存儲器原理與接口

第5章存儲器原理與接口微機原理及應用1主要內(nèi)容5.1存儲器分類5.2多層存儲結(jié)構(gòu)概念5.3主存儲器及存儲控制5.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.5現(xiàn)代內(nèi)存芯片技術(shù)25.1存儲器分類5.1.1存儲系統(tǒng)的基本概念5.1.2存儲器的分類35.1.1存儲系統(tǒng)的基本概念一種接收、保存和取出信息（程序、數(shù)據(jù)、文件）的設(shè)備一種具有記憶功能的部件計算機的重要組成部分，是CUP最重要的系統(tǒng)資源之一CPU與存儲器的關(guān)系如下圖所示5.1存儲器分類存儲器4DSESSSCSIPPSW標志寄存器執(zhí)行部件控制電路指令譯碼器4321數(shù)據(jù)暫存器AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器組指令隊列地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB總線接口控制電路控制總線CB運算器地址加法器地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)29AH、、、存儲器CPU55.1.2存儲器的分類按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)分類按存儲器存取方式分類按在微機系統(tǒng)中位置分類5.1存儲器分類6按存放信息原理不同5.1.2存儲器的分類按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)分類磁芯存儲器、半導體存儲器、光電存儲器、磁膜、磁泡和其它磁表面存儲器以及光盤存儲器等按存儲器存取方式分類隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)

只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)又稱讀寫存儲器，指能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫操作的一類存儲器在微機系統(tǒng)的在線運行過程中，只能對其進行讀操作不能進行寫操作的一類存儲器靜態(tài)RAM動態(tài)RAM掩膜ROM（MROM）可編程ROM（PROM）可擦除編程ROM（EPROM）按工藝不同5.1存儲器分類75.1.2存儲器的分類按在微機系統(tǒng)中的位置分類主存儲器（內(nèi)存，MainMemory）輔助存儲器（外存，ExternalMemory）用來存放計算機正在執(zhí)行的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。CPU可以直接對它進行訪問。一般是由半導體存儲器構(gòu)成，通常裝在主板上。存取速度快，但容量有限，其大小受地址總線位數(shù)的限制。高速緩沖存儲器（緩存，CacheMemory）用來存放不經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，CPU不能直接訪問它。屬計算機的外部設(shè)備,是為彌補內(nèi)存容量的不足而配置的，容量大，成本低，所存儲信息既可以修改也可以長期保存，但存取速度慢。需要配置專門的驅(qū)動設(shè)備才能完成對它的訪問，如硬盤、軟盤驅(qū)動器等位于主存與CPU之間，其存取速度非?？?，但存儲容量更小，可用來解決存取速度與存儲容量之間的矛盾，提高整個系統(tǒng)的運行速度

5.1存儲器分類85.1.2存儲器的分類小結(jié)5.1存儲器分類9掩膜ROM內(nèi)容只能讀出，不能改變.半導體廠家用掩膜技術(shù)寫入程序成本低，適用于批量生產(chǎn)不適用研究工作

PROM可編程ROM內(nèi)容只能讀出，不能改變.用戶使用特殊方法進行編程，只能寫一次，一次編程不能修改。適用于批量生產(chǎn)不適用研究工作EPROM光可擦除PROM固化程序用紫外線光照5～15分鐘擦除，擦除后可以重新固化新的程序和數(shù)據(jù)。用戶可以對芯片進行多次編程和擦除。適用于研究工作不適用于批量生產(chǎn)。E2PROM電可擦除PROM實現(xiàn)全片和字節(jié)擦寫改寫，作為非易失性RAM使用。集成度和速度不及EPROM，價格高，擦寫在原系統(tǒng)中在線進行。FlashMemory快速電擦寫存儲器可以整體電擦除（時間1S）和按字節(jié)重新高速編程。CMOS低功耗；編程快（每個字節(jié)編程100μs整個芯片0.5s）；擦寫次數(shù)多（通常可達到10萬）與E2PROM比較：容量大、價格低、可靠性高等優(yōu)勢。用于PC機內(nèi)裝操作系統(tǒng)和系統(tǒng)不能丟失初始功能的專門領(lǐng)域。需要周期性地修改被存儲的數(shù)據(jù)表的場合。分類信息存取方式特點用途只讀存儲器ROM分類10內(nèi)存的工作速度總是不能滿足CPU的需要，同時內(nèi)存在容量上總是落后于系統(tǒng)軟件和應用軟件的需求。為了解決容量、速度、價格間的矛盾，建立起多層存儲結(jié)構(gòu)。金字塔結(jié)構(gòu)如下：5.2多層存儲結(jié)構(gòu)概念115.2多層存儲結(jié)構(gòu)概念CPU中的寄存器（通用寄存器）訪問速度最快、容量最小高速緩存CacheL1：微處理器內(nèi)部，訪問速度非?？霤acheL2：微處理器外，采用靜態(tài)隨機存儲器常說的“內(nèi)存”，DRAM、SDRAM、ROM、EPROM、E2PROM、FLASH……海量存儲器或輔助存儲器磁盤、磁帶、硬盤、光盤、U盤等Cache－主存層次解決CPU與主存速度上的差距主存－輔存層次解決存儲器大容量和低成本的矛盾125.3.1主存儲器主存儲器性能指標主要有三項：

