微机原理与接口技术 中科大第四版 ppt15207.ppt

1,微型计算机原理及其应用第五章：存储器及其接口,2,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,3,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,4,第五章：存储器及其接口概述,存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。,5,第五章：存储器及其接口概述,6,第五章：存储器及其接口概述,存储器的分类按存储介质分类磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类随机存储器(内存和硬盘)、顺序存储器(磁带)。按存储器的读写功能分类只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)。按信息的可保存性分类非永久记忆的存储器、永久性记忆的存储器。按在计算机系统中的作用分类主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。,7,第五章：存储器及其接口概述,存储器的性能指标存储器系统的三项主要性能指标是【容量】、【速度】和【可靠性】。存储容量：是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器可靠性：也是存储器系统的重要性能指标。通常用平均故障间隔时间来衡量。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。,8,第五章：存储器及其接口概述,微机系统存储体结构,9,第五章：存储器及其接口概述,存储器的分类,10,第五章：存储器及其接口概述,半导体存储器什么叫半导体？导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体例如：锗、硅、砷化镓等半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用（例如：电视、半导体收音机、电子计算机等）半导体的一些电学特性：压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化,11,第五章：存储器及其接口概述,半导体存储器的分类,12,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,13,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,只读存储器(ReadOnlyMemory,ROM)：内容只可读出不可写入，最大优点是所存信息可长期保存，断电时，ROM中的信息不会消失。主要用于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装入程序。,14,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,掩膜ROM在出厂前由芯片厂家将程序写到rom里，以后永远不能修改。如图是一个简单的44位的MOSROM存储阵列，两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。此时，若有管子与其相连（如位线1和位线4），则相应的MOS管就导通，输出低电平，表示逻辑“0”；否则（如位线2和位线3）输出高电平，表示逻辑“1”。(0110、0101、1010、0000),15,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,可编程的ROM(Programmable-ROM，PROM)掩模ROM的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已经固定下来了，这给使用者带来了不便。为了解决这个矛盾，设计制造了一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件，即可编程的ROM，又称为PROM。PROM的类型有多种，如二极管破坏型PROM存储器，在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存储内容均为“1”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位就意味着写入了“1”。读出的操作同掩模ROM。除此之外，还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入电路产生脉冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。对PROM来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种ROM器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。,16,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,可擦除可编程ROM(ErasableProgrammableROM,EPROM)EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。一般擦除信息需用紫外线照射l520分钟。,17,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,电可擦除可编程ROM(ElectronicErasibleProgrammableROM,EEPROM)EEPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压(1224V，随不同的芯片型号而定)。EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。借助于EPROM芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至“OFF”的位置，防止病毒对BIOS芯片的非法修改。,18,第五章：存储器及其接口只读存储器ROM,快擦型存储器(FlashMemory)快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机存储器市场。快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。快擦型存储器可替代EEPROM，在某些应用场合还可取代SRAM，尤其是对于需要配备电池后援的SRAM系统，使用快擦型存储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点，能满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的ROM，以便随时写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打印机、条形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。,19,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,20,第五章：存储器及其接口随机存储器RAM,随机存储器(RandomAccessMemory,RAM)：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读写操作。,21,第五章：存储器及其接口随机存储器RAM,静态随机存储器(StaticRAM,SRAM)SRAM其存储电路是以双稳态触发器为基础，只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路。SRAM的主要性能是：存取速度快、功耗较大、容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（Cache）。,22,第五章：存储器及其接口随机存储器RAM,动态随机存储器(DynamicRAM,DRAM)DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。DRAM的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。,23,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,24,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。