存储器与存储器系统.doc

第五章 存储器与存储器系统内容提要：1 存储器的分类、性能指标，存储器系统的多层结构；2 半导体存储器的基本结构、工作原理；3 半导体存储器容量的形成与寻址及其与8086CPU的连接；4 内存条的选择与安装；5 EPROM编程实践。学习目标：1掌握存储器的分类、性能指标，存储器系统的多层结构；2掌握存储器芯片RAM、EPROM的基本结构、地址形成方法；3重点掌握8086CPU与存储器的连接技术；4掌握EPROM编程技术；5了解DRAM刷新，内存条选择与安装。难点：CPU与存储器的连接。学时：6实验学时：作业： 1、由2K1bit的芯片组成容量为4K8bit的存储器需要 个存储芯片。 A）2 B）8 C）32 D）162、由2732芯片组成64KB的存储器，则需要 块芯片和 根片内地址线。 A）12 B）24 C）16 D）143、安排2764芯片内第一个单元的地址是1000H，则该芯片的最末单元的地址是 。 A）1FFFH B）17FFH C）27FFH 4）2FFFH将存储器与系统相连的译码片选方式有 法和 法。4、若存储空间的首地址为1000H，存储容量为1K8、2K8、4K8H和8K8的存储器所对应的末地址分别为 、 、 和 。5、对6116进行读操作，6116引脚 = ， = ， = 。6、 试用4K8位的EPROM2732和2K8位的静态RAM6116以及LS138译码器,构成一个8KB.的ROM、4KB的RAM存储器系统(8086工作于最小模式),ROM地址范围为：FE000HFFFFFH,RAM地址范围为：00000H00FFFH。 一、概述 1. 存储器分类 1）按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器； 2）按读写功能分：ROM和RAM； 3）按信息的可保存性分类： 非永久性记忆存储器（断电后信息消失）：RAM 永久性记忆存储器（断电后信息仍保存）：ROM、磁表面或光表面存储器； 4）按在计算机系统中的作用分类：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器。 2. 存储器的性能指标 1）存储容量：是指存储器可以存储的二进制信息量。表示方法为： 存储容量 = 存储单元数*每单元二进制位数 2）存取时间和存取周期 ：说明存储器工作速度。 存取时间：从存储器接收到寻址地址开始，到完成取出或存入数据为止所需的时间； 存取周期：连续两次独立的存储器存取操作所需的最小时间间隔；一般略大于存取时间。 3）可靠性：指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。 4）其它指标：体积、功耗、工作温度范围、成本等。 3. 存储器系统的多层结构 对存储器系统的要求：容量大、速度快、成本低； 存储器系统多层结构：高速缓冲存储器（cache）、主存储器、外存储器； 主存：用来存放计算机运行期间的大量程序和数据，CPU可直接访问，一般由MOS型半导体存储器组成； 高速缓冲存储器（cache）：是计算机系统中的一个高速但容量小的存储器，在中高档微机中用来临时存放CPU正在使用和可能就要使用的局部指令和数据。通常用双极型半导体存储器组成； 外存：用来存放系统程序和大型数据文件及数据库等。外存储器中的数据和程序必须调到内存中CPU才能执行或调用，所以其特点是：存储器容量大、成本低但存取速度慢，目前主要有磁盘、光盘、磁带存储器。 二、半导体存储器 1. 半导体存储器的分类： 可分为RAM和ROM。 RAM：随机读写存储器，非永久性记忆存储器，用来存放需改变的程序、数据、中间结果及作为堆栈等； ROM：只读存储器，属永久性记忆存储器，用来存放固化系统的设备驱动程序、不变的常数和表格等。 2. 随机存储器RAM 按制造工艺可分为双极型和MOS型。 双极型：用晶体管组成基本存储电路，特点是存取速度快，但与MOS型相比，集成度低、功耗大、成本高，常用来制造cache； MOS型：用MOS管组成基本存储电路，存取速度低于双极型，但集成度高、功耗低、成本低、应用广泛。可分为静态和动态两类。 1）SRAM和DRAM的共同点： 断电后内容会丢失； 既可读亦可写。 2）区别： 从存放一位信息的基本存储电路来看，SRAM由六管结构的双稳态电路组成，而DRAM是由单管组成，是靠分布电容来记忆信息的。 SRAM的内容不会丢失，除非对其改写，DRAM除了对其进行改写或掉电，若隔相当长时间时，其中的内容回丢失，因此，DRAM每隔一段时间就需刷新一次，在700C情况下，典型的刷新时间间隔为2ms。 DRAM集成度高，而SRAM的集成度低。 3）DRAM的刷新 基本存储电路见图5.1。 图5.1基本存储电路 DRAM刷新：定时重复地DRAM进行读出和再写入，以使电容泄放的电荷得到补充。 专门安排的动态刷新操作特点： 保证在2ms内DRAM所有行都能遍访一次； 刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由AB提供； 刷新地址只需行地址； 刷新操作时，存储器芯片的数据线呈高阻状态。 