微机原理第三章

第三章半导体存储器一、存储器的基本概念二、存储器的分类三、存储器的主要性能指标四、随机存取存储器RAM五、只读存储器ROM六、存储器的接口特性一、存储器的基本概念

存储器是 一种能保存信息的设备一种具有记忆功能的部件是计算机的重要组成部分是CUP最重要的系统资源之一

DSESSSCSIPPSW标志寄存器执行部件控制电路指令译码器4321数据暂存器AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组指令队列地址总线AB数据总线DB总线接口控制电路控制总线CB运算器地址加法器地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、数据1数据29AH、、、CPU与存储器的关系存储器CPU三级层次的存储器结构1．按用途分类

按存储器用途可以分为主存储器和辅助存储器。⑴主存储器（MainMemory）主存又称内存用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据。CPU可以直接对它进行访问，一般是由半导体存储器构成，通常装在主板上， 存取速度快，但容量有限，

其大小受地址总线位数的限制。用来存放系统软件及当前运行的应用软件。二、存储器分类

1．按用途分类2．按存储器存取方式不同⑵辅助存储器（ExternalMemory）辅助存储器又称外存，是主存的后援，

一般不安装在主机板上，属计算机的外部设备。辅存是为弥补内存容量的不足而配置的，

用来存放不经常使用的程序和数据，

需要时成批调入主存供CPU使用，CPU不能直接访问它。最广泛使用的外存是磁盘、光盘等。 辅存容量大，成本低，所存储信息既可以修改也可以长期保存，但存取速度慢。外存需要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问，如硬盘、软盘驱动器等。2.按存储器使用属性分类

内存储器种类繁多，按使用属性分为:①

随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）②只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）

1、存储器容量

通常计算机编址单元是字节/字

存储器的容量是指一个存储器中单元总数，与每单元的位数的乘积 如64K字=64K×16位，

512KB（B表示字节）=512K×8位。 外存为了表示更大的容量，采用MB、GB、TB等。 其中:

1KB=210B，1MB=220B，1GB=230B，1TB=240B三、存储器的主要性能指标

存储器性能指标主要有五项：

容量、速度、功耗、可靠性、集成度。

2、存取速度

存储器的存取速度:

是指访问（读/写）一次存储器所需要的时间。常用存储器的存取时间(MemoryAccessTime)

和存储周期表示，MOS工艺的存储器存取周期数为数十--数百nS， 双极型RAM存取周期最快可达10nS以下， 一般存储周期略大于存取时间， 其差别取决于主存的物理实现细节。

3.功耗维持功耗操作功耗

4.可靠性指存储器对电磁场及温度等变化的抗干挠能力

5.集成度指单位立方毫米芯片上集成的存储电路数四随机存取存储器RAM

（RandomAccessMemory）

SRAM静态RAM(staticRAM)

DRAM动态RAM（DynamicRAM）

IRAM组合RAM

NVRAM非易失性随机读写存储器随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）也称读写存储器对该存储器内部的任何一个存储单元，

既可以读出（取），也可以写入（存）。

存取用的时间与存储单元所在的物理地址无关，主要用作主存，也可作为高速缓存使用。

通常说的内存容量均指RAM容量，一般RAM芯片掉电时信息将丢失。按制造工艺分成MOS型和双极型RAM芯片。按集成电路内部结构不同，RAM又可以分为静态RAM和动态RAM。

五

只读存储器ROM：

ROM中存储器的信息是在使用之前或制作时写入的，作为一种固定存储；运行时只能随机读出，不能写入；电源关断，信息不会丢失，属于非易失性存储器件；常用来存放不需要改变的信息。如操作系统的程序（BIOS）或用户固化的程序。ROM按集成电路内部结构不同可分为五种：

掩膜编程ROM（MaskprogrammedROM）

PROM可编程ROM(ProgramableROM)

EPROM光可擦除PROM（ErasableProgramableROM）

E2PROM电可擦除PROM（ElectricallyErasablePROM）

FlashMemory快速电擦写存储器

FlashMemory快速电擦写存储器：FlashMemory是80年代末～90年代初推出的新型存储器。结构与EPROM相同。其特点是：可以整体电擦除（时间1S）和按字节重新高速编程。 是完全非易失性的，可以完全代替E2RPOM。能进行高速编程。如:28F256芯片，每个字节编程需100μs，整个芯片0.5s；最少可以擦写一万次，通常可达到10万次；CMOS低功耗，最大工作电流30mA。与E2PROM进行比较具有容量大、价格低、可靠性高等明显优势。高速缓冲存储器介于内存与CPU之间的一种快速小容量存储器使用少量高速SRAM作为高速缓冲存储器，使用大量高速DRAM作为内存。高速缓冲存储器和内存在硬件逻辑控制下，作为一个存储器整体面向CPU。高速缓冲存储器的存储速度为内存的几倍到几十倍，容量为几K到几十KBCPU高速缓存

