微型計算機原理存儲器(15-16)

1第4章存儲系統(tǒng)2本章主要內(nèi)容

4.1、概述(微型機的存儲系統(tǒng)、分類及其特點)4.2、典型芯片舉例(半導(dǎo)體存儲芯片的外部特性及其與系統(tǒng)的連接)4.3、主存儲器設(shè)計(存儲器擴展技術(shù))34.1概述

存儲器是計算機的重要組成部分，用來存放計算機系統(tǒng)工作時所用的信息——程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)容：微型機的存儲系統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器的分類及其特點存儲器地址譯碼41、微型機的存儲系統(tǒng)

5兩大類——內(nèi)存、外存內(nèi)存——存放當(dāng)前運行的程序和數(shù)據(jù)。特點：快，容量小，隨機存取，CPU可直接訪問。通常由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成RAM、ROM外存——存放非當(dāng)前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調(diào)入內(nèi)存后CPU才能訪問。通常由磁、光存儲器構(gòu)成，也可以由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成磁盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤6Cache存儲系統(tǒng)解決速度問題虛擬存儲系統(tǒng)解決容量問題高速緩沖存儲器*主存儲器主存儲器磁盤存儲器*(3)、微型機的存儲系統(tǒng)

7(1)只讀存儲器ROM(2)隨機存取存儲器RAM2、半導(dǎo)體存儲器的分類8(1)只讀存儲器ROM

只讀存儲器(ReadOnlyMemory—ROM)——用戶在使用時只能讀出其中信息，不能修改或?qū)懭胄碌男畔?，斷電后，其信息不會消失。①存儲單元中的信息由ROM制造廠在生產(chǎn)時一次性寫入，稱為掩膜ROM（MaskedROM）；

②

PROM(ProgrammableROM—可編程ROM)——PROM中的程序和數(shù)據(jù)是由用戶自行寫入的，但一經(jīng)寫入，就無法更改，是一次性的ROM；9③

EPROM(ErasebleProgrammableROM—可擦除可編程ROM)——可由用戶自行寫入程序和數(shù)據(jù)，寫入后的內(nèi)容可用紫外線燈照射擦除，然后可以重新寫入新的內(nèi)容，可以多次擦除，多次使用。④

E2PROM(ElectricallyErasebleProgrammableROM—電可擦除可編程ROM)——可用電信號進(jìn)行清除和改寫的存儲器，使用方便。10隨機存取存儲器(RandomAccessMemory)——RAM的特點是存儲器中的信息能讀能寫，且對存儲器中任一單元的讀或?qū)懖僮魉枰臅r間基本是一樣的。斷電后，RAM中的信息即消失。分為兩類：①SRAM(StaticRAM—靜態(tài)RAM)——SRAM是利用半導(dǎo)體觸發(fā)器的兩個穩(wěn)定狀態(tài)表示“1”和“0”。只要電源不撤除，信息不會消失，不需要刷新電路。(2)隨機存取存儲器RAM11②DRAM(DynamicRAM—動態(tài)RAM)——DRAM是利用電容端電壓的高低來表示“1”和“0”，為了彌補漏電需要定時刷新。一般微機系統(tǒng)中的內(nèi)存采用DRAM，配有刷新電路，每隔1—2ms刷新一次。12(1)存儲容量(2)存儲速度(3)可靠性3、存儲器的性能指標(biāo)13(1)存儲容量

存儲容量是指一塊存儲芯片上所能存儲的二進(jìn)制位數(shù)。假設(shè)存儲芯片的存儲單元數(shù)是M，一個存儲單元所存儲的信息的位數(shù)是N，則其存儲容量為M×N。D7…D1D014例1、已知單片6116芯片的地址線是11位，每個存儲單元是8位，求其存儲容量?解:因為可編址范圍211

