微机原理与接口技术

1内容提要存储器概述随机存取存储器RAM只读存储器ROMCPU与存储器的连接第五章存储器2§5-1存储器概述功能：用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。特点：快速存取、容量较小，CPU可以直接对它进行访问，一般是用半导体存储器件构成。容量大小：受到地址总线位数的限制。8086系统，20条地址总线，可以寻址内存空间为1M字节；80386系统，32条地址总线，可以寻址4G字节。存放内容：系统软件（系统引导程序、监控程序或者操作系统中的ROMBIOS等）以及当前要运行的应用软件。1．内部存储器一、存储器分类3（1）RAM随机存取存储器（RandomAccessMemory）CPU能根据RAM的地址将数据随机地写入或读出。电源切断后，所存数据全部丢失。通常所说的计算机内存容量有多少字节，均是指RAM存储器的容量。①SRAM静态RAM（StaticRAM）静态RAM速度非常快，只要电源存在内容就不会自动消失。它的基本存储电路为6个MOS管组成一位，因此集成度相对较低，功耗也较大。一般，高速缓冲存储器(Cachememory)用它组成。4DRAM的内容在10-3或10-6秒之后自动消失，因此必须周期性地在内容消失之前进行刷新(Refresh)。由于它的基本存储电路由一个晶体管及一个电容组成，因此它的集成度高，成本较低，另外耗电也少，但它需要一个额外的刷新电路。DRAM运行速度较慢，SRAM比DRAM要快2~5倍，一般，PC机的标准存储器都采用DRAM组成。②DRAM动态RAM（DynamicRAM）5（2）ROM只读存储器（ReadOnlyMemory）ROM存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出，不能写入，电源关掉，也不会丢失，ROM中通常存储操作系统的程序(BIOS)或用户固化的程序。①PROM可编程ROM（ProgramableROM）由厂家生产出的‘空白’存储器，根据用户需要，利用特殊方法写入程序和数据，即对存储器进行编程，但只能写入一次，写入后信息是固定的，不能更改，适合于小批量使用。6②EPROM可擦除、可编程ROM（ErasablePROM）可由用户按规定的方法多次编程，可通过紫外光照擦除，以便重新固化新数据。这对研制和开发特别有利，因此用于十分广泛。③EEPROM电可擦除可编程ROM（ElectricallyErasablePROM）可编程固化程序，并可利用电压来擦除芯片内容，以重新编程固化新数据。④闪存（FlashMemory）闪存用设备写入内容后，可由加电擦除其部分内容，芯片可反复使用。闪存允许多线程重写，速度快，灵活性好。7功能：用来存放相对来说不经常使用的程序或者数据或者需要长期保存的信息。特点：存取速度慢、容量大，可以保存和修改存储信息，CPU不直接对它进行访问，有专用的设备（硬盘驱动器、软驱、光驱等）来管理，一般外部存储器由磁表面存储器件构成。容量大小：不受限制存放内容：系统软件、应用软件、其他长期保存程序和数据。2．外部存储器8外部存储器主要有：磁记录存储器，包括软盘和硬盘；光盘存储器：光盘是利用激光技术存储信息的装置，光盘存储器由光盘片和光盘驱动器组成；Flash存储器：集成度高；是固体的存储介质，没有硬盘那样的机械装置，可靠性好，不易损坏；既有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又有掉电后不丢失信息的特点。9二、存储器组织16位微机系统配置两个存储体，分别连接数据总线D7～D0和D15～D8，一次数据总线传送16位数据；32位微机系统配置4个存储体，分别连接数据总线D7～D0，D15～D8，D23～D16及D31～D24，一次数据总线传送32位数据；Pentium以上微机系统配置8个存储体，分别连接64位数据总线。10三、半导体存储器的指标衡量半导体存储器的指标很多，诸如可靠性、功耗、价格、电源种类等，但从接口电路来看，最重要的指标是存储器的容量和存取时间。1.