微機原理第三章

第三章半導體存儲器一、存儲器的基本概念二、存儲器的分類三、存儲器的主要性能指標四、隨機存取存儲器RAM五、只讀存儲器ROM六、存儲器的接口特性一、存儲器的基本概念

存儲器是 一種能保存信息的設備一種具有記憶功能的部件是計算機的重要組成部分是CUP最重要的系統(tǒng)資源之一

DSESSSCSIPPSW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、、、CPU與存儲器的關系存儲器CPU三級層次的存儲器結構1．按用途分類

按存儲器用途可以分為主存儲器和輔助存儲器。⑴主存儲器（MainMemory）主存又稱內存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。用來存放系統(tǒng)軟件及當前運行的應用軟件。二、存儲器分類

1．按用途分類2．按存儲器存取方式不同⑵輔助存儲器（ExternalMemory）輔助存儲器又稱外存，是主存的后援，

一般不安裝在主機板上，屬計算機的外部設備。輔存是為彌補內存容量的不足而配置的，

用來存放不經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，

需要時成批調入主存供CPU使用，CPU不能直接訪問它。最廣泛使用的外存是磁盤、光盤等。 輔存容量大，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。外存需要配置專門的驅動設備才能完成對它的訪問，如硬盤、軟盤驅動器等。2.按存儲器使用屬性分類

內存儲器種類繁多，按使用屬性分為:①

隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）②只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）

1、存儲器容量

通常計算機編址單元是字節(jié)/字

存儲器的容量是指一個存儲器中單元總數(shù)，與每單元的位數(shù)的乘積 如64K字=64K×16位，

512KB（B表示字節(jié)）=512K×8位。 外存為了表示更大的容量，采用MB、GB、TB等。 其中:

1KB=210B，1MB=220B，1GB=230B，1TB=240B三、存儲器的主要性能指標

存儲器性能指標主要有五項：

容量、速度、功耗、可靠性、集成度。

2、存取速度

存儲器的存取速度:

是指訪問（讀/寫）一次存儲器所需要的時間。常用存儲器的存取時間(MemoryAccessTime)

和存儲周期表示，MOS工藝的存儲器存取周期數(shù)為數(shù)十--數(shù)百nS， 雙極型RAM存取周期最快可達10nS以下， 一般存儲周期略大于存取時間， 其差別取決于主存的物理實現(xiàn)細節(jié)。

3.功耗維持功耗操作功耗

4.可靠性指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干撓能力

5.集成度指單位立方毫米芯片上集成的存儲電路數(shù)四隨機存取存儲器RAM

（RandomAccessMemory）

SRAM靜態(tài)RAM(staticRAM)

DRAM動態(tài)RAM（DynamicRAM）

IRAM組合RAM

NVRAM非易失性隨機讀寫存儲器隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）也稱讀寫存儲器對該存儲器內部的任何一個存儲單元，

既可以讀出（取），也可以寫入（存）。

存取用的時間與存儲單元所在的物理地址無關，主要用作主存，也可作為高速緩存使用。

通常說的內存容量均指RAM容量，一般RAM芯片掉電時信息將丟失。按制造工藝分成MOS型和雙極型RAM芯片。按集成電路內部結構不同，RAM又可以分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。

五

只讀存儲器ROM：

ROM中存儲器的信息是在使用之前或制作時寫入的，作為一種固定存儲；運行時只能隨機讀出，不能寫入；電源關斷，信息不會丟失，屬于非易失性存儲器件；常用來存放不需要改變的信息。如操作系統(tǒng)的程序（BIOS）或用戶固化的程序。ROM按集成電路內部結構不同可分為五種：

掩膜編程ROM（MaskprogrammedROM）

PROM可編程ROM(ProgramableROM)

EPROM光可擦除PROM（ErasableProgramableROM）

E2PROM電可擦除PROM（ElectricallyErasablePROM）

FlashMemory快速電擦寫存儲器

FlashMemory快速電擦寫存儲器：FlashMemory是80年代末～90年代初推出的新型存儲器。結構與EPROM相同。其特點是：可以整體電擦除（時間1S）和按字節(jié)重新高速編程。 是完全非易失性的，可以完全代替E2RPOM。能進行高速編程。如:28F256芯片，每個字節(jié)編程需100μs，整個芯片0.5s；最少可以擦寫一萬次，通常可達到10萬次；CMOS低功耗，最大工作電流30mA。與E2PROM進行比較具有容量大、價格低、可靠性高等明顯優(yōu)勢。高速緩沖存儲器介于內存與CPU之間的一種快速小容量存儲器使用少量高速SRAM作為高速緩沖存儲器，使用大量高速DRAM作為內存。高速緩沖存儲器和內存在硬件邏輯控制下，作為一個存儲器整體面向CPU。高速緩沖存儲器的存儲速度為內存的幾倍到幾十倍，容量為幾K到幾十KBCPU高速緩存

