大學(xué)計算機(jī)硬件基礎(chǔ) 第五章存儲器

1、第五章 半導(dǎo)體存儲器及其接口,4 學(xué)時,目 錄,5.1 概述 5.2 存儲器芯片 5.3 存儲器擴(kuò)展,5.1 存儲器分類,主存儲器（內(nèi)存，Main Memory） 存放計算機(jī)正在執(zhí)行的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù) CPU可以直接訪問 由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，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。,輔助存儲器（外存，External Memory） 存放不經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù) CPU不能 直接訪問 屬外部設(shè)備，需要配置專門的驅(qū)動設(shè)備 容量大，成本低，但速度慢,內(nèi)存儲器分類,組 合 RAM (IRAM),隨 機(jī) 讀 寫存儲器(RAM),隨 機(jī)讀 寫存儲器(RAM),只 讀存儲器(R

2、OM),雙極型RAM,MOS型RAM,靜 態(tài) RAM (SRAM),動 態(tài) RAM (DRAM),非易失RAM (NVRAM),掩膜ROM,可編程ROM (PROM),可擦除的PROM (EPROM),電可擦除的PROM (E2PROM),內(nèi)存儲器,快速電可擦除Flash Memory,隨機(jī)存取存儲器,動態(tài)RAM(即DRAM),存儲單元電路以電容為基礎(chǔ),電路簡單,集成度高,功耗低,因電容漏電,需定時刷新。,組合RAM(即IRAM),附有片上刷新邏輯的DRAM,兼有SRAM和DRAM的優(yōu)點。,非易失RAM(即NVRAM),由SRAM和E2PROM共同構(gòu)成的存儲器,正常運(yùn)行時和SRAM一樣,而在掉

3、電或電源故障時,把SRAM的信息保存在E2PROM中,NVRAM多用于存儲非常重要的信息和掉電保護(hù)。,靜態(tài)RAM(即SRAM),其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎(chǔ),狀態(tài)穩(wěn)定,只要不掉電,信息不會丟失,但集成度低。,掩膜ROM,按用戶要求掩膜制成,只能讀,無法再改寫,適合存儲成熟的程序,大量生產(chǎn)時,成本低。,只讀存儲器,可編程ROM(PROM),為空白存儲器,用戶一次性寫入,寫入后不能更改,適合批量生產(chǎn) 。,可擦除的PROM(EPROM),用戶按規(guī)定方法可多次改寫內(nèi)容,改寫時先用紫外線擦除,適合于研制和開發(fā)。,電可擦除的PROM(E2PROM),能以字節(jié)為單位進(jìn)行擦除和改寫,并可直接在機(jī)器內(nèi)進(jìn)行擦除

4、和改寫,方便靈活。,5.閃速存儲器(Flash Memory)是80年代末推出的新型存儲芯片,它的主要特點是在掉電情況下可長期保存信息,原理上看象ROM,但又能在線進(jìn)行擦除與改寫,功能上象RAM,因此兼有E2PROM和SRAM的優(yōu)點。,5.1.2 多層次存儲器結(jié)構(gòu),CPU,高速緩存,M,1,M,2,M,3,M,4,.,.,Mn,外存,2,外存,1,外存,3,外存,4,.,.,外存,n,虛擬存儲器,主存,外存,1. 主存-輔存層次 用于解決大容量低成本的矛盾，主存輔存采用統(tǒng)一編址，形成虛擬存儲器，虛擬存儲器只是一個容量非常大的存儲器的邏輯模型（為編程時提供），不是任何實際的物理存儲器。它借助于磁

