微机原理05.

本章重点：掌握各种存储器的工作原理及其CPU的存储器的扩展。本章难点：理解存储器的工作原理及其地址空间的确定。第5章半导体存贮器1、掌握存储器的分类、作用及性能指标2、了解半导体读写存储器（RAM）的基本原理，掌握静态RAM、动态RAM的特点，了解动态RAM的刷新方法3、了解半导体只读存储器（掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM）的基本原理，掌握其特点；掌握常用存储器芯片的用法4、掌握存储器容量的扩充方法，以及存储器与微处理器（8位、16位数据总线）的连接方法。掌握片选信号的产生方法。大纲要求第5章半导体存贮器5.1概述5.2随机存取存储器RAM5.3只读存储器5.4高速缓冲存储器5.58086/8088CPU的存储器扩展定义：存储器是计算机系统的记忆设备，用于存放各种需要保存的信息，是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。作用：存放数据和程序功能:计算机要根据已经编制好的程序，对数据和信息自动快速地进行运算和处理，因此，必须将指令、数据和计算过程的中间结果存放在计算机内部，存储器就是计算中存储程序、原始数据及中间结果的设备。组成：由具有记忆功能的两态物理器件组成,如电容、双稳态电路等。两种基本操作：读操作和写操作5.1概述1、存储器与存储器系统的区别存储器是计算机的重要组成部件，用来存放数据和程序的，如内存、磁盘、硬盘等。存储器系统是将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用软件、硬件或软硬件相结合的方法连接起来，成为一个系统。计算机的重要组成部件，用来存放数据和程序的。5.1.1存储器系统的一般概念2、微机中的存储器系统1）分类：Cache存储系统、虚拟存储系统结构；前者提高存取速度，后者增加存储容量。2）Cache存储系统管理由硬件实现、由高速静态存储器SRAM和主存DRAM组成、存储系统的存取周期与Cache接近、Cache和主存容量比1:128、价格接近主存价格3）虚拟存储系统由主存储器与磁盘存储器组成、用虚拟地址空间编址、访问的速度接近主存速度、平均价格接近磁盘价格。辅助硬件CPUCache主存辅助软硬件设备主存辅存图5-1Cache存储系统图5-2虚拟存储系统3、存储器系统的主要性能指标1）存储量S2）存取时间T3）单位容量的平均价格C1、内存和存1）主存储器：速度较快，容量较小，价格较高，用于存储当前计算机运行所需要的程序和数据，可与CPU直接交换信息，习惯上称为主存，又称内存(内部存储器)。2）辅存储器：速度较慢，容量较大，价格较低，用于存放计算机当前暂时不用的程序、数据或需要永久保持的信息,辅存又称外存(外部存储器)或海量存储器。外存要配备专门的设备才能完成对外存的读写。通常，将外存归入到计算机外设一类。5.1.2半导体存储器及其分类内存（RAM+ROM）：半导体存储器(本章内容)软盘：普通1.44M+可移动100MB磁盘硬盘：几十GB光盘CD-R、CD-R/W可擦写光盘(660MB左右）外存磁光盘MO：高密度、大容量、快速、“无限次”擦写、寿命长、可靠性高、抗干扰强、性价比高（1.3GB~几个GB，今后目标1TB）存储器u盘（基于USB接口的电子盘）存储器的分类2、半导体存储器的分类按制造工艺分为：双极型、COMS型、HMOS型按存储器性质分类可分为：1）随机存储器RAM，特点是存储器中的信息可读可写，半导体RAM断电后信息会全部丢失（易失性）。2）只读存储器ROM，特点是存储器中信息只能读出，不能写入，关机后信息不会丢失（非易失性）。包括：掩膜ROM、可编程ROM、可读写ROM——电可擦除ROM、紫外线可擦除ROM。半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）闪速存储器（FlashMemory）微型计算机中半导体存储器的分类组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池慢低小容量非易失内存条1）随机存取存储器RAM静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、非易失RAM(NVRAM)特点和应用2）只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除1.存储容量存储器容量：指每一个存储芯片或模块能够存储的二进制位数。常用单位有字节B（Byte）、KB、MB、GB和TB等。它们的相互关系如下：1字节=8bit；1KB=210字节=1024字节；1MB=210KB=1024KB；1GB=210MB=1024MB；1TB=210GB=1024GB。存储器芯片容量=单元数×数据线位数存储器芯片数据线有1、4、8位不同，例：Intel2114芯片容量=1K4位/片Intel6264芯片容量=8K8位/片*计算机内存仍以字节为一个单元。5.1.3半导体存储器的主要技术指标2.存取速度存取速度：从CPU给出有效的存储器地址到存储器给出有效数据所需要的时间。存取速度通常以ns为单位，不同的存储器芯片，存取速度不相同希望存储芯片容量大、速度高、体积小。3、可靠性：用故障间隔平均时间（MTBF）表示。4、功耗：CMOS器件功耗低，但速度慢，HMOS的存储器件在速度、功耗、容量方面进行了折衷。5、性价比：1、存储体由若干个存储单元构成，每个存储单元又有若干个基本存储电路构成。每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量＝2M×N＝存储单元数×存储单元的位数M：芯片的地址线根数N：芯片的数据线根数存储器芯片的一般结构2、地址译码器接收来自CPU的N位地址，然后产生2的N次方个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。