基本存储单元：一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。存储体：一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放MN个二进制信息，就需要用MN个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。地址译码器：由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读/写操作。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。单译码：单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。双译码：双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号，行列选择线交叉处即为所选中的单元。,25,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器的系统结构4.片选与读/写控制电路：片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读/写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。I/O电路：I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。集电极开路或三态输出缓冲器：为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。其它外围电路：对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。,26,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器的系统结构,27,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器的系统结构,28,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,基本存储器芯片模型在微型系统中，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，实质上就是其与系统总线的连接，包括(1)地址线的连接；(2)数据线的连接；(3)控制线的连接。,29,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,基本存储器芯片模型地址线的位数：从图中可看出地址线的位数决定了芯片内可寻址的单元数目，如Intel2114(1K4)有10条地址线，则可寻址的单元数为1024个；Intel2116(16K1)有14条地址线，则可寻址的单元数为16K个。数据线的根数：RAM芯片的数据线多数为1条，静态RAM芯片一般有4条和8条。若为1条数据线，则称为位片存贮芯片；若有4条数据线，则该芯片可作为数据的低4位或高4位；若有8条数据线，则该芯片正好作为一个字节数，其引脚已指定相应数据位的名称。控制线：RAM芯片的控制引脚信号一般有：芯片选择信号、读/写控制信号，对动态RAM（DRAM）还有行、列地址选通信号。,30,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,基本存储器芯片模型,31,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接在实际应用中，进行存储器与CPU的连接需要考虑以下几个问题：CPU的总线负载能力；CPU与存储器之间的速度匹配；存储器地址分配和片选；控制信号的连接。(1)控制线的连接：即如何用CPU的存储器读写信号同存储器芯片的控制信号线连接，以实现对存储器的读写操作。简单系统：CPU读写信号与存储器芯片的读写信号直接相连。复杂系统：CPU读写信号和其它信号组合后与存储器芯片的读写信号直接相连。CPU读信号最终和存储器的读信号相连，CPU写信号最终和存储器的写信号相连。,32,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接(2)数据线的连接：若一个芯片内的存储单元是8位，则它自身就作为一组，其引脚D0D7可以和系统数据总线D0D7或D8D15直接相连。若一组芯片(4个或8个)才能组成8位存储单元的结构，则组内不同芯片应与不同的数据总线相连。,33,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接存储器芯片分组位扩展(加大字长)例用8个16K1bit芯片组成16K8bit的存储器。,34,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接(3)地址线的连接：将用以“字选”的低位地址总线直接与存贮芯片的地址引脚相连，将用以“片选”的高位地址总线送入译码器。可以根据所选用的半导体存储器芯片地址线的多少，把CPU的地址线分为芯片外(指存储器芯片)地址和芯片内的地址，片外地址经地址译码器译码后输出。作为存储器芯片的片选信号，用来选中CPU所要访问的存储器芯片。片内地址线直接接到所要访问的存储器芯片的地址引脚，用来直接选中该芯片中的一个存储单元。对4K8b的2732而言，片外地址线为A19A12，片内地址线为A11A0；对2K8b的6116而言，片外地址线为A19A11，片内地址线为A10A0。,35,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接字扩展(扩大地址),36,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接组成一个存储系统通常是由多个存储芯片组成。CPU每次访问内存只能对一个存储单元进行读或写，这个单元位于某个芯片中或一组芯片中。因此，首先要找到这个或这组芯片，这就是所谓的片选问题。换句话说，就是每当CPU访问内存，如何产生相应芯片的片选信号。指定一个存贮单元是由CPU给出的地址来决定的，硬件寻址的方法是将地址总线分成两部分。一部分直接送入芯片进行“片内地址译码”，确定片内单元的位置；另一部分送入译码器进行“片外地址译码”产生片选信号。通常我们有三种片选方法：线选法、全译码法、部分译码法。,37,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接线选法在剩余的高位地址总线中，任选一位作为片选信号直接与存贮芯片的CS引脚相连，这种方式就称为线选法。其特点是无需译码器，但有较多的地址重叠区。该方法适用于存储器容量不大，所使用的存储芯片数量不多，而CPU寻址空间远远大于存储器容量。,38,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接线选法例5-1：用5片Intel6116(2K8)组成10K8位的存储器系统。求每块芯片的地址范围。,RAM2KB,RAM2KB,RAM2KB,CS,CS,CS,CS,CS,A11A12A13A14A15,D0-D7,A0-A10,数据总线,地址总线,（3）,（4）,（5）,RAM2KB,RAM2KB,（1）,（2）,39,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接线选法,40,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接线选法,41,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接全译码法除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部送入“片外地址译码器”中进行译码的方法就称为全译码法。其特点是物理地址与实际存储单元一一对应，但译码电路复杂。,42,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接全译码法例5-2：用16片Intel6232(4K8)组成64K8位的存储器系统。求每块芯片的地址范围。