上海工程技术大学微机原理与接口技术yp 第5章 存储器原理与接口

1、2006/01信息学院计算机系统研究所1 1 城市轨道交通学院城市轨道交通学院 第第5章章 存储器原理与接口存储器原理与接口 2006/01信息学院计算机系统研究所2 2 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 主主 要要 内内 容容 q 存储器分类存储器分类 q 多层存储结构多层存储结构 q 主存储器和存储控制主存储器和存储控制 q 8086系统的存储器组织系统的存储器组织 q 存储器接口举例存储器接口举例 2006/01信息学院计算机系统研究所3 3 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 1. 按构成存储器的器件和存储介质分按构成存储器的器件和存储介质分 用来制作存储器的物质称为用来制作存储

2、器的物质称为介质介质。 三种三种： 磁表面存储器和磁芯存储器磁表面存储器和磁芯存储器 半导体存储器半导体存储器 光盘存储器光盘存储器 一、存储器分类一、存储器分类 2006/01信息学院计算机系统研究所4 4 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 2.按存取方式分按存取方式分 三种三种： 随机存储器随机存储器 RAM (Random Access Memory) 只读存储器只读存储器ROM( Read Only Memory) 读写存储器读写存储器 顺序存取存储器顺序存取存储器（SAM）和直接存取存储器和直接存取存储器（DAM） 串行访问存储器串行访问存储器 SAS( Serial Acces

3、s Storage) 如磁带如磁带 如光盘，磁盘如光盘，磁盘 可读可写、断电丢失可读可写、断电丢失 正常只读、断电不丢失正常只读、断电不丢失 ROM常驻软件（如常驻软件（如BIOS） 内存区；内存区； RAM其余的内存区。其余的内存区。 2006/01信息学院计算机系统研究所5 5 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 3.按在计算机中的作用分按在计算机中的作用分 三种三种： 主存储器主存储器 (内存内存) :是内部存储器，用于保存正在是内部存储器，用于保存正在 使用或经常使用的程序和数据，如系统软件、系使用或经常使用的程序和数据，如系统软件、系 统参数以及正在运行的软件和数据。统参数以及正在

4、运行的软件和数据。 内存内存其速度快、容量小、每位价格高，目前其速度快、容量小、每位价格高，目前 主要采用半导体存储器，主要采用半导体存储器，CPU可以直接可以直接 访问访问，一般为，一般为RAM。 2006/01信息学院计算机系统研究所6 6 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 高速缓存高速缓存-用在两个不同工作速度的部件之间，用在两个不同工作速度的部件之间， 在交换信息时起缓冲作用，一般称在交换信息时起缓冲作用，一般称 之为之为CacheCache。 2006/01信息学院计算机系统研究所7 7 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 辅助存储器辅助存储器(外存外存) :海量存储器，外存用

5、来存放当 前暂时不用的程序和数据。CPU不能直接用指令对 外存储器进行读/写操作，如要执行外存储器存放的 程序，必须先将该程序由外存储器调入内存储器。 在微机中常用硬磁盘、软磁盘和磁带作为外存储器。 外存只与内存交换信息，而不能被外存只与内存交换信息，而不能被CPU直接访问。直接访问。 外存由顺序编址的外存由顺序编址的 “块块”所组成。所组成。 外存的容量大（海量存储器），但由于它多数是外存的容量大（海量存储器），但由于它多数是 机电装置所构成，所以工作速度较慢。机电装置所构成，所以工作速度较慢。 而外存而外存其速度慢、容量大、每位价格低。其速度慢、容量大、每位价格低。 2006/01信息学院

6、计算机系统研究所8 8 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 4.从器件原理来分：双极型和从器件原理来分：双极型和MOS型型 半导体存储器的优点半导体存储器的优点：容量大、成本低、功耗小、容量大、成本低、功耗小、 体积小体积小 、存储速度快、使用方便，且扩容和维护灵活。、存储速度快、使用方便，且扩容和维护灵活。 本章介绍采用半导体存储器及其组成本章介绍采用半导体存储器及其组成主存主存的方法的方法 双极型双极型RAM特点是存取速度快，但集成度低，特点是存取速度快，但集成度低， 且功耗大。且功耗大。 MOS型：速度慢、集成度高、型：速度慢、集成度高、功耗低。功耗低。 详细分类，请看图示 2006/

7、01信息学院计算机系统研究所9 9 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 半导半导 体存体存 储器储器 只读存储只读存储 器器ROM 随机存取随机存取 存储器存储器 RAM MOS型型RAM 双极型双极型RAM 动态动态RAM 静态静态RAM（SRAM ） 掩膜式掩膜式ROM 可编程可编程ROM(PROM) 可擦除编程可擦除编程ROM (EPROM ) 电可擦除编程电可擦除编程ROM( E2PROM) 半导体存储器分类表半导体存储器分类表 2006/01信息学院计算机系统研究所10 10 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 半导体半导体 存储器存储器 只读存储器只读存储器 （ROM） 随机存

