第5章存儲器及接口技術(shù)

存儲器是計算機系統(tǒng)中必不可少的組成部分，用來存放計算機系統(tǒng)工作時所用的信息——程序和數(shù)據(jù)。根據(jù)其在計算機系統(tǒng)中的地位可分為內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存)和外存儲器(簡稱外存)，內(nèi)存儲器又稱為主存儲器(簡稱主存)，外存儲器又稱為輔助存儲器(簡稱輔存)。內(nèi)存儲器通常是由半導(dǎo)體存儲器組成，而外存儲器的種類較多，通常包括磁盤存儲器、光盤存儲器及磁帶存儲器等。本節(jié)主要介紹幾種典型的半導(dǎo)體存儲器芯片的結(jié)構(gòu)及外特性。第五章內(nèi)存儲器及其接口半導(dǎo)體存儲器分類

雙極型

RAM靜態(tài)SRAM

動態(tài)DRAM

掩膜ROM

可編程PROM

可擦寫EPROMMOS半導(dǎo)體存儲器ROM電可擦除式EEPROM5.1半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器從使用功能上來分，可分為：讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）又稱為隨機存取存儲器；只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）兩類。

RAM主要用來存放各種現(xiàn)場的輸入、輸出數(shù)據(jù)，中間計算結(jié)果，與外存交換的信息和作堆棧用。它的存儲單元的內(nèi)容按需要既可以讀出，也可以寫入或改寫。

ROM的信息在使用時是不能改變的，也即只能讀出，不能寫入故一般用來存放固定的程序，如微型機的管理、監(jiān)控程序，匯編程序等，以及存放各種常數(shù)、函數(shù)表等。

RAM的種類 在RAM中，又可以分為雙極型（Bipolar）和MOSRAM兩大類。1．雙極型RAM的特點 （1）存取速度高。 （2）以晶體管的觸發(fā)器（F-F——Flip-Flop）作為基本存儲電路，故管子較多。 （3）集成度較低（與MOS相比）。 （4）功耗大。 （5）成本高。 所以，雙極型RAM主要用在速度要求較高的微型機中或作為cache。2．MOSRAM

用MOS器件構(gòu)成的RAM，又可分為靜態(tài)（Static）RAM（有時用SRAM表示）和動態(tài)（Dynamic）RAM（有時用DRAM表示）兩種。（1）靜態(tài)RAM的特點

6管構(gòu)成的觸發(fā)器作為基本存儲電路。

集成度高于雙極型，但低于動態(tài)RAM。

不需要刷新，故可省去刷新電路。

功耗比雙極型的低，但比動態(tài)RAM高。⑤

易于用電池作為后備電源（RAM的一個重大問題是當(dāng)電源去掉后，RAM中的信息就會丟失。為了解決這個問題，就要求當(dāng)交流電源掉電時，能自動地轉(zhuǎn)換到一個用電池供電的低壓后備電源，以保持RAM中的信息）。存取速度較動態(tài)RAM快。（2）動態(tài)RAM的特點

①基本存儲電路用單管線路組成（靠電容存儲電荷）。

②集成度高。

③比靜態(tài)RAM的功耗更低。

⑤價格比靜態(tài)便宜。

⑥因動態(tài)存儲器靠電容來存儲信息，由于總是存在著泄漏電流，故需要定時刷新。典型的是要求每隔1ms刷新一遍。。ROM的種類1．掩模ROM早期的ROM由半導(dǎo)體廠按照某種固定線路制造的，制造好以后就只能讀不能改變。2．可編程序的只讀存儲器PROM（ProgrammableROM）為了便于用戶根據(jù)自己的需要來寫ROM，就發(fā)展了一種PROM，可由用戶對它進(jìn)行編程，但這種ROM用戶只能寫一次。3.EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableROM，電可擦除可編程ROM)電信號進(jìn)行清除和改寫的存儲器，使用方便，芯片不離開插件板便可擦除或改寫其中的數(shù)據(jù)4.可擦去的可編程只讀存儲器EPROM（ErasablePROM）