,4KB(1),4KB(2),4KB(16),译码器,CS,CS,CS,Y0,Y1,Y15,A0-A11,地址总线,数据总线,D0-D7,A15-A12,.,.,43,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接全译码法,44,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接部分译码法除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，剩余的部分不是全部参与译码的方法就称为部分译码。其特点是译码电路比较简单，但出现“地址重叠区”，一个存贮单元可以由多个地址对应。,45,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接部分译码法例5-3：用8片Intel6116(2K8)组成16K8位的存储器系统。求每块芯片的地址范围。,2KB(1),2KB(2),2KB(8),译码器,CS,CS,CS,Y0,Y1,Y7,A0-A10,地址总线,数据总线,D0-D7,A15-A11,中任三根,.,.,46,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接地址译码器将CPU与存储器连接时，首先根据系统要求，确定存储器芯片地址范围，然后进行地址译码，译码输出送给存储器的片选引脚CS。能够进行地址译码功能的部件叫做地址译码器。常见的地址译码器如74LS138电路。,47,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接地址译码器如图给出了该译码器的引脚和译码逻辑框图。由图可看到，译码器74LS138的工作条件是控制端G1=1,G2A*=0,G2B*=0，译码输入端为C、B、A，故输出有八种状态，因规定CS*低电平选中存储器，故译码器输出也是低电平有效。当不满足编译条件时，74LS138输出全为高电平，相当于译码器未工作。74LS138的真值表如下表。,48,第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接,存储器芯片与CPU的连接地址译码器,49,第五章：存储器及其接口,概述只读存储器ROM随机存储器RAM存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接典型的半导体芯片举例,50,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,SRAM芯片HM61166116芯片的容量为2K8bit，有2048个存储单元，需11根地址线，7根用于行地址译码输入，4根用于列译码地址输入，每条列线控制8位，从而形成了128128个存储阵列，即16384个存储体。6116的控制线有三条，片选CS、输出允许OE和读写控制WE。,51,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,SRAM芯片HM6116Intel6116存储器芯片的工作过程如下：读出时，地址输入线A10A0送来的地址信号经地址译码器送到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元(其中有8个存储位)，由CS、OE、WE构成读出逻辑(CS=0，OE=0，WE=1)，打开右面的8个三态门，被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到D7D0输出。写入时，地址选中某一存储单元的方法和读出时相同，不过这时CS=0，OE=1，WE=0，打开左边的三态门，从D7D0端输入的数据经三态门和输入数据控制电路送到I/O电路，从而写到存储单元的8个存储位中。当没有读写操作时，CS=1，即片选处于无效状态，输入输出三态门至高阻状态，从而使存储器芯片与系统总线“脱离”。6116的存取时间在85150ns之间。,52,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,DRAM芯片2164,53,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,DRAM芯片2164DRAM芯片2164A的容量为64K1bit，即片内有65536个存储单元，每个单元只有1位数据，用8片2164A才能构成64KB的存储器。若想在2164A芯片内寻址64K个单元，必须用16条地址线。但为减少地址线引脚数目，地址线又分为行地址线和列地址线，而且分时工作，这样DRAM对外部只需引出8条地址线。芯片内部有地址锁存器，利用多路开关，由行地址选通信号RAS(RowAddressStrobe)，把先送来的8位地址送至行地址锁存器，由随后出现的列地址选通信号CAS(ColumnAddressStrobe)把后送来的8位地址送至列地址锁存器，这8条地址线也用手刷新，刷新时一次选中一行，2ms内全部刷新一次。Intel2164A的内部结构示意图如图所示。,54,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,DRAM芯片2164,55,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,DRAM芯片2164图中64K存储体由4个128128的存储矩阵组成，每个128128的存储矩阵，由7条行地址线和7条列地址线进行选择，在芯片内部经地址译码后可分别选择128行和128列。锁存在行地址锁存器中的七位行地址RA6RA0同时加到4个存储矩阵上，在每个存储矩阵中都选中一行，则共有512个存储电路可被选中，它们存放的信息被选通至512个读出放大器，经过鉴别后锁存或重写。锁存在列地址锁存器中的七位列地址CA6CA0(相当于地址总线的A14A8)，在每个存储矩阵中选中一列，然后经过4选1的I/O门控电路(由RA7、CA7控制)选中一个单元，对该单元进行读写。2164A数据的读出和写入是分开的，由WE信号控制读写。当WE为高时，实现读出，即所选中单元的内容经过三态输出缓冲器在DOUT脚读出。而WE当为低电平时，实现写入，DIN引脚上的信号经输入三态缓冲器对选中单元进行写入。2164A没有片选信号，实际上用行选RAS、列选CAS信号作为片选信号。,56,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,EPROM芯片2732A4K8位存取时间为200ns、250ns；（1）引脚功能：24脚，图5-12（a）地址线：12条，A11A0数据线：8条，O7O0控制线：2条，-CE（片选）-OE：输出允许（复用）电气引脚：3条，Vcc（+5V），GND（地）Vpp（+21V），编程高压，与-OE引脚复用。,57,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,EPROM芯片2732A（2）工作方式：6种（1）读方式：当地址有效后，-CE和-OE同时有效，读（2）待用方式：-CE无效时，保持状态，输出高阻，-OE不起作用，自动进入低功耗（125mA降到35mA）（3）编程方式：-OE/Vpp引脚加21V高压时，进入编程方式。编程地址送地址引脚，数据引脚输入8位编程数据，地址和数据稳定后，-CE端加1个低有效的50ms55ms编程脉冲（直流信号不起作用），写入1个单元。然后可换地址、数据写第2个单元。,58,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,EPROM芯片2732A（2）工作方式：6种（4）编程禁止方式：-OE/Vpp加21V高压，-CE加高电平，禁止编程，输出高阻。（5）输出禁止方式：-CE有效，-OE加高电平，禁止输出，数据线高阻。（6）Intel标识符方式：A9引脚加高压，-CE、-OE有效时，可从数据线上读出制造厂和器件类型的编码。,59,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,例：有一个8086CPU与半导体芯片的接口如图所示，其中存储器芯片#1#8为SRAM芯片6116(2KB)；#9#16为EPROM芯片2732(4KB)。试分析该接口电路的工作特性，计算RAM区和ROM区的地址范围(内存为字节编址)。,60,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,（1）奇偶体的分配：单号为偶体（由A0=0选择，接D7D0），双号为奇体（由BHE选择*，接D15D8）；（8086要求）,61,第五章：存储器及其接口典型的半导体芯片举例,（2）地址锁存器的实现：3片74LS373对双重总线上的20位地址和BHE*信号进行锁存。373的G接CPU的ALE，下降沿锁存T1时刻发出的20位地址和BHE*信号373的OE