存儲容量、存儲速度、可靠性存儲容量：反映存儲器可存儲信息量的指標。以字數(shù)×字長表示 如某存儲器存儲容量為64K×8位，即64K字節(jié)存儲速度：完成一次訪問（讀/寫）存儲器的時間可靠性：用平均故障間隔時間來衡量存取時間TA（AccessTime）表示啟動一次存儲操作到完成該操作所經(jīng)歷時間存儲周期TMC（MemoryCycle）兩次獨立的存儲操作之間所需的最小時間間隔。5.3主存儲器及存儲控制135.3.1主存儲器

存儲器地址寄存器（MAR）

——k條地址線，2k個可尋址單元存儲器緩沖寄存器(MBR)

——n條數(shù)據(jù)線，字長

5.3主存儲器及存儲控制主存儲器和CPU間的數(shù)據(jù)傳輸通過：145.3.1主存儲器

基本操作：讀或?qū)?.3主存儲器及存儲控制2k155.3主存儲器及存儲控制5.3.2主存儲器的基本組成存儲體外圍電路地址譯碼方式基本存儲電路的組合，矩陣形式保存數(shù)據(jù)多字一位片、多字多位片

地址譯碼器——接受CPU送來的地址信號并對它進行譯碼，選擇與此地址碼相對應的存儲單元，以便對該單元進行讀／寫操作

I/O電路——控制信息的讀出與寫入（包含對I/O信號的驅(qū)動及放大處理功能）片選控制端CS——用以實現(xiàn)芯片的選擇集電極開路或三態(tài)輸出緩沖器

單譯碼——n根地址輸入經(jīng)全譯碼有2n個輸出線復合譯碼——X地址線和Y地址線相“與” 165.3主存儲器及存儲控制5.3.2主存儲器的基本組成17存儲器芯片與CPU的連接存儲芯片的擴展如何用容量較小、字長較短的芯片組成微機系統(tǒng)所需容量和字長的存儲器？5.48086系統(tǒng)的存儲器組織185.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.18085CPU的存儲器接口要由地址總線給出地址信號，選擇要進行讀/寫操作的存儲單元通過控制總線發(fā)出相應的讀/寫控制信號在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)交換址線的連接數(shù)據(jù)線的連接控制線的連接

CPU總線的負載能力

CPU與存儲器工作速度的匹配存儲器的地址分配和片選問題控制信號的連接1.CPU與存儲器之間的連接CPU對存儲器進行讀寫操作過程：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：在連接中要考慮以下問題：19D15～D0數(shù)據(jù)線：高8位、低8位、16位數(shù)據(jù)

A19～A0地址線：1M字節(jié)

M/IO存儲器或I/O端口訪問信號RD讀信號：從內(nèi)存讀信息WR寫信號：往內(nèi)存寫信息BHE總線高字節(jié)有效信號5.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.18085CPU的存儲器接口2.CPU提供的信號線205.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展1.ROM擴展電路只讀存儲器，16位數(shù)據(jù)EPROM型號：容量——27后面的數(shù)字除以8,KB