内存

控制逻辑159810页面地址DATA1DATA20123255MAR0页

1页。。。127页MDRCDR

相等？选择位失败命中地址总线CPU数据总线单字宽多字宽CPU171616数据地址对AD有效位高速缓冲存储器的结构地址字段数据字段CARMM有128页每页512个地址单元共64K高速缓冲存储器的工作过程高速缓冲存储器与内存不统一编址设高速缓冲存储器的容量为256字，每字40位，称为数据地址对AD，数据字段两个字DATA1和DATA2，每字16位，地址字段8位，最高位为有效位。设内存有128页，每页512个地址单元，共64K。高速缓存的地址寄存器CAR的位1到位8用来选择高速缓冲存储器的256个双字，位0=0选DATA2，位0=1选DATA2。位9到位15与内存的页面地址对应，共127页读操作时，CPU发16位地址到CAR，确定高速缓存中的一个字，同时将地址字段的页面地址与CAR的高位进行比较，若相等称为命中，CDR开关打开，数据送CPU数据总线，若不相等称为失败，高速缓存内无CPU需要的数据，此时CPU将地址送内存的地址寄存器MAR，通过MDR送CPU的数据总线，同时将内存的该页面的数据调入高速缓存中（清除缓存中的旧内容）。写操作与读操作基本相同，若比较失败，则直接写内存同时更新办向缓存，若命中有两种方式，1。向高速缓存写的同时，也写内存称为通写，2。只写缓存，不写内存，到需要更新内存页内容时，再送内存。高速缓冲存储器的映象方式

高速缓冲存储器的与内存间的地址对应关系称为缓存的地址映象，有两种地址映象方式：直接映象方式和N路相联映象方式。1）直接映象方式——内存地址空间分成大小相等的若干页，每页的容量与缓存相等，内存的页内地址与缓存地址对应，内存地址映象到唯一的缓存单元的方式，即直接映象方式。2）

N路相联映象方式——把缓存分成若干体，内存的页与缓存的体大小相等。把相同页内地址的内存单元可映象到多个缓存体中的相应单元，构成N路相联映象方式。存储器的结构存储器地址线位数n，存储单元数为N，他们之间的关系为N=2n。地址译码驱动读写放大电路...存储体时序控制线路N位地址总线控制信号线N位数据总线六、存储器芯片接口特性

了解各种常用存储器芯片接口特性是用户设计微机存储器系统的基础，存储器芯片的接口特性:

实质上就是了解它与CPU总线相关的信号线的功能及工作时序,以便实现存储器芯片上信号线与CPU三大总线的连接，构成微机的存储器系统。因此本节分二个层次介绍存储器芯片：介绍存储器与CPU总线相关信号线存储器芯片与MPU的连接方式。①ROM控制线ROM芯片提供两个控制输入信号：

芯片允许，输出允许。

＝1使该芯片处于低功耗备用模式； ＝0该芯片被选中，使O7~

O0处于允许状态；

=1输出被禁止,O7~

O0处于高阻；

=0允许O7~

O0正常输出。由此可见，使ROM能有效地操作必须使==0。②SRAM控制线静态RAM(SRAM)提供三个控制输入信号:

芯片允许输出允许写允许无论对SRAM进行读或写数据时，必须使=0。向SRAM写数据时，=0、=0、=1，将I/O7

~I/O0

配置为输入，实现存储器写操作。从SRAM读出数据时，=1、=0、=0，

I／O7

~I／O0

为非高阻态，实现对存储器读操作。注意:＝＝0不能存在。

＝＝1数据线处于高阻抗状态， 既不能读也不能写。③.DRAM存储器动态RAM(DRAM)以电荷形式存储信息的器件。以INTEL2164为例2164为64K×116根地址分为两组

/RAS（行地址有效）时，

A0—A7有效

/CAS（列地址有效）时，

A8—A15有效DIN为数据输入，DOUT为数据输出2164内部有4个128×128的存贮矩阵DRAM必须再2ms内对所有内存刷新/RAS作为刷新的选通信号刷新时按行进行，且数据线不起作用2164A0—A7DINDOUT/WE/RAS/CAS存储器芯片与CPU的连接方式存储器芯片与CPU的连接方式。是指与CPU总线相关的信号线的连接。控制总线由芯片类型决定，只能随芯片一块讨论。

