微型計(jì)算機(jī)原理存儲(chǔ)器(15-16)

1第4章存儲(chǔ)系統(tǒng)2本章主要內(nèi)容

4.1、概述(微型機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)、分類(lèi)及其特點(diǎn))4.2、典型芯片舉例(半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外部特性及其與系統(tǒng)的連接)4.3、主存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)(存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù))34.1概述

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分，用來(lái)存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)所用的信息——程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)容：微型機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi)及其特點(diǎn)存儲(chǔ)器地址譯碼41、微型機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)

5兩大類(lèi)——內(nèi)存、外存內(nèi)存——存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：快，容量小，隨機(jī)存取，CPU可直接訪(fǎng)問(wèn)。通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成RAM、ROM外存——存放非當(dāng)前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調(diào)入內(nèi)存后CPU才能訪(fǎng)問(wèn)。通常由磁、光存儲(chǔ)器構(gòu)成，也可以由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成磁盤(pán)、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤(pán)6Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)解決速度問(wèn)題虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)解決容量問(wèn)題高速緩沖存儲(chǔ)器*主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器磁盤(pán)存儲(chǔ)器*(3)、微型機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)

7(1)只讀存儲(chǔ)器ROM(2)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM2、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi)8(1)只讀存儲(chǔ)器ROM

只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory—ROM)——用戶(hù)在使用時(shí)只能讀出其中信息，不能修改或?qū)懭胄碌男畔?，斷電后，其信息不?huì)消失。①存儲(chǔ)單元中的信息由ROM制造廠(chǎng)在生產(chǎn)時(shí)一次性寫(xiě)入，稱(chēng)為掩膜ROM（MaskedROM）；

②

PROM(ProgrammableROM—可編程ROM)——PROM中的程序和數(shù)據(jù)是由用戶(hù)自行寫(xiě)入的，但一經(jīng)寫(xiě)入，就無(wú)法更改，是一次性的ROM；9③

EPROM(ErasebleProgrammableROM—可擦除可編程ROM)——可由用戶(hù)自行寫(xiě)入程序和數(shù)據(jù)，寫(xiě)入后的內(nèi)容可用紫外線(xiàn)燈照射擦除，然后可以重新寫(xiě)入新的內(nèi)容，可以多次擦除，多次使用。④

E2PROM(ElectricallyErasebleProgrammableROM—電可擦除可編程ROM)——可用電信號(hào)進(jìn)行清除和改寫(xiě)的存儲(chǔ)器，使用方便。10隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory)——RAM的特點(diǎn)是存儲(chǔ)器中的信息能讀能寫(xiě)，且對(duì)存儲(chǔ)器中任一單元的讀或?qū)懖僮魉枰臅r(shí)間基本是一樣的。斷電后，RAM中的信息即消失。分為兩類(lèi)：①SRAM(StaticRAM—靜態(tài)RAM)——SRAM是利用半導(dǎo)體觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)表示“1”和“0”。只要電源不撤除，信息不會(huì)消失，不需要刷新電路。(2)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM11②DRAM(DynamicRAM—?jiǎng)討B(tài)RAM)——DRAM是利用電容端電壓的高低來(lái)表示“1”和“0”，為了彌補(bǔ)漏電需要定時(shí)刷新。一般微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存采用DRAM，配有刷新電路，每隔1—2ms刷新一次。12(1)存儲(chǔ)容量(2)存儲(chǔ)速度(3)可靠性3、存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)13(1)存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是指一塊存儲(chǔ)芯片上所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)。假設(shè)存儲(chǔ)芯片的存儲(chǔ)單元數(shù)是M，一個(gè)存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的信息的位數(shù)是N，則其存儲(chǔ)容量為M×N。D7…D1D014例1、已知單片6116芯片的地址線(xiàn)是11位，每個(gè)存儲(chǔ)單元是8位，求其存儲(chǔ)容量?解:因?yàn)榭删幹贩秶?11

，即M＝211，每個(gè)存儲(chǔ)單元可存8位，即N＝8，所以，6116的存儲(chǔ)容量=211×8 =2×1024×8 =2K×8

＝2KB15例2、若要組成64K字節(jié)的存儲(chǔ)器，以下芯片各需幾片? ①6116(2K×8) ②4416(16K×4)解:①(64K×8)÷(2K×8)=32(片)②(64K×8)÷(16K×4)=8(片)16區(qū)別：微機(jī)的最大內(nèi)存容量和微機(jī)裝機(jī)容量。①微機(jī)的最大內(nèi)存容量

——由CPU的地址總線(xiàn)決定。如：PC486，地址總線(xiàn)是32位，則，內(nèi)存容許最大容量是232=4G；②實(shí)際的裝機(jī)容量