8、取存储器随机存取存储器 （RAM） 静态静态RAM（SRAM） 动态动态RAM（DRAM） 非易失非易失RAM（NVRAM） 掩膜式掩膜式ROM 一次性可编程一次性可编程ROM（PROM） 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM（EPROM） 电擦除可编程电擦除可编程ROM（EEPROM） 详细展开，注意对比 2006/01信息学院计算机系统研究所11 11 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 读写存储器RAM 组成单元速度集成度应用 SRAM触发器快低小容量系统 DRAM极间电容慢高大容量系统 NVRAM带微型电池慢低小容量非易失 2006/01信息学院计算机系统研究所12 12 原萍城市

9、轨道交通学院城市轨道交通学院 按存储单元的结构和生产工艺的不同，可构成下按存储单元的结构和生产工艺的不同，可构成下 面几种面几种ROM。 （1）掩膜式）掩膜式ROM 这种这种ROM在制作集成电路时，用定做的掩膜进在制作集成电路时，用定做的掩膜进 行编程（未金属化的位存行编程（未金属化的位存“1”；否则存；否则存“0”）。）。 它的每个存储元件由单管构成，因此集成度较高。它的每个存储元件由单管构成，因此集成度较高。 但它的编程只能由器件但它的编程只能由器件制造厂在生产时定型制造厂在生产时定型，即一旦，即一旦 制作完毕，其内容就固定了，用户自己无法操作编程。制作完毕，其内容就固定了，用户自己无法操

10、作编程。 由于其使用可靠，大量生产成本很低，所以当产品已由于其使用可靠，大量生产成本很低，所以当产品已 被定型而大批量生产时可选择使用它。被定型而大批量生产时可选择使用它。 只读存储器只读存储器 2006/01信息学院计算机系统研究所13 13 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 nPC机启动过程机启动过程： n由BIOS（ROM）中的程序进行系统初始化 和自检 n由BIOS中的引导程序将操作系统程序从外存 中调入内存（RAM）。 n进入操作系统界面，然后由操作者将应用程 序调入内存运行。 2006/01信息学院计算机系统研究所14 14 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （2）PROM

11、 允许用户根据需要编写其中的内容，但只允允许用户根据需要编写其中的内容，但只允 许编程一次。信息一旦写入便永久固定，不能再许编程一次。信息一旦写入便永久固定，不能再 改变。改变。 （3 ）EPROM 擦除信息时要从电路上取下，置于紫外线或擦除信息时要从电路上取下，置于紫外线或X 光下照射十几分钟，才能将芯片上的信息全部擦光下照射十几分钟，才能将芯片上的信息全部擦 除，然后在专用的编程器上将新的信息写入（写除，然后在专用的编程器上将新的信息写入（写 入之前应确保芯片是全入之前应确保芯片是全“1”状态）。状态）。 2006/01信息学院计算机系统研究所15 15 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学

12、院 EPROM n顶部开有一个圆形的石英窗口，用 于紫外线透过擦除原有信息 n一般使用专门的编程器（烧写器） 进行编程 n编程后，应该贴上不透光封条 n出厂未编程前，每个基本存储单元 都是信息1 n编程就是将某些单元写入信息0 2006/01信息学院计算机系统研究所16 16 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （4） E2PROM 擦除信息时，不需要将芯片从电路板上拔擦除信息时，不需要将芯片从电路板上拔 下，而是直接用电信号进行擦除，对其编程也下，而是直接用电信号进行擦除，对其编程也 是在线操作，因此改写步骤简单。是在线操作，因此改写步骤简单。 2006/01信息学院计算机系统研究所17

13、17 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （5）闪存）闪存 闪烁存储器（Flash）是一种新型半导体存 储器，是一种电可擦除、可重写的非易失性 的存储器。属于EEPROM，即是通过电的方式 进行擦除和重写。与E2PROM相比，但掉电后 还可以保持10年左右。Flash具有非易失性、 可靠性、高速度、大容量、擦写灵活的特点， 是目前被应用得最多的一种存储器，如U盘、 MP3、数字相机、数字摄像机、BIOS等。 它具有更高的性价比，且体积小、功耗低，使用方便，这几方面综合它具有更高的性价比，且体积小、功耗低，使用方便，这几方面综合 起来的优势是目前其它半导体存储器技术所无法比拟的。起来的优势是目

14、前其它半导体存储器技术所无法比拟的。 Flash Memory 2006/01信息学院计算机系统研究所18 18 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 应用需要：应用需要：存取速度快、存储容量大、价 格/位低。但由于技术的或经济的方面原 因，存储器的这些特性往往是相互矛盾、 相互制约的。用一种存储器很难同时满 足这些要求。 为了发挥各种不同类型存储器的长处， 避开其弱点，应该把他们合理地组织起 来，这就出现了存储系统层次结构的概 念。 *存储系统的层次结构：存储系统的层次结构： 2006/01信息学院计算机系统研究所19 19 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存储体系存储体系: 存储器一

