第05章 微型計算機存儲器接口技術(shù)

第五章微型計算機存儲器接口技術(shù)5.1存儲器概述存儲器是微型計算機系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的基本單元或設(shè)備。一、存儲器的分類按存儲介質(zhì)分：半導(dǎo)體存儲器、磁介質(zhì)存儲器和光存儲器。按存儲器與cpu的耦合程度分：內(nèi)存和外存1.半導(dǎo)體存儲器的分類

a.雙極型存儲器; b.MOS型存儲器2.按存取方式分類（1）隨機存取存儲器RAM

a.靜態(tài)RAMb.動態(tài)RAM(一)半導(dǎo)體存儲器的分類及特點（2）只讀存儲器ROMa.掩模式ROM；b.熔煉式可編程的PROM，c.可用紫外線擦除、可編程的EPROM;d.可用電擦除、可編程的E2PROM等。e.閃速存儲器（FlashMemory）：簡稱閃存閃存：FlashMemory特點：非易失性存儲器，可在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程閃速存儲器的技術(shù)分類：全球閃速存儲器的主要供應(yīng)商有AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技術(shù)架構(gòu)的不同，分為幾大陣營。

NOR技術(shù)

NANDAND技術(shù)

由EEPROM派生的閃速存儲器3.按在微機系統(tǒng)中位置分類

1.存儲容量存儲容量是指存儲器所能存儲二進制數(shù)碼的數(shù)量，存儲容量=存儲字?jǐn)?shù)(存儲單元數(shù))×存儲字長(每單元的比特數(shù))例如，某存儲芯片的容量為1024×4，即該芯片有1024個存儲單元，每個單元4位代碼。2.存取速度存取時間是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間，也稱為訪問時間。 存取速度也可用存取周期或數(shù)據(jù)傳輸速率來描述.二、存儲器的主要性能指標(biāo)衡量半導(dǎo)體存儲器性能的主要指標(biāo)有存儲容量、存取速度、功耗和可靠性。3.功耗和體積功耗通常是指每個存儲元消耗功率的大小，單位為微瓦/位（μW/位）或者毫瓦/位（mW/位）體積和功耗越小越好.4.可靠性可靠性一般是指對電磁場及溫度變化等的抗干擾能力，一般平均無故障時間為數(shù)千小時以上。三、內(nèi)存的基本組成地址譯碼器存儲矩陣數(shù)據(jù)緩沖器012n-101m……控制邏輯…CSR/Wn位地址m位數(shù)據(jù)圖6.2存儲芯片組成示意圖①地址譯碼器：接收來自CPU的n位地址，經(jīng)譯碼后產(chǎn)生2n個地址選擇信號，實現(xiàn)對片內(nèi)存儲單元的選址。②控制邏輯電路：接收片選信號CS及來自CPU的讀/寫控制信號，形成芯片內(nèi)部控制信號，控制數(shù)據(jù)的讀出和寫入。③數(shù)據(jù)緩沖器：寄存來自CPU的寫入數(shù)據(jù)或從存儲體內(nèi)讀出的數(shù)據(jù)。④存儲體：是存儲芯片的主體，由基本存儲元按照一定的排列規(guī)律構(gòu)成。一、靜態(tài)RAMRAM通常用來存儲當(dāng)前運行的程序和在程序運行過程中需要改動的數(shù)據(jù)。相對于DRAM,SRAM具有速度快，接口簡單、讀寫操作簡便等特點，但其存儲容量下，價格也偏高，故通常在多級存儲系統(tǒng)中被用于構(gòu)成cache存儲器。5.2隨機存儲器?A0~A7：地址信號的輸入引腳，用來分時接收CPU送來的8位行、列地址；

?RAS：行地址選通信號輸入引腳，低電平有效，兼作芯片選擇信號。當(dāng)為低電平時，表明芯片當(dāng)前接收的是行地址；?CAS：列地址選通信號輸入引腳，低電平有效，表明當(dāng)前正在接收的是列地址(此時應(yīng)保持為低電平)；?WE

：寫允許控制信號輸入引腳，當(dāng)其為低電平時，執(zhí)行寫操作；否則，執(zhí)行讀操作。?DIN：數(shù)據(jù)輸入引腳；?DOUT：數(shù)據(jù)輸出引腳；?VDD：十5V電源引腳；?

