微機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)

微機(jī)中存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)典型存儲(chǔ)器芯片和譯碼芯片存儲(chǔ)器芯片與CPU連接存儲(chǔ)器空間的使用教學(xué)目的和要求掌握微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的基本概念、存儲(chǔ)器的系統(tǒng)組成掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi)和主要性能指標(biāo)掌握典型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的特點(diǎn)和工作方式掌握8086/8088與存儲(chǔ)器的連接原理與方法、存儲(chǔ)空間的使用和分配了解高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)4.1存儲(chǔ)器概述4.1.1存儲(chǔ)器的基本概念存儲(chǔ)器由大量的記憶單元組成，記憶單元是一種具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件，可用來(lái)表示二進(jìn)制的0和1，這種物理器件一般由半導(dǎo)體器件或磁性材料等構(gòu)成。存儲(chǔ)器基本概念由若干個(gè)最基本的存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元存儲(chǔ)一個(gè)字。字長(zhǎng)有4位、8位、16位以及32位等。在微機(jī)中，存儲(chǔ)器按8位二進(jìn)制數(shù)（1個(gè)字節(jié)）編址，習(xí)慣上把一個(gè)地址所尋址的8位二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器容量一般都很大，內(nèi)存和外存，均以字節(jié)為單元，常用的有210字節(jié)=1KB，220字節(jié)=1024KB=1MB，230字節(jié)=1024MB=1GB，240字節(jié)=1024GB=1TB存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間與微機(jī)的地址線(xiàn)位數(shù)有關(guān)。4.1.2微機(jī)中存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)微機(jī)中存儲(chǔ)器的層次內(nèi)存（主存）內(nèi)存用于存放當(dāng)前計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行或經(jīng)常要使用的程序或數(shù)據(jù)，CPU可直接從內(nèi)存中讀取指令并執(zhí)行，還可直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)。通常直接與系統(tǒng)總線(xiàn)相連。內(nèi)存也稱(chēng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，一般由快速的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件構(gòu)成，它與CPU交換數(shù)據(jù)的速度很快。在共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存中數(shù)據(jù)可以共享，并可實(shí)現(xiàn)多處理機(jī)間的通信。微機(jī)中存儲(chǔ)器的層次外存一般是由磁性材料以及運(yùn)用激光技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器，分為硬磁盤(pán)、軟磁盤(pán)、光盤(pán)等。通常是通過(guò)總線(xiàn)接口電路與系統(tǒng)總線(xiàn)相連。外存容量很大，掉電信息不丟失，但存取速度慢，通常使用DMA技術(shù)和IOP技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外存之間的數(shù)據(jù)直接傳送。微機(jī)中存儲(chǔ)器的層次高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

簡(jiǎn)稱(chēng)緩存，是位于CPU與主存間的一種容量較小但速度很高的存儲(chǔ)器。緩存主要是為了解決CPU運(yùn)算速度與內(nèi)存讀寫(xiě)速度不匹配的矛盾。在CPU中加入緩存是一種高效的解決方案，這樣整個(gè)內(nèi)存儲(chǔ)器（緩存+內(nèi)存）就變成了既有緩存的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。4.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器4.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)

按器件分類(lèi)雙極型TTL速度較快、集成度低、功耗大、成本高金屬氧化物型MOS現(xiàn)大量使用CMOS存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)速度可達(dá)幾ns特點(diǎn)：集成度高(單片可達(dá)1Gb)、功耗小、成本低電荷耦合器速度快、但成本較高半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)