——由實(shí)際使用的若干片存儲(chǔ)芯片組成的總存儲(chǔ)容量。17存儲(chǔ)器的存取速度是影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的主要因素，用兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量：①存取時(shí)間TA

（AccessTime）——定義為啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作（讀或?qū)懀?，到完成該操作所?jīng)歷的時(shí)間。②存儲(chǔ)周期TMC（MemoryCycle）——定義啟動(dòng)兩次讀（或?qū)懀┐鎯?chǔ)器操作之間所需的最小時(shí)間間隔。(2)存儲(chǔ)速度18存儲(chǔ)器的可靠性用MTBF來(lái)衡量。

MTBF即MeanTimeBetweenFailures——平均故障間隔時(shí)間，MBTF越長(zhǎng)，表示可靠性越高。(3)可靠性194、存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)1、存儲(chǔ)體—由多個(gè)基本存儲(chǔ)單元組成，容量即為M×N；2、地址寄存器（地址鎖存器）—鎖存CPU送來(lái)的地址信號(hào)；3、地址譯碼器—對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，選擇存儲(chǔ)體中要訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)單元；4、讀/寫(xiě)驅(qū)動(dòng)電路—包括讀出放大和寫(xiě)入電路；5、數(shù)據(jù)緩沖器—芯片數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)雙向三態(tài)門(mén)掛在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，未選中該片，呈高阻狀態(tài)；6、讀/寫(xiě)控制電路—接受來(lái)自CPU的片選信號(hào)、讀/寫(xiě)信號(hào)。（對(duì)ROM—只讀；對(duì)DRAM－刷新信號(hào)）OE20“讀”操作工作過(guò)程（1）送地址—CPU通過(guò)地址總線(xiàn)將地址送入地址寄存器，并譯碼；（2）發(fā)出“讀”命令—CPU通過(guò)控制總線(xiàn)將“存儲(chǔ)器讀”信號(hào)送入讀/寫(xiě)控制電路；（3）從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)—讀/寫(xiě)控制電路根據(jù)“讀”信號(hào)和片選信號(hào)選中存儲(chǔ)體中的某一存儲(chǔ)單元，從該單元讀出數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)緩存器。再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)送到CPU。21“寫(xiě)”操作工作過(guò)程（1）送地址—CPU通過(guò)地址總線(xiàn)將地址送入地址寄存器，并譯碼；（2）發(fā)出“寫(xiě)”命令—CPU通過(guò)控制總線(xiàn)將“寫(xiě)”信號(hào)送入讀/寫(xiě)控制電路；（3）寫(xiě)入數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器—讀/寫(xiě)控制電路根據(jù)“寫(xiě)”信號(hào)和片選信號(hào)選中存儲(chǔ)體中的某一存儲(chǔ)單元，將數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)緩存器，再寫(xiě)入到選中的存儲(chǔ)單元。224.2、典型存儲(chǔ)器芯片及地址譯碼

D0~D7A0A12???WEOECS1???A0A12MEMWMEMR譯碼電路高位地址信號(hào)D0~D7??????1.譯碼電路23譯碼：將輸入的一組二進(jìn)制編碼變換為一個(gè)特定的控制信號(hào)，即：將輸入的一組高位地址信號(hào)通過(guò)變換，產(chǎn)生一個(gè)有效的控制信號(hào)，用于選中某一個(gè)存儲(chǔ)器芯片，從而確定該存儲(chǔ)器芯片在內(nèi)存中的地址范圍。24存儲(chǔ)器譯碼有三種方法：全譯碼法部分譯碼法線(xiàn)選法25全地址譯碼用全部的高位地址信號(hào)作為譯碼信號(hào)，使得存儲(chǔ)器芯片的每一個(gè)單元都占據(jù)一個(gè)唯一的內(nèi)存地址。存儲(chǔ)器芯片譯碼器低位地址高位地址全部地址片選信號(hào)26全地址譯碼舉例例若將6264芯片的地址范圍按排為：F0000H~F1FFFH，設(shè)計(jì)地址譯碼電路。

111100000……00~111100011……11A19A18A17A16A15A14A13&≥1CS1A12～A0D7～D0高位地址線(xiàn)全部參加譯碼6264A12-A0D7-D0OEWE27部分地址譯碼用部分高位地址信號(hào)（而不是全部）通過(guò)譯碼電路形成片選信號(hào)。被選中得存儲(chǔ)器芯片將占有幾組不同的地址范圍。芯片每個(gè)存儲(chǔ)單元地址不唯一。

28部分地址譯碼舉例同一物理存儲(chǔ)器占用兩組地址：

F0000H~F1FFFHB0000H~B1FFFHA18不參與譯碼A19A17A16A15A14A13&≥1到6264CS129再例.IBMPC/XT與SRAM6116的連接,見(jiàn)書(shū)P214,圖4.31。與非門(mén)30選擇使用74LS138譯碼器構(gòu)成譯碼電路

