chapter5存儲器原理與擴展(ZQL)課件

微機原理與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)QQ:646938309Email:2/6/20231第5章

存儲器原理與擴展2/6/20232西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院教學(xué)內(nèi)容

本章在簡要介紹半導(dǎo)體存儲器的分類和基本存儲元電路的基礎(chǔ)上，重點介紹了常用的幾種典型存儲器芯片及其與CPU之間的連接與擴展問題，并簡要介紹了目前常用的幾種存儲器器件。具體內(nèi)容如下： 1、半導(dǎo)體存儲器的分類

2、隨機讀寫存儲器---RAM 3、只讀存儲器----ROM、Flash 4、存儲器與CPU的連接 5、存儲器器件簡介2/6/20233西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/20235西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/20236西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.1概述（了解）存儲器是計算機系統(tǒng)的主要組成部件，是計算機記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)信息。存儲器主要采用磁性材料、半導(dǎo)體器件和光學(xué)存儲材料等介質(zhì)來實現(xiàn)。根據(jù)存儲器的存儲材料、性能和用途不同，存儲器可有多種不同的分類方法。2/6/20237西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院（3）根據(jù)處理器所訪問的方式可分為：內(nèi)存儲器：存放CPU要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，CPU可對其直接訪問。高速緩沖存儲器：提高CPU訪問內(nèi)存的速度，CPU可對其直接訪問。外存儲器：保存計算機系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)，CPU不能直接訪問。圖5.1計算機系統(tǒng)的三級存儲結(jié)構(gòu)圖2/6/20239西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器主要采用MOS型工藝制造，MOS型存儲器具有集成度高、功耗低、價格便宜等特點，適合用作計算機內(nèi)存等。半導(dǎo)體存儲器根據(jù)保存信息的原理不同可分為：隨機讀寫存儲器RAM只讀存儲器ROM閃速存儲器FlashMemory2/6/202310西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.2半導(dǎo)體存儲器的分類2/6/202311西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.3存儲器的名詞含義示意圖2/6/202313西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.1.3半導(dǎo)體存儲器的主要性能指標

存儲容量存儲器所能記憶二進制信息位的數(shù)量。

存取速度（周期）存取周期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，用 來衡量存儲器的存取速度。

存儲器功耗存儲器功耗是指它在正常工作時所消耗的電功率。

可靠性和工作壽命可靠性一般指存儲器對外界電磁場及溫度等變化的抗干擾能力。存儲器的可靠性用平均無故障間隔時間MTBF來衡量。

集成度指在一塊芯片上能夠集成的晶體管數(shù)目。

性能/價格比2/6/202314西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/202315西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.2.1靜態(tài)存儲器

1.

SRAM基本存儲元

存儲元是組成存儲器的基礎(chǔ)和核心，它用來存儲一位二進制信息“0”或“1”。圖5.4所示是用六個MOS管構(gòu)成的SRAM存儲元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。該存儲元是由兩個MOS反相器交叉耦合而成的觸發(fā)器，一個存儲元存儲一位二進制代碼。這種電路結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定，并且A，B兩點的電位總是互為相反的，因此它能表示一位二進制的“0”或“1”。下面我們詳細分析說明該存儲元的工作原理和讀寫操作過程。2/6/202317西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.4六個MOS管的基本存儲元電路結(jié)構(gòu)示意圖2/6/202318西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院（1）圖中虛線內(nèi)表示靜態(tài)SRAM的一個存儲元電路由6個MOS管構(gòu)成。T1和T2為工作管，T3和T4為負載管，T5和T6為開關(guān)管。（2）X地址譯碼線和Y地址譯碼線兩個信號線同時有效時，該存儲元被選中進行讀/寫。T7和T8為開關(guān)管，控制數(shù)據(jù)位的導(dǎo)通（讀/寫）。（3）在上電瞬間，T3和T4管導(dǎo)通，使得A和B兩點電壓上升。由于A和B兩點電壓上升快慢不同，當A點電壓上升較快時，T2管較早導(dǎo)通，使得B點處于低電平，導(dǎo)致T1管截止，A點處于高電平，使得T2管更加導(dǎo)通，從而形成一個A點高電平、B點低電平的穩(wěn)定工作狀態(tài)；反之依然。（4）這種電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，并且，A和B兩點電平總是互為相反的。所以，可用A點電平的高或低來表示“1”或“0”信息，即存放一個穩(wěn)定的二進制信息值。（5）當進行讀/寫操作時，X地址譯碼線和Y地址譯碼線兩個信號線同時有效，導(dǎo)致T5、T6、T7、T8開關(guān)管全部導(dǎo)通，A和B兩點通過分別連接的位線D和/D，從而使兩點的存放信息被分別讀出到I/O和/I/O線上（或反過來寫入），實現(xiàn)該存儲元的信息值讀/寫操作。讀出信息后，原存放信息不會被改變。（6）靜態(tài)RAM的基本存儲元電路中MOS管數(shù)目比較多，故集成度較低。此外，T1和T2管始終有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，使得靜態(tài)RAM的功耗比較大。但是靜態(tài)RAM存放的信息穩(wěn)定，不需要刷新電路，所以存儲器外圍電路比較簡單。2/6/202319西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院