15、般指存储信息的硬件器存储器一般指存储信息的硬件器 件，存储体系（系统）是指由件，存储体系（系统）是指由各具特色、不各具特色、不 同类型的存储器同类型的存储器构成相互依存、相互支持的构成相互依存、相互支持的 多个层次，以及与此相关的软、硬件。多个层次，以及与此相关的软、硬件。单一单一 品种品种的存储器不能同时满足计算机系统的各的存储器不能同时满足计算机系统的各 项要求，而存储体系可以较好地做到统筹兼项要求，而存储体系可以较好地做到统筹兼 顾，充分发挥整体优势。顾，充分发挥整体优势。 2006/01信息学院计算机系统研究所20 20 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 n 金字塔结构：金字塔结构

16、： 2006/01信息学院计算机系统研究所21 21 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 金字塔结构金字塔结构 寄寄 存器存器 Cache 内部存储器内部存储器 磁盘存储器磁盘存储器 磁带存储器磁带存储器光盘存储器光盘存储器 微机微机存储体系的分层结构存储体系的分层结构 M0 M1 M2 2006/01信息学院计算机系统研究所22 22 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 微机存体系的分层结构微机存体系的分层结构 寄存器寄存器 Cahe 内部存储器内部存储器 磁盘存储器磁盘存储器 磁带存储器磁带存储器光盘存储器光盘存储器 M0 M1 M2 M 0 CPUCache 1Cache 2M 1

17、M 2 M 3 微处理器芯片 主机 内存外 存 2006/01信息学院计算机系统研究所23 23 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 内存内存用来存放用来存放CPUCPU当前要运行的程序和数据，当前要运行的程序和数据， CPUCPU可直接用指令对内存进行读可直接用指令对内存进行读/ /写；写；外存外存用来用来 存放存放CPUCPU当前暂时不用的程序和数据，当前暂时不用的程序和数据，CPUCPU不能不能 直接用指令对外存进行读直接用指令对外存进行读/ /写。写。 通过软、硬件的结合，内存和外存统一成通过软、硬件的结合，内存和外存统一成 了一个了一个整体整体，由内存和外存形成一个存储层次。，由内

18、存和外存形成一个存储层次。 从整体来看，从整体来看，它解决了存储器的大容量和低成本它解决了存储器的大容量和低成本 之间的矛盾。之间的矛盾。 2006/01信息学院计算机系统研究所24 24 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 在现代微机中同时采用在现代微机中同时采用内存内存- -外存外存和和 Cache-Cache-内存内存这这两种两种存储层次，构成了存储层次，构成了“Cache-Cache- 内存内存- -外存外存” ” 三级存储系统三级存储系统。这三级存储系统。这三级存储系统 的形成满足了现代微机对存储系统在速度、容的形成满足了现代微机对存储系统在速度、容 量及价格上的要求。量及价格上的

19、要求。 在在CPUCPU寄存器和内存中间设置寄存器和内存中间设置高速缓存高速缓存 （Cache）是解决存取速度的重要方法，它构成是解决存取速度的重要方法，它构成 了高速缓存与内存间的一个存储层次。从了高速缓存与内存间的一个存储层次。从CPUCPU 的角度看，它的角度看，它解决了速度与成本之间的矛盾解决了速度与成本之间的矛盾。 2006/01信息学院计算机系统研究所25 25 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 可将整个存储系统看成三级：可将整个存储系统看成三级： 高速缓存高速缓存 主存（内存）主存（内存） 外存（辅存）外存（辅存） 也可看成两个二级系统：也可看成两个二级系统： 高速缓存主存（

20、一级）高速缓存主存（一级） 主存外存（一级）主存外存（一级） 请注意：请注意： 这两个二级存储系统各自的基本功能是不相同的；这两个二级存储系统各自的基本功能是不相同的； 前者：前者：提高提高CPUCPU访问存储器的速度；访问存储器的速度； 后者：后者：弥补主存容量的不足弥补主存容量的不足。 2006/01信息学院计算机系统研究所26 26 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 注意 n除采用磁、光原 理的辅存外，其 它存储器主要都 是采用半导体存 储器 n本章介绍采用半 导体存储器及其 组成主存的方法 CPU CACHE 主存（内存）主存（内存） 辅存（外存）辅存（外存） 2006/01信息学

21、院计算机系统研究所27 27 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （1）容量容量 指存储器能存储的二进制数的位数。指存储器能存储的二进制数的位数。它一般用能它一般用能 存储的字数乘以字长表示，即存储的字数乘以字长表示，即 存储容量存储容量=存储单元数存储单元数(字数字数)字长（字长（位数位数） 单位：单位：bit 三、主存储器和存储控制三、主存储器和存储控制 2006/01信息学院计算机系统研究所28 28 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 注意注意:从芯片的规格可知其容量从芯片的规格可知其容量 4K 1 存储单元数存储单元数 字长字长,即一个存储单元的位数即一个存储单元的位数 如：如：

22、存储容量存储容量1024 4（位（位 ），指一个芯片），指一个芯片 内有内有1024个存储单元，每个个存储单元，每个存储单元放存储单元放4位二进位二进 制数。制数。 2006/01信息学院计算机系统研究所29 29 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存储芯片的容量存储芯片的容量=芯片的单元数芯片的单元数每个单元的位数。每个单元的位数。 如：如：存储容量存储容量1024 （字）（字）4（位（位 ），指一个芯），指一个芯 片内有片内有1024个存储单元，每个个存储单元，每个存储单元放存储单元放4位二进位二进 制数。制数。 存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关： n 芯