Y0G1Y1G2AY2G2BY3Y4AY5BY6CY7片選信號(hào)輸出譯碼允許信號(hào)地址信號(hào)（接到不同的存儲(chǔ)體上）74LS138邏輯圖：3174LS138的真值表：（注意：輸出低電平有效）可以看出，當(dāng)譯碼允許信號(hào)有效時(shí)，Yi是輸入A、B、C的函數(shù)，即Y=f(A,B,C)11111111XXX其他值0111111111110010111111110100110111111011001110111110010011110111011100111110110101001111110100110011111110000100Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0CBAG1G2AG2B32應(yīng)用舉例:D0~D7A0A12???WEOECS1CS2???A0A12MEMWMEMRD0~D7G1G2AG2BCBA&&A19A14A13A17A16A15+5VY0下圖中A18不參與譯碼，故6264的地址范圍為：38000H~39FFFH78000H~79FFFH6264332.典型芯片(1)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）有兩種操作：讀操作和寫(xiě)操作。常用的SRAM有：

6116（2Kx8)211X8bit6232(4KX8)212X8bit6264(8KX8)213X8bit62128(16KX8)214X8bit62256(32KX8)215X8bit適用于較小系統(tǒng)。

這類(lèi)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)線(xiàn)為8條，容量不同地址線(xiàn)不同。容量與地址線(xiàn)的關(guān)系為2n

x8bit，n為地址線(xiàn)根數(shù)。每個(gè)地址單元存儲(chǔ)8為二進(jìn)制信息。只要不掉電，信息會(huì)穩(wěn)定保持，不需要刷新。34SRAM芯片HM6116(簡(jiǎn)稱(chēng)6116）

11條地址線(xiàn)，8位數(shù)據(jù)線(xiàn)，3條控制線(xiàn)，兩條電源線(xiàn)，單片存儲(chǔ)容量2K×8。35(2)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM特點(diǎn)：⑴DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來(lái)存儲(chǔ)信息的，由于電容上的電荷會(huì)逐漸泄漏，需要定時(shí)充電以維持存儲(chǔ)內(nèi)容不丟失（稱(chēng)為動(dòng)態(tài)刷新），所以動(dòng)態(tài)RAM需要設(shè)置刷新電路，相應(yīng)外圍電路就較為復(fù)雜。⑵刷新定時(shí)間隔一般為幾微秒～幾毫秒。⑶DRAM的特點(diǎn)是集成度高（存儲(chǔ)容量大，可達(dá)1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。⑷DRAM在微機(jī)中應(yīng)用非常廣泛，如微機(jī)中的內(nèi)存條（主存）、顯卡上的顯示存儲(chǔ)器幾乎都是用DRAM制造的。36典型DRAM芯片2164A

2164A(64KX1)216X1bit8條地址線(xiàn)，2位數(shù)據(jù)線(xiàn)(輸出和輸入），3條控制線(xiàn)，兩條電源線(xiàn)，單片存儲(chǔ)容量64K×1。地址線(xiàn)采用分時(shí)復(fù)用，由CAS（列選通）和RAS（行選通），從而實(shí)現(xiàn)16位地址線(xiàn)，M＝216＝64K。

地址線(xiàn)的數(shù)量?jī)H為同等容量SRAM芯片的一半。10001000列地址37主要引線(xiàn)RAS：行地址選通信號(hào)，用于鎖存行地址；CAS：列地址選通信號(hào)。地址總線(xiàn)上先送上行地址，后送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在地址鎖存器中。

DIN：數(shù)據(jù)輸入DOUT：數(shù)據(jù)輸出WE=0數(shù)據(jù)寫(xiě)入WE=1數(shù)據(jù)讀出WE：寫(xiě)允許信號(hào)38(3)典型EPROMEPROM2764(8KX8)213X8bit

其引腳與SRAM6264完全兼容。地址信號(hào)：A0~A12

數(shù)據(jù)信號(hào)：D0~D7

輸出信號(hào)：OE

片選信號(hào)：CS

編程脈沖輸入：PGM39(4)典型E2PROM芯片2864A8K×8bit芯片13根地址線(xiàn)（A0~A12）8位數(shù)據(jù)線(xiàn)（D0~D7）輸出允許信號(hào)（OE）寫(xiě)允許信號(hào)（WE）選片信號(hào)（CE）狀態(tài)輸出端（READY/BUSY）40E2PROM的應(yīng)用可通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯片的讀寫(xiě)，但每寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)都需判斷READY/BUSY