存儲矩陣

存儲信息的載體，由基本存儲元構(gòu)成。

存儲器讀/寫控制邏輯

對CPU發(fā)來的存儲器訪問控制信號譯碼，控制存儲器進行相應(yīng)的操作。

雙向數(shù)據(jù)緩沖器

存儲器數(shù)據(jù)的輸入和輸出通道。

地址譯碼器

用于選擇存儲矩陣中的存儲單元。2/6/202321西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.6單譯碼的電路連接示意圖圖5.7雙譯碼的電路連接結(jié)構(gòu)示意圖單譯碼方式：適合于存儲單元數(shù)目較少的存儲矩陣使用；

雙譯碼方式：X和Y兩個譯碼器，即將輸入地址線分成X地址和Y地址兩部分分別進行譯碼。節(jié)省譯碼器的輸出線，適合于存儲單元數(shù)目很多的存儲矩陣使用。2/6/202322西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院128選1譯碼器2/6/202323西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院3.靜態(tài)RAM的讀寫時序靜態(tài)RAM通?？膳cCPU直接連接，作為內(nèi)存使用。圖5.8SRAM的讀操作時序圖圖5.9SRAM的寫操作時序圖2/6/202325西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院4.靜態(tài)RAM芯片介紹常用的6264芯片是高速SRAM芯片，它采用雙列直插式（DIP）封裝，共有28個引腳，各引腳功能說明如下：

A12~A0：13根地址線；

D7~D0

：8根數(shù)據(jù)線；

CS1，/CS2：2根片選線；

/WE：1根讀寫線；

/OE：1根輸出使能線；

Vcc和Gnd

：電源和地線；2/6/202326西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院表5.16264芯片的工作方式選擇。工作方式CS2/CS1/OE/WED7~D0讀1001輸出寫10x0輸入未選通x1xx高阻未選通0xxx高阻注：“x”表示可以是“0”或“1”圖5.116264芯片的邏輯電路示意圖2/6/202327西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.12四管動態(tài)RAM基本存儲元不講解！2/6/202329西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院DRAM的刷新是在位線上增加一個預(yù)充MOS管來自動刷新所存儲的信息值。刷新過程如下：(1)、預(yù)充MOS管導(dǎo)通，電源ED給數(shù)據(jù)線上的電容CD進行充電后，預(yù)充管截止。(2)、行選擇線有效，讓T5和T6兩個開關(guān)管導(dǎo)通，然后，數(shù)據(jù)線上的電容CD給柵極電容C1或C2補充電荷。(3)、行選擇線無效，刷新結(jié)束。通過上述刷新步驟可以看出，每次只是行選擇線有效，而列選擇線無效。所以，存儲器刷新采用讀操作方式進行，每次可刷新所選擇行上的所有存儲元的內(nèi)容。不講解！2/6/202330西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院2.單管動態(tài)存儲元圖5.13單管動態(tài)RAM基本存儲元為了更進一步縮小存儲器的體積，提高單片存儲器的集成度，DRAM一般采用單管動態(tài)基本存儲元電路來實現(xiàn)。單管動態(tài)RAM基本存儲元電路由一個電容和一個MOS管構(gòu)成。不講解！2/6/202331西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院名稱優(yōu)點缺點四管存儲元電路外圍電路比較簡單，刷新時不需要另加外部邏輯管子多，占用的芯片面積大單管存儲元電路元件數(shù)量少，集成度高需要有高鑒別能力的讀出放大器配合工作，外圍電路比較復(fù)雜單管存儲元電路和四管存儲元電路對比不講解！2/6/202332西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院3.動態(tài)RAM芯片介紹2164是動態(tài)存儲器DRAM芯片，它采用雙列直插式封裝，共有16個引腳，工作電源+5V，各引腳功能說明如下：A7~A0：8根地址線；Din，Dout：輸入和輸出數(shù)據(jù)線；/RAS：1根行地址選擇線；/CAS：1根列地址選擇線；/WE：1根寫信號線；VDD，Vss：電源和地線；NC：無用線。圖5.142164芯片的引腳分配圖不講解！2/6/202333西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院4.DRAM與CPU的連接DRAM集成度很高，但需硬件刷新電路支持工作。圖5.16為DRAM與CPU的連接邏輯框圖。圖中的虛線框內(nèi)稱之為DRAM控制器。它是CPU與DRAM中間的接口電路，即將CPU的信號變換成適合DRAM的連接信號。CPU借助這個DRAM控制器，可把DRAM看做像SRAM一樣去使用。圖5.16DRAM與CPU的連接邏輯框圖2/6/202334西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.動態(tài)RAM的讀寫時序圖5.17DRAM的讀操作時序圖圖5.17DRAM的讀操作時序圖2/6/202335西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/202336西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.3只讀存儲器（了解）ROM的分類只讀存儲器簡稱ROM，它只能讀出，不能寫入。它的最大優(yōu)點是具有不易失性。根據(jù)編程方式不同，ROM通常分為三類：