，即M＝211，每個存儲單元可存8位，即N＝8，所以，6116的存儲容量=211×8 =2×1024×8 =2K×8

＝2KB15例2、若要組成64K字節(jié)的存儲器，以下芯片各需幾片? ①6116(2K×8) ②4416(16K×4)解:①(64K×8)÷(2K×8)=32(片)②(64K×8)÷(16K×4)=8(片)16區(qū)別：微機的最大內(nèi)存容量和微機裝機容量。①微機的最大內(nèi)存容量

——由CPU的地址總線決定。如：PC486，地址總線是32位，則，內(nèi)存容許最大容量是232=4G；②實際的裝機容量

——由實際使用的若干片存儲芯片組成的總存儲容量。17存儲器的存取速度是影響計算機運算速度的主要因素，用兩個參數(shù)來衡量：①存取時間TA

（AccessTime）——定義為啟動一次存儲器操作（讀或?qū)懀酵瓿稍摬僮魉?jīng)歷的時間。②存儲周期TMC（MemoryCycle）——定義啟動兩次讀（或?qū)懀┐鎯ζ鞑僮髦g所需的最小時間間隔。(2)存儲速度18存儲器的可靠性用MTBF來衡量。

MTBF即MeanTimeBetweenFailures——平均故障間隔時間，MBTF越長，表示可靠性越高。(3)可靠性194、存儲器的基本結(jié)構(gòu)1、存儲體—由多個基本存儲單元組成，容量即為M×N；2、地址寄存器（地址鎖存器）—鎖存CPU送來的地址信號；3、地址譯碼器—對地址信號進(jìn)行譯碼，選擇存儲體中要訪問的存儲單元；4、讀/寫驅(qū)動電路—包括讀出放大和寫入電路；5、數(shù)據(jù)緩沖器—芯片數(shù)據(jù)信號經(jīng)雙向三態(tài)門掛在數(shù)據(jù)總線上，未選中該片，呈高阻狀態(tài)；6、讀/寫控制電路—接受來自CPU的片選信號、讀/寫信號。（對ROM—只讀；對DRAM－刷新信號）OE20“讀”操作工作過程（1）送地址—CPU通過地址總線將地址送入地址寄存器，并譯碼；（2）發(fā)出“讀”命令—CPU通過控制總線將“存儲器讀”信號送入讀/寫控制電路；（3）從存儲器讀出數(shù)據(jù)—讀/寫控制電路根據(jù)“讀”信號和片選信號選中存儲體中的某一存儲單元，從該單元讀出數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)緩存器。再經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送到CPU。21“寫”操作工作過程（1）送地址—CPU通過地址總線將地址送入地址寄存器，并譯碼；（2）發(fā)出“寫”命令—CPU通過控制總線將“寫”信號送入讀/寫控制電路；（3）寫入數(shù)據(jù)到存儲器—讀/寫控制電路根據(jù)“寫”信號和片選信號選中存儲體中的某一存儲單元，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)緩存器，再寫入到選中的存儲單元。224.2、典型存儲器芯片及地址譯碼

D0~D7A0A12???WEOECS1???A0A12MEMWMEMR譯碼電路高位地址信號D0~D7??????1.譯碼電路23譯碼：將輸入的一組二進(jìn)制編碼變換為一個特定的控制信號，即：將輸入的一組高位地址信號通過變換，產(chǎn)生一個有效的控制信號，用于選中某一個存儲器芯片，從而確定該存儲器芯片在內(nèi)存中的地址范圍。24存儲器譯碼有三種方法：全譯碼法部分譯碼法線選法25全地址譯碼用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得存儲器芯片的每一個單元都占據(jù)一個唯一的內(nèi)存地址。存儲器芯片譯碼器低位地址高位地址全部地址片選信號26全地址譯碼舉例例若將6264芯片的地址范圍按排為：F0000H~F1FFFH，設(shè)計地址譯碼電路。

111100000……00~111100011……11A19A18A17A16A15A14A13&≥1CS1A12～A0D7～D0高位地址線全部參加譯碼6264A12-A0D7-D0OEWE27部分地址譯碼用部分高位地址信號（而不是全部）通過譯碼電路形成片選信號。被選中得存儲器芯片將占有幾組不同的地址范圍。芯片每個存儲單元地址不唯一。