容量①存储器芯片的容量是以存储1位二进制数（bit）为单位的，故存储器的容量即指每个存储器芯片所能存储的二进制数的位数。②由于在微型机中，数据大多以字节（byte）为单位并行传送的。因此，对存储器的读写也是以字节为单位寻址的。11③存储器芯片因为要适用于1位、4位、8位、16位等计算机的需要，或因工艺上的原因，其数据线也有1位、4位、8位、16位之不同。④虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位，甚至64位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对2、4、8个单元进行访问。存储器芯片容量＝单元数×数据线位数122.存取时间存储器接收到从CPU给出的有效地址到完成一次读出和写入数据所需要的时间。MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极性存储器，CMOS器件功耗低，速度慢；HMOS的存储器件在速度、功耗、容量方面进行了折衷。3.功耗13FlashMemory寿命大于EEPROM，EEPROM寿命大于EPROM。4.可靠性5.寿命6.价格指存储器对电磁场和温度变化等的抗干扰能力，以及高速使用时的正确存取能力。存储器本身的价格、附加电路的价格。SRAM的价格高，但速度快；DRAM相对廉价，但是速度较慢。14§5-2随机存取存储器RAM1．静态RAM的构成一、静态随机存取存储器（SRAM）T1～T4构成双稳态触发器，两个稳定状态分别表示1和0；T5、T6为门控管，当行选择线X1为高电平时，T5、T6管导通，T7、T8也是门控管，当列选择线Y1也为高电平时，T7、T8管导通，内部数据线与外部数据线接通，可读/写该存储单元。图5-16MOS管静态存储电路⑴单元电路15⑵静态RAM的特点访问速度快，访问周期达20～40ns；工作稳定，不需要进行刷新，外部电路简单；但基本存储单元所包含的管子数目较多，且功耗也较大，它适合在小容量存储器中使用。通常由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑、三态数据缓冲器组成，如图5-2所示。⑶静态RAM存储器芯片内部结构16图5－2SRAM组成结构原理图17①存储矩阵一个基本存储单元存放一位二进制信息，一块存储器芯片由基本存储单元构成矩阵；两种构成方式：字结构方式：一个字节的8位制作在一块芯片上，选中芯片可一次性读/写8位信息，封装时引线较多。例如：4K的存储器芯片由512×8组成，访问它要9根地址线和8根数据线。位结构方式：一个芯片内的基本单元作不同字的同一位，8位由8块芯片组成。优点是芯片封装时引线少，例如：4K存储器芯片由4096×1组成，访问它要12根地址线和1根数据线。18②地址译码器CPU读/写一个存储单元时，先将地址送到地址总线，高位地址经译码后产生片选信号选中芯片，低位地址送到存储器，由地址译码器选中所需要的片内存储单元，最后在读/写信号控制下读出或写入。址译码器完成存储单元的选择，有线性译码和复合译码两种方式，一般采用复合译码。如4096×1的位结构芯片排列成64×64矩阵，A0~A6达到X译码器（行译码），A7~A11送到Y译码器（列译码）。如图5-2所示，X和Y译码器各输出64根线，X和Y同时选中的单元为所访问的存储单元；若采用线性译码器，12根地址线输入到地址译码器后，有4096根输出线来选择存储单元。19③控制逻辑与三态数据缓冲器存储器读/写操作由CPU控制，CPU送出的高位地址经译码后，送到逻辑控制器的CS端，即产生片选信号，选中存储器芯片，当读/写控制信号送到存储器的R/W端时，存储器中的数据经三态数据缓冲器送到数据总线上或将数据写入存储器。202．静态RAM的例子图5－32114内部结构图2114（1K×4位）6116（2K×8位）6264（8K×8位）62128（16K×8位）62256（32K×8位）21图5－42114引脚图22图5－56264内部结构图及引脚图23图5－662128芯片引脚图图5－762256芯片引脚图24二、动态随机存取存储器（DRAM）1．