掩模式ROM：又稱maskROM一次編程ROM：又稱PROM多次編程ROM：又稱EPROM,EEPROM2/6/202337西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.3.1掩膜式ROMMaskROM是生產(chǎn)廠家按用戶定制的要求，在芯片的生產(chǎn)過程中寫入固定信息值，因而使用時只可讀出，不能修改。MaskROM的優(yōu)點是可靠性高，集成度高，批量生產(chǎn)成本低，適宜于大批量的定型專用產(chǎn)品。缺點是不可重寫，不適用于需要多次修改的研究開發(fā)過程。2/6/202338西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.3.2一次編程式ROM一次編程式只讀存儲器PROM出廠時所有存儲單元內(nèi)容全為“1”或“0”，用戶可用專用的PROM編程器將信息寫入。這種寫入是破壞性的，也就是說只能進行一次編程，無法進行更改。根據(jù)編程原理PROM可分為兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是熔絲燒斷型一種是PN結(jié)擊穿型由于PROM可靠性差，加上只能一次性編程，所以產(chǎn)品已經(jīng)淘汰。2/6/202339西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.3.3多次編程式ROMPROM雖然可供用戶進行一次編程，但仍有局限性。為了便于研究工作，實驗各種ROM程序方案，可擦除、可多次編程式ROM在實際中得到了廣泛應(yīng)用。這種存儲器利用專用的編程器進行信息擦除和信息再寫入，寫入信息后的芯片便可作為只讀存儲器來使用。目前，根據(jù)擦除芯片內(nèi)信息的方式不同，可擦除、可多次編程式ROM分為兩種類型：紫外線擦除方式、可多次編程式，即EPROM電擦除方式、可多次編程式，即EEPROM2/6/202340西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院1.EPROM存儲器圖5.19為一個P溝道實現(xiàn)的EPROM的基本存儲元物理構(gòu)造示意圖。它是在N型基體片上生長了兩個高濃度的P型區(qū)，通過歐姆接觸，分別引出源極(S)和漏極(D)。在S極和D極之間，有一個多晶硅做的柵極，它的周圍被二氧化硅絕緣物所包圍，柵極是浮空的。這樣的管子制造好時，多晶硅柵極上沒有電荷，所以D極和S極之間是不導(dǎo)通的。圖5.19EPROM的基本存儲元物理構(gòu)造示意圖圖5.20EPROM基本存儲元電路結(jié)構(gòu)示意圖不講解！2/6/202341西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院由這種EPROM做成的存儲器芯片，在封裝上與一般集成電路不同，其頂部中間部分有一個石英玻璃窗口，用于對存儲器的擦除操作。當用紫外線近距離直射窗口大約20分鐘時，電路中的浮空多晶硅柵極上的積聚電子全部形成光電流泄漏掉，D極和S極之間不再導(dǎo)通，即讀出值為“1”，恢復(fù)到初始狀態(tài)。存放用戶信息的EPROM存儲器為了防止因光線長期照射而引起的信息破壞，需用遮光膠紙貼于石英窗口上。一個EPROM的封裝外形如圖5.21(a)所示。圖5.21Intel2764芯片的封裝外形圖不講解！2/6/202342西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院2.EEPROM存儲器介紹EEPROM是一種采用金屬氮氧化硅工藝生產(chǎn)的可電擦除，可再編程的只讀存儲器，具有在線（或稱在系統(tǒng)，即不用從電路板上拔出來）對單個存儲單元電擦除和再編程的能力。擦除時只需加高電壓對指定單元產(chǎn)生電流，形成“電子隧道”，即可將該單元信息擦除，其他未通電流的單元內(nèi)容保持不變。不講解！2/6/202343西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/202344西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.4Flash存儲器閃速存儲器又稱Flash存儲器，它是一種非易失性存儲器（Non-VolatileMemory，NVM），是在EPROM與EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。Flash存儲器集其它類非易失性存儲器的特點于一身。與EPROM相比較，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢——在系統(tǒng)中可電擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓；與EEPROM相比較，閃速存儲器具有編程速度快，成本低、密度大的特點。Flash存儲器以其集成度高、制造成本低、使用方便等諸多優(yōu)點廣泛地應(yīng)用于辦公設(shè)備、通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。不講解！2/6/202345西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.4.1Flash存儲器類型及特點1.Flash存儲器的類型Flash存儲器有多種實現(xiàn)技術(shù)，目前主要有兩種技術(shù)類型：