按存取方式分類(lèi)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAMSRAM（StaticRAM，靜態(tài)RAM）：速度快。DRAM（DynamicRAM，動(dòng)態(tài)RAM)：速度較慢，需定時(shí)刷新。只讀存儲(chǔ)器ROM工作時(shí)只能讀（用特殊方法寫(xiě)入）掉電信息不丟失可作為主存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)等只讀存儲(chǔ)器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允許一次編程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶(hù)多次擦除和編程EEPROM（E2PROM）：采用加電方法在線(xiàn)進(jìn)行擦除和編程，也可多次擦寫(xiě)FlashMemory（閃存）：能夠快速擦寫(xiě)的EEPROM4.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)容量：微機(jī)存儲(chǔ)器的容量指存儲(chǔ)器所能容納的最大字節(jié)數(shù)。存取周期：指存儲(chǔ)器從接收到地址，到實(shí)現(xiàn)一次完整的讀出和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的時(shí)間，也稱(chēng)為存取時(shí)間，是存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)讀和寫(xiě)操作所允許的最短時(shí)間間隔。易失性：指存儲(chǔ)器的供電電源斷開(kāi)后，存儲(chǔ)器中的內(nèi)容是否丟失。功耗：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在額定工作電壓下，外部電源保證它正常工作的前提下所提供的最大電功率?？煽啃裕褐傅挚垢蓴_，正確完成讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)的性能。4.2.3存儲(chǔ)器中的地址譯碼存儲(chǔ)器芯片邏輯圖存儲(chǔ)器芯片的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)體存儲(chǔ)器芯片的主要部分，用來(lái)存儲(chǔ)信息

地址譯碼電路根據(jù)輸入的地址編碼來(lái)選中芯片內(nèi)某個(gè)特定的存儲(chǔ)單元片選和讀寫(xiě)控制邏輯選中存儲(chǔ)芯片，控制讀寫(xiě)操作存儲(chǔ)體每個(gè)存儲(chǔ)單元具有一個(gè)唯一的地址，可存儲(chǔ)1位（位片結(jié)構(gòu)）或多位（字片結(jié)構(gòu)）二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量與地址、數(shù)據(jù)線(xiàn)個(gè)數(shù)有關(guān)：芯片的存儲(chǔ)容量＝2M×N＝存儲(chǔ)單元數(shù)×存儲(chǔ)單元的位數(shù)

M：芯片的地址線(xiàn)根數(shù)

N：芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)根數(shù)地址譯碼電路譯碼器A5A4A3A2A1A06301存儲(chǔ)單元64個(gè)單元行譯碼A2A1A0710列譯碼A5A4A301764個(gè)單元單譯碼雙譯碼單譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼可簡(jiǎn)化芯片設(shè)計(jì)主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)片選和讀寫(xiě)控制邏輯片選端CS或CE有效時(shí)，可以對(duì)該芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作輸出OE或RD控制讀操作。有效時(shí)，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸出該控制端對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的讀控制線(xiàn)寫(xiě)WE或WR控制寫(xiě)操作。有效時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片中該控制端對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的寫(xiě)控制線(xiàn)存儲(chǔ)器芯片的工作方式操作1XX無(wú)操作001RAM→CPU操作010CPU→RAM操作000非法011無(wú)操作

4.2.4典型存儲(chǔ)器芯片靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的基本存儲(chǔ)單元一般由六管靜態(tài)存儲(chǔ)電路構(gòu)成，集成度較低，功耗較大，無(wú)需刷新電路，由于存取速度快，一般用作微機(jī)中的高速緩沖存儲(chǔ)器。Intel6264引腳圖162646264是一個(gè)8K×8bitCMOS靜態(tài)RAM芯片，其引腳包含地址線(xiàn)13條，數(shù)據(jù)線(xiàn)8條，2個(gè)片選端，CS1=0，CS2=1才能選通芯片。一個(gè)寫(xiě)允許WE端和一個(gè)輸出允許OE端。該芯片功耗低，在未選中時(shí)僅10μw，工作時(shí)也僅15mw，很適合于用電池供電的RAM電路。Intel6264的工作方式方式操作000

非法不允許WE與OE同時(shí)為低電平010讀出從RAM中讀出數(shù)據(jù)001寫(xiě)入將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM中011選中6264內(nèi)部I/O三態(tài)門(mén)均處于高阻1×