23、片的存储容量芯片的存储容量2NM N：芯片的地址线根数：芯片的地址线根数 M：芯片的数据线根数：芯片的数据线根数 2006/01信息学院计算机系统研究所30 30 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 位位(bit) 存储单元存储单元 地址地址 00000H 00001H 00002H 00003H FFFFFH 存储体存储体 存储器存储器 微机中的存储器是以字节微机中的存储器是以字节(8 位位)字节为单位字节为单位， 也就是说总认为一个也就是说总认为一个字节是字节是“基本基本”的字长的字长 地址引角数有关地址引角数有关-2N 输入输入/输出数据线引角数有关输出数据线引角数有关相等。相等。 2

24、006/01信息学院计算机系统研究所31 31 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 b 7 b 6 b 2 b 1 b 0 8位二进码 地 址 0 1 2 m 2 m 1 存储单元存储单元 N 存储体存储体 N-1 微机中的存储器几乎都是以字节微机中的存储器几乎都是以字节(8 位位)进行编址的，进行编址的， 也就是说总也就是说总 认为一个字节是认为一个字节是“基本基本”的字长的字长 所以常常只用所以常常只用 可能存储的字可能存储的字 节数即节数即存储单存储单 元数元数来表示存来表示存 储容量储容量 2006/01信息学院计算机系统研究所32 32 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 计算:

25、有有N根地址线根地址线，存储器容量为，存储器容量为 2NB 如：8086CPU有20根地址线，可寻址的存储单 元1MB，内存容量就为1MB 寻址的存储单元寻址的存储单元 8位，一个字节位，一个字节 2006/01信息学院计算机系统研究所33 33 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （2）存取时间存取时间 指存数的指存数的写写操作和取数的操作和取数的读读操作占用的时间，一操作占用的时间，一 般在芯片外壳的标注上以般在芯片外壳的标注上以ns为单位给出存取时间参为单位给出存取时间参 数。数。 （3）功耗功耗 指每个单元所耗的功率单位为指每个单元所耗的功率单位为微瓦微瓦 /单元单元。也有。也有 给

26、出每块芯片总功率的，单位为给出每块芯片总功率的，单位为毫瓦毫瓦/芯片芯片。 2006/01信息学院计算机系统研究所34 34 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存取时间和功耗两项指标的乘积为速度、存取时间和功耗两项指标的乘积为速度、 功率乘积，是一项重要的功率乘积，是一项重要的综合指标综合指标。 （4）电源电源 指芯片工作时所需的电源种类。有的芯片只要单指芯片工作时所需的电源种类。有的芯片只要单 一的一的+5v，有的需要多种电源才能工作。，有的需要多种电源才能工作。 2006/01信息学院计算机系统研究所35 35 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 可靠性可靠性 可靠性是指存储器对电磁

27、场及温度等变化的可靠性是指存储器对电磁场及温度等变化的 抗干扰性，用平均无故障时间来度量，一般为几抗干扰性，用平均无故障时间来度量，一般为几 千小时以上。千小时以上。 其它指标其它指标 体积小、重量轻、价格便宜、使用灵活是微型体积小、重量轻、价格便宜、使用灵活是微型 计算机的主要特点及优点，所以存储器的体积大计算机的主要特点及优点，所以存储器的体积大 小、功耗、工作温度范围、小、功耗、工作温度范围、 成本高低等也成为人成本高低等也成为人 们关心的指标。们关心的指标。 2006/01信息学院计算机系统研究所36 36 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 2、主存储器的基本操作、主存储器的基本操

28、作 n主存储器的主存储器的基本操作基本操作就是指就是指CPU对主存储器的对主存储器的一一 次访问次访问：读或写，非读即写，也称存取。：读或写，非读即写，也称存取。 n存储器与存储器与CPU连接主要是地址总线、数据总线和连接主要是地址总线、数据总线和 控制线的连接。控制线的连接。 2006/01信息学院计算机系统研究所37 37 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 CPUCPU内存内存 容量：容量：2k字字 地址总线地址总线k位位 数据总线数据总线n位位 字长字长n位位 read write CPU与内存连接示意图与内存连接示意图 2006/01信息学院计算机系统研究所38 38 原萍城市轨道

29、交通学院城市轨道交通学院 CPU对存储器的读/写操作首先是向其地址线发 出地址信号，然后向控制线发读/写信号，最后在数 据线上传送数据信息。 在这种连接中，地址的连接必须满足对芯片所分 配的地址范围的要求。 CPU发出的地址信号必须实现两种选择： 首先对存储器芯片的选择，使相关芯片的片选端 有效，称之为片选； 然后在选中的芯片内部再选择某一存储单元， 称之为字选。 片选信号和字选信号均由CPU 发出的地址信号 经译码电路产生。 2006/01信息学院计算机系统研究所39 39 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存取操作 读出时间 读取周期 内部恢复 T4T3T2T1 AB信号传送CB信号传