端的狀態(tài)，僅當(dāng)該端為高電平時(shí)才可寫(xiě)入下一個(gè)字節(jié)。41(5)、閃速E2PROM特點(diǎn)：通過(guò)向內(nèi)部控制寄存器寫(xiě)入命令的方法來(lái)控制芯片的工作方式，而非用引腳的信號(hào)來(lái)控制芯片的工作。應(yīng)用便攜式閃存硬盤(pán)(6)、串行E2PROM——I2CEEPROM24C01/24C02/24C0493C46/93C56/93C66424.3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)位擴(kuò)展——擴(kuò)展每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)。字?jǐn)U展——擴(kuò)展存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。字位擴(kuò)展——二者的綜合。用多片存儲(chǔ)芯片構(gòu)成一個(gè)需要的內(nèi)存空間，它們?cè)谡麄€(gè)內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時(shí)刻僅有一片（或一組）被選中。43位擴(kuò)展例例、用8片2164A芯片構(gòu)成64KB（64Kx8bit）存儲(chǔ)器。2164A:64Kx1，需8片構(gòu)成64Kx8（64KB）LS138A16~A192164A2164A2164ADBABD0D1D7A0~A7/A8~A15…譯碼輸出讀寫(xiě)信號(hào)A0~A19D0~D7A0~A7/A8~A1544歸納位擴(kuò)展方法：將每片的地址線(xiàn)并聯(lián)、控制線(xiàn)并聯(lián)、片選線(xiàn)并聯(lián)，數(shù)據(jù)線(xiàn)分別引出。位擴(kuò)展特點(diǎn)：地址空間不擴(kuò)展，位數(shù)擴(kuò)展。各片存儲(chǔ)器的地址空間相同。再例.見(jiàn)書(shū)P217圖4.33，IBMPC/XTRAM子系統(tǒng)，內(nèi)存條是由36片2164分4組構(gòu)成256KB45字?jǐn)U展地址空間的擴(kuò)展。適用于芯片每個(gè)單元中的字長(zhǎng)滿(mǎn)足，但單元數(shù)不滿(mǎn)足情況。擴(kuò)展原則：每個(gè)芯片的地址線(xiàn)并聯(lián)、數(shù)據(jù)線(xiàn)并聯(lián)、控制線(xiàn)并聯(lián)，僅片選端分別引出，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)芯片占據(jù)不同的地址范圍。46例.選用6116芯片和2732芯片構(gòu)成8KBRAM和8KBROM存儲(chǔ)系統(tǒng)。需4片6116和2片2732，進(jìn)行字?jǐn)U展。4748再例.見(jiàn)書(shū)P216圖4.32,IBMPC/XTROM子系統(tǒng)。49字位擴(kuò)展根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲(chǔ)芯片數(shù)；進(jìn)行位擴(kuò)展以滿(mǎn)足字長(zhǎng)要求；進(jìn)行字?jǐn)U展以滿(mǎn)足容量要求。若已有存儲(chǔ)芯片的容量為L(zhǎng)×K，要構(gòu)成容量為M×N的存儲(chǔ)器，需要的芯片數(shù)為：（M/L）×（N/K）504.48088系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的連接方法存儲(chǔ)器與8088系統(tǒng)總線(xiàn)的連接的要點(diǎn)：存儲(chǔ)器的地址范圍？根據(jù)要求的地址范圍可確定用哪幾根地址線(xiàn)進(jìn)行片選，哪幾根地址線(xiàn)做片內(nèi)尋址以及如何進(jìn)行片選譯碼。系統(tǒng)總線(xiàn)上與存儲(chǔ)器有關(guān)的信號(hào)線(xiàn)有哪些？熟悉與存儲(chǔ)器有關(guān)的總線(xiàn)信號(hào)和存儲(chǔ)芯片引腳的功能。譯碼電路的構(gòu)成（譯碼器的連接方法）系統(tǒng)地址空間一般比存儲(chǔ)芯片的容量大（即總線(xiàn)中的地址線(xiàn)數(shù)多于存儲(chǔ)芯片的地址線(xiàn)數(shù)），物理內(nèi)存實(shí)際只占用系統(tǒng)地址空間的一小塊區(qū)域。把物理內(nèi)存分配到系統(tǒng)地址空間的哪一塊區(qū)域，取決于如何進(jìn)行地址譯碼。518088系統(tǒng)中存儲(chǔ)器連接涉及到的總線(xiàn)信號(hào)包括：地址線(xiàn)A19-A0數(shù)據(jù)線(xiàn)D7-D0存儲(chǔ)器讀信號(hào)MEMR（RD、M/IO）存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)MEMW（WR、M/IO）需要考慮的存儲(chǔ)芯片引腳地址線(xiàn)An-1-A0：接系統(tǒng)地址總線(xiàn)的An-1-A0數(shù)據(jù)線(xiàn)D7-D0：接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的D7-D0