NOR型Flash存儲器

NAND型Flash存儲器2/6/202346西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院2.基本工作原理兩種類型的Flash存儲器都是用三端器件作為存儲單元，分別為源極、漏極和柵極。它們與場效應(yīng)管的工作原理相同，主要是利用電場效應(yīng)來控制源極與漏極之間的通與斷。不同點是，場效應(yīng)管為單柵極結(jié)構(gòu)，而Flash為雙柵極結(jié)構(gòu)，即在柵極與硅襯底之間增加了一個浮置柵極。浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化硅材料之間構(gòu)成，圖5.22所示為Flash存儲器的基本存儲元物理構(gòu)造示意圖不講解！2/6/202347西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.22Flash存儲器的存儲元物理構(gòu)造示意圖與場效應(yīng)管一樣，F(xiàn)lash存儲器也是一種電壓控制型器件。NAND型Flash存儲器內(nèi)容的擦除和寫入均是基于隧道效應(yīng)。圖5.22中，電流穿過N型基體與浮置柵極之間的SiO2絕緣層，對浮置柵極進行充電，則完成數(shù)據(jù)寫操作。相反，浮置柵極進行放電，則實現(xiàn)數(shù)據(jù)擦除操作。同理，NOR型Flash存儲器數(shù)據(jù)的擦除也是通過浮置柵極的放電操作實現(xiàn)。但NOR型Flash存儲器在寫入數(shù)據(jù)時則是采用熱電子注入方式，即電流從浮置柵極到源極。不講解！2/6/202348西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院3.NOR型Flash存儲器的特點