28部分地址譯碼舉例同一物理存儲器占用兩組地址：

F0000H~F1FFFHB0000H~B1FFFHA18不參與譯碼A19A17A16A15A14A13&≥1到6264CS129再例.IBMPC/XT與SRAM6116的連接,見書P214,圖4.31。與非門30選擇使用74LS138譯碼器構(gòu)成譯碼電路

Y0G1Y1G2AY2G2BY3Y4AY5BY6CY7片選信號輸出譯碼允許信號地址信號（接到不同的存儲體上）74LS138邏輯圖：3174LS138的真值表：（注意：輸出低電平有效）可以看出，當(dāng)譯碼允許信號有效時，Yi是輸入A、B、C的函數(shù)，即Y=f(A,B,C)11111111XXX其他值0111111111110010111111110100110111111011001110111110010011110111011100111110110101001111110100110011111110000100Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0CBAG1G2AG2B32應(yīng)用舉例:D0~D7A0A12???WEOECS1CS2???A0A12MEMWMEMRD0~D7G1G2AG2BCBA&&A19A14A13A17A16A15+5VY0下圖中A18不參與譯碼，故6264的地址范圍為：38000H~39FFFH78000H~79FFFH6264332.典型芯片(1)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）有兩種操作：讀操作和寫操作。常用的SRAM有：

6116（2Kx8)211X8bit6232(4KX8)212X8bit6264(8KX8)213X8bit62128(16KX8)214X8bit62256(32KX8)215X8bit適用于較小系統(tǒng)。

這類存儲器，數(shù)據(jù)線為8條，容量不同地址線不同。容量與地址線的關(guān)系為2n

x8bit，n為地址線根數(shù)。每個地址單元存儲8為二進(jìn)制信息。只要不掉電，信息會穩(wěn)定保持，不需要刷新。34SRAM芯片HM6116(簡稱6116）

11條地址線，8位數(shù)據(jù)線，3條控制線，兩條電源線，單片存儲容量2K×8。35(2)、動態(tài)隨機存儲器DRAM特點：⑴DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來存儲信息的，由于電容上的電荷會逐漸泄漏，需要定時充電以維持存儲內(nèi)容不丟失（稱為動態(tài)刷新），所以動態(tài)RAM需要設(shè)置刷新電路，相應(yīng)外圍電路就較為復(fù)雜。⑵刷新定時間隔一般為幾微秒～幾毫秒。⑶DRAM的特點是集成度高（存儲容量大，可達(dá)1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。⑷DRAM在微機中應(yīng)用非常廣泛，如微機中的內(nèi)存條（主存）、顯卡上的顯示存儲器幾乎都是用DRAM制造的。36典型DRAM芯片2164A

2164A(64KX1)216X1bit8條地址線，2位數(shù)據(jù)線(輸出和輸入），3條控制線，兩條電源線，單片存儲容量64K×1。地址線采用分時復(fù)用，由CAS（列選通）和RAS（行選通），從而實現(xiàn)16位地址線，M＝216＝64K。

地址線的數(shù)量僅為同等容量SRAM芯片的一半。10001000列地址37主要引線RAS：行地址選通信號，用于鎖存行地址；CAS：列地址選通信號。地址總線上先送上行地址，后送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在地址鎖存器中。

DIN：數(shù)據(jù)輸入DOUT：數(shù)據(jù)輸出WE=0數(shù)據(jù)寫入WE=1數(shù)據(jù)讀出WE：寫允許信號38(3)典型EPROMEPROM2764(8KX8)213X8bit

其引腳與SRAM6264完全兼容。地址信號：A0~A12

數(shù)據(jù)信號：D0~D7

輸出信號：OE

片選信號：CS

編程脈沖輸入：PGM39(4)典型E2PROM芯片2864A8K×8bit芯片13根地址線（A0~A12）8位數(shù)據(jù)線（D0~D7）輸出允許信號（OE）寫允許信號（WE）選片信號（CE）狀態(tài)輸出端（READY/BUSY）40E2PROM的應(yīng)用可通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)對芯片的讀寫，但每寫入一個字節(jié)都需判斷READY/BUSY

