存储器系统课件

記憶體系統5.1記憶體概述記憶體是用來保存電腦工作所必需的程式和數據，並用來存放在運行過程中的有用資訊。1.記憶體的分類記憶體：也稱主存，通過系統匯流排與CPU聯接，存放正在執行的程式和數據；特點：快，容量小，隨機存取，CPU可直接訪問，通常由半導體記憶體構成外存：需通過專門的介面電路和主機聯接，存放暫不執行的程式或不被處理的數據。特點：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調入記憶體後

CPU才能訪問，通常由磁、光記憶體構成，也可以由半導體記憶體構成半導體記憶體由能夠表示二進位數“0”和“1”的、具有記憶功能的一些半導體器件組成。如觸發器、MOS管的柵極電容等。能存放一位二進位數的器件稱為一個存儲元。若干存儲元構成一個存儲單元。半導體記憶體（Memory）RAMROM

SRAM

DRAM掩膜ROM

RAM具有易失性，可讀，可寫，常用於存放數據、中間結果等

ROM在程式執行時只能讀不能寫。常用於存放固定的程式或數據。掩膜ROM不可改寫。可編程PROM、EPROM、E2PROM及FLASH在一定條件下可改寫。記憶體：根據數據的存取方式可分為隨機讀寫記憶體(RAM)和只讀記憶體(ROM)。可編程ROM（PROM）紫外線可擦除的PROM（EPROM）電可擦除的PROM（EEPROM）快擦寫記憶體（FlashMemory）存儲容量：存儲單元個數M×每單元位數N存取時間：從啟動讀(寫)操作到操作完成的時間存取週期：兩次獨立的記憶體操作所需間隔的最小時間平均故障間隔時間MTBF（可靠性）功耗：要求功耗低2.記憶體的性能指標5.2隨機讀寫記憶體要求掌握：SRAM與DRAM的主要特點幾種常用記憶體晶片及其與系統的連接記憶體擴展技術5.2.1靜態隨機記憶體SRAM特點：用雙穩態觸發器存儲資訊週邊電路比較簡單，但集成度低，功耗大存取速度高，SRAM被廣泛地用作高速緩衝記憶體Cache不需刷新，非破壞性讀出

一、基本存儲電路

（1）6個MOS管組成雙穩態電路，T1截止，T2導通為0，T1導通，T2截止為1（2）T1T2工作管，T3T4負載管，T5T6T7T8控制管（T7T8共用）（3）寫入：X和Y線有效，使T5T6T7T8導通，寫控制有效，使單元數據線與外部數據線連通，靠T1T2的截止和導通記錄資訊（4）讀出：X和Y線有效，使T5T6T7T8導通，讀控制有效，使單元數據線與外部數據線連通，從T2端讀出資訊二、典型SRAM晶片SRAM6116容量：2K×8地址線：A0～A10，數據線：D0～D7輸出允許信號：OE，寫允許信號：WE片選信號：CE24個引腳，雙列直插式A0～A10D0～D7VCCGNDWEOECE2.SRAM6264容量：8K×8地址線：A0～A12，數據線：D0～D7輸出允許信號：OE，寫允許信號：WE選片信號：CS1，CS228個引腳，雙列直插式三、SRAM晶片與CPU的連接

記憶體與CPU的連接包括三部分內容：

與地址匯流排的連接與數據匯流排的連接與相應控制匯流排的連接

關鍵在於片選信號的連接，而片選信號由解碼電路產生解碼電路：將輸入的一組高位地址信號通過變換，產生一個有效的控制信號，用於選中某一個記憶體芯片，從而確定該記憶體晶片在內存中的地址範圍。片選信號有三種設計方法：線性片選法全地址解碼部分地址解碼1、全地址解碼片內尋址未用的全部高位地址線都參加譯碼，解碼輸出作為片選信號，使得每個存儲單元地址唯一。記憶體晶片譯碼電路低位地址高位地址全部地址片選信號D0~D7A0A12•••WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMRD0~D71A15A14A13A18A17A16+5V6264A191&全地址解碼例（邏輯門電路）6264晶片的地址範圍：3E000H~3FFFFH001111100……00~001111111……11注：MEMW=IO/M+WRMEMR=IO/M+RD全地址解碼例（解碼器）D0~D7A0A12WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMRD0~D7G1G2BG2ACBA&&A15A14A13A17A18A16+5VY76264≥1A19地址範圍：001111100……00~001111111……112、部分地址解碼用部分高位地址信號（而不是全部）作為解碼信號，使得被選中的記憶體晶片佔有幾組不同的地址範圍。同一物理記憶體佔用兩組地址：A18不參與解碼

101100000……00~101100011……11

B0000H~B1FFFHA19A17A16A15A14A13&≥16264CS1

111100000……00~111100011……11

F0000H~F1FFFHD0~D7A0A12WEOECS1CS2•••A0A12MEMWMEMRD0~D7G1G2AG2BCBA&&A19A14A13A17A16A15+5VY0例：將SRAM6264晶片與系統連接，使其地址範圍為：38000H~39FFFH和78000H~79FFFH。6264

001110000……00~001110011……11

011110000……00~011110011……11A18不參與解碼5.2.2動態隨機記憶體DRAM特點：DRAM是靠MOS管的柵極電容來存儲資訊由於電容上的電荷會逐漸洩漏，需要定時充電以維持存儲內容不丟失（稱為刷新），所以動態RAM需要設置刷新電路，相應週邊電路就較為複雜刷新定時間隔一般為幾微秒～幾毫秒DRAM的地址線分時作行地址和列地址使用，集成度高，功耗低DRAM內部結構的特點：具有行地址鎖存器和列地址鎖存器一、單管動態基本存儲電路（由一個MOS管和一個電容組成）