如芯片型號為2716的EPROM容量為16/8=2KB（11根地址線）總線部分數(shù)據(jù)線：D0~D7，地址線：A0~An－1電源部分電源線和地線：VCC、GND編程電壓：VPP（12V）控制部分讀控制線：OE片選線：CS21【例5-1】設(shè)計一個擴展ROM電路，容量為32K字，地址從00000H開始5.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展1.ROM擴展電路32K字＝64KB,如果選擇27256（256/8＝32KB）需要2片，其中一片存儲低8位信息，接CPU數(shù)據(jù)線D0~D7；另一片存儲高8位信息，接CPU數(shù)據(jù)線D8~D15設(shè)計步驟：選片地址從00000H開始的64KB，其地址范圍為00000H~0FFFFH確定地址范圍225.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展1.ROM擴展電路當CPU的低位地址線A15~A0從0000H~FFFFH，其高位地址A19~A16保持不變，仍為0H。這就提示我們，片選信號由A19~A16產(chǎn)生。當其為0H時，片選信號有效

CPU的A15~A0作為EPROM的片內(nèi)單元的譯碼線，可以尋址64KB（216），應直接與芯片27256的地址輸入線A14~A0相連接。當其發(fā)生變化時，可以選中芯片內(nèi)的任一指定單元確定CS信號CPU的A15~A0與芯片27256的地址輸入線A14~A0如何相連？

8086CPU是一個16位的CPU，可以進行16位操作。8086CPU在讀數(shù)據(jù)時，是16位的操作，同時讀一個偶地址單元和奇地址單元。這就表明，CPU的地址線A0是不能參與地址譯碼的，因為一旦A0參與譯碼，就會區(qū)分奇、偶地址，這樣就不可能同時讀出兩個單元的內(nèi)容A0地址線235.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展1.ROM擴展電路奇片偶片245.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展1.ROM擴展電路1）CPU通過其地址線發(fā)地址信息00000H2）M/IO有效，表示地址線上的信息位內(nèi)存地址3）CS信號有效，兩片EPROM都可以工作，同時由于A15~A1全為0，兩個芯片的第0號單元均被選中CPU發(fā)讀信號，RD有效，數(shù)據(jù)從兩片EPROM的0號單元通過數(shù)據(jù)線D15~D0傳輸?shù)紺PU若DS=0000H,當CPU執(zhí)行指令MOVAX,[0000H]時

CPU實際對以下單元進行了操作：對偶片的第0號單元00000H

奇片的第0號單元00001H 255.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展2.RAM擴展電路讀寫存儲器，16位數(shù)據(jù)，高8位，低8位靜態(tài)RAM型號：容量——61或62后面的數(shù)字除以8,KB

如芯片型號為6264的RAM容量為64/8=8KB總線部分數(shù)據(jù)線：D0~D7；地址線：A0~An-1電源部分電源線和地線：VCC、GND控制部分寫控制線：WR讀控制線：OE片選線：CS26【例5-2】設(shè)計一個擴展RAM電路，容量為32K字，地址從10000H開始，芯片采 用62256地址從10000H開始的64KB，其地址范圍為10000H~1FFFFH5.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展2.RAM擴展電路設(shè)計步驟：確定芯片個數(shù)32K字＝64KB,如果選擇62256（256/8＝32KB）需要2片，其中一片存儲低8位信息（偶片），接CPU數(shù)據(jù)線D0~D7;另一片存儲高8位信息（奇片），接CPU數(shù)據(jù)線D8~D15確定地址范圍275.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展2、RAM擴展電路當CPU的低位地址線A15~A0從0000H~FFFFH，其高位地址A19~A16保持不變，仍為1H。這就提示我們，片選信號由A19~A16產(chǎn)生。當其為1H時，片選信號有效。

CPU的A15~A0作為RAM的片內(nèi)單元的譯碼線，可以尋址64KB（216），應直接與芯片27256的地址輸入線A14~A0相連接。當其發(fā)生變化時，可以選中芯片內(nèi)的任一指定單元確定CS信號A0地址線285.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展2.RAM擴展電路奇片偶片295.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展2.RAM擴展電路若DS=0001H,當CPU執(zhí)行指令MOV[0000H],AX時

AX內(nèi)容進入數(shù)據(jù)線D15~D0，地址線除D16=1外，A19~A7和A15~A1全為0，BHE和A0也為0，WR有效，這樣兩片RAM都可以工作，兩個芯片的第0號單元均被選中，16位數(shù)據(jù)低8位和高8位分別進入偶片RAM和奇片RAM的第0號單元。若DS=0001H,當CPU執(zhí)行指令MOV[0001H],AL時