动态RAM的构成最简单的动态RAM的基本存储单元是一个晶体管和一个电容，因而集成度高，成本低，耗电少，但它利用电容存储电荷来保存信息的，电容通过MOS管的栅极和源极缓慢放电而丢失信息，必须定时对电容充电，也称作刷新。为了提高集成度，减少引脚的封装数，DRAM的地址线分成行地址和列地址两部分，因此，对存储器进行访问时，总是先由行地址选通信号RAS把行地址送入内部设置的行地址锁存器，再由列地址选通信号CAS把列地址送入内部设置的列地址锁存器，并由读/写信号控制数据的读出或写入。刷新和地址两次打入是DRAN芯片的主要特点！25⑴单元电路动态RAM基本单元主要有：4管动态RAM、3管动态RAM、单管动态RAM。它们各有特点：4管动态RAM：使用管子多，使芯片容量小，但器件的读出过程就是刷新过程，不用为刷新而外部另加逻辑电路；3管动态RAM：所用管子少一点，但读/写数据线分开，读/写选择线也分开，要另加刷新电路；单管动态RAM：所用器件最少，但读出信号弱，要采用灵敏度高的读出放大器来完成读出功能。26⑵存储信息的原理以单管动态RAM为例说明其工作原理。图5－8单管动态RAM基本存储单元数据输入输出列选择信号行选择信号刷新放大器QC①读操作行地址译码使行选择信号为高电平行上管子Q导通刷新放大器读取电容C上的电压值折合为“0”或“1”列地址译码使某列选通行和列均选通的基本存储单元允许驱动读出数据。27图5－8单管动态RAM基本存储单元数据输入输出列选择信号行选择信号刷新放大器QC②写操作行和列的选择信号为“1”基本存储单元被选中数据输入/输出线送来的信息通过刷新放大器和Q管送到电容C数据写入存储单元。282．动态RAM的刷新⑴刷新把存储单元的数据读出，经过读放大器放大之后再写入，以保存电荷上的信息。⑵原因动态RAM都是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，由于MOS管输入阻抗很高，存储的信息可以保存一段时间，但时间较长时电容会逐渐放电使信息丢失，所以动态RAM需要在预定的时间内不断进行刷新。⑶注意①两次刷新的时间间隔与温度有关。②动态存储器的刷新是一行一行进行的，每刷新一行的时间称为刷新周期。刷新方式有集中刷新方式和分散刷新方式两种。29CASCPUDRAM刷新地址计数器地址多路器刷新定时器定时发生器仲裁电路数据缓冲器地址总线地址读/写RASWR图5－9DRAM控制器逻辑框图⑷DRAM控制器30CPU和DRAM之间的接口电路，把CPU的信号转换成适合DRAM芯片的信号，解决DRAM芯片地址两次打入和刷新控制等问题。DRAM控制器包括下列功能电路：地址多路器：把来自CPU的地址转换成行地址和列地址，分两次送到DRAM芯片，实现DRAM芯片地址的两次打入。刷新定时器：完成对DRAM芯片进行定时刷新的功能。刷新地址计数器：只用RAS的刷新操作，需要提供刷新地址计数器。对内部具有这种刷新地址计数器的芯片，可以采用CAS在RAS之前的刷新方式。31仲裁电路：来自CPU的访问存储器的请求和来自刷新定时电路的刷新请求同时产生时，由仲裁电路对两者的优先权进行裁定。定时发生器：提供行地址选通信号RAS、列地址选通信号CAS和写信号WE，供DRAM芯片使用。32图5-10Intel2164A内部结构示意图Intel2164是64K×1的DRAM芯片，内部有4个128×128基本存储电路矩阵，如图5－10所示。3．动态RAM例子33图5-11Intel2164A引脚与逻辑符号说明：Intel2164片内有64K个地址单元，需要16条地址线寻址。采用行和列两部分地址，地址线只需8条。内部有地址锁存器，利用外接多路开关，先由RAS信号选通8位行地址并锁存。再由CAS信号选通8位列地址并锁存，16位地址选中64K存储单元之中一个。3464K存储体有4个128×128的存储矩阵，每个128×128的存储矩阵，由7条行地址和7条列地址进行选择，再由1/4I/O门选中一个单元进行读写。刷新时由一个行地址同时对4个存储矩阵的同一行，即4×128＝512个单元进行刷新