為了適應(yīng)科研工作的需要，希望ROM能根據(jù)需要寫，也希望能把已寫上去的內(nèi)容擦去，然后再寫，能改寫多次。EPROM就是這樣的一種存儲器。EPROM的寫入速度較慢，而且需要一些額外條件，故使用時仍作為只讀存儲器來用。 只讀存儲器電路比RAM簡單，故而集成度更高，成本更低。而且有一重大優(yōu)點，就是當(dāng)電源去掉以后，它的信息是不丟失的。 隨著應(yīng)用的發(fā)展，ROM也在不斷發(fā)展，目前常用的還有電可擦除的可編程ROM及新一代可擦除ROM（閃爍存儲器）等。.半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)1.存儲容量

一個半導(dǎo)體存儲器芯片的存儲容量是指存儲器可以容納的二進(jìn)制信息量，以存儲器中存儲地址寄存器MAR((地址線數(shù))的編址數(shù)與存儲字位數(shù)的乘積表示。例如，某存儲器芯片的MAR為16位，存儲字長為8位，則其存儲容量為216x8位=64Kx8位，64K即16位的編址數(shù)；2．存儲速度

存儲器的存儲速度可以用兩個時間參數(shù)表示，一個是“存取時間”(AccesTime)TA，定義為從啟動一次存儲器操作，到完成該操作所經(jīng)歷的時間。例如在存儲器讀操作時，從給出讀命令到所需要的信息穩(wěn)定在MDR(存儲數(shù)據(jù)寄存器)的輸出端之間的時間間隔，即為“存取時間”，另一個是“存儲周期”(MemorCycle)TNc，定義為啟動兩次獨立的存儲器操作之間所需的最小時間間隔。通常存儲周期TMc略大于存取時間TA。存儲速度取決于內(nèi)存儲器的具體結(jié)構(gòu)及工作機制。3．可靠性存儲器的可靠性用MTBF(MeanTimeBetweenFailures，平均故障間隔時間)來衡量，MTBF越長，可靠性越高，內(nèi)存儲器常采用糾錯編碼技術(shù)來延長MTBF以提高可靠性。另有，性能／價格比，5.1.2RAM芯片的結(jié)構(gòu)，工作原理及典型產(chǎn)品存儲字：計算機系統(tǒng)中作為一個整體一次存放或取出內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)稱為存儲字。8086/8088系統(tǒng)中內(nèi)存是以字節(jié)編址的，其地址為最低存儲單元的地址RAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

RAM的結(jié)構(gòu)1．存儲體2．外圍電路3．地址譯碼的方式 地址譯碼有兩種方式：一種是單譯碼方式或稱字結(jié)構(gòu)，適用于小容量存儲器中；另一種是雙譯碼，或稱復(fù)合譯碼結(jié)構(gòu)。 采用雙譯碼結(jié)構(gòu)，可以減少選擇線的數(shù)目。在雙譯碼結(jié)構(gòu)中，地址譯碼器分成兩個。若每一個有n/2個輸入端，它可以有2n/2個輸出狀態(tài)，兩個地址譯碼器就共有2n/2×2n/2=2n個輸出狀態(tài)。而譯碼輸出線卻只有2n/2+2n/2=2×2n/2根?；敬鎯﹄娐贰莒o態(tài)存儲電路:用于存儲一個二進(jìn)制位。讀寫存儲器RAM原理（一）靜態(tài)存儲器負(fù)載管控制管1001T1管的截止保證了T2管得導(dǎo)通。反之亦然。刪極漏極源極當(dāng)數(shù)據(jù)信號與地址信號都消失后，T5、T6、T7、T8都截止，由T3、T4兩負(fù)載管通過VCC不斷向刪極補充電荷，以保持信息‘0’、‘1’‘。圖中，Tl，T1為放大管，T3，T4為負(fù)載管，這4個MOS管組成一個RS觸發(fā)器。

T5，T6是行選門控管，行選信號為高電平時，T5，T6管才導(dǎo)通。

T7，T8是列選門控管，列選信號為高電平時，T7，T8管才導(dǎo)通。只有行、列選信號同時為高電平時，觸發(fā)器才能與數(shù)據(jù)線接通，進(jìn)行讀寫操作（二）動態(tài)存儲器原理基本存儲電路

——用于存儲一個二進(jìn)制位。10

單管DRAM的存儲單元如圖所示。原理：該存儲單元中只有一個門控管T1，信息存放在分布電容C上，當(dāng)C上充有電荷時，表示其存儲的信息為“1”，當(dāng)電容上無電荷時，表示其上存儲的信息為“0”。特點：。破壞性的讀出電路，故讀后必須重寫；。須動態(tài)刷新。6116引腳和結(jié)構(gòu)框圖典型芯片舉例SRAM芯片HM6116（2K*8）讀寫

