷新。只读存储器ROM工作时只能读（用特殊方法写入）掉电信息不丢失可作为主存储器存放系统软件和数据等只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM4.2.2半导体存储器的主要性能指标存储容量：微机存储器的容量指存储器所能容纳的最大字节数。存取周期：指存储器从接收到地址，到实现一次完整的读出和写入数据的时间，也称为存取时间，是存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。易失性：指存储器的供电电源断开后，存储器中的内容是否丢失。功耗：半导体存储器在额定工作电压下，外部电源保证它正常工作的前提下所提供的最大电功率。可靠性：指抵抗干扰，正确完成读/写数据的性能。4.2.3存储器中的地址译码存储器芯片逻辑图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

地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元片选和读写控制逻辑选中存储芯片，控制读写操作存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，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：芯片的存储容量＝2M×N＝存储单元数×存储单元的位数

M：芯片的地址线根数

N：芯片的数据线根数地址译码电路译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A5A4A301764个单元单译码双译码单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构片选和读写控制逻辑片选端CS或CE有效时，可以对该芯片进行读写操作输出OE或RD控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线写WE或WR控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线存储器芯片的工作方式操作1XX无操作001RAM→CPU操作010CPU→RAM操作000非法011无操作

4.2.4典型存储器芯片静态随机存取存储器SRAM

静态随机存取存储器SRAM的基本存储单元一般由六管静态存储电路构成，集成度较低，功耗较大，无需刷新电路，由于存取速度快，一般用作微机中的高速缓冲存储器。Intel6264引脚图162646264是一个8K×8bitCMOS静态RAM芯片，其引脚包含地址线13条，数据线8条，2个片选端，CS1=0，CS2=1才能选通芯片。一个写允许WE端和一个输出允许OE端。该芯片功耗低，在未选中时仅10μw，工作时也仅15mw，很适合于用电池供电的RAM电路。Intel6264的工作方式方式操作000

非法不允许WE与OE同时为低电平010读出从RAM中读出数据001写入将数据写入RAM中011选中6264内部I/O三态门均处于高阻1×

×未选中6264内部I/O三态门均处于高阻

62256

——32K×8的CMOS静态RAM12345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVCC62256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256逻辑图非法LLL高阻HHL输入HLL输出LHL高阻××HD7~D0OEWECS62256工作表

EPROM芯片Intel2764

可擦除可编程只读存储器EPROM内部结构图Intel2764在EPROM芯片的上方，有一圆形石英窗，从而允许紫外线穿过透明的圆形石英窗而照射到半导体芯片上，将它放在紫外线光源下一般照射10分钟左右，EPROM中的内容就被抹掉，即所有浮置栅MOS管的漏源处于断开状态，然后，才能对它进行编程输入。2764是28脚双列直插式封装，内部采用双译码方式，用于寻址8KB存储单元，并有输出缓冲器。其中A12~A0是地址线，O7~O0是8根数据线。CE是片选，OE是输出允许信号，低电平有效。27256

－32K×8EPROM12345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14VCC27256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256逻辑图闪烁存储器（FlashMemory）闪烁存储器也称快速擦写存储器。实际上闪烁存储器属于EEPROM类型，又称FlashROM，性能优于普通EEPROM。它是Intel公司率先推出的存储器。在Pentium机主板上，用128KB或256KB的FlashROM存放BIOS，取代了EPROM和EEPROM。因此现在称BIOS为FlashBIOS。

特点使内部存储信息在不加电的情况下保持10年左右。可用较快的速度将信息擦除以后重写，反复擦写达几十万次。可以实现分块擦除和重写，也可以按字节擦除与重写。具有非易失性，可靠性能好，速度快及容量大等许多优点。4.2.5典型译码芯片74LS138－3-8译码器

片选信号：G1•G2A•G2B=100C、B、A译码，Y0到Y7低电平有效12345678910111213141516ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC74LS138引脚图Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BCBA74LS138逻辑图74LS138译码器真值表输入 输出 CBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y000001111001100110101010111111110