30、送 数据输入DB t(a) 写入时间 写存周期 内部恢复 T4T3T2T1 AB信号传送DB、CB 信号传送 数据写入 t(b) 2006/01信息学院计算机系统研究所40 40 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 （1 1）存储体）存储体 （3 3）地址译码电路）地址译码电路 （2 2）外围电路读）外围电路读/ /写（写（I/OI/O）电路与控制电路）电路与控制电路 其功能是根据输入的地址编码，选中芯片内某其功能是根据输入的地址编码，选中芯片内某 个特定的单元。个特定的单元。 它是用来存储信息的模块，是由许多它是用来存储信息的模块，是由许多存储元件存储元件 按一定规则排列而成的矩阵。按一定

31、规则排列而成的矩阵。 2006/01信息学院计算机系统研究所41 41 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存存 储储 体体 读读 写写 放放 大大 器器 输入输入/ 输出输出 缓冲缓冲 器器 地址译码器地址译码器控制电路控制电路 地址缓冲器地址缓冲器 数据线数据线 OEWECS 存储器的组成框图存储器的组成框图 AB DB 2006/01信息学院计算机系统研究所42 42 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 A1 4K*1位存储器位存储器 二维地址译码二维地址译码 示意图示意图 DB 地址输入缓冲器 地址输入缓冲器 X地址译码器 地址译码器 0,00,63 63,063,63 Y地址译码

32、器地址译码器 I/O 电路电路 X0 X63 A0 A2 A3 A4 A5 A7 A11 D DD Y0 Y63 A6A8A9A10 输入输入/输出输出 缓冲缓冲 控制电路控制电路 R/WCS . . . 典型的典型的RAM示意图示意图 地址输入缓冲器地址输入缓冲器 存储矩阵存储矩阵 64644K D 2006/01信息学院计算机系统研究所43 43 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 芯片的规格芯片的规格 256K 1 存储单元数存储单元数 （字字） 字长字长,即一个存储单元的即一个存储单元的位数位数 芯片芯片 注意注意:从芯片的规格可知其容量从芯片的规格可知其容量 多字一位片多字一位片

33、; 称位结构称位结构 ，如，如512K1 多字多位片多字多位片; 称字结构，如称字结构，如256K4 存储体存储体 2006/01信息学院计算机系统研究所44 44 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 存储芯片的容量存储芯片的容量=芯片的单元数芯片的单元数每个单元的位数。每个单元的位数。 如：如：存储容量存储容量1024 （字）（字）4（位（位 ），指一个芯），指一个芯 片内有片内有1024个存储单元，每个个存储单元，每个存储单元放存储单元放4位二进位二进 制数。制数。 存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关： n 芯片的存储容量芯片的存储容量2NM N：芯片的地址线

34、根数：芯片的地址线根数 M：芯片的数据线根数：芯片的数据线根数 2006/01信息学院计算机系统研究所45 45 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 以静态以静态 静态 6 2006/01信息学院计算机系统研究所46 46 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 下图为下图为MOS六管静态存储元电路图六管静态存储元电路图: 行选线行选线x 译码线译码线 (I/O) 外部数据外部数据 定义定义:若若T1导通导通 而而T2截止截止,存入存入 信息为信息为0;若若T1 截止而截止而T2导通导通, 存入信息为存入信息为1 T8 字线字线 列选线译码线列选线译码线 T7 (I/O) 外部数据外部数据 A

35、B T6 Vcc5v T3T4 T1T2 T5 D 位位 线线 D 位线位线 D A点的电平高低分别代表 1 或 0 漏极 源极 栅极 R AB R 5V T1T2 0 / 11 R AB R 5V 1 0 /11 0 S 衬底1/0 2006/01信息学院计算机系统研究所47 47 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 触发器概念 触发器是能够实现记忆功能的元件，各种时序电路触发器是能够实现记忆功能的元件，各种时序电路 通常都是由触发器构成。通常都是由触发器构成。 触发器具有两个稳定状态，有一个或两个输出端，触发器具有两个稳定状态，有一个或两个输出端， 接通电源后两个输出端就有相异的状态，而

36、且当输入接通电源后两个输出端就有相异的状态，而且当输入 端加上触发信号时，输出会发生反转，故称为触发器。端加上触发信号时，输出会发生反转，故称为触发器。 触发信号取消后，触发器保持原状态不变，直到重新触发信号取消后，触发器保持原状态不变，直到重新 输入触发信号时发生变化，具有记忆功能，可构成计输入触发信号时发生变化，具有记忆功能，可构成计 数器、寄存器和存储器。数器、寄存器和存储器。 2006/01信息学院计算机系统研究所48 48 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 单元存储电路工作原理单元存储电路工作原理 1. T3、T4两个MOS管持续导通，用作“负载电阻”； 2. T1、T2是工作管

37、，两个MOS管“背靠背”连接，它们 的状态相反； 3. 由T1、T2、T3、T4组成的存储电路有两种稳定状态0， 1； 4. 没有外来信号影响时，存储电路的状态保持不变； 5. (T5， T7)， (T6， T8)控制单元存储电路与外部的连通， 它们受行线X和列线Y控制。 静态存储器用双稳态触发器存储信息，一旦电压消 失，原存储的状态同时消失，再次上电时，原来的信息 不能恢复。 2006/01信息学院计算机系统研究所49 49 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 主要主要缺点缺点有两个：有两个： 由于静态由于静态RAM基本存储电路中包含的基本存储电路中包含的 管子数目比较多，所以芯片容量较小