HM6116是一種2048x8位的高速靜態(tài)CMOS隨機存取存儲器，其基本特征是：

(1)高速度——存取時間為lOOns／120ns／150ns／200ns(2)低功耗——運行時為150mW，空載時為100mW；(3)與TTL兼容；

(4)管腳引出與標(biāo)準(zhǔn)的2KX8的芯片(例如2716芯片)兼容；

(5)完全靜態(tài)——無需時鐘脈沖與定時選通脈沖。

HM6116芯片的存儲容量為2K×8位，片內(nèi)有16384(即16K)個存儲單元，排列成128x128的矩陣，構(gòu)成2K個字，字長8位，可構(gòu)成2KB(B——字節(jié))的內(nèi)存。該芯片有11條地址線，分成7條行地址線A4-A1o，4條列地址線Ao-A3，一個11位地址碼選中一個8位存儲字，需有8條數(shù)據(jù)線I／O1-I／O8與同一地址的8位存儲單元相連，由這8條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出與寫人。DRAM2164芯片（64K*1）2164芯片工作原理由圖5—9可見，2164A的片內(nèi)有64K*1位芯片。有(65536)個內(nèi)存單元，有64K個存儲地址，每個存儲單元存儲一位數(shù)據(jù)，片內(nèi)要尋址64K個單元，需要16條地址線，為了減少封裝引腳，地址線分為兩部分——行地址和列地址，芯片的地址引腳只有8條，片內(nèi)有地址鎖存器，可利用外接多路開關(guān)，由行地址選通信號RAS將先送入的8位行地址送到片內(nèi)行地址鎖存器，然后由列地址選通信號CAS將后送人的8位列地址送到片內(nèi)列地址鎖存器。16位地址信號選中64K個存儲單元中的一個單元。

2164A芯片中的64K存儲體由4個128*128的存儲矩陣組成，每個128*128的存儲矩陣，由7條行地址和7條列地址進(jìn)行選擇。7位行地址經(jīng)過譯碼產(chǎn)生128條選擇線，分別選擇128行中的一行；7位列地址經(jīng)過譯碼產(chǎn)生128條選擇線，分別選擇128列中的一列。7位行地址RAo-RA6(即地址總線的Ao-A6)和7位列地址CAo-CA6(即地址總線的A8·A14)可同時選中4個存儲矩陣中各一個存儲單元，然后由RA7與CA7(即地址總線中的A7和A1》經(jīng)1：4I／O門電路選中1個單元進(jìn)行讀寫。而刷新時，在送人7位行地址同時選中4個存儲矩陣的同一行，即對4*128；512個存儲單元進(jìn)行刷新。

Intel2164A的數(shù)據(jù)線是輸入和輸出分開的，由WE信號控制讀寫。當(dāng)WE為高電平時，為讀出，所選中單元的內(nèi)容經(jīng)過輸出三態(tài)緩沖器，從DOUT引腳讀出；當(dāng)WE為低電平時，為寫入，DIN引腳上的內(nèi)容經(jīng)過輸入三態(tài)緩沖器，對選中單元進(jìn)行寫入。

Intel2164A芯片無專門的片選信號，一般行選通信號和列地址選通信號也起到了片選的工作。EPROM芯片Intel2732A（4K*8）2732A的方式選擇5.2半導(dǎo)體存儲器接口的基本技術(shù)設(shè)計存儲器系統(tǒng)的主要工作，有三部分內(nèi)容：

(1)地址線的連接——可以根據(jù)所選用的半導(dǎo)體存儲器芯片地址線的多少，把CPU的地址線分為芯片外(指存儲器芯片)地址和芯片內(nèi)的地址，片外地址經(jīng)地址譯碼器譯碼后輸出，作為存儲器芯片的片選信號，用來選中CPU所要訪問的存儲器芯片。片內(nèi)地址線直接接到所要訪問的存儲器芯片的地址引腳，用來直接選中該芯片中的一個存儲單元。。(2)數(shù)據(jù)線的連接——CPU的8位數(shù)據(jù)線與存儲芯片的地址線相連。