Css：地；?N/C：未用引腳

NCCINWERASRASA0A1A2ADD182164DRAM……169VSSCASDOUTA6A3A4A5A7引腳排列圖二、DRAM1.芯片特性

Intel2164是一種存儲容量為64K×1位、最大存取時間為200ns、刷新時間間隔為2ms的DRAM芯片。2.接口方法DRAM控制器一般由如下部分組成：①地址多路開關(guān)：由于要向DRAM芯片分時送出行地址和列地址，所以必須具有多路開關(guān)，把來自CPU的地址變成行地址和列地址分兩次送出。②刷新定時器：用來定時提供刷新請求。③刷新地址計數(shù)器：提供刷新的地址，每刷新一行，計數(shù)器自動加1，全部行刷新一遍后自動歸零，重復(fù)刷新過程。④仲裁電路：當(dāng)來自CPU的訪問存儲器請求和來自刷新定時器的刷新請求同時產(chǎn)生時，對二者的優(yōu)先權(quán)進行裁定。⑤時序發(fā)生器：提供行地址選通信號RAS、列地址選通信號CAS和寫允許信號WE，以滿足對存儲器進行訪問及對芯片進行刷新的要求。三、存儲器擴展技術(shù)對于存儲體中存儲單元的排列方式，通常分為字結(jié)構(gòu)方式和位結(jié)構(gòu)方式兩種。字結(jié)構(gòu)方式：指芯片上所有的存儲元排列成不同的存儲單元，每個單元一個字，每個字的各位在同一芯片內(nèi)。如：1K*8位結(jié)構(gòu)方式：指芯片上所有的存儲元排列成不同的存儲單元，每個單元一位，即所有存儲元排列成不同字的同一位。如：8K*1例1

用1K×4的2114芯片構(gòu)成lKB的存儲器系統(tǒng)

分析：

由于每個芯片的容量為1K，故滿足存儲器系統(tǒng)的容量要求。但由于每個芯片只能提供4位數(shù)據(jù)，故需用2片這樣的芯片，它們分別提供4位數(shù)據(jù)至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，以滿足存儲器系統(tǒng)的字長要求。

設(shè)計要點：將每個芯片的10位地址線按引腳名稱一一并聯(lián)，按次序逐根接至系統(tǒng)地址總線的低10位。數(shù)據(jù)線則按芯片編號連接，1號芯片的4位數(shù)據(jù)線依次接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D0-D3，2號芯片的4位數(shù)據(jù)線依次接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D4-D7。兩個芯片的WE端并在一起后接至系統(tǒng)控制總線的存儲器寫信號（如CPU為8086/8088，也可由和／M或IO/的組合來承擔(dān)）。CS引腳也分別并聯(lián)后接至地址譯碼器的輸出，而地址譯碼器的輸入則由系統(tǒng)地址總線的高位來承擔(dān)。

當(dāng)存儲器工作時，系統(tǒng)根據(jù)高位地址的譯碼同時選中兩個芯片，而地址碼的低位也同時到達每一個芯片，從而選中它們的同一個單元。在讀/寫信號的作用下，兩個芯片的數(shù)據(jù)同時讀出，送上系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，產(chǎn)生一個字節(jié)的輸出，或者同時將來自數(shù)據(jù)總線上的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入存儲器。

目前廣泛使用的典型EPROM芯片有Intel公司生產(chǎn)的2716、2732、2764、27128、27256、27512等;其容量分別為2K×8位至64K×8,512K×8位;封裝形式:前兩種為24腳雙列可直插式封裝，后幾種為28腳雙列直插式封裝。5.3只讀存儲器一、可擦除可編程的ROMEEPROM的讀寫操作與SRAM,EPROM基本相同，不過變成寫入的時間較長，寫入一個字節(jié)需1-5ms。在大量的內(nèi)容需要修改時，花費時間較多。因EEPROM是非易失存儲器，而且可以在線擦除和寫入，因而非常適合在嵌入式系統(tǒng)中用于一些偶爾需要修改的少量的參數(shù)。二、電可擦除可編程的ROM三、閃速存儲器1、閃存的組織結(jié)構(gòu)閃存有兩種組織結(jié)構(gòu)：按頁面組織和按區(qū)塊組織。按頁面組織：按頁面組織的閃存，其內(nèi)部有一頁緩存。閃存的存儲體按頁面組織，頁緩存的大小與存儲體的頁大小一致，速度快。按區(qū)塊組織：按區(qū)塊組織的閃存，提供字節(jié)、區(qū)塊和芯片擦除能力，編程較靈活。在微型系統(tǒng)中，CPU對存儲器進行讀寫操作，首先要由地址總線給出地址信號，選擇要進行讀/寫操作的存儲單元，然后通過控制總線發(fā)出相應(yīng)的讀/寫控制信號，最后才能在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)交換。所以，存儲器芯片與CPU之間的連接，實質(zhì)上就是其與系統(tǒng)總線的連接，包括：

?地址線的連接；

?數(shù)據(jù)線的連接；

?控制線的連接；在連接中要考慮的問題有以下幾個方面：5.4存儲器與CPU的連接一、存儲器接口應(yīng)考慮的幾個問題1.存儲器與CPU之間的時序配合CPU在取址和存儲器讀或?qū)懖僮鲿r，是有固定時序的，用戶要根據(jù)這些來確定對存儲器存取速度的要求，或在存儲器已經(jīng)確定的情況下，考慮是否需要Tw周期，以及如何實現(xiàn)。2.CPU總線負(fù)載能力;在設(shè)計CPU芯片時，一般考慮其輸出線的直流負(fù)載能力，為帶一個TTL負(fù)載。現(xiàn)在的存儲器一般都為MOS電路，直流負(fù)載很小，主要的負(fù)載是電容負(fù)載，故在小型系統(tǒng)中，CPU是可以直接與存儲器相連的，而較大的系統(tǒng)中，若CPU的負(fù)載能力不能滿足要求，可以（就要考慮CPU能否帶得動，需要時就要加上緩沖器，）由緩沖器的輸出再帶負(fù)載。3.存儲芯片的選用：包括存儲器容量及存儲器空間的安排內(nèi)存通常分為RAM和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)(即機器的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的區(qū)域)和用戶區(qū)，用戶區(qū)又要分成數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)，ROM的分配也類似，所以內(nèi)存的地址分配是一個重要的問題。另外，目前生產(chǎn)的存儲器芯片，單片的容量仍然是有限的，通常總是要由許多片才能組成一個存儲器，這里就有一個如何產(chǎn)生片選信號的問題。