38、；管子数目比较多，所以芯片容量较小； 由于两个交叉耦合的管子由于两个交叉耦合的管子T1、T2总有一总有一 个处于导通状态，所以会持续地消耗功率，个处于导通状态，所以会持续地消耗功率， 使得使得SRAM功耗较大。功耗较大。 主要主要优点优点是：是： 无需进行刷新，因此简化了外部电路。无需进行刷新，因此简化了外部电路。 静态静态RAM的特点的特点 2006/01信息学院计算机系统研究所50 50 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 静态RAM nSRAM的基本存储单元是触发器电路 n每个基本存储单元存储二进制数一位 n许多个基本存储单元形成行列存储矩阵 nSRAM一般采用“字结构”存储矩阵： n

39、每个存储单元存放多位（4、8、16等） n每个存储单元具有一个地址 2006/01信息学院计算机系统研究所51 51 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 列选择信号列选择信号 数据输入数据输入 / 输出线输出线 行（字）选择信号行（字）选择信号 Q C 单管动态单管动态RAM基本存储电路基本存储电路 动态动态RAM通常由单管组成通常由单管组成 Cd 三管三管DRAM 四管四管DRAM 2006/01信息学院计算机系统研究所52 52 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 动态RAM nDRAM的基本存储单元是单个场效应管 MOS及其极间电容 n必须配备“读出再生放大电路”进行刷新 n每次同时

40、对一行的存储单元进行刷新 n每个基本存储单元存储二进制数一位 n许多个基本存储单元形成行列存储矩阵 nDRAM一般采用“位结构”存储体： n每个存储单元存放一位 n需要8个存储芯片构成一个字节单元 n每个字节存储单元具有一个地址 2006/01信息学院计算机系统研究所53 53 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 DRAM的刷新的刷新 由于由于DRAM是以是以MOS管栅极和衬底间的电容管栅极和衬底间的电容 上的电荷来存储信息的，而上的电荷来存储信息的，而MOS管栅极上的电荷管栅极上的电荷 会因漏电而泄放，所以存储单元中的信息只能保持会因漏电而泄放，所以存储单元中的信息只能保持 若干毫秒。为此

41、，要求在若干毫秒。为此，要求在13ms中周期性地刷新存中周期性地刷新存 储单元，而储单元，而DRAM本身不具备刷新功能，必须附本身不具备刷新功能，必须附 加刷新电路。加刷新电路。 刷新刷新是指将存储单元的内容重新按原样设置一是指将存储单元的内容重新按原样设置一 遍，而不是将所有单元都清零。遍，而不是将所有单元都清零。 2006/01信息学院计算机系统研究所54 54 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 地址译码有两种工作方式：地址译码有两种工作方式： 单译码单译码方式方式-将地址编码的全部位用一个译码器进将地址编码的全部位用一个译码器进 行译码，也称字结构。行译码，也称字结构。 双译码双译码

42、方式方式-将地址编码将地址编码平分平分为两部分，用两个译为两部分，用两个译 码器分别进行译码，也称复合译码结构。这样方式码器分别进行译码，也称复合译码结构。这样方式 可大大简化芯片的设计。可大大简化芯片的设计。 地址译码器地址译码器 2006/01信息学院计算机系统研究所55 55 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 地址译码电路 译译 码码 器器 A5 A4 A3 A2 A1 A0 63 0 1 存储单元存储单元 64个单元个单元 行行 译译 码码 A2 A1 A0 7 1 0 列译码列译码 A3A4A5 017 64个单元个单元 单译码双译码 n单译码结构 n双译码结构 n双译码可简化芯

43、片设 计 n主要采用的译码结构 2006/01信息学院计算机系统研究所56 56 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 A1 X地址译码器 地址译码器 1,11,32 32,132,32 Y地址译码器地址译码器 1，0 X1 X32 A6 D DD Y1 Y32 A5A7A8A9 A3 A0 A2 A4 . . . 存储矩阵存储矩阵 3232 D 双译码存储电路双译码存储电路 2006/01信息学院计算机系统研究所57 57 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 行行 X 译译 码码 32行行32列列 构成构成1024个单元个单元 列列Y译码译码 和和 I / O控制控制 A0 A1 A2 A

44、3 A4 X1 X2 X31 X32 Y1Y2Y32 数据输入数据输入 数据输出数据输出 R / W CE A9A8A7A6A5 双译码结构（双译码结构（32行行32列组成的矩阵）列组成的矩阵） 2006/01信息学院计算机系统研究所58 58 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 例：已知某存储器芯片规格为例：已知某存储器芯片规格为1K8，试比较，试比较 内部采用两种不同地址译码方式时，使用译码器内部采用两种不同地址译码方式时，使用译码器 驱动线的多少。驱动线的多少。 解：解： 芯片为芯片为1K8， 即地址输入线数目即地址输入线数目n=10， 则单译码方式地址译码驱动线数目则单译码方式地址译