內存

控制邏輯159810頁面地址DATA1DATA20123255MAR0頁

1頁。。。127頁MDRCDR

相等？選擇位失敗命中地址總線CPU數(shù)據(jù)總線單字寬多字寬CPU171616數(shù)據(jù)地址對AD有效位高速緩沖存儲器的結構地址字段數(shù)據(jù)字段CARMM有128頁每頁512個地址單元共64K高速緩沖存儲器的工作過程高速緩沖存儲器與內存不統(tǒng)一編址設高速緩沖存儲器的容量為256字，每字40位，稱為數(shù)據(jù)地址對AD，數(shù)據(jù)字段兩個字DATA1和DATA2，每字16位，地址字段8位，最高位為有效位。設內存有128頁，每頁512個地址單元，共64K。高速緩存的地址寄存器CAR的位1到位8用來選擇高速緩沖存儲器的256個雙字，位0=0選DATA2，位0=1選DATA2。位9到位15與內存的頁面地址對應，共127頁讀操作時，CPU發(fā)16位地址到CAR，確定高速緩存中的一個字，同時將地址字段的頁面地址與CAR的高位進行比較，若相等稱為命中，CDR開關打開，數(shù)據(jù)送CPU數(shù)據(jù)總線，若不相等稱為失敗，高速緩存內無CPU需要的數(shù)據(jù)，此時CPU將地址送內存的地址寄存器MAR，通過MDR送CPU的數(shù)據(jù)總線，同時將內存的該頁面的數(shù)據(jù)調入高速緩存中（清除緩存中的舊內容）。寫操作與讀操作基本相同，若比較失敗，則直接寫內存同時更新辦向緩存，若命中有兩種方式，1。向高速緩存寫的同時，也寫內存稱為通寫，2。只寫緩存，不寫內存，到需要更新內存頁內容時，再送內存。高速緩沖存儲器的映象方式

高速緩沖存儲器的與內存間的地址對應關系稱為緩存的地址映象，有兩種地址映象方式：直接映象方式和N路相聯(lián)映象方式。1）直接映象方式——內存地址空間分成大小相等的若干頁，每頁的容量與緩存相等，內存的頁內地址與緩存地址對應，內存地址映象到唯一的緩存單元的方式，即直接映象方式。2）

N路相聯(lián)映象方式——把緩存分成若干體，內存的頁與緩存的體大小相等。把相同頁內地址的內存單元可映象到多個緩存體中的相應單元，構成N路相聯(lián)映象方式。存儲器的結構存儲器地址線位數(shù)n，存儲單元數(shù)為N，他們之間的關系為N=2n。地址譯碼驅動讀寫放大電路...存儲體時序控制線路N位地址總線控制信號線N位數(shù)據(jù)總線六、存儲器芯片接口特性

了解各種常用存儲器芯片接口特性是用戶設計微機存儲器系統(tǒng)的基礎，存儲器芯片的接口特性:

實質上就是了解它與CPU總線相關的信號線的功能及工作時序,以便實現(xiàn)存儲器芯片上信號線與CPU三大總線的連接，構成微機的存儲器系統(tǒng)。因此本節(jié)分二個層次介紹存儲器芯片：介紹存儲器與CPU總線相關信號線存儲器芯片與MPU的連接方式。①ROM控制線ROM芯片提供兩個控制輸入信號：

芯片允許，輸出允許。

＝1使該芯片處于低功耗備用模式； ＝0該芯片被選中，使O7~

O0處于允許狀態(tài)；

=1輸出被禁止,O7~

O0處于高阻；

=0允許O7~

O0正常輸出。由此可見，使ROM能有效地操作必須使==0。②SRAM控制線靜態(tài)RAM(SRAM)提供三個控制輸入信號:

芯片允許輸出允許寫允許無論對SRAM進行讀或寫數(shù)據(jù)時，必須使=0。向SRAM寫數(shù)據(jù)時，=0、=0、=1，將I/O7

~I/O0

配置為輸入，實現(xiàn)存儲器寫操作。從SRAM讀出數(shù)據(jù)時，=1、=0、=0，

I／O7

~I／O0

為非高阻態(tài)，實現(xiàn)對存儲器讀操作。注意:＝＝0不能存在。

＝＝1數(shù)據(jù)線處于高阻抗狀態(tài)， 既不能讀也不能寫。③.DRAM存儲器動態(tài)RAM(DRAM)以電荷形式存儲信息的器件。以INTEL2164為例2164為64K×116根地址分為兩組

/RAS（行地址有效）時，

A0—A7有效

/CAS（列地址有效）時，

A8—A15有效DIN為數(shù)據(jù)輸入，DOUT為數(shù)據(jù)輸出2164內部有4個128×128的存貯矩陣DRAM必須再2ms內對所有內存刷新/RAS作為刷新的選通信號刷新時按行進行，且數(shù)據(jù)線不起作用2164A0—A7DINDOUT/WE/RAS/CAS存儲器芯片與CPU的連接方式存儲器芯片與CPU的連接方式。是指與CPU總線相關的信號線的連接?？刂瓶偩€由芯片類型決定，只能隨芯片一塊討論。

