[工学]第5章_存储器.ppt

第5章 存储器,主要内容: 存储器及半导体存储器的分类 随机存取存储器（RAM） 存储器的扩展,5.1 存储器及半导体存储器的分类,存储器是计算机用来存储信息的部件。 5.1.1 存储器的分类 按存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器和外存储器。 内存：把通过系统总线直接与CPU相连的存储器称为内存储器，简称内存。 特点：具有一定容量、存取速度快，且掉电数据将丢失。 作用：计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入内存后方可被CPU读取并执行。,外存：把通过接口电路与系统相连的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。 特点：存储容量大而存取速度较慢，且掉电数据不丢失。 作用：外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。 通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。,早期的内存使用磁芯。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，所以在微型计算机中，目前内存一般都使用半导体存储器。,5.1.2 半导体存储器的分类 从应用角度可将半导体存储器分为两大类：随机存取存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。 RAM是可读、可写的存储器，CPU可以对RAM的内容随机地读写访问，RAM中的信息断电后即丢失。 ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失，常用来存放不需要改变的信息(如某些系统程序)，信息一旦写入就固定不变了。,根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。 双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器； MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。 MOS型存储器按信息存放方式又可分为静态RAM(Static RAM，简称SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)。,只读存储器ROM在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入存储器。目前常见的有：掩膜式ROM，用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好，不能更改；可编程ROM(Programmable ROM，简称PROM)，用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；可擦除的PROM(Erasable PROM，简称EPROM)，其内容可用紫外线擦除，用户可对其进行多次编程；电擦除的PROM(Electrically Erasable PROM，简称EEPROM或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写。,静态RAM,动态RAM,MOS型,双极型,不可编程掩膜,存储器 MROM,可编程存储器,PROM,可擦除、可再,编程存储器,紫外线擦除的,EPROM,电擦除的,E,2,PROM,随机读写,存储器RAM,只读存储器,ROM,半导体,存储器,图6.1 半导体存储器的分类,微机原理与接口技术,5.1.3 半导体存储器的主要技术指标,(1)存储容量 (2)存储速度 (3)可靠性 (4)功耗,微机原理与接口技术,(1)存储容量,存储容量 是指一块存储芯片上所能存储的二进制位数。 假设存储芯片的存储单元数是M， 一个存储单元所存储的信息的位数是N，则其存储容量为MN。,D7 D1D0,例题,微机原理与接口技术,例题,1、已知单片6116芯片的地址线是11位， 每个存储单元是8位，求其存储容量? 解: 因为可编址范围211 ，即M 211 ， 每个存储单元可存8位，即N 8， 所以， 6116的存储容量 = 2118 = 210248 = 2K8 2KB,微机原理与接口技术,例题,2、若要组成64K字节的存储器，以下芯片各需几片? 6116(2K8) 4416(16K4),解: (64K8) ( 2K8)=32(片) (64K8) ( 16K4)= 8 (片),微机原理与接口技术,(2)存储速度,存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主要因素，用两个参数来衡量： 存取时间TA （Access Time） 定义为启动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经历的时间。 存储周期TMC（Memory Cycle） 定义启动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间间隔。,注意：CPU读写存储器的时间必须大于存储芯片的额定存取时间,微机原理与接口技术,(3)可靠性,存储器的可靠性用MTBF来衡量。 MTBF即Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间，MBTF越长，表示可靠性越高。,(4)功耗,使用功耗低的存储芯片构成存储系统不仅可以减少对电源容量的要求，而且还可以提高存储系统的可靠性。,微机原理与接口技术,5.1.4 存储器的基本结构,1、存储体 由多个基本存储单元组成，容量即为MN； 2、地址寄存器（地址锁存器） 锁存CPU送来的地址信号； 3、地址译码器 对地址信号进行译码，选择存储体中要访问的存储单元； 4、读/写驱动电路 包括读出放大和写入电路； 5、数据缓冲器 芯片数据信号经双向三态门挂在数据总线上，未选中该片，呈高阻状态；,6、读/写控制电路 接受来自CPU的片选信号、读/写信号。（对ROM只读；对DRAM刷新信号）,微机原理与接口技术,5.2 随机存取存储器,要求掌握： SRAM与DRAM的主要特点 几种常用存储器芯片及其与系统的连接 了解存储器扩展技术,5.2.1、静态随机存储器SRAM,保持信息 写操作 读操作,六管静态基本存储电路双稳态触发器,T1 T2工作管; T3 T4是负载管; T5 T6 T7 T8是控制管,6264存储芯片,Vcc WE CS2 A8 A9 A11 OE A10 CS1 D7 D6 D5 D4 D3,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14,28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15,NC A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND,13根地址信号线通常接系统地址总线的低13位； 8根数据线，与系统数据总线相连； CS1，CS2两根片选信号线； OE输出允许信号； WE写允许信号；,微机原理与接口技术,6264的工作过程,6264的读操作和写操作,CS1,片选信号,OE,输出允许,WE,写允许信号,D0 - D7,0,0,1,写入,1,0,1,读出,0或1,0或1,三态,片选信号,CS2,0,6264真值表,未选中,微机原理与接口技术,6264的工作过程写操作,(1)将写入单元的地址送到A0-A12上; (2)将要写入的数据送到数据线上; (3)使片选信号(CS1、 CS2 )同时有效; (4)在WE端加上有效的低电平,OE端可以任意;,微机原理与接口技术,6264芯片与系统的连接,微机原理与接口技术,译码电路,作用：将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。 