内存及其与CPU连接.ppt

第4章微机的内存及其与CPU的连接 4 1概述4 2随机存取存储器4 3只读存储器4 4存储器芯片地址译码与存储容量扩展4 5存储器接口 本章的重点 了解存储器的分类 了解SRAM DRAM的工作原理 掌握存储器地址译码和存储器接口 4 1存储器概述 4 1 1存储系统的层次化结构 缓存主存辅存 图1微型计算机存储器的三级结构 高速缓冲存储器 Cache 主要由双极型半导体存储器构成 速度快 为了弥合主存和CPU的速度上的较大差别而设置 存放正在执行的程序和数据 速度与CPU相匹配 有片内片外之分 主存储器 内存 主存储器又称为内部存储器 主要用来存放当前正在使用或者经常使用的程序和数据 具有一定的容量 存取速度较高 辅助存储器 外存 辅助存储器又称为外部存储器 主要用来存放当前暂时不参加运算的程序和数据 4 1 2存储器的分类 1 按在计算机系统中的作用分类高速缓冲存储器 Cache 主存储器辅助存储器2 按存储介质分类磁表面存储器 用作辅助存储器 半导体存储器 用作微型计算机系统的主存储器 双极型和金属氧化物半导体型 光介质存储器 用作辅助存储器 3 按存储器的存取方式分类 4 1 3半导体存储器芯片的一般结构 存储器芯片的引脚 1 地址线 输入信号 A0 A10 表明芯片内部有211个存储单元2 数据线 D0 D7 表明芯片内每个存储单元可存储8位二进制数据 注 存储芯片x根地址线 y根数据线 其可存储二进制位的数量为2x y 3 控制信号 CS 片选信号OE 输出允许信号ME 写入允许信号 存储芯片内部由存储矩阵 地址译码电路和读 写控制电路等组成 1 存储矩阵存储矩阵是存储单元的集合 一个存储单元可以存储一位或多位二进制数数据 因此 可以把存储器芯片分为位片结构和字片结构两种类型 2 地址译码电路译码器将地址锁存器输入的地址码转换成译码器输出线上相应的有效电平 表示选中了某一存储单元 并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读 写电路 完成被选中单元的读 写操作 译码驱动方式分为一维地址译码和二维地址译码两种 3 读 写控制电路控制逻辑接收CPU送来的启动 读 写等命令 经控制电路处理后 由控制逻辑产生一组时序信号来控制存储器的读出和写入操作 4 1 4半导体存储芯片的性能指标 1 存储容量存储容量是存储器能够存储的二进制信息的数量 2 存储器存取时间和存取速度存储器存取时间又称为存储器访问时间 是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 也可以称为读 写时间 对于内存和外存其具体定义有很大的差异 3 可靠性4 集成度 常以 位 片 字节 片 表示 4 2随机存取存储器 4 2 1静态随机存取存储器1 基本存储单元SRAM的基本存储电路是六管组成的双稳态电路 2 SRAM存储芯片 Intel2114Intel2114是一种210 4位的SRAM存储器芯片 其最基本的存储元是六管存储电路 该存储芯片有1024个存储单元 每单元4位 也就是字长为4位 采用三态控制 SRAM存储芯片 Intel2114 VCC GND A3 A4 A5 A6 A7 A8 I O1 I O2 I O3 I O4 输入数据控制 行选择 64 16存储矩阵 列I O电路 列选择 A0 A2 A1 A9 引脚图 b Intel2114的外部引脚 a Intel2114的内部结构 图Intel2114的内部结构和外部引脚 WE CS 1 2114的内部结构和引脚 2 2114的读周期当ME 1且CS 0时 对2114的操作为读取 其时序图如下所示 3 2114的写周期 4 2 2动态随机存取存储器DRAM 1 基本存储单元 VT1 VT2 行选择信号 刷新放大器 列选择信号 数据I O线 C 单管动态存储器的基本存储电路 2 DRAM芯片的组成DRAM存储芯片 Intel4164芯片Intel4164是一种64K 1bit的DRAM存储器芯片 