(3)控制線的連接——即如何用CPU的存儲器讀寫信號與存儲器芯片的控制信號線連接，以實現(xiàn)對存儲器的讀寫操作。以及片選信號線的來連接。一.8位微機系統(tǒng)中的存儲器接口在連接中要還要考慮的問題有以下幾個方面。 （1）CPU總線的負(fù)載能力。 （2）CPU的時序和存儲器的存取速度之間的配合問題。 （3）存儲器的地址分配和選片問題。 （4）控制信號的連接。如果組成1K×8位，可以采用1024×1位的片子，也可采用256×4的片子。74ls138譯碼器介紹外部譯碼電路的方法介紹1.全譯碼法將高位地址線全部作為譯碼器的輸入，用譯碼器的輸出作片選信號。這樣，存儲器的每個單元都有唯一的確定的地址。2.部分譯碼法將部分高位地址線作為譯碼器的輸入，用譯碼器的輸出作片選信號。有地址重疊。3.線譯碼法

用cpu地址總線中某一高位線作為存儲芯片的片選信號，有地址重疊。（1）用1k*1的片子組成1k*8的存儲器——需8個芯片地址線——（210=1024）需10根數(shù)據(jù)線——8根控制線——WRA9-A0D7-D0WRWECPU系統(tǒng)

存儲器設(shè)計舉例（2）用256*4的片子組成1k*8的存儲器——需8個芯片地址線——（210=1k）需10根（片內(nèi)8根，片選2根）數(shù)據(jù)線——8根控制線——IO/M和WR。A9-A0D7-D0WRCPU系統(tǒng)IO/M（3）用1k*4的片子2114組成2k*8的存儲器——需4個芯片地址線——（211=2048）需11根（片內(nèi)10根，片選1根）數(shù)據(jù)線——8根控制線——IO/M和WRCPU全譯碼方式兩組存儲器的地址分配：第一組A15A14……A10A9A8A7……A0

0000,0000,0000,00000000h0000,0011,1111,111103FFh

第二組A15A14……A10A9A8A7……A0

0000,0100,0000,00000400h0000,0111,1111,111107FFh

這種選片的譯碼方式稱為全譯碼，譯出的每一組地址是確定的、唯一的。也可采用線選控制方式：只用A15-A10中的任意位來控制片選端。如用A10，而A15-A11可位任意值；也可用A11，而A15-A12，A10

可位任意值；等不同組合。

A10A11-A15線選譯碼方式線選譯碼方式有兩個問題應(yīng)考慮：

?采用不同的地址線作為選片控制，則它們的地址分配是不同的。如：用A11做線選第一組A15A14……A10A9A8A7……A0

0000,0

000,0000,00000000h0000,

0

011,1111,111103FFh

第二組A15A14……A10A9A8A7……A0

0000,

1

000,0000,00000800h0000,

1

011,1111,11110BFFh

如：用A15做線選第一組A15A14……A10A9A8A7……A0

0000,0000,0000,00000000h

0

000,0011,1111,111103FFh

第二組A15A14……A10A9A8A7……A0

1000,0000,0000,00008000h

1000,0011,1111,111183FFh?地址重疊（以A15做線選控制為例）。000003FF07FF0BFF800083FFFFFF1K1K1K1K1K32K64KA15=0A15=1例1：教材上的例子EPROM由2732構(gòu)成，SRAM由6116構(gòu)成,求每片芯片的地址范圍？存儲器的地址分配：

A19A18A17A16A15A14A13A12

A11A10A9A8A7……A0

EPROM1#1111,1000,

0000,0000,0000F8000h1111,1000,1111,1111,1111F8FFFhEPROM2#1111,1001,

0000,0000,0000F9000h1111,1001,

1111,1111,1111F9FFFhEPROM3#1111,1010,

0000,0000,0000FA000h1111,1010,

1111,1111,1111FAFFFhEPROM4#1111,1011,

0000,0000,0000FB000h1111,1011,

1111,1111,1111FBFFFhSRAM1#1111,1100,

0

000,0000,0000FC000h1111,1100,0111,1111,1111FC7FFhSRAM22#1111,1100,

1

000,0000,0000FC800h1111,1100,1111,1111,1111FCFFFhSRAM3#1111,1101,

0

000,0000,0000FD000h1111,1101,0111,1111,1111FD7FFhSRAM4#1111,1101,

1

000,0000,0000FD800h1111,1101,1111,1111,1111FDFFFh選取2片2732（4k*8）芯片構(gòu)成8KBEPROM，2片6116（2K*8）芯片構(gòu)成4KBRAM存儲器的地址分配：