实际的DRAM刷新方法： 一种是利用专门DRAM控制器来实现刷新控制，如Intel8203就是专门为了2117、2118、2164DRAM刷新DRAM控制器； 另一种是在每一个DRAM芯片上集成逻辑电路，使存储器件自身完成刷新，这种器件叫综合型DRAM，对用户而言，工作起来如同静态RAM，如Intel2186/2187。 DRAM特点：需刷新，且刷新操作时，不能进行正常读写操作，和SRAM比较，具有集成度高、功耗低、价格便宜、应用普遍等优点。 3. 只读存储器ROM 分为掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM。 1）掩膜ROM：厂家采用光刻掩膜技术，将程序制入其中，用户使用时，只能进行读操作，不能再改写存储器中的信息； 2）PROM：用户买来可按照自己的需要，进行一次且只能进行一次编程（写操作），一经编程就只能执行读出操作了； 3）EPROM：用户借助特殊手段可写入信息（编程）且能用紫外线擦除信息并可重复编程的ROM； 4）EEPROM：在线电擦除的EPROM。 三、常用半导体存储器芯片 1. 静态RAM存储器（SRAM） 1）静态RAM的结构和特性 常用的静态RAM电路有6116、6264、62256等，它们的引脚排列见图5.2。 A0Ai：地址输入线，i=10（6116），12（6264），14（62256）； O0O7：双向数据线，有时用D0D7表示； ：选片信号输入线，低电平有效；（CS高电平有效） ：读选通信号输入线，低电平有效； ：写选通信号输入线，低电平有效； Vcc：工作电源+5V； GND：线路地。 图5.2 常用静态RAM电路引脚图 2) 静态RAM的工作方式 静态RAM存储器有读出、写入、维持三种工作方式，工作方式的操作控制见表5.1。 表5. 1 6116,6264,62256的操作控制 信号 方式 O0O7 读 VIL VIL VIH 数据输出 写 VIL VIH VIL 数据输入 维持* VIH 任意 任意 高阻抗 * 对CMOS的静态RAM电路, 为高电平时电路处于降耗状态,此时Vcc电压可降至3V左右,内部的存储数据也不会丢失。 2. EPROM电路 1）EPROM的结构和特性 常用的EPROM电路有：2716，2732，2764，27128，27256，27512等。 A0Ai：地址输入线，i=1015； O0O7：三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时，O0O7呈高阻抗； ：选片信号输入线，“0”（即TTL低电平）有效； ：编程脉冲输入线； ：读选通信号输入线，“0”有效； Vpp：编程电源输入线，Vpp的值因芯片型号和制造厂商而异； Vcc：主电源输入线，Vcc一般为+5V； GND：线路地。 2）EPROM的操作方式 EPROM的主要操作方式有： 编程方式：把程序代码（机器指令、常数）固化到EPROM中； 编程校验方式：读出EPROM中的内容，检验编程操作的正确性； 读出方式：CPU从EPROM中读取指令或常数； 维持方式：数据端呈高阻； 编程禁止方式：适用于多片EPROM并行编程不同数据。 3. EPROM编程 EPROM编程就是将调试好的程序代码固化到（即写入）EPROM中。 常用的编程方法有常规的慢速编程和快速智能编程两种。 四、存储器与微处理器的连接 1. 主存储器的组织 1）系统内存配置 是最基本的一步。 主要是指内存容量的确定、内存区域的地址分配。 确定内存容量的因素 首先应考虑计算机运行环境的需要，其中应包括：系统软件所需占用的存储量、应用软件所需占用的存储量和数据所需占用的存储量； 另一个应考虑的因素是直接寻址的范围。 当系统的处理机选定以后，它的数据线的数目就确定了，也就规定了以该处理机为中心组织的系统内存的最大容量。 内存区域的地址分配 （特别应关心那些对硬件连接有直接影响的地址段） 首先应考虑ROM区的设置：ROM区应设置在处理机的起始地址上； 其次要考虑特殊用途规定的固定寻址地址：既可设在ROM区，亦可设在RAM区，若在RAM，则使程序设计更加灵活； 最后是RAM区域内的各地址基本上都是由程序操作的，即它们的工作情况主要受软件控制。 2）字节寻址与字寻址 在8086系统中，当要作一个整字存取时，只要是地址相邻的两个字节就可以了，且规定以地址较高的那个字节作为这个字的高位字节，而以低地址字节作为低位字节。 在8086系统中存储器物理结构上采用奇偶分体的方法，即偶数地址集成在一片存储芯片上，组成低位字节存储体；奇数地址集成在另一片存储芯片中，组成高位字节存储体。用A0=0作低位字节存储体的选通信号，用 =0作高位字节存储体的选通信号。 读写一个字，且从偶地址开始，CPU输出的A0和 都有效（为0），使读写高低两个字节，只需一个总线周期；读写一个字，若从奇地址开始，这时分两次读写，即需要两个总线周期。