(1)根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)確定主存結構

(2)根據(jù)CPU外部地址總線的位數(shù)與存儲器的容量 確定主存儲器芯片連接原則

(3)8位數(shù)據(jù)總線CPU與存儲器接口(1)根據(jù)CPU外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)

確定主存結構

讀寫存儲器RAM

只讀存儲器ROM

以EPROM2716(2K

8)為例加以說明。

以靜態(tài)RAM(SRAM)2114芯片（1K

4位/片）和6116芯片（2K

8位/片）為例加以說明。

讀寫存儲器RAM（2114芯片）①2114的引腳和邏輯符號如下圖示：

A0~A9I/O1~I/O42114寫允許WE片選CS②2114與8088CPU的連接

要求利用2114組成容量為2K

8的存儲器

2114數(shù)據(jù)線位數(shù)為4位,8088CPU數(shù)據(jù)總線是8位的，

2K容量的存儲器用4片2114實現(xiàn)。地址線要10位,即A0～A9。

2114存儲單元數(shù)為1K(210=1024)單元片選

由A10~A15地址譯碼輸出及某些控制信號(例IO/M)形成。寫允許信號,注意芯片無信號,非寫即讀。

=0， =0為寫,則=1為讀。2114與三大總線如何接?A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片選譯碼?

????地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線

讀寫存儲器RAM（

6116芯片）A10~A0I/O0~I/O76116寫使能WE輸出使能OE片選CS6116存儲芯片為2K

8位,8088CPU數(shù)據(jù)總線是8位的,2K容量的存儲器用一片6116實現(xiàn)。①6116的引腳圖如下A19A18A16A17A15A13A14A12WRIO/MRDCPU&111A11=074LS3074LS24574LS326116WEOECSMEMRMEMWD7~D0ADIRD7~D0BGA10~A0D7~D0???存儲地址為：A0000～A07FFH采用門電路譯碼②6116與8088CPU的連接1010000074LS245存儲器寫DIR=1,A→B存儲器讀DIR=0,B→A

只讀存儲器ROM（2716）

2716存儲芯片為2K

8位的,8088CPU數(shù)據(jù)總線是8位的，2K容量的存儲器用一片2716實現(xiàn)。①其引腳圖如下:2716A10~A0D7~D0OECE/PGMVCC=5V

VPP{使用5V編程+25V存儲器地址： FC000~FC7FFHFC800~FCFFFH …FF800~FFFFFH111111y0y7編程脈沖PGM{

使用{讀出PGM=0待機PGM=1編程45

~55MS其中:片選CE,讀出時CE=0,編程時CE/PGM=1(2)根據(jù)CPU外部地址總線的位數(shù)與存儲器的容量確定主存儲器芯片連接原則確定好電路結構后，存儲器芯片選擇應盡量選用容量相同的芯片。連接原則：芯片的地址線與CPU的低地址總線相連，以確定存儲器片內地址，剩下的高位地址通過譯碼產(chǎn)生片選控制信號。

①根據(jù)系統(tǒng)對存儲器分配情況可以選擇不同的譯碼方式：

線選 全譯碼②常用的譯碼器有以下三種

與非門譯碼器

3－8譯碼器（74LS138）

PLD可編程譯碼器①譯碼方式

線選（地址有重疊區(qū)） PC總線A12~A08K8CSCSCSA13A14A15譯碼方式(續(xù)）

全譯碼（地址無重疊區(qū)） PC總線A12~A0CSCS譯碼。。。A13A14A15②常用的譯碼器

與非門譯碼A19A18A16A17A15A13A14A12WRIO/MRDCPU&111A11=074LS3074LS24574LS326116WEOECSMEMRMEMWD7~D0ADIRD7~D0BGA10~A0D7~D0???存儲地址為：A0000～A07FFH

3－8譯碼器（74LS138）使能輸入選擇輸入G1G2AG2BCBAY0~Y7輸出100000Y0=0其余為1100001Y1=0其余為1100010Y2=0其余為1100011Y3=0其余為1100100Y4=0其余為1100101Y5=0其余為1100110Y6=0其余為1100111Y7=0其余為13－8譯碼器應用舉例存儲器地址為：2000H~23FFH，2400H~27FFHA0

A9A0

A9A0

A9A0

A9A0

A9CSCSCSCSWEWEWEWED3D0D7D4D7D4D3D02114211421142114D7D0CPUA15

A10IO/M1K1KWRDBABCB片選譯碼?

????片選譯碼74LS1380800~0FFFH3800~3FFFH0000~07FFH用74LS138全譯碼實現(xiàn)真值表000000000011111111110000000000111111111100000000001111111111A12A11A1300 000 00100111輸出A10A9~A0地址范圍只Y0=0只Y1=0只Y7=001010100A15A14A12A11A13A14IO/MA1574LS138G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000~07FFH0800~0FFFH1000~17FFH1800~1FFFH2000~27FFH2800~0FFFH3000~37FFH3800~3FFFH

用74LS138全譯碼實現(xiàn)

（每個輸出均為2K,如何譯出兩個1K呢?可用A10區(qū)分）11后1K前1K32320000~03FFH000000000000000000000011111111110400~07FFH00000100000000000000011111