①

寫入：字選線有效，T1導通，資訊寫入存儲電容C。

②

讀出：字選線有效，T1導通，C上的數據送上數據線電容C通常小於數據線上的分佈電容CD，每個數據讀出後，C上的電荷經CD釋放，資訊被破壞。所以需要刷新——週期性不斷充電。字選線“1”數據線D”1”CDCT1SDG二、典型DRAM晶片2164容量：64K×1，行列地址分時傳送，共用一組地址線RAS：行地址選通信號，用於鎖存行地址，對應低8位地址CAS：列地址選通信號，對應高8位地址。

地址匯流排上先送上行地址，後送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在地址鎖存器中。2164在系統中的連接

LS158是2選1的選擇器，S=0選A，S=1選BADDSEL=0與RAS=0同時有效

ADDSEL=1與CAS=0同時有效5.2.3記憶體擴展技術位擴展——擴展每個存儲單元的位數字擴展——擴展存儲單元的個數字位擴展——二者的綜合當單片記憶體晶片的容量不能滿足系統容量要求時，用多片存儲晶片構成一個需要的記憶體空間，它們在整個記憶體中佔據不同的地址範圍，任一時刻僅有一片(或一組)被選中。1、位擴展記憶體的存儲容量等於：

單元數×每單元的位數當構成記憶體的記憶體晶片的位數小於記憶體單元的位數時，就要進行位擴展將每片的地址線、控制線並聯，數據線分別引出。位擴展特點：記憶體的單元數不變，位數增加用4K×4的SRAM晶片進行擴展，構成容量為4KB的記憶體用2164晶片構成64KB記憶體。2164:64K×1，需8片構成64K×82、字擴展地址空間的擴展。晶片每個單元中的位數滿足，但存儲單元個數不滿足。擴展原則：每個晶片的地址線、數據線、控制線並聯，僅片選線分別引出，以實現每個晶片佔據不同的地址範圍。用SRAM晶片6116構成一個容量4KVB的記憶體，要求其地址範圍：78000H～78FFFH之間≥101111000

000000000000～01111000

01111111111101111000

100000000000～01111000

11111111111178000H

～787FFH78800H

～78FFFH例：例：用8KB的6264擴展成32KB的存儲區,需要的8KB晶片數為：

32K/8K=4（片）3、字位擴展根據記憶體容量及晶片容量確定所需存儲晶片數；進行位擴展以滿足位數要求；進行字擴展以滿足容量要求。若已有存儲晶片的容量為L×K，要構成容量為M×N的記憶體，需要的晶片數為：（M/L）×（N/K）用256×4位的晶片組成1KB的記憶體擴成256×8——2片再擴成1KB——2×4=8片記憶體與8088系統匯流排的連接的要點是：記憶體的地址範圍根據要求的地址範圍可確定用哪幾根地址線進行片選，哪幾根地址線做片內尋址以及如何進行片選解碼。解碼電路的構成（解碼器的連接方法）系統地址空間一般比存儲晶片的容量大（即匯流排中的地址線數多於存儲晶片的地址線數），物理記憶體實際只佔用系統地址空間的一小塊區域。把物理記憶體分配到系統地址空間的哪一塊區域，取決於如何進行地址解碼。8088系統中記憶體連接涉及到的匯流排信號包括：地址線A19-A0數據線D7-D0記憶體讀信號MEMR記憶體寫信號MEMW需要考慮的存儲晶片引腳地址線An-1-A0：接地址匯流排的An-1-A0數據線D7-D0：接數據匯流排的D7-D0片選信號CS(CE)(可能有多根)：接地址解碼器的片選輸出輸出允許OE(有時也稱為讀出允許)：接MEMR寫入允許WE：接MEMW5.3只讀記憶體（ROM）掩模ROM一次性可寫ROM分類EPROM（紫外線擦除）EEPROM（電擦除）掩膜ROM晶片所存儲的資訊由晶片製造廠家完成，用戶不能修改。

一、掩膜ROM（ReadOnlyMemory）二、EPROM（紫外線可擦除）特點：可多次編程寫入；掉電後內容不丟失；內容的擦除需用紫外線擦除器。典型晶片EPROM27648K×8bit晶片，其引腳與SRAM6264完全相容地址信號：A0~A12數據信號：D0~D7輸出信號：OE片選信號：CE編程脈衝輸入：PGM2764的工作方式數據讀出編程寫入擦除標準編程方式快速編程方式工作方式編程寫入的特點：每出現一個編程負脈衝就寫入一個位元組數據三、E2PROM(電可擦除)特點：1.線上改寫，在單一5V電源下即可完成。2.擦除與寫入同步。3.引腳與2764完全相容，編程與工作電壓均為5V。98C64AA12～A0D7～D0典型E2PROM晶片98C64A（8KB）可通過編寫程式實現對晶片的寫入，但每寫入一個位元組都需判斷READY/BUSY端的狀態，僅當該端為高電平時才可寫入下一個位元組5.4高速緩存（Cache)CPU工作速度與記憶體工作速度不匹配解決：CPU插入等待週期——降低了運行速度；採用高速RAM——成本太高；在CPU和RAM之