若读写一个字节，无论是从偶地址还是从奇地址读写，读只需一个总线周期。 3）存储器芯片的选用 应注意芯片读写周期与CPU提供的总线周期的关系。 例：8086CPU的时钟为5MHz，即时钟周期为200ns，总线周期为800ns，由于地址与数据线分时复用的缘故，实际完成读写操作的时间主要在两个时钟周期内，也即约400ns，这就要求选用的存储器芯片的读写周期不能大于400ns。 2. 8086系统中存储器的连接举例 设在8086最小模式下，系统要求16KB的ROM和16KB的RAM。RAM区的地址为00000H03FFFH，ROM区的地址为FC000HFFFFFH。 1） 74LS138三八译码器 三个门控信号G1、 、 ，只有当G1=1、 =0、 =0同时有效时，译码器才工作。 三个选通引脚A2、A1、A0，当这三个引脚取不同的值时，将选通不同的通道。参见表5.9。 2） 8086最小模式系统与存储器读写操作有关的引脚有： 地址线：A0A19； 数据总线：D0D19； 控制信号线：M/ ， 、 和 。 3） 读图 参见图5.8。 根据ROM、RAM范围确定使用的芯片； 确定哪些地址线应作为门控信号，哪些地址线作为译码信号； 硬件连接。 硬件连接。 五、内存条的选择与安装 1. 内存芯片和内存条 微机系统中CPU、内存、显示卡、声卡、硬盘、软驱等部分均是通过电缆线和主板连接的。早期，内存芯片直接插在主板的芯片插座上，或者直接焊接在电路上。后来，出现了各种形式的内存电路板，极大地方便了存储器的安装。从安装形式划分，常用的内存储器有如下几种。 （1）DIP型内存 DIP（Dual In-Line Package，双列直插式封装）内存就是将内存芯片封装在标准的双列直插式的管壳内。芯片的引脚线被接到两列平行的插脚上。外壳一角有圆形凹痕，标识1#引脚。386SX以前的微机中多采用DIP型内存。 （2）SIP型内存 SIP（Single In-Line Package，单列直插式封装）型内存为一小型电路板，板上焊接有紧密排列的存储芯片。该电路板一侧有一排针状插脚，用来插入到主板的SIP插座中。安装较DIP方便，容量也大。 （3）SIMM型内存条 SIMM是Single In-Line Memory Module的简写，即单边接触内存条。它将内存芯片焊接在一定规格的印刷电路板上，板的一侧有一排插脚。SIMM内存条有30线和72线之分，在486以前，多采用30线的SIMM内存条，而在Pentium中，应用更多的则是72线的SIMM内存条，或者是与DIMM内存条并存。72线的SIMM内存条的数据线有32条，常见的单SIMM容量有4MB、8MB、16MB和32MB。 （4）DIMM内存条 DIMM是Dual In-Line Memory Module的简写，即双边接触内存条，也就是说这种内存条插板的两边都有数据接口触片，每边为84线，一共有84X2=168线，故而人们经常把这种内存称为168线内存，而把72线的SIMM类型内存条直接称为72线内存。DRAM内存通常为72线，EDO-RAM内存既有72线，也有168线，而SDRAM（同步动态RAM）内存通常为168线的。 2内存条的选择 在选配内存条时，人们首先关心的是内存条的各种技术指标，一般包括引脚数、容量、速度、奇偶校验等。引脚数可以归纳如前面所讲的各种内存条，这里不再赘述。容量这一指标将直接制约系统的性能。内存条通常有8MB、16MB、32MB、64MB等容量级别，其中32MB、64MB内存已成为当前的主流配置，而用于诸如图形工作站的内存容量已高达128MB或512MB，甚至更高。 内存条芯片的存取时间是内存的另一个重要指标，常见的有60ns、70ns、80ns、120ns等几种，相应在内存条上标为6、7、8、12等字样。这个数值越小，存取速度越快，但价格也随之上升。在选配时，应尽量挑选与CPU时钟周期相匹配的内存条，这将有利于最大限度地发挥系统的效率。内存慢而主板快，会影响CPU的速度，还有可能导致系统崩溃；内存快而主板慢，结果是大材小用。 由于存储器制造技术的进步，存储器的稳定性得到保证，一般商用机器的内存条无须加奇偶校验位。带奇偶校验的存储芯片只用在必须保证数据正确读写的关键地方，比如服务器中。标准型内存条有的有校验位，有的没有；非标准的内存条通常有奇偶校验位。需注意的是，在CMOS的SETUP中关于奇偶校验位的OFF/ON的设置必须与实际的内存条情况相一致。这就要求一台计算机中内存条的配置要么都带奇偶校验位，要么都不带，决不可混用。内存条上是否有奇偶校验位，可以从外观上判断：每根内存条上有9或3个芯片的含有奇偶校验位，而有8或2个芯片的内存条没有奇偶校验位。 3内存条的安装 现在微机普遍采用72线SIMM型内存条和168线DIMM型内存条。因为72线SIMM内存条的数据线有32根，所以对486主板安装一条SIMM就可以了。关于Pentium型CPU，其数据线为64位，要一次能存取64位数据，就必须同时安装两个72线的内存条，所以586级微机的主机板，一般必须按偶数安装72线内存条。事实上一般奔腾主板提供了