A15A14A13A12

A11A10A9A8A7……A0

EPROM1#0000,0000,0000,00000000h0000,1111,1111,11110FFFhEPROM2#0001,0000,0000,00001000h0001,1111,1111,11111FFFhRAM1#0010,0000,0000,00002000h0010,0111,1111,111127FFhRAM2#0010,1000,0000,00002800h0010,1111,1111,11112FFFh例2：試設(shè)計一個12KB的存儲器系統(tǒng)，其低8KB為EPROM，高4KB為RAM。地址從0000H開始。5.2.2動態(tài)存儲器的連接DRAM連接中要注意的問題一、行地址和列地址的形成可用多路選擇器二、RAS和CAS的產(chǎn)生由兩級譯碼和延遲電路來完成三、刷新電路的產(chǎn)生動態(tài)存儲器要進(jìn)行刷新，一般由定時計數(shù)器來產(chǎn)生定時刷新信號。系統(tǒng)板上的RAM256K——由64K*1動態(tài)存儲器芯片4164組成；每組9個芯片：8位數(shù)據(jù)位，一位奇偶校驗位；共4組，36個芯片。

64K芯片需要16根地址線尋址；但采用內(nèi)部行、列地址鎖存方式，芯片只有8根地址線；

系統(tǒng)需要產(chǎn)生行地址選擇信號RAS

列地址選擇信號CAS

RAS、CAS生成電路PROM256*40100輸入有256種組合X表示已得到驅(qū)動由于行選信號和列選信號在時間有先后，故采用了兩個3—8譯碼器，分別產(chǎn)生RAS和CAS。DRAM電路多路開關(guān)多路開關(guān)多路開關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)器奇偶發(fā)生校驗器奇偶校驗觸發(fā)器奇偶校驗RAM芯片16位和32位系統(tǒng)中的內(nèi)存儲器接口一、16位微機系統(tǒng)中的內(nèi)存儲器接口

1。8086微機中的奇存儲體和偶存儲體二、8088/8086的存儲訪問操作

1．字節(jié)訪問和字訪問

8088是準(zhǔn)16位微處理器，其外部數(shù)據(jù)總線為8位，內(nèi)部寄存器和運算器為16位，一個總線周期只能訪問一個字節(jié)，要進(jìn)行字操作，必須用兩個總線周期，第一個總線周期訪問低位字節(jié)、第二個總線周期訪問高位字節(jié)。

8086是標(biāo)準(zhǔn)的16位微處理器，其外部數(shù)據(jù)總線為16位，每個存儲周期可以訪問存儲器中的8位或16位信息。當(dāng)8086訪問一個整字(16位)變量時，該變量的地址為偶地址(即字變量的低字節(jié)在偶地址單元，高字節(jié)在奇地址單元)，則8086將用一個總線周期訪問該字變量；如果該字變量的地址為奇地址(即字變量的低字節(jié)在奇地址單元，高字節(jié)在偶地址單元)，則8086要用兩個連續(xù)的總線周期才能訪問該字變量，每個周期訪問一個字節(jié)。2．“對準(zhǔn)的”字與“未對準(zhǔn)的”字

8086CPU能同時訪問奇存儲體和偶存儲體中的一個字節(jié)，以組成一個存儲字，要訪問的1個字的低8位存放在偶存儲體中，稱為“對準(zhǔn)的”.當(dāng)要訪問的16位字的低8位字節(jié)存放在奇存儲體中，稱該字為“未對準(zhǔn)的”字，這是一種非規(guī)則的存放字。必須用兩個總線周期才能訪問該字。三、16位系統(tǒng)中存儲器接口舉例

例題：

有一個8086CPU與半導(dǎo)體存儲器芯片的接口如圖5—21所示，其中存儲器芯片#1-#8為SRAM芯片6116；#9-#16為PROM芯片2732。試分析該接口電路的工作特性，計算RAM區(qū)和ROM區(qū)的地址范圍(內(nèi)存為字節(jié)編址)。A0(庫選）BHE(庫選）A0(庫選）偶BHE(庫選）奇SRAM芯片的的地址分配：

A14A13A12

A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

1#000,

0000,0000,000

000000h000,11