以Intel和AMD為代表的NOR型Flash存儲器是最早出現(xiàn)的一類，具有以下特點：程序和數(shù)據(jù)可存放在一塊芯片上，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行?？梢詥巫止?jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，NOR技術(shù)的Flash存儲器的擦除和編程速度較慢。4.NAND型Flash存儲器的特點以三星和東芝為代表的NAND型Flash存儲器，有以下特點：以頁為單位進行讀和編程操作，以塊為單位進行擦除操作，具有快編程和快擦除功能，塊擦除時間是2ms，而NOR技術(shù)的塊擦除時間達幾百ms。數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度相對比較慢，且不能按字節(jié)隨機編程。適合于純數(shù)據(jù)和文件存儲。芯片尺寸小，引腳少，是位成本（bitcost）最低的固態(tài)存儲器。芯片包含有失效塊，失效塊不會影響有效塊的性能，但需要屏蔽。不講解！2/6/202349西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.4.2Flash芯片介紹1.SST39VF160芯片2.FlashK9F2808U0C芯片SST39VF160是SST公司的CMOS多功能Flash存儲器，由SST特有的高性能SuperFlash技術(shù)制造而成。具有固定的擦除和編程時間，存儲容量為1M×16位，工作電壓為2.7V～3.6V，擦除/編程壽命10萬次。該芯片屬于NOR型Flash存儲器，具有SRAM接口，采用48腳TSOP封裝。K9F2808U0C是三星公司生產(chǎn)的NAND型Flash存儲器，存儲容量為16M×8位，工作電壓為2.7V～3.6V。528字節(jié)的頁編程時間為200us，16K字節(jié)的塊擦除時間為2ms，頁面的數(shù)據(jù)以每字50ns的速度被讀出。數(shù)據(jù)輸入/輸出、地址輸入和操作指令輸入均是通過共用的8位I/O總線完成，所以NAND型Flash存儲器的操作比較復(fù)雜。芯片內(nèi)寫控制自動實現(xiàn)所有編程和擦除功能，擦除/編程壽命10萬次。不講解！2/6/202350西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接（掌握）2/6/202351西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.5存儲器擴展存儲器芯片的存儲容量都是有限的，要構(gòu)成所需容量的存儲器，往往單個芯片不能滿足存儲單元數(shù)目或字長的需求，甚至存儲單元和字長數(shù)都不能滿足需求。所以，需要用多個存儲器芯片進行組合來滿足存儲容量需求。針對不同容量需求所進行的存儲器芯片組合稱為存儲器的擴展。存儲器芯片的擴展方式包括：位擴展（橫向擴展）字擴展（縱向擴展）字位同時擴展2/6/202352西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.5.1位擴展（字長方向的擴展）

單塊存儲芯片上的存儲單元數(shù)目滿足存儲器需求，而字長不能滿足需求，需進行的存儲器擴展稱為位擴展。例如：已有8K×1的SRAM芯片，需要組成8K×8的存儲器，這里芯片的存儲單元數(shù)目與存儲器需求一致，但字長不夠，需要進行位擴展來實現(xiàn)。圖5.33所示為8K×1SRAM芯片，采用位擴展組成8K×8的存儲器電路連接示意圖。2/6/202353西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.33位擴展組成的8K×8存儲器電路連接示意圖

由圖看出，位擴展方式存儲器的電路連接特點是：所有芯片的地址線和讀/寫線都連接到總線的對應(yīng)位上，所有芯片共用一個片選信號，而各芯片的數(shù)據(jù)線需要分別連接到數(shù)據(jù)總線的D7~D0位上。2/6/202354西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.5.2字擴展（單元個數(shù)方向的擴展）單塊存儲芯片上的存儲字長滿足存儲器需求，而存儲單元數(shù)目不能滿足需求，需進行的存儲器擴展稱為字擴展，字擴展就是存儲單元數(shù)量的擴展。圖5.34所示為16K×8SRAM芯片，采用字擴展方式，組成64K×8的存儲器電路連接示意圖。由圖看出，字擴展方式存儲器的電路連接特點是：所有芯片的數(shù)據(jù)線、地址線和讀/寫線都連接到總線的對應(yīng)位上，而由片選信號來指定各片地址范圍。2/6/202355西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.34字擴展組成的64K×8存儲器電路連接示意圖圖中每個16K×8位SRAM芯片，都有14位地址線，經(jīng)過字擴展后，組成64K×8位的存儲器，則需要16位地址線。其中，這16位地址線的低14位（A13~A0）直接與各芯片的地址線連接，用于進行片內(nèi)尋址。另外的高2位地址線（A15和A14）經(jīng)2—4譯碼器譯出4位片選線，分別與4個芯片的片選信號相連接，用來選定各芯片在整個存儲空間中所屬的地址范圍。2/6/202356西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.5.3字位同時擴展在實際應(yīng)用中，單塊存儲芯片上的存儲單元數(shù)目和字長均不能滿足存儲器需求時，就需要同時進行位擴展和字擴展，即字位同時擴展。例，現(xiàn)有1K×4SRAM存儲器芯片，要構(gòu)成某計算機存儲系統(tǒng)所需4K×8的存儲器，下面介紹如何通過1K×4芯片構(gòu)成4K×8的存儲器。單塊1K×4芯片的存儲單元數(shù)目是1K，字長是4位。所需的存儲器是4K×8。因此，該單塊芯片的存儲單元數(shù)目不滿足要求，需要將存儲單元數(shù)目從1K擴展到4K；字長也不滿足要求，需要將字長從4位擴展到8位。所以，采用1K×4芯片構(gòu)成4K×8的存儲器，需要進行字擴展和位擴展，即字位同時擴展。2/6/202357西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.351K×4芯片位擴展構(gòu)成1K×8存儲模塊的電路連接示意圖