×未選中6264內(nèi)部I/O三態(tài)門(mén)均處于高阻

62256

——32K×8的CMOS靜態(tài)RAM12345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVCC62256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256邏輯圖非法LLL高阻HHL輸入HLL輸出LHL高阻××HD7~D0OEWECS62256工作表

EPROM芯片Intel2764

可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Intel2764在EPROM芯片的上方，有一圓形石英窗，從而允許紫外線(xiàn)穿過(guò)透明的圓形石英窗而照射到半導(dǎo)體芯片上，將它放在紫外線(xiàn)光源下一般照射10分鐘左右，EPROM中的內(nèi)容就被抹掉，即所有浮置柵MOS管的漏源處于斷開(kāi)狀態(tài)，然后，才能對(duì)它進(jìn)行編程輸入。2764是28腳雙列直插式封裝，內(nèi)部采用雙譯碼方式，用于尋址8KB存儲(chǔ)單元，并有輸出緩沖器。其中A12~A0是地址線(xiàn)，O7~O0是8根數(shù)據(jù)線(xiàn)。CE是片選，OE是輸出允許信號(hào)，低電平有效。27256

－32K×8EPROM12345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14VCC27256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256邏輯圖閃爍存儲(chǔ)器（FlashMemory）閃爍存儲(chǔ)器也稱(chēng)快速擦寫(xiě)存儲(chǔ)器。實(shí)際上閃爍存儲(chǔ)器屬于EEPROM類(lèi)型，又稱(chēng)FlashROM，性能優(yōu)于普通EEPROM。它是Intel公司率先推出的存儲(chǔ)器。在Pentium機(jī)主板上，用128KB或256KB的FlashROM存放BIOS，取代了EPROM和EEPROM。因此現(xiàn)在稱(chēng)BIOS為FlashBIOS。

特點(diǎn)使內(nèi)部存儲(chǔ)信息在不加電的情況下保持10年左右?？捎幂^快的速度將信息擦除以后重寫(xiě)，反復(fù)擦寫(xiě)達(dá)幾十萬(wàn)次?？梢詫?shí)現(xiàn)分塊擦除和重寫(xiě)，也可以按字節(jié)擦除與重寫(xiě)。具有非易失性，可靠性能好，速度快及容量大等許多優(yōu)點(diǎn)。4.2.5典型譯碼芯片74LS138－3-8譯碼器

片選信號(hào)：G1?G2A?G2B=100C、B、A譯碼，Y0到Y(jié)7低電平有效12345678910111213141516ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC74LS138引腳圖Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BCBA74LS138邏輯圖74LS138譯碼器真值表輸入 輸出 CBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y000001111001100110101010111111110

111111011111101111110111111011111101111110111111011111114.2.6微機(jī)中的內(nèi)存條計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存多以DRAM為主，把內(nèi)存芯片集成在一小條印刷電路板上，稱(chēng)為內(nèi)存條。內(nèi)存插槽：主板上用于插入和固定內(nèi)存條的插槽。金手指：內(nèi)存條上與內(nèi)存插槽之間的連接部件，所有的信號(hào)都是通過(guò)金手指進(jìn)行傳送的。金手指內(nèi)存插槽主板上的內(nèi)存插槽內(nèi)存插槽用于插入內(nèi)存條，主板所支持的內(nèi)存的種類(lèi)和容量由內(nèi)存插槽決定。