端的狀態(tài)，僅當(dāng)該端為高電平時才可寫入下一個字節(jié)。41(5)、閃速E2PROM特點：通過向內(nèi)部控制寄存器寫入命令的方法來控制芯片的工作方式，而非用引腳的信號來控制芯片的工作。應(yīng)用便攜式閃存硬盤(6)、串行E2PROM——I2CEEPROM24C01/24C02/24C0493C46/93C56/93C66424.3、存儲器擴展技術(shù)位擴展——擴展每個存儲單元的位數(shù)。字?jǐn)U展——擴展存儲單元的個數(shù)。字位擴展——二者的綜合。用多片存儲芯片構(gòu)成一個需要的內(nèi)存空間，它們在整個內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時刻僅有一片（或一組）被選中。43位擴展例例、用8片2164A芯片構(gòu)成64KB（64Kx8bit）存儲器。2164A:64Kx1，需8片構(gòu)成64Kx8（64KB）LS138A16~A192164A2164A2164ADBABD0D1D7A0~A7/A8~A15…譯碼輸出讀寫信號A0~A19D0~D7A0~A7/A8~A1544歸納位擴展方法：將每片的地址線并聯(lián)、控制線并聯(lián)、片選線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴展特點：地址空間不擴展，位數(shù)擴展。各片存儲器的地址空間相同。再例.見書P217圖4.33，IBMPC/XTRAM子系統(tǒng)，內(nèi)存條是由36片2164分4組構(gòu)成256KB45字?jǐn)U展地址空間的擴展。適用于芯片每個單元中的字長滿足，但單元數(shù)不滿足情況。擴展原則：每個芯片的地址線并聯(lián)、數(shù)據(jù)線并聯(lián)、控制線并聯(lián)，僅片選端分別引出，以實現(xiàn)每個芯片占據(jù)不同的地址范圍。46例.選用6116芯片和2732芯片構(gòu)成8KBRAM和8KBROM存儲系統(tǒng)。需4片6116和2片2732，進(jìn)行字?jǐn)U展。4748再例.見書P216圖4.32,IBMPC/XTROM子系統(tǒng)。49字位擴展根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲芯片數(shù)；進(jìn)行位擴展以滿足字長要求；進(jìn)行字?jǐn)U展以滿足容量要求。若已有存儲芯片的容量為L×K，要構(gòu)成容量為M×N的存儲器，需要的芯片數(shù)為：（M/L）×（N/K）504.48088系統(tǒng)中存儲器的連接方法存儲器與8088系統(tǒng)總線的連接的要點：存儲器的地址范圍？根據(jù)要求的地址范圍可確定用哪幾根地址線進(jìn)行片選，哪幾根地址線做片內(nèi)尋址以及如何進(jìn)行片選譯碼。系統(tǒng)總線上與存儲器有關(guān)的信號線有哪些？熟悉與存儲器有關(guān)的總線信號和存儲芯片引腳的功能。譯碼電路的構(gòu)成（譯碼器的連接方法）系統(tǒng)地址空間一般比存儲芯片的容量大（即總線中的地址線數(shù)多于存儲芯片的地址線數(shù)），物理內(nèi)存實際只占用系統(tǒng)地址空間的一小塊區(qū)域。把物理內(nèi)存分配到系統(tǒng)地址空間的哪一塊區(qū)域，取決于如何進(jìn)行地址譯碼。518088系統(tǒng)中存儲器連接涉及到的總線信號包括：地址線A19-A0數(shù)據(jù)線D7-D0存儲器讀信號MEMR（RD、M/IO）存儲器寫信號MEMW（WR、M/IO）需要考慮的存儲芯片引腳地址線An-1-A0：接系統(tǒng)地址總線的An-1-A0數(shù)據(jù)線D7-D0：接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D7-D0