5、盤等輔助存儲器來擴(kuò)大主存容量，使之為更大或更多的程序所使用。,2. Cache-主存層次 cache是介于CPU和主存之間的小容量存儲器，存取速度比主存快。它能高速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，加快程序的執(zhí)行速度。它是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要技術(shù)。,5.1.3 主存儲器的結(jié)構(gòu),主存儲器由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、 讀寫控制邏輯電路與數(shù)據(jù)緩沖器組成。,主存儲體：對存儲單元按順序編號，如存儲器地址線位數(shù)為n，則存儲單元數(shù)N=2n,地址譯碼驅(qū)動：接受CPU送來的地址信號并對它進(jìn)行譯碼，選擇與此地址碼相對應(yīng)的存儲單元，以便對該單元進(jìn)行讀寫操作。,讀寫控制電路：片選信號用以實現(xiàn)芯片

6、的選擇。讀/寫控制電路則用來控制對芯片的讀/寫操作。,5.2 存儲器芯片,控制線 （1）ROM控制線 芯片允許CE；輸出允許OE （2）SRAM控制線 芯片允許CE；輸出允許OE；寫允許WE （3）DRAM控制線 芯片允許CE；讀寫WE允許（讀=1，寫=0） （4）IRAM（新型DRAM）控制線 芯片允許CE；輸出允許OE；寫允許WE,5.2.1 存儲器與CPU總線相關(guān)的信號線 地址線 AnA0 數(shù)據(jù)線 OnO0或I/OnI/O0,5.2.2 存儲器芯片外特性,1、芯片外特性 典型EPROM 芯片Intel 2716, Al0A0：地址信號輸入引腳，可尋址芯片的2K個存儲單元； O7O0： 數(shù)

7、據(jù)信號輸出引腳； CE：片選信號輸入引腳，低電平有效，只有當(dāng)該引腳轉(zhuǎn)入低電平時，才能對相應(yīng)的芯片進(jìn)行操作； OE ：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，輸入，低電平有效，用以允許數(shù)據(jù)輸出； Vcc：+5v電源，用于在線的讀操作； VPP：+25v電源，用于在專用裝置上進(jìn)行寫操作； GND：地。,E2PROM 2816，2817，2816A，2817A，2864 Flash Memory 28F256，28F512，28F010，28F020 SRAM 2128，6132，6164，61256，64C512 DRAM 2164B，21256，21464，4146160,5.2.3 微機(jī)內(nèi)存構(gòu)成,確定主存結(jié)

8、構(gòu)：一般CPU外部數(shù)據(jù)總線8位用單體結(jié)構(gòu)，16位用雙體結(jié)構(gòu)，32位用四體結(jié)構(gòu)。,選擇主芯片：CPU的低地址線與主存芯片 相連，高地址線通過譯碼產(chǎn)生片選信號。,接口設(shè)計：主存與CPU的連線和時序問題,主存設(shè)計工作包括：,1、地址譯碼,（1）為什么要用譯碼器 解決CPU地址總線與存儲器地址線數(shù)目不匹配問題。,譯碼：將來自地址總線上的地址代碼翻譯成為所需要訪問的存儲器單元,1、線選法 地址的高位直接作為各個芯片的片選信號，在尋址時只有一位有效來使片選信號有效的方法稱為線選法。 2、部分譯碼法 用部分高位地址進(jìn)行譯碼產(chǎn)生片選信號。 3、全譯碼法 全部高位地址譯碼產(chǎn)生片選信號。,三種譯碼方法（存儲器芯片

9、片選端的處理）：,全譯碼方法,高位地址線與CPU的控制信號進(jìn)行組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生存儲器芯片的片選信號CS，實現(xiàn)系統(tǒng)中的存儲器芯片尋址 低位地址線直接接到存儲器芯片的地址引腳，進(jìn)行存儲器芯片的片內(nèi)尋址,74LS138地址譯碼器,A,B,C,G2A,G2B,G1,Y0,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y1,74LS138,當(dāng)控制端信號有效時：138譯碼器真值表：,5.3 存儲器擴(kuò)展,存儲器的容量：字?jǐn)?shù)位數(shù),位數(shù)的擴(kuò)展,【例1】 用1K4的2114芯片構(gòu)成lK8的存儲器系統(tǒng)。,分析： 每個芯片只能提供4位數(shù)據(jù)，故需用2片這樣的芯片，它們分別提供4位數(shù)據(jù)至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，以滿足存儲器系統(tǒng)的字長要