第一步，先進行位擴展，由1K×4芯片采用位擴展方式構(gòu)成1K×8的存儲模塊。由位擴展方式可知，要達到存儲模塊所需的每個存儲單元8位，需要使用2塊1K×4芯片來擴展構(gòu)成1K×8的存儲模塊，擴展電路連接如圖5.35所示。由圖看出，兩個單芯片的4位數(shù)據(jù)總線擴展后構(gòu)成8位數(shù)據(jù)總線。2/6/202358西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.361K×8存儲模塊字擴展構(gòu)成4K×8存儲器的電路連接示意圖第二步，再進行字擴展，由1K×8的存儲模塊采用字擴展方式構(gòu)成4K×8存儲器。通過計算可知，共需4個1K×8的存儲模塊來擴展構(gòu)成4K×8的存儲器，其擴展電路連接如圖5.36所示。由圖可知，經(jīng)過字擴展后，尋址空間由1K增加到4K，地址總線也由10位增加到12位。其中，地址線的高兩位經(jīng)過譯碼器后產(chǎn)生所需的4個片選信號。2/6/202359西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院上述分兩步實現(xiàn)了存儲器的擴展，第一步用2塊芯片實現(xiàn)位擴展，第二步用4個存儲模塊實現(xiàn)字擴展，計算可得共需使用8塊芯片完成存儲器的字位擴展。如果選用1K×4SRAM芯片，采用字位同時擴展方式，直接構(gòu)成4K×8存儲器，則其電路連接如圖5.37所示。圖5.37字位同時擴展構(gòu)成4K×8存儲器電路連接示意圖2/6/202360西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院

圖中，將8個1K×4SRAM芯片分成了4組（每個虛線框為一組，共有4組），每組2片。組內(nèi)采用位擴展法構(gòu)成1K×8的存儲模塊，4個這樣的存儲模塊采用字擴展法便組成了4K×8的存儲器。所組成的4K×8存儲器共需12位地址線，其中，地址線低10位（A9~A0）用作4個存儲模塊的片內(nèi)尋址，地址線高2位（A11A10）經(jīng)2—4譯碼器譯出4根片選線，分別與這4組存儲模塊的片選信號相連接，用來選定4個存儲模塊在整個存儲地址空間中所屬的地址范圍。

總結(jié)上述的字位同時擴展電路設(shè)計方法，并推廣到一般情況，可得知：若使用j×k位存儲器芯片構(gòu)成一個容量為M×N位的存儲器（M>j，N>k），那么共需要j×k位存儲器芯片的數(shù)量是：（M/j）×（N/k）個。連接時可將這些芯片分成（M/j）個組，每組有（N/k）個芯片，組內(nèi)采用位擴展法，組間采用字擴展法。2/6/202361西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院第五章存儲器原理與擴展5.1概述5.2隨機存儲器（了解）5.3只讀存儲器（了解）5.4Flash存儲器（了解）5.5存儲器的擴展（掌握）5.6存儲器與CPU連接