芯片類型的選用芯片型號的選用4數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度也是存儲器結(jié)構(gòu)的決定因素。如：對8位數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)，其存儲空間是一個存儲體，每個存儲單元存放1個字節(jié)，存儲芯片內(nèi)存儲器地址是連續(xù)的；對16位數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)，存儲空間被分為兩個存儲體，偶存儲體占用偶存儲空間，奇存儲體占用奇存儲空間，而每個存儲體地址空間是不連續(xù)的。二、存儲器地址譯碼方法1.片選控制的譯碼方法常用的片選控制譯碼方法有線選法、全譯碼法、部分譯碼法和混合譯碼法等。

存儲器的地址譯碼是任何存儲系統(tǒng)設(shè)計的核心，目的是保證CPU能對所有存儲單元實現(xiàn)正確尋址。存儲器的地址譯碼被分為片選控制譯碼和片內(nèi)地址譯碼兩部分。（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（3）1KBCS1111A10A11A13A12A0~A9圖5.4線選結(jié)構(gòu)示意圖（1）線選法當(dāng)存儲器容量不大，所使用的存儲芯片數(shù)量不多，而CPU尋址空間遠遠大于存儲器容量時，可用高位地址線直接作為存儲芯片的片選信號，每一根地址線選通一塊芯片，這種方法稱為線選法。優(yōu)點：連線簡單，片選控制無需專門的譯碼電路。缺點：（1）當(dāng)存在空閑地址線時，由于空閑地址線可隨意取值1或0，故將導(dǎo)致地址重疊。（2）整個存儲器地址分布不連續(xù)，使可尋址范圍減小。（2）全譯碼法將低位地址總線直接與各芯片的地址線相連，高位地址總線全部經(jīng)譯碼后作為各芯片的片選信號。

8KB(2)CS

8KB(1)CS

8KB(8)CS3-8譯碼器A0~A12A13~A15Y0Y1Y7…圖5.5全譯碼法結(jié)構(gòu)示意圖….全譯碼法可以提供對全存儲空間的尋址能力。當(dāng)存儲器容量小于可尋址的存儲空間時，可從譯碼器輸出線中選出連續(xù)的幾根作為片選控制，多余的空閑下來，以便需要時擴充.優(yōu)點：存儲器的地址是連續(xù)的且唯一確定的，即無地址間斷和地址重疊。（3）部分譯碼法

將高位地址線中的一部分進行譯碼，產(chǎn)生片選信號。常用于不需要全部地址空間的尋址能力，但采用線選法地址線又不夠用的情況。

8KB(2)CS

8KB(1)CS

8KB(3)CS2-4譯碼器A0~A12A13~A14Y0Y1Y4…

8KB(4)CSA15(不參加譯碼）(4)混合譯碼法

將線選法與部分譯碼法相結(jié)合的一種方法。該法將用于片選控制的高位地址分為兩組，其中一組的地址采用部分譯碼法，經(jīng)譯碼后的每一個輸出作為一塊芯片的片選信號；另一組地址則采用線選法，每一位地址線作為一塊芯片的片選信號。

2KB(8)CS

2KB(1)CS

2KB(9)CS3-8譯碼器A0~A10A11~A13Y0Y1Y7…

2KB(10)CSA15….11A14缺點：與線選法相同，存在地址重疊和地址不連續(xù)的問題。2、地址譯碼電路的設(shè)計

存儲器地址譯碼電路的設(shè)計一般遵循如下步驟：

①根據(jù)系統(tǒng)中實際存儲器容量，確定存儲器在整個尋址空間中的位置；②根據(jù)所選用存儲芯片的容量，畫出地址分配圖或列出地址分配表；③根據(jù)地址分配圖或分配表確定譯碼方法并畫出相應(yīng)的地址位圖；④選用合適器件，畫出譯碼電路圖。例1：某微機系統(tǒng)地址總線為16位，實際存儲器容量為16KB，ROM區(qū)和RAM區(qū)各占8KB。其中,ROM采用2KB的EPROM,RAM采用1KB的RAM,試設(shè)計譯碼電路.設(shè)計的一般步驟:①該系統(tǒng)的尋址空間最大為64KB，假定實際存儲器占用最低16KB的存儲空間，即地址為0000H~3FFFH。其中0000H~1FFFH為EPROM區(qū)，2000H~3FFFH為RAM區(qū)。2KB2KB2KB2KB1KB1KB1KB1KB1KB1KB1KB1KB0000H20