10、求。,設(shè)計要點：關(guān)鍵是處理好地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號線 、片選信號線 的連接。,A,11,A,10,譯,碼,器,A,9,A,9,A,0,A,0,WR,WE,I/O,I/O,CS,2114,(1),.,.,.,D,0,D,3,D,4,D,7,A,9,A,0,WE,I/O,I/O,CS,2114,(2),.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,. . .,. . .,8088,Y,0,M/IO,（1）地址線共用（至系統(tǒng)地址總線低10位）； （2）數(shù)據(jù)線分別接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的低4位和高4位； （3）WE 端并在一起接至系統(tǒng)的存儲器寫信號； （4）CS 端并在一起接至地址

11、譯碼器輸出。,字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展,【例2】用2K8的2716存儲器芯片組成8K8的存儲器系統(tǒng)。,分析：每個芯片只能提供2K個存儲單元，故需用4片這樣的芯片，以滿足存儲器系統(tǒng)的字?jǐn)?shù)要求。,設(shè)計要點：關(guān)鍵是處理好地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號線 、片選信號線 的連接。,A,10,A,0,OE,O,0,O,7,M/IO,8088,A,12,A,11,A,10,A,0,RD,D,0,D,7,2716,(1),CE,A,10,A,0,OE,O,0,O,7,2716,(2),CE,A,10,A,0,OE,O,0,O,7,2716,(3),CE,A,10,A,0,OE,O,0,O,7,2716,(4),CE,Y,3,Y,2

12、,Y,1,Y,0,譯,碼,器,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,（1）地址線共用（至系統(tǒng)地址總線低11 位）； （2）數(shù)據(jù)線共用（至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線）； （3）OE端并在一起接至系統(tǒng)的存儲器寫信號； （4）CS端分別接至地址譯碼器的不同輸出。,字?jǐn)?shù)字長同時擴(kuò)展,將上述兩種方法結(jié)合使用，一般先擴(kuò)展字長，再擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。 【課堂練習(xí)】用1K4的2114芯片組成2K8的存儲器系統(tǒng)。,位數(shù)擴(kuò)展,M/IO,WR,A,0,A,9,D,7,D,4,CS,WE,2114,(1),A,0,A,9,D,3,D,0,CS,WE,2114,(1),A,0,A,9,D,7,D,4,CS,WE,21

13、14,(2),A,0,A,9,D,3,D,0,CS,WE,2114,(2),2:4,譯,碼,器,A,11,A,10,A,0,A,9,D,7,D,0,1,0,字?jǐn)?shù)擴(kuò)展,例：某8088CPU構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)中，需要擴(kuò)展32K字節(jié)的EPROM存儲器，要求其地址空間范圍為：F8000HFFFFFH，若采用27C64存儲器（參見圖1）、74LS138（3-8譯碼器）和必要的門電路實現(xiàn)，問： 1、需要多少片27C64？ 2、完成各個芯片（含擴(kuò)充的芯片）與系統(tǒng)總線的硬件連線圖。（可以采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的方式）,A0,A1,A2,A12,OE,CE,D0,D1,D2,D7,27C64,1）需要4片27C64存儲器；

14、因為27C64有13條地址線，每片27C64存儲器容量為：213=8192B=8KB，若擴(kuò)展32KB的存儲器，需要32/8=4（片）； 2）分析: 地址空間范圍為：F8000HFFFFFH,與CPU地址線直接相連,產(chǎn)生片選信號,A16,A,B,C,G2A,G2B,G1,。,+5V,Y0,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y1,74LS138,IO/M,非門,與非門,A13,A14,A15,A17,A19,A18,A0,A1,A2,A12,OE,CE,D0,D1,D2,D7,27C64,A1,A12,A2,RD,D0,D1,D2,D7,A0,A1,A2,A12,OE,CE,D0,D1,D2,D7,