分类： （1）全地址译码 （2）部分地址译码,微机原理与接口技术,全地址译码,用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个惟一的内存地址,例,所接芯片的地址范围 F0000HF1FFFH,6264 CS1,A19,A18,A17,A16,A15,A14,A13,&,1,全地址译码方式,A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3E000H 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3FFFFH,全地址译码方式,D0 D7,D0 D7,A0,A0,A12,A12,MEMW,WE,MEMR,CS2,+5V,OE,&,1,A19,A18,A17,A16,A15,A14,A13,CS1,Y7,G1,G2B,G2A,C,B,A,SRAM6264,A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3E000H 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3FFFFH,138译码器,若Y7=0，必需使： CBA=111 G2A=0 G2B=0 G1=1,&,微机原理与接口技术,部分地址译码,用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同的地址范围 例使用高6位地址作为译码信号,两组地址： F0000H-F1FFFH B0000H-B1FFFH 被选中芯片的每个单元都占有两个地址，即这两个地址都指向同一个单元,8088系统 BUS,SRAM6264,D0 D7,D0 D7,A0,A0,A12,A12,MEMW,MEMR,WE,CS2,+5V,OE,CS1,&,A19,A17,A15,A14,A13,AE000AFFFFH BE000BFFFFH EE000EFFFFH FE000FFFFFH,Y7,微机原理与接口技术,二、动态随机存储器DRAM,特点： 存储元主要由电容构成，由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息不稳定，故DRAM芯片需要定时刷新 原理:,p207,微机原理与接口技术,典型芯片举例,DRAM芯片Intel 2164A 动态随机存取存储器，8条地址线，2位数据线(输出和输入），3条控制线，两条电源线，单片存储容量64K1 。 地址线采用分时复用，由CAS（列选通）和RAS（行选通），从而实现16位地址线，M216 64K。,微机原理与接口技术,典型DRAM芯片2164A,2164A：64K1bit 采用行地址和列地址来确定一个单元 行列地址分时传送， 共用一组地址信号线 地址信号线的数量仅 为同等容量SRAM芯 片的一半,微机原理与接口技术,主要引线,RAS：行地址选通信号。用于锁存行地址 CAS：列地址选通信号 地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们 分别在RAS和CAS有效期间被锁存在锁存器中 DIN： 数据输入 DOUT：数据输出,WE：写允许信号,微机原理与接口技术,工作原理,数据读出,数据写入,微机原理与接口技术,工作原理,刷新:将存放于每位中的信息读出再照原样写入原单元的过程,刷新,将动态随机存储器的每一位信息读出并写入的过程。刷新的方法是使列地址信号无效，行地址有效，然后将这一行的信息读出再写入即刷新。 每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存储单元，将行地址循环一遍，则刷新了整个芯片的所有存储单元。刷新时位线上的信息不会送出到数据总线上。 DRAM要求每隔28ms刷新一次，它称为刷新周期。,2164A在系统中的连接见教材,5.3 存储器的扩展,5.3.1 存储芯片的扩展 存储器的扩展主要解决两个问题：一个是如何用容量较小、字长较短的芯片，组成微机系统所需的存储器；另一个是存储器如何与CPU的连接。 1. 存储芯片的扩展 存储芯片的扩展包括位扩展、字扩展和字位同时扩展等三种情况。,(1) 位扩展 位扩展是指存储芯片的字(单元)数满足要求而位数不够，需要对每个存储单元的位数进行扩展。扩展的方法是将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出。其位扩展特点是存储器的单元数不变，位数增加。 下图6.14给出了使用8片8K1位的RAM芯片通过位扩展构成8K8位的存储器系统的连线图。,图6.14 用8K1位芯片组成8K8位的存储器,(2) 字扩展 字扩展是指存储芯片的位数满足要求而字(单元)数不够，需要对存储单元数进行扩展。扩展的原则是将每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。 下图6.18给出了用4个16K8位芯片经字扩展构成一个64K8位存储器系统的连接方法。,图6.15 有16K8位芯片组成64K8位的存储器,(3) 字位同时扩展 字位同时扩展是指存储芯片的位数和字数都不满足要求，需要对位数和字数同时进行扩展。扩展的方法是先进行位扩展，即组成一个满足位数要求的存储芯片组，再用这个芯片组进行字扩展，以构成一个既满足位数又满足字数的存储器。 图6.16给出了用2114(1K4)RAM芯片构成4K8存储器的连接方法。,I/O,1,I/O,4,RAM,1,2114,A,9,A,0,2,-,4,译码器,A,11,A,10,D,3,D,0,A,9,A,0,RAM,1,2114,I/O,1,I/O,4,I/O,1,I/O,4,RAM,2,2114,A,9,A,0,A,9,A,0,RAM,2,2114,I/O,1,I/O,4,I/O,1,I/O,4,RAM,3,2114,A,9,A,0,A,9,A,0,RAM,3,2114,I/O,1,I/O,4,I/O,1,I/O,4,RAM,4,2114,A,9,A,0,A,9,A,0,RAM,4,2114,I/O,1,I/O,4,D,7,D,4,A,9,A,0,图6.16 字位同时扩展连接图,扩展存储器所需存储芯片的数量计算：若用一个容量为mKn位的存储芯片构成容量为MKN位（假设Mm，Nn，即需字位同时扩展）的存储器，则这个存储器所需要的存储芯片数为: (Mm)(Nn) 对于位扩展： 因为 Mm，Nn， 则所需芯片数为 Nn； 对于字扩展： 因为 Nn，Mm， 则所需芯片数为 Mm。,7.2.3 8088与存储器连接实例 1二种模式下信号关系 用最小模式下的M/IO（8086中为M/IO）和RD、WR这三个信号可以方便地生成最大模