（掌握）2/6/202362西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.6存儲器與CPU連接在微機系統(tǒng)中，CPU對存儲器讀/寫操作，是通過CPU總線讀/寫周期完成的。CPU總線包括：地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線，又稱三總線。CPU總線的讀/寫操作，首先由地址總線給出地址信號，然后發(fā)出讀/寫控制信號，最后在數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)的讀/寫操作。所以，存儲器必須正確的連接到CPU總線上，才能進行讀/寫訪問。2/6/202363西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.6.1連接時應(yīng)注意的問題存儲器在與CPU總線連接時，應(yīng)注意下述幾點問題:1.CPU總線的帶負載能力CPU在設(shè)計時，一般輸出線的帶負載能力是有限的。采用MOS管的半導(dǎo)體存儲器，直流負載很小，主要是電容負載。所以，在簡單系統(tǒng)中，CPU可直接與存儲器相連，而在復(fù)雜系統(tǒng)中，CPU需要通過驅(qū)動器來增強輸出帶負載的能力。2/6/202364西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院2.CPU與存儲器之間的時序配合CPU對存儲器讀寫訪問都有固定的時序要求。具體地說，當CPU讀操作時，從CPU發(fā)出地址和讀信號后，存儲器必須在限定時間內(nèi)輸出有效數(shù)據(jù)；而當CPU寫操作時，存儲器必須在寫脈沖規(guī)定的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)寫入指定存儲單元上。否則，就無法保證準確地傳送數(shù)據(jù)。所以，需要選擇能夠滿足CPU讀/寫時序要求的存儲器芯片來使用。2/6/202365西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院3.CPU與DRAM的連接（需要刷新）當采用SRAM芯片做系統(tǒng)存儲器時，可以直接與CPU總線連接；而采用DRAM芯片時，因為DRAM存儲器需要定時刷新，所以，一般需要通過DRAM控制器連接到CPU總線上。此外，由于不同類型的存儲器其控制信號不完全相同。不同型號CPU的讀/寫控制信號也不一樣。在進行存儲器連接時，要注意這些信號連接的正確性。2/6/202366西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院4.存儲器的組織方式（構(gòu)建存儲體）在各種微機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線可能是8位、16位或32位等，存儲容量可能需要64K、640K或4M等。因此，就可能需要使用多片存儲器進行組織，構(gòu)成微機系統(tǒng)所需的存儲容量。例：用8片16K×8位RAM構(gòu)成128K×8Bit、64K×16Bit或32K×32Bit的存儲器。5.地址空間劃分及存儲器連接微機系統(tǒng)的地址空間上，包含有ROM區(qū)、RAM區(qū)等。ROM區(qū)用來存放基本程序（如：BIOS），RAM區(qū)用來存放工作程序和數(shù)據(jù)。而RAM區(qū)又分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。所以合理劃分內(nèi)存地址空間，正確連接各種類型的存儲器到指定的地址空間是必要的。2/6/202367西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院5.6.2地址空間劃分及存儲器連接1.地址空間的劃分CPU在設(shè)計時，地址空間劃分和地址編碼，是靠地址線來實現(xiàn)。在微機系統(tǒng)中，CPU型號不同，其地址總線數(shù)目不同，可尋址的空間大小也不一樣。

表5.5各型號CPU可尋址的空間表CPU型號數(shù)據(jù)總線地址總線尋址空間Intel80888位20位1MBIntel8028616位24位16MBIntel8038632位32位4GBIntel8058664位36位64GBARM7TDMI32位32位4GBARM9TDMI32位32位4GB2/6/202368西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.25LPC2200芯片的地址空間分配圖LPC2200芯片的CPU采用ARM7TDMI核，共有32條地址線，可尋址的地址空間為0x0000_0000～0xFFFF_FFFF，共4GB。系統(tǒng)的地址空間主要劃分為：片內(nèi)存儲區(qū)、片外儲存區(qū)和外設(shè)地址區(qū)。片內(nèi)和片外又可分為ROM區(qū)和RAM區(qū)。2/6/202369西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院2.存儲器的連接對于一個指定的存儲器地址空間，如何將選定的存儲器芯片連接到該地址空間上去，通常是采用片選信號線，同時附加不同數(shù)目的地址線配合來完成。片選信號線用于選通指定的存儲器地址空間范圍，而地址線是用于對指定存儲器地址空間內(nèi)部的存儲單元尋址。產(chǎn)生片選信號的方法一般是:

線選法譯碼法2/6/202370西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院（1）線選法線選法就是用CPU的低位地址線對存儲器模塊內(nèi)的存儲單元進行尋址，所需地址線數(shù)目就是存儲器模塊的地址線數(shù)目，而高位地址線（或經(jīng)過反相器后）直接用做片選信號，可分別連接到各存儲器模塊的片選端。用線選法構(gòu)成的存儲器系統(tǒng)，優(yōu)點是不需增加邏輯電路，線路簡單；缺點是各模塊間的地址不連續(xù)，存儲單元的地址不唯一，即存在地址重疊。重疊的空間不準使用，因而會造成系統(tǒng)存儲空間的浪費。線選法適合于地址空間劃分簡單的微機系統(tǒng)。2/6/202371西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院（2）譯碼法譯碼法就是用CPU的低位地址線對存儲器模塊內(nèi)的存儲單元進行尋址，所需地址線數(shù)目就是存儲器模塊的地址線數(shù)目，而高位地址線經(jīng)過譯碼器譯碼后，輸出用做各模塊的片選信號。譯碼法可以分為全譯碼和部分譯碼兩種。全譯碼就是把高位地址線全部進行譯碼后，輸出做片選信號的方法。采用全譯碼時各模塊的地址范圍是唯一的，沒有地址重疊，地址空間可以得到充分利用。部分譯碼就是用高位地址線其中的一部分進行譯碼后，輸出做片選信號的方法。采用部分譯碼時，會產(chǎn)生地址碼重疊的存儲區(qū)域。與全譯碼法比較，部分譯碼法電路比較簡單。2/6/202372西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院3.常用譯碼器芯片介紹74LS138：3—8譯碼器芯片74LS139：雙2—4譯碼器芯片74LS154：4—16譯碼器芯片各譯碼器用法基本類似，在此簡單介紹74LS138芯片。2/6/202373西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.2674LS138引腳分配圖圖5.2774LS138譯碼邏輯電路圖由圖可看到，譯碼器74LS138的工作條件是同時滿足：G1=1、/G2A=0、/G2B=0。譯碼輸入為C、B、A三個信號，譯碼輸出有八種狀態(tài)，輸出是低電平有效。當不滿足編譯條件時，輸出全為高電平，相當于譯碼器未工作。2/6/202374西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院G1CBA譯碼輸出：

10000001111111100001101111111000101101111110001111101111100100111101111001011111101110011011111101100111111111100xxxxx11111111x1xxxx11111111xx1xxx1111111174LS138譯碼器真值表2/6/202375西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院4.應(yīng)用示例

示例1：IBM-PC/XT機是早期一款最流行的微機系統(tǒng)，采用intel8088做CPU，共有20條地址線，可尋址的地址空間為00000H～FFFFFH，共1MB。系統(tǒng)地址劃分是將低640KB空間用做主存儲器區(qū)，而把其后的384KB空間用做內(nèi)存保留區(qū)。內(nèi)存保留區(qū)包括256KB的ROM空間和128KB的I/O通道保留空間。該微機系統(tǒng)的地址空間分配如圖5.28所示。2/6/202376西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院圖5.28IBM-PC/XT系統(tǒng)的地址空間分配圖2/6/202377西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院由圖可知，系統(tǒng)分配給主板上的主存空間是00000H～7FFFFH，尋址范圍512K；分配給IO通道主存空間是80000H～9FFFFH，尋址范圍128K；分配給保留顯示用存儲空間是A0000H～BFFFFH，尋址范圍128K。線選法和譯碼法的電路設(shè)計如下圖所示。2/6/202378西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院CBAA19A18A17譯碼器譯碼輸出譯碼地址空間空間內(nèi)地址線及尋址范圍結(jié)果000/Y0=0，其余為100000H～1FFFFH00000H～7FFFFH選中主存空間每根線選擇128K空間共計：512K001/Y1=0，其余為120000H～3FFFFH010/Y2=0，其余為140000H～5FFFFH011/Y3=0，其余為160000H～7FFFFH100/Y4=0，其余為180000H～9FFFFH00000H～1FFFFH選中IO通道空間：128K101/Y5=0，其余為1A0000H～BFFFFH00000H～1FFFFH選中顯示用空間：128K上圖中，使用了一片74LS138進行譯碼，其地址空間譯碼說明如下表所示。表5.7譯碼器地址空間譯碼說明2/6/202379西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院計算機系統(tǒng)中，CPU地址總線為16位(A15~A10)，數(shù)據(jù)總線為8位(D7~D0)。系統(tǒng)主存地址空間分配如下：0~8KB為系統(tǒng)程序區(qū)（ROM）；8KB~32KB為用戶程序區(qū)（RAM）

；最后的2KB地址空間用作系統(tǒng)程序工作區(qū)（RAM）?，F(xiàn)有存儲器芯片型號如下：

EPROM:8K×8位；

SRAM:1K×8位,2K×8位,4K×8位,8K×8位；需要從已有的型號中選擇適當芯片，設(shè)計配置該微機的存儲系統(tǒng)，并畫出存儲系統(tǒng)的邏輯連接電路圖。示例2：2/6/202380西安郵電學(xué)院計算機學(xué)院微機系統(tǒng)地址空間分配如圖5.31所示。其中，用戶程序區(qū)和系統(tǒng)程序工作區(qū)，都屬于隨機讀寫操作的存儲空間，所以需要配置為RAM存儲器。圖5.31微機