6-3 存储器连接

中北大学五院 2015-4-163 存储器芯片与系统的连接 在微型系统中，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：l 地址线的连接；l 数据线的连接；l 控制线的连接；注意以下问题： 芯片选择单个存储器芯片容量是有限的，在微机主存系统中，需要扩充多块芯片构成一定容量的存储器，所以就存在芯片选择问题。在选片过程中，要考虑芯片容量、总存储容量、时序匹配等问题。 CPU总线的负载能力由RAM和ROM构成的主存储器如果直接挂在CPU总线上，则会造成不堪重负。在小型系统中，CPU可以直接和存储器芯片相连，但当CPU和大容量的存储器相连时，应当考虑总线的驱动问题，即考虑在总线上增加总线驱动器来增加CPU总线的驱动和负载能力。常用的总线驱动器有：74LS245、Intel 8286/8287。 CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题CPU在取指和存储器读或写操作时，是有固定时序的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求，或在存储器已经确定的情况下，可考虑通过CPU插入Tw周期来解决。 存储器的地址分配和片选问题一、地址译码 由于每片存储器芯片的容量是有限的，而存储器的总容量需求却很大，因此，存储器由很多个或很多组芯片构成。在读写操作时，对存储单元的寻址用两步实现，首先通过片选信号来选择芯片或芯片组，称为片选；然后再从该组内或芯片内选择某个单元地址，称为字选。另外，将一个存储器芯片接到系统总线上，除连接部分控制信号及数据信号线外，还要根据用户要求，确定该芯片在整个内存系统中所占据的地址范围。前面已介绍，芯片的片选信号是由高位地址信号和控制信号通过译码电路而产生的，也就是高位地址信号的输出状态决定了该芯片在整个内存中的所占据的地址范围。怎样来确定芯片的片选信号？这就是存储器的地址译码。所谓译码，就是将一组输入信号转换为一个确定的输出。在存储器系统中，译码就是将高位地址线通过一组电路（译码器）转换为一个确定的输出信号，并将其连接到存储器芯片的片选端，使该芯片被选中，从而使系统能够对该芯片上的存储单元进行读写操作。二、地址译码方式系统与存储器芯片连接时，需要从以下方面来分析：n 首先判断存储器芯片的地址线（片内地址线）和数据线的个数；n 确定每个芯片的片选信号，系统高位地址线（片选地址线）的输出状态；n 总线连接，系统和存储芯片的数据线、地址线、部分控制线；n 电路连线确定存储器芯片（在整个存储器系统）的地址范围；存储器的地址译码方式（片选信号的确定方法）有三种：线选法、全地址译码法、部分地址译码法。1、线选法线选法：用除片内寻址外的高位地址线直接（或经反相器）分别接至各个存储芯片的片选端，当某地址线信号为“0”时，就选中与之对应的存储芯片。这些片选地址线每次寻址时只能有一位有效，不允许同时有多位有效，这样才能保证每次只选中一个芯片（或芯片组）。例1：用4片2K8位芯片采用线选法，构成的8K8位存储器芯片组。因为2K=211，所以用A0Al0这11根地址线作为片内寻址接到每块芯片上，并用A1lA14这四条高位地址线进行线选，即可确定各芯片的地址范围。各芯片的地址范围如下表所示。线选法的地址分配芯片A19A15A14A11A10A0地址范围1#1 1 1 1 1 0 1 1 10 0 01 1 1FB800HFBFFFH2#1 1 1 1 1 1 0 1 10 0 01 1 1FD800HFDFFFH3#1 1 1 1 1 1 1 0 10 0 01 1 1FE800HFEFFFH4#1 1 1 1 1 1 1 1 00 0 01 1 1FF000HFFFFFH线选法的优点：不需要地址译码器，线路简单，选择芯片不须外加逻辑电路，但仅适用于连接存储芯片较少的场合。线选法不能充分利用系统的存储器空间，且把地址空间分成了相互隔离的区域，给编程带来了一定的困难。2、全地址译码法全地址译码法：将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，从而使得存储器芯片中每一个单元在内存空间中具有唯一的一个地址。全地址译码法可以提供对全部存储空间的寻址能力，即使不需要全部存储空间、也可以采用全译码法，多余的译码输出悬空，便于需要时扩充。例2： SRAM 6264（8K8）采用全地址译码法与8088相连，并且6264芯片的地址范围为3C000H3DFFFH。分析： 1) 根据芯片容量来判断地址线和数据线的个数；13条地址线，A0A12，8数据线D0D7。2) 根据地址范围来确定地址线的连接；A19A18A17A16A15A14A13A12 A11 A1 A03E000H00111110 0 0 03E001H00111110 0 0 13EFFFH00111111 1 1 1通过列表，可知：片选地址线为：A19A13 ，输出值为：0011111，接3-8译码器；A12A0 为字选地址线，直接与存储器芯片的地址线相连，如下图所示。全译码法的优点是：每片（或组）芯片的地址范围是唯确定的，而且是连续的，也便于扩展，不会产生地址重叠的存储区，但全译码法对译码电路要求较高。问题：如果改变存储芯片的地址范围，连接怎样改变？如：地址范围为3C000H3DFFFH。3、部分地址译码法部分译码法是用高位地址线中的一部分（而不是全部）进行译码，以产生各存储器芯片的片选控制信号。当采用线选法地址线不够用，而又不需要全部存储器空间的寻址能力时，可采用这种方法。使用时，在确定每个芯片的地址时，没有用到的高位地址线的状态可以设为“0”，这样确定的地址称为芯片的基地址。例3： SRAM 6264（8K8）采用部分地址译码法与8088相连，连接示意图如下，写出6264芯片的地址范围？部分译码连接和全译码连接相比，各芯片地址不是唯一的。