45、码驱动线数目=2n=210=1024。 双译码方式取双译码方式取X向、向、 Y向各向各n/2=5位译码，位译码， X 向（向（Y向）地址译码驱动线数目为向）地址译码驱动线数目为2n/2=25=32条。条。 双 译 码 方 式 地 址 译 码 驱 动 线 数 目 为双 译 码 方 式 地 址 译 码 驱 动 线 数 目 为 2n/2+2n/2=32+32=64。 两者相比，双译码时地址驱动线的数目减少两者相比，双译码时地址驱动线的数目减少 到单译码的到单译码的1/16。 2006/01信息学院计算机系统研究所59 59 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 读读/写写-由读由读/写放大器和数据寄

46、存器组成，是数写放大器和数据寄存器组成，是数 据输入、输出的通道。据输入、输出的通道。 控制电路控制电路-对存储器的读对存储器的读/写操作进行控制。当写操作进行控制。当 存储器进行读存储器进行读/写操作时，写操作时，CPU要发出要发出RD或或WR 及产生片选信号及产生片选信号CS，用来对存储芯片进行选择。，用来对存储芯片进行选择。 外围电路读外围电路读/ /写电路与控制电路写电路与控制电路 2006/01信息学院计算机系统研究所60 60 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 1. 8086 系统中存储器组成特点系统中存储器组成特点 8086 CPU的地址总线有的地址总线有 20 条，它的存储

47、器是以字节条，它的存储器是以字节 为存储单元组成的，每个字节对应一个唯一的地址码，所为存储单元组成的，每个字节对应一个唯一的地址码，所 以具有以具有 1 MB(地址范围地址范围00000HFFFFFH)的的寻址能力寻址能力。 8086 CPU数据总线数据总线 16 位，与位，与8086 CPU对应的对应的 1 MB 存储空间可分为两个存储空间可分为两个 512 KB(524288 B)的存储体。其中一的存储体。其中一 个存储体由奇地址的存储单元个存储体由奇地址的存储单元(高字节高字节)组成，另一个存储组成，另一个存储 体由偶地址的存储单元体由偶地址的存储单元(低字节低字节)组成。前者称为奇地址

48、的组成。前者称为奇地址的 存储体，后者称为偶地址的存储体存储体，后者称为偶地址的存储体。 四、四、8086系统的存储器组织系统的存储器组织 2006/01信息学院计算机系统研究所61 61 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 D8D15 奇奇地址存储器地址存储器 SEL A18A0 D7D0 偶偶地址存储器地址存储器 SEL A18A0 数据总线数据总线 DB7 DB0 数据总线数据总线 DB15 DB8 BHE 地地 址址 总总 线线 A19A1 A0 8086系统存储器组成原理图系统存储器组成原理图 D7D0 2006/01信息学院计算机系统研究所62 62 原萍城市轨道交通学院城市轨道

49、交通学院 8086存贮器的高低位存储器存储器的选择 2006/01信息学院计算机系统研究所63 63 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 2. 8086 cpu与存储器的接口与存储器的接口 8086最小模式系统存储器的接口最小模式系统存储器的接口 8086CPU 存储器存储器 子系统子系统 AD15AD0 RD M/IO A19A0 ALE BHE WR DT/R DEN 2006/01信息学院计算机系统研究所64 64 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 3、接口设计一些问题、接口设计一些问题 存储芯片与CPU总线的连接，还要考虑具体 问题： nCPU的总线负载能力的总线负载能力 nCP

50、U能否带动总线上包括存储器在内的连接器 件 nCPU总线时序和存储芯片的存取速度配合总线时序和存储芯片的存取速度配合 nCPU能否与存储器的存取速度相配合 n存储器地址分配和片选问题存储器地址分配和片选问题 2006/01信息学院计算机系统研究所65 65 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 总线驱动总线驱动 nCPU的总线驱动能力有限 n单向传送的地址和控制总线， 可采用三态锁存器和三态单向 驱动器等来加以锁存和驱动 n双向传送的数据总线，可以采 用三态双向驱动器来加以驱动 2006/01信息学院计算机系统研究所66 66 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 时序配合时序配合 n分析存储

51、器的存取速度是否满 足CPU总线时序的要求 n如果不能满足： n考虑更换芯片 n总线周期中插入等待状态TW 2006/01信息学院计算机系统研究所67 67 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 五、存储器接口举例五、存储器接口举例 2006/01信息学院计算机系统研究所68 68 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 五、存储器接口举例五、存储器接口举例 1、R0M扩展电路扩展电路 规格有：规格有： 2716 容量容量2KB ， 地地 址线址线11根根 2732 容量容量4KB，地，地 址线址线12根根 27系列EPROM n 2716 n 2732 8位 型号与型号与字数字数有直接关系有直

52、接关系 27后边的数除以后边的数除以8是以是以KB为单位的容量为单位的容量 2006/01信息学院计算机系统研究所69 69 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 外形外形 n顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透 过擦除原有信息过擦除原有信息 n一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程 n编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条 n出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1 n编程就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息0 2006/01信息学院计算机系统研究