它的基本存储元采用单管存储电路 a Intel4164的内部结构 b Intel4164的外部引脚 图Intel4164的内部结构和外部引脚 4 3只读存储器 4 3 1 掩模ROM的存储原理 8 4MROM集成电路芯片的内部电路原理图 4 3 2 PROM的存储原理 熔丝式PROM存储器的基本存储电路 4 4存储芯片地址译码与存储容量扩展 4 4 1存储芯片地址译码存储芯片与CPU连接时 其数据线与数据线连接 其地址线与地址线的低端连接 二地址线上其余的信号线形成芯片的片选信号 芯片的读 写控制信号与控制总线上相应的信号线连接 1 以简单逻辑门电路形成片选信号例1 有一片2K 8ROM存储芯片 与CPU的连接如图所示 试确定其他地址范围 例2 有一片32K 8RAM存储芯片 与CPU的连接图如下所示 试确定其地址范围 例3 有四片8K 8RAM存储芯片 与CPU的连接如下所示 试确定其地址范围 2 以译码器形成片选信号 74LS139双2 4译码器 例4 某8088系统的64KROM由八片2764 8K 8 EPROM组成 与CPU的连接如图所示 试确定其地址范围 例5 某微型计算机系统的32KRAM由四片6264 8K 8 SRAM组成 与CPU的连接如下 试确定其地址范围 4 4 2存储芯片片选译码的形式 CPU要实现对存储单元的访问 首先要选中存储芯片 即进行片选 然后再从选中的芯片中依据地址码选择出相应的存储单元 以进行数据存取 这称为字选 1 线选译码法线选法就是用除了片内寻址外的高位地址线直接 或经反相器 接至各个存储芯片的片选端 当某条地址线信息为 0 时 就选中与之对应的存储芯片 2 全译码法 全译码法是用除了片内寻址外的全部高位地址线作为地址译码器的输入 把经过译码器译码后的输出作为各芯片的片选信号 将它们分别接到存储芯片的片选端 以实现对存储芯片的选择 图全译码法构成的8K 8bit存储器的连接图 地址范围 3 部分译码 在系统中如果不要求提供CPU可直接寻址的全部存储单元 则可采用线选法和全译码法相结合的方法 这就是部分译码法 所谓的部分译码 是用除了片内寻址外的高位地址的一部分来译码产生片选信号 4 4 3存储器容量扩展 根据存储器所要求的容量和我们选定的存储芯片的容量 就可以计算出总的芯片数 即 总片数 总容量 单个芯片容量例如 存储器容量为8K 8bit 若选用2114芯片 1K 4bit 则需要 8K 8bit 1K 4bit 16 片 存储器扩展技术有位扩展 字扩展和位字同时扩展三种 1 位扩展 位扩展指只在位数方向扩展 加大字长 而芯片的字数和存储器的字数是一致的 位扩展的连接方式是将各存储芯片的地址线 片选线和读 写线相应地并联起来 而将各芯片的数据线单独列出 例如 用64K 1bit的DRAM芯片组成64K 8bit的存储器 所需芯片数为 64K 8bit 64K 1bit 8 片 位扩展 A0 8 A0 7 A0 6 A0 5 A0 4 A0 3 A0 2 A0 1 A15 I O 64K 1bit I O I O I O I O I O I O I O A15 A0 D7 D0 等效为 64K 8bit芯片组 D0 D7 数据总线 地址总线 A0 A15 位扩展连接举例 2 字扩展 字扩展是指仅在字数方向扩展 而位数不变 字扩展将芯片的地址线 数据线 读 写线并联 由片选信号来区分各个芯片 如用l6K 8bit的SRAM组成64K 8bit的存储器 所需芯片数为 64K 8bit l6K 8bit 4 片 字扩展 字扩展连接举例 3 字和位同时扩展 当构成一个容量较大的存储器时 往往需要在字数方向和位数方向上同时扩展 这时需要将前两种扩展组合起来 实现起来也是很容易的 字和位同时扩展 历年典型考题 2012年考题第11 17题 历年典型考题 2011年考题第11 25 26题 历年典型考题 2010年考题第12 14 25题 4 5存储器接口 在微型计算机系统中 CPU对存储器进行读 写操作 首先要由地址总线给出地址信号 选择要进行读 写操作的存储单元 