AL內(nèi)容進入數(shù)據(jù)線D15~D8，地址線除D16=1外，A19~A1全為0，BHE為0，A0為1，WR有效，這樣奇片RAM工作，數(shù)據(jù)進入奇片RAM的第0號單元。MOV[0000H],AL自行分析305.48086系統(tǒng)的存儲器組織ROM與RAM的區(qū)別：ROM正常工作時，CPU對它只作讀操作，即總是16位的操作RAM的操作復雜

讀：16位、高8位、低8位寫：16位、高8位、低8位315.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展3.三－八譯碼器74LS138以上設(shè)計的CS信號都是由組合邏輯電路產(chǎn)生，實際應用時也可以由譯碼器產(chǎn)生。常用的譯碼芯片是74LS138譯碼器功能是3→8譯碼器有三個“選擇輸入端”C、B、A選擇8個輸出端Y7~Y0三個“使能輸入端”G1、G2A、G2B32輸入輸出使能選擇G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y01000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011101111111其它XXX1111111174LS138功能表

335.48086系統(tǒng)的存儲器組織5.4.2存儲芯片的擴展3.三－八譯碼器74LS138奇片偶片345.5現(xiàn)代內(nèi)存芯片技術(shù)同步SRAM在統(tǒng)一時鐘的控制下同步操作，一般支持突發(fā)操作FIFO先進先出Multi-SRAM具有多數(shù)據(jù)端口非揮發(fā)SRAM(NVSRAM)靜態(tài)加后備電源類SRAM用動態(tài)RAM，內(nèi)部加刷新電路FPMDRAM快速操作時維持地址不變，由連續(xù)的CAS信號對不同的列地址進行操作EDODRAM省略了用于行地址建立和保持的時間以及行、列地址復合時間，以提高訪問速度SDRAM針對存儲器訪問的所有操作（地址譯碼、數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氲龋┚诮y(tǒng)一時鐘的控制下同步進行RDRAM（突發(fā)存取的高速動態(tài)隨機存儲器）采用Rambus信號標準，允許多個設(shè)備同時以高速的帶寬隨機尋址存儲器，進行高速數(shù)據(jù)傳輸1.靜態(tài)RAM2.動態(tài)RAM355.5現(xiàn)代內(nèi)存芯片技術(shù)DRAM內(nèi)存條的種類SIMM——SingleInlineMemoryModule單列直插式內(nèi)存模塊72線：32位數(shù)據(jù)、12位行列公用地址、RAS、CAS等

在Pentium微型機中必須成對使用365.5現(xiàn)代內(nèi)存芯片技術(shù)DRAM內(nèi)存條的種類DIMM——DualInlineMemoryModule雙列直插式內(nèi)存模塊168線：64位數(shù)據(jù)、14位行列公用地址、RAS、CAS等

可單數(shù)使用37習題解答：在8086系統(tǒng)中，試用4K×8位的EPROM2732和2K×8位的靜態(tài)6116以及74LS138譯碼器，構(gòu)成一個16KB的ROM（從F0000H開始）和8KB的RAM（從C0000H開始），設(shè)8086工作于最小模式。畫出硬件連接圖，寫出ROM和RAM的地址范圍。38設(shè)計步驟：確定芯片個數(shù)16KB=8K字，選用4K×8位的EPROM2732需要4片，其中2片存儲低8位信息（偶片），接CPU數(shù)據(jù)線D0~D7;另2片存儲高8位信息（奇片），接CPU數(shù)據(jù)線D8~D15（1）ROM

（2）RAM

8KB=4K字,2K×8位的靜態(tài)6116需要4片，其中2片存儲低8位信息（偶片），接CPU數(shù)據(jù)線D0~D7;另2片存儲高8位信息（奇片），接CPU數(shù)據(jù)線D8~D15由8086存儲器結(jié)構(gòu)特點確定：ROM正常工作時，CPU對它只作讀操作，即總是16位的操作RAM的操作復雜

讀：16位、高8位、低8位寫：16位、高8位、低8位39地址從F0000H開始的16KB，其地址范圍為F0000H~F3FFFH設(shè)計步驟：確定地址范圍（1）ROM

（2）RAM

A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011110000000000000000111100011111111111111111001000000000000011110011111111111111ROM1,28KBROM3,48KBA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01100000000000000000011000000

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