53、所70 70 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 28An1 .。 .A0. 地址线地址线 An1 .。 .A0. 地址线地址线 D7 .。 .D0. 数据线数据线 Vpp Vcc GND 电源线电源线控制线控制线 OE CS 常用的存储器管脚常用的存储器管脚：地址线、数据线、读写线和片选地址线、数据线、读写线和片选 n总线总线 n电源部分电源部分 n编程电压编程电压VPP n VCC,GND n控制部分控制部分 n片选片选CS n读写读写OE 逻辑图逻辑图 2006/01信息学院计算机系统研究所71 71 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 O0 O7 A0 A10 地址输入地址输入 数

54、据输出数据输出 2K8 ROM 2716 0E读控制线读控制线 CS 2716（2K8）EROM 片子的符号表示片子的符号表示 控制线控制线 2006/01信息学院计算机系统研究所72 72 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 Vpp A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GND VCC A14 A13 A8 A9 A11 OE A10 CS/PGM O7 O6 O5 O4 O3 27256 ROM 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 21 22 23 24 25 26 27 28 n存储容

55、量为存储容量为32kB （32K8） n28个个引脚：引脚： n15根地址线根地址线A14A0 n8根数据线根数据线O7O0 n片选片选CS/编程编程PGM n读写读写OE n编程电压编程电压VPP n电源电源Vcc n地地GND EPROM芯片27256 2006/01信息学院计算机系统研究所73 73 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 设计一个设计一个ROM扩展，容量为扩展，容量为32K字字，地址从，地址从 00000H开始。开始。(注：只读存储器都是注：只读存储器都是16位操作位操作) 第一步：选芯片及其片数第一步：选芯片及其片数 27256EPROM （32KB= 32K8 ） 所

56、以需所以需15根根地址线，地址线，8根根数据线数据线 预设计容量预设计容量32K字字32K2B=64KB 所以选择所以选择2片片 例例5-1 2006/01信息学院计算机系统研究所74 74 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 第二步：存储器芯片与第二步：存储器芯片与CPUCPU的连接的连接 存储芯片的存储芯片的数据线数据线 存储芯片的存储芯片的地址线地址线 存储芯片的存储芯片的片选端片选端 存储芯片的存储芯片的读写读写控制线控制线 2006/01信息学院计算机系统研究所75 75 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 n存储芯片的数据线存储芯片的数据线 27256EPROM （32K8）

57、有有8根根 数据线：数据线： 一片一片与与CPU数据线低数据线低8位连接，即位连接，即D0-D7 另一片另一片与与CPU数据线高数据线高8位连接，即位连接，即D8-D15 2006/01信息学院计算机系统研究所76 76 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 设计设计64KBROM的地址范围的地址范围 0 0000H 0 FFFFH 全0 全1 0 0 0 0 0 0 0 0 地址范围A15A0 A19A18A17A16 最小地址号最小地址号 最大地址号最大地址号 n存储芯片的地址线存储芯片的地址线 而而27256EPROM （32K8）有）有15根地址根地址 线，线， A14A0，分别对应，

58、分别对应CPU地址线地址线A15A1。 2006/01信息学院计算机系统研究所77 77 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 n 存储芯片的片选端存储芯片的片选端 门电路译码门电路译码 A19 A18 A17 A16 Y M/IO 组合逻辑组合逻辑 n存储芯片的读写控制线存储芯片的读写控制线 RD与与OE连连 2006/01信息学院计算机系统研究所78 78 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 A1 A0 F0 F1 F2 F3 A0 Y0 Y1 2006/01信息学院计算机系统研究所79 79 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 n存储器地址分配问题：存储器地址分配问题： 在进行存储器

59、与在进行存储器与CPU的连接前，首先要确定的连接前，首先要确定 内存容量的大小，并选择存储器芯片容量的大小。内存容量的大小，并选择存储器芯片容量的大小。 在配置内存时，往往要选择若干个存储器芯片才在配置内存时，往往要选择若干个存储器芯片才 能达到容量要求。能达到容量要求。 存储器地址分配问题存储器地址分配问题是指选择好的存储器芯是指选择好的存储器芯 片如何同片如何同CPU有效地连接，并有效地寻址。有效地连接，并有效地寻址。 在由多个存储器芯片组成的内存中，大多是在由多个存储器芯片组成的内存中，大多是 通过译码器实现存储器地址分配的。通过译码器实现存储器地址分配的。 2006/01信息学院计算机

60、系统研究所80 80 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 2片片27256(32K8)芯片组成芯片组成64KB ROM存储器存储器 A15 A1 D15 D8 D7 D0 CPU RD A14A0 CS D7D0 A14A0 27256 EPROM CS GND EPROM1 EPROM2 D7D0 27256 EPROM OE OE M/IO A16 A19 A17 A18 第三步第三步 绘接口电路绘接口电路 2006/01信息学院计算机系统研究所81 81 原萍城市轨道交通学院城市轨道交通学院 操作举例操作举例 MOV BX，0000H MOV DS，BX ；CPU执行如下指令，ROM的