地址译码电路5.1.4存储器芯片的一般结构3、控制逻辑电路对芯片实现片选功能和读写的控制。片选端CS*或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线4、数据缓冲器数据缓冲器用来暂时存放来自CPU的写入的数据或从存储体中读出的数据，目的是为了协调CPU和存储器之间速度上的差异。5.2随机存取存储器（RAM）5.2.1静态随机存取存储器特点：与DRAM比，SRAM的MOS管数目多，集成度低，功耗大；但不需刷新电路，使外部电路的得到简化。1、基本存储电路2、6264存储芯片的引线及其功能8K8bit容量，外部引线含义：A0~A12：13位地址线，8K=213D0~D7：8位数据线，8bitCS1*、CS2：两位片选，CS1*=0选中该芯片OE*：输出允许信号，0时有效WE*：写允许信号，0时有效其他：Vcc、GND、NC（空端）控制信号功能表见表5-1。2、6264的工作过程1）写入时序图2）读入时序图3、SRAM芯片的应用——与系统的连接1）地址译码定义：8086的20根地址线，A19~Ai作为译码器的输入，Ai-1~A0用于片内寻址。2）地址译码的方法（1）全地址译码法8086的20位地址线全部用上，就6264而言A19~A13用作片间寻址，A0~A12用作片内寻址，从而确定它唯一的地址区间。（可用74L138）（2）部分地址译码法8086的20位地址线只用了一部分，就6264而言A19~A13之中的某几个用作片间寻址，A0~A12用作片内寻址，从而确定它的地址区间（不唯一）。全地址译码法能充分利用地址空间，部分地址译码法可使得电路简单。3、典型SRAM芯片各SRAM芯片的引脚信号基本相同。其存储容量不同,则地址线的根数不同；其存储位数不同,则数据线的根数不同。芯片的片选控制线,一般设置一根信号线CE或CS(6264设有CS2)。读/写控制线的设置方法有两种:一种只设一根“写使能”线,当WE＝0时为写允许,当WE＝1时为读允许；另一种是设两根读/写控制线OE和WE,OE＝0为读允许,WE＝0为写允许。常用的SRAM有2114(1K×4)、6116(2K×8)、6264(8K×8)和62266(32K×8)等。一般4K、8K、32K皆采用28引脚封装。A14~A0地址线D7~D0数据线WE写允许信号,低电平有效OE读允许信号,低电平有效CE片选Vcc＋6VGND地NC空脚6116芯片容量=2K8位/片A71A62A53A44A35A26A17A08D09D110D211GND12242322212019181716151413VCCA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D3行译码…128×128存储矩阵…A10A4…列I/O列译码输入数据…控制逻辑…D7D0CSWEOE……A3A0…6116管脚和功能框图Intel6116存储器芯片的工作过程如下：读出：地址线A10~A0送来的地址信号经译码后选中一个存储单元(其中有8个存储位)，由CS*、OE*、WE*构成读出逻辑(CS*=0，OE*=0，WE*=1)，打开右面的8个三态门，被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到D7~D0输出。写入：地址选中某一存储单元的方法和读出时相同，不过这时CS*=0，OE*=1，WE*=0，打开左边的三态门，从D7~D0端输入的数据经三态门和输入数据控制电路送到I/O电路，从而写到存储单元的8个存储位中。当没有读写操作时，CS*=1，即片选处于无效状态，输入输出三态门至高阻状态，从而使存储器芯片与系统总线“脱离”。6264、62266静态RAM的结构与6116相似，只是地址线不同而已。它们都是28个引脚的双列直插式芯片，使用单一的+6V电源，它们与同样容量的EPROM引脚相互兼容，从而使接口电路的连线更为方便。6264芯片还设有一个CS2引脚，通常接到＋6V电源。6264RAM可由备用电源供电，即可实现断电后长时间的数据保护。数据地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECSSRAM2114的读周期SRAM2114TWCTWRTAW数据地址TDTWTWDOUTDINTDWTDHWECSSRAM2114的写周期3）静态RAM的应用举例例5-1用SRAM6116芯片构成地址范围78000H~78FFFH之间的4KB的存储器。6116芯片容量：2K8位数据线：D0~D8，地址线：2K=211——11根地址线A0~A11，读写控制信号：R/W*(高电平读，低电平写)输出允许：OE*片选信号：CS*。3）静态RAM的应用举例例5-2用SRAM8256芯片构成1M的存储器。8256芯片容量：256K8位数据线：D0~D8，地址线：2K=217——17根地址线A0~A17，写控制信号：WE*读出允许：OE*片选信号：CS*。刷新放大器DV列选择信号数据输入输出行选择信号图5-15单管动态存储器电路1、动态RAM存储电路单管动态存贮电路：存放信息靠的是电容必须定时对电容充电——也称刷新5.2.2动态RAMNCDINWERASA0A2A1VDDVssCASDOUTA6A3A4A6A7123466781616141312111092164A引脚图DRAM芯片2164A的容量为:64K×1bit（需16条地址线）A7~A0：8条地址线，行地址线和列地址线,（也用于刷新)。CAS:列地址选通RAS:行地址选通WE:写允许VDD:+6VVSS:地2、动态RAM2164A引脚3、动态RAM的工作过程4、DRAM在系统中的连接LS245——驱动LS158——选通ADDSEL线选信号读写控制信号为什么要扩展？任何存储器芯片（RAM和ROM）的容量都是有限的，当实际系统需要更大存储容量时