(1)根据CPU外部数据总线的位数确定主存结构

(2)根据CPU外部地址总线的位数与存储器的容量 确定主存储器芯片连接原则

(3)8位数据总线CPU与存储器接口(1)根据CPU外部数据总线的位数

确定主存结构

读写存储器RAM

只读存储器ROM

以EPROM2716(2K

8)为例加以说明。

以静态RAM(SRAM)2114芯片（1K

4位/片）和6116芯片（2K

8位/片）为例加以说明。

读写存储器RAM（2114芯片）①2114的引脚和逻辑符号如下图示：

A0~A9I/O1~I/O42114写允许WE片选CS②2114与8088CPU的连接

要求利用2114组成容量为2K

8的存储器

2114数据线位数为4位,8088CPU数据总线是8位的，

2K容量的存储器用4片2114实现。地址线要10位,即A0～A9。

2114存储单元数为1K(210=1024)单元片选

由A10~A15地址译码输出及某些控制信号(例IO/M)形成。写允许信号,注意芯片无信号,非写即读。

=0， =0为写,则=1为读。2114与三大总线如何接?A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片选译码•

••••地址总线数据总线控制总线

读写存储器RAM（

6116芯片）A10~A0I/O0~I/O76116写使能WE输出使能OE片选CS6116存储芯片为2K

8位,8088CPU数据总线是8位的,2K容量的存储器用一片6116实现。①6116的引脚图如下A19A18A16A17A15A13A14A12WRIO/MRDCPU&111A11=074LS3074LS24574LS326116WEOECSMEMRMEMWD7~D0ADIRD7~D0BGA10~A0D7~D0•••存储地址为：A0000～A07FFH采用门电路译码②6116与8088CPU的连接1010000074LS245存储器写DIR=1,A→B存储器读DIR=0,B→A

只读存储器ROM（2716）

2716存储芯片为2K

8位的,8088CPU数据总线是8位的，2K容量的存储器用一片2716实现。①其引脚图如下:2716A10~A0D7~D0OECE/PGMVCC=5V

VPP{使用5V编程+25V存储器地址： FC000~FC7FFHFC800~FCFFFH …FF800~FFFFFH111111y0y7编程脉冲PGM{

使用{读出PGM=0待机PGM=1编程45

~55MS其中:片选CE,读出时CE=0,编程时CE/PGM=1(2)根据CPU外部地址总线的位数与存储器的容量确定主存储器芯片连接原则确定好电路结构后，存储器芯片选择应尽量选用容量相同的芯片。连接原则：芯片的地址线与CPU的低地址总线相连，以确定存储器片内地址，剩下的高位地址通过译码产生片选控制信号。

①根据系统对存储器分配情况可以选择不同的译码方式：

线选 全译码②常用的译码器有以下三种

与非门译码器

3－8译码器（74LS138）

PLD可编程译码器①译码方式

线选（地址有重叠区） PC总线A12~A08K8CSCSCSA13A14A15译码方式(续）

全译码（地址无重叠区） PC总线A12~A0CSCS译码。。。A13A14A15②常用的译码器

与非门译码A19A18A16A17A15A13A14A12WRIO/MRDCPU&111A11=074LS3074LS24574LS326116WEOECSMEMRMEMWD7~D0ADIRD7~D0BGA10~A0D7~D0•••存储地址为：A0000～A07FFH

3－8译码器（74LS138）使能输入选择输入G1G2AG2BCBAY0~Y7输出100000Y0=0其余为1100001Y1=0其余为1100010Y2=0其余为1100011Y3=0其余为1100100Y4=0其余为1100101Y5=0其余为1100110Y6=0其余为1100111Y7=0其余为13－8译码器应用举例存储器地址为：2000H~23FFH，2400H~27FFHA0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片选译码•

••••片选译码74LS1380800~0FFFH3800~3FFFH0000~07FFH用74LS138全译码实现真值表000000000011111111110000000000111111111100000000001111111111A12A11A1300 000 00100111输出A10A9~A0地址范围只Y0=0只Y1=0只Y7=001010100A15A14A12A11A13A14IO/MA1574LS138G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000~07FFH0800~0FFFH1000~17FFH1800~1FFFH2000~27FFH2800~0FFFH3000~37FFH3800~3FFFH

用74LS138全译码实现

（每个输出均为2K,如何译出两个1K呢?可用A10区分）11后1K前1K32320000~03FFH000000000000000000000011111111110400~07FFH00000100000000000000011111