然后通过控制总线发出相应的读 写控制信号 最后才能在数据总线上进行数据交换 所以 存储器芯片与CPU之间的连接实质上就是存储器与系统总线的连接 包括 地址总线的连接数据总线的连接控制总线的连接 在连接中需要考虑的问题如下 总线的负载能力 在设计CPU芯片时 一般考虑其输出线的直流负载能力 CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题 存储器的地址分配和片选问题 控制信号的连接 CPU与SRAM的连接 2 静态RAM与8位CPU的连接例设用2114静态RAM芯片构成4K 8位存储器 其地址范围为2000H 2FFFH 试画出连接线路图 分析 2114的结构是1K 4位 需用芯片数为 4 1 8 4 8 可先用两片2114按位扩展方法组成1K 8的存储器组 再用8片组成四组1K 8位的存贮器 1K芯片有10根地址线 可接地址总线A9 A0 每组中的两片2114的数据线I O4 I O1 则分别接数据总线的高4位D7 D4和低4位D3 D0 根据给定的地址范围 可列出每组2114芯片组的地址范围如表所示 假如将高6位地址A15 A10用74LS138进行译码来控制各芯片的片选端 由表6 2可知 高3位地址线A15 A13可分别接74LS138使能端的G2B G2A G1 低3位地址线A12 A10可分别接74LS138输入端的C B A 控制信号IO M WR经与非门接2114的写允许信号WE 解 RAM存储芯片2114与CPU的连接线路图如图所示 CPU与DRAM的连接 刷新时钟 刷新控制 多路控制 行 列多路器 刷新多路器 刷新计数器 CPU DB RA7 RA0 A15 A8 A7 A0 MA7 MA0 A7 A0 DRAM芯片 组 A15 A0 典型的DRAM与CPU连接电路 3 动态RAM与8位CPU的连接例设用单片存储容量为16K 1位的Intel2116动态RAM芯片组成一个16K 8位的存储器 其地址范围为4000H 7FFFH 试画出连接线路图 分析 因2116芯片的容量为16K 1故需用8片按位扩展方法才能组成16K 8的存储器 每片2116芯片上有一条I O线 正好分别与CPU的8条数据总线D7 D0相连 为解决2116用7个地址输入端传送14位地址的矛盾 地址信息的输入采用分时方式 因此 CPU在读或写存储器时 由M IO信号经过行列选通信号发生器 产生相应的行地址选通信号RAS RAS 列地址选通信号CAS CAS和读写控制信号WE 分别送到2116和地址多路转换器 当A15 0 A14 1及IO M 0时 利用RAS信号使动态RAM被选中 CPU的地址总线A13 A0上的行地址A6 A0和列地址A13 A7 分别在RAS和CAS的控制下 经地址多路转换器 被分别送入2116芯片内部的行地址锁存器和列地址锁存器 经译码后 选中被寻址的存储单元 解 动态RAM存储芯片2116与CPU的连接线路图如图所示 动态RAM2116与CPU的连接 2 存储器与16位CPU的连接在16位CPU8086中 存储器的构成分为高位 奇地址 库和低位 偶地址 库两部分 其地址总线为16位 因此 扩展的存储器与16位CPU的连接关键在于如何构成高低两个库的问题 1 只读存储器与8086CPU的连接例在有16根地址总线的微机系统中 采用2732 4K 8 EPROM存储器芯片 形成8K字节的程序存储器 试画出存储器芯片的连接电路 分析 需要使用两片此类芯片并联组成一组 其中 数据总线的高8位D15 D8和低8位D7 D0分别与两片2732的数据输出线O7 O0相连 低位地址线A12 A1接至两片2732的A11 A0 其余的高位地址线和M IO 高电平 控制信号组合用来产生选片信号CS与2732的CE信号连接 控制信号RD与2732的OE相连 解 两片EPROM2732组成的程序存储器如图所示 2 静态RAM与8086CPU的连接例6 6请用Intel6116RAM存储器芯片构成2K字的存储器 画出电路连接图 分析 因为61