111111011111101111110111111011111101111110111111011111114.2.6微机中的内存条计算机中的内存多以DRAM为主，把内存芯片集成在一小条印刷电路板上，称为内存条。内存插槽：主板上用于插入和固定内存条的插槽。金手指：内存条上与内存插槽之间的连接部件，所有的信号都是通过金手指进行传送的。金手指内存插槽主板上的内存插槽内存插槽用于插入内存条，主板所支持的内存的种类和容量由内存插槽决定。

168针SDRAMSIMM插槽184针DDRDIMM插槽240针DDR2DIMM插槽4.3微型计算机中存储器的系统组成这是本章的重点内容SRAM、EPROM与CPU的连接译码方法同样适合I/O端口4.3.1存储器芯片与CPU连接存储芯片的数据线存储芯片的地址线存储芯片的片选端存储芯片的读写控制线存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩充数据位——简称“位扩充”位扩充2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体存储芯片地址线的连接芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，称为“片内译码”000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全100…0000…0100…10…11…0111…1011…11范围（16进制）A9～A0存储芯片片选端的译码由于存储器芯片的容量是有限的，微机中存储器的总容量一般远大于单个存储器芯片的容量，因此，存储器往往由多片存储器芯片组成。在CPU与存储器芯片之间必须设有片选择译码电路，一般由CPU的高位地址译码产生片选，而低位地址送给存储器芯片的地址输入端，以提供存储芯片内部的行、列地址。存储芯片片选端的译码存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量，也就是扩充了存储器地址范围进行“地址扩充”，需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的高位地址线相连来实现这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充”地址扩充（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE译码器000000000100000000004.3.28086微机存储器系统8086存储器空间8086系统有20根地址线，16根数据线，寻址空间为1MB8086CPU的存储器组织采用2体结构，把1MB存储器分为2个512KB的存储体，即分为偶地址体与奇地址体（简称偶体和奇体）各512KB，仅当A0=0时，访问偶体中一个字节；仅当BHE=0时，访问奇体中一个字节，当二者均为0时，访问偶地址起始的一个字。偶地址数据由数据线低8位传送奇地址数据由数据线高8位传送奇、偶地址数据存取分别由BHE和A0控制(见下表)

8086存储器空间BHEA0操作所用总线00从偶地址读/写一个字D15～D010从偶地址读/写一个字节D7～D001从奇地址读/写一个字节D15～D8从奇地址读/写一个字01读/写低字节D15～D810读/写高字节D7～D0MEMRMEMWM/IORDWR存储器读命令存储器写命令存储器连接的控制信号8086系统存储器连接举例例：由2片62256（32K×8RAM）组成64K×8RAM的8086微机存储器系统，试给出硬件电路连接图。（1）控制奇偶片的写使能WE地址信号A0～A19和BHE是8086CPU经锁存器8282或74LS373锁存后产生的信号数据总线D0～D15是8086CPU的AD0～AD15经8286或74LS245缓冲后产生的信号MEMR和MEMW在最小模式下由8086CPU的M/IO和RD、WR信号产生，在最大模式下由8288产生。8086系统存储器连接举例IC0为偶地址存储器，其数据由数据总线低8位传送。IC1为奇地址存储器，其数据由数据总线高8位传送。由A0和BHE控制写信号实现奇偶地址写操作。A16～A19由74LS138译码选中存储器三种情况mov[2000h],

al

；从偶地址开始写一个字节mov[2000h],ax；从偶地址开始写一个字mov[2001h],ax；从奇地址开始写一个字IC0（偶）IC1（奇）A19A18A17A160000XX0000XX范围00000～0FFFFH00000～0FFFFH地址分配

A15～A0控制奇偶写的存储器连接电路图（2）控制奇偶片选CS的存储器连接电路图4.3.3存储器空间的使用全译码采用全地址译码方式，计算机的全部地址空间都可以使用。例：用2片62256（32K×8RAM）和2片27256（32K×8EPROM）组成8086微机存储器系统。要求EPROM的起始地址为F0000H，RAM的起始地址为00000H，使用全地址译码方式，试画出计算机的存储器连接图，并写出地址范围。A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1MEMRA0MEMWBHED15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0A19A18A17A16A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9D8DBD7D6D5D4D3D2D1D06225662256IC0IC1ABA14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9