也就是可以由若干个地址都选中同一芯片的同一单元，即所谓的地址重叠。这是因为有多个高位地址没有用，这些地址线上的信号不论怎么变，都不会影响译码器的输出和芯片的选择。在实际应用中，存储芯片的片选信号可根据需要选择上述某种方法或几种方法并用。4 存储器的扩展技术任何存储芯片的存储容量都是有限的，要构成一定容量的内存，需要用多个存储器芯片来进行组合，这种组合称为存储器的扩展。存储器的扩展包括：字扩展、位扩展、字位扩展。1、存储器的位扩展适用场合：存储器芯片的容量满足存储器系统的要求，但其字长小于存储器系统的要求。电路连接方法：将每一个存储芯片的地址线和控制线全部并连在一起，而将数据线分别连接到数据总线的不同位上。例4.1：用1K4的2114芯片构成lK8的存储器系统。分析：2114芯片的数据线为4位，地址线为10位，由于每个芯片的容量为1K，故满足存储器系统的容量要求。但由于每个芯片只能提供4位数据，故需用2片这样的芯片，它们分别提供4位数据线到系统的数据总线，以满足存储器系统的字长要求。（采用部分地址译码法）。用2114组成1K8的存储器连线设计要点：1) 将每个芯片的10位地址线按引脚名称一一并联，按次序逐根接至系统地址总线的低10位。2) 数据线则按芯片编号连接，1号芯片的4位数据线依次接至系统数据总线的D0-D3，2号芯片的4位数据线依次接至系统数据总线的D4-D7。3) 两个芯片的端并在一起后接至系统控制总线的存储器写信号。（也可由和的组合来承担）。4) 引脚也并联后接至地址译码器的输出，而地址译码器的输入则由系统的高位地址线。当存储器工作时，系统根据高位地址的译码同时选中两个芯片，而低位地址码也同时到达每一个芯片，从而选中两个芯片的同一个单元。在读/写信号的作用下，两个芯片的数据同时读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者同时将来自数据总线上的字节数据写入存储器。根据硬件连线图，我们还可以进一步分析出该存储器的地址分配范围如下： 地址信号线地址范围A19 . A12A11 A10A9 . A0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 0 0 0 H0 0 3 F F H说明：表示可以任选值，在这里我们均选0。2、字扩展字扩展是对存储器容量的扩展(或是存储空间的扩展)。此时存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，而存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数量。字扩展电路连接方法：将每个芯片的地址信号、数据信号和一些控制信号按信号名称全部并连在一起，只将片选端分别引出到地址译码器的不同输出端，即用片选信号来区别每个芯片的地址。例4.2： 用2K8的2716存储器芯片组成8K8的存储器系统。分析：由于每个芯片的字长为8位，故满足存储器系统的字长要求。但由于每个芯片只能提供2K个存储单元，故需用4片这样的芯片，以满足存储器系统的容量要求。设计要点： l 先将每个芯片11位地址线按引脚名称一一并联，然后按次序逐根接至系统地址总线的低11位。l 将每个芯片的8位数据线依次接至系统数据总线的D0D7。l 两个芯片的端并在一起后接至系统控制总线的存储器读信号（连接的原因同位扩充方式），l 它们的引脚分别接至地址译码器的不同输出，地址译码器的输入则由系统地址总线的高位来承担。连线见下图。当存储器工作时，根据高位地址的不同，系统通过译码器分别选中不同的芯片，低位地址码则同时到达每一个芯片，选中它们的相应单元。在读信号的作用下，选中芯片的数据被读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出。同样，根据硬件连线图，我们也可以进一步分析出该存储器的地址分配范围如下表：（假设只考虑16位地址）地 址 码地址范围芯片编号A19 . A13A12 A11A10 A9 . A0 0 00 0 01 1 100 0 0 0 H00 7 F F H2716-1 0 10 0 01 1 100 8 0 0 H00 F F F H2716-2 1 00 0 01 1 101 0 0 0 H01 7 F F H2716-3 1 10 0 01 1 101 8 0 0 H01 F F F H2716-4说明：表示可以任选值，在这里我们均选0。思考：如果把片选地址线由A12 、A11 变为A14 、A11，则地址范围是什么？有什么规律？3、字位扩展存储器芯片的字长和容量均不符合存储器系统的要求，这时就需要用多片这样的芯片同时进行位扩展和字扩展，以满足系统的要求。进行字位扩展时，一般先进行位扩展，构成字长满足要求的内存模块，然后再用内存模块进行字扩展，使存储容量满足要求。例4.3：用1K4的2114芯片组成2K8的存储器系统。分析：由于芯片的字长为4位，因此首先需用采用位扩展的方法，用两个芯片形成1K8的存储器芯片组。再采用字扩展的方法来扩充容量，使用两组芯片经过形成2K8的存储器系统。设计要点：l 每个芯片的10根地址信号引脚宜接接至系统地址总线的低10位，每组两个芯片的4位数据线分别接至系统数据总线的高/低四位；l 地址码的A10、A11经译码后的输出，分别作为两组芯片的片选信号；l 每个芯片的控制端直接接到CPU的读/写控制端上，以实现对存储器的读/写控制。用2114 组成2K8的存储器连线当存储器工作时，根据高位地址的不同，系统通过译码器分别选中不同的芯片组，低位地址码则同时到达每一个芯片组，选中它们的相应单元。在读/写信号的作用下，选中芯片组的数据被读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者将来自数据总线上的字节数据写入芯片组。同样，根据硬件连线图，我们也可以进一步分析出