168針SDRAMSIMM插槽184針DDRDIMM插槽240針DDR2DIMM插槽4.3微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的系統(tǒng)組成這是本章的重點(diǎn)內(nèi)容SRAM、EPROM與CPU的連接譯碼方法同樣適合I/O端口4.3.1存儲(chǔ)器芯片與CPU連接存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)存儲(chǔ)芯片的地址線(xiàn)存儲(chǔ)芯片的片選端存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)控制線(xiàn)存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)線(xiàn)的處理若芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)正好8根：一次可從芯片中訪(fǎng)問(wèn)到8位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線(xiàn)與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連若芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)不足8根：一次不能從一個(gè)芯片中訪(fǎng)問(wèn)到8位數(shù)據(jù)利用多個(gè)芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位——簡(jiǎn)稱(chēng)“位擴(kuò)充”位擴(kuò)充2114（1）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1CECE多個(gè)位擴(kuò)充的存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的不同位數(shù)其它連接都一樣這些芯片應(yīng)被看作是一個(gè)整體存儲(chǔ)芯片地址線(xiàn)的連接芯片的地址線(xiàn)通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總線(xiàn)相連尋址時(shí)，這部分地址的譯碼是在存儲(chǔ)芯片內(nèi)完成的，稱(chēng)為“片內(nèi)譯碼”000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全100…0000…0100…10…11…0111…1011…11范圍（16進(jìn)制）A9～A0存儲(chǔ)芯片片選端的譯碼由于存儲(chǔ)器芯片的容量是有限的，微機(jī)中存儲(chǔ)器的總?cè)萘恳话氵h(yuǎn)大于單個(gè)存儲(chǔ)器芯片的容量，因此，存儲(chǔ)器往往由多片存儲(chǔ)器芯片組成。在CPU與存儲(chǔ)器芯片之間必須設(shè)有片選擇譯碼電路，一般由CPU的高位地址譯碼產(chǎn)生片選，而低位地址送給存儲(chǔ)器芯片的地址輸入端，以提供存儲(chǔ)芯片內(nèi)部的行、列地址。存儲(chǔ)芯片片選端的譯碼存儲(chǔ)系統(tǒng)常需利用多個(gè)存儲(chǔ)芯片擴(kuò)充容量，也就是擴(kuò)充了存儲(chǔ)器地址范圍進(jìn)行“地址擴(kuò)充”，需要利用存儲(chǔ)芯片的片選端對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)芯片（組）進(jìn)行尋址這個(gè)尋址方法，主要通過(guò)將存儲(chǔ)芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線(xiàn)相連來(lái)實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)充簡(jiǎn)稱(chēng)為“地址擴(kuò)充”或“字?jǐn)U充”地址擴(kuò)充（字?jǐn)U充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE譯碼器000000000100000000004.3.28086微機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)8086存儲(chǔ)器空間8086系統(tǒng)有20根地址線(xiàn)，16根數(shù)據(jù)線(xiàn)，尋址空間為1MB8086CPU的存儲(chǔ)器組織采用2體結(jié)構(gòu)，把1MB存儲(chǔ)器分為2個(gè)512KB的存儲(chǔ)體，即分為偶地址體與奇地址體（簡(jiǎn)稱(chēng)偶體和奇體）各512KB，僅當(dāng)A0=0時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)偶體中一個(gè)字節(jié)；僅當(dāng)BHE=0時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)奇體中一個(gè)字節(jié)，當(dāng)二者均為0時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)偶地址起始的一個(gè)字。偶地址數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線(xiàn)低8位傳送奇地址數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線(xiàn)高8位傳送奇、偶地址數(shù)據(jù)存取分別由BHE和A0控制(見(jiàn)下表)

8086存儲(chǔ)器空間BHEA0操作所用總線(xiàn)00從偶地址讀/寫(xiě)一個(gè)字D15～D010從偶地址讀/寫(xiě)一個(gè)字節(jié)D7～D001從奇地址讀/寫(xiě)一個(gè)字節(jié)D15～D8從奇地址讀/寫(xiě)一個(gè)字01讀/寫(xiě)低字節(jié)D15～D810讀/寫(xiě)高字節(jié)D7～D0MEMRMEMWM/IORDWR存儲(chǔ)器讀命令存儲(chǔ)器寫(xiě)命令存儲(chǔ)器連接的控制信號(hào)8086系統(tǒng)存儲(chǔ)器連接舉例例：由2片62256（32K×8RAM）組成64K×8RAM的8086微機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，試給出硬件電路連接圖。（1）控制奇偶片的寫(xiě)使能WE地址信號(hào)A0～A19和BHE是8086CPU經(jīng)鎖存器8282或74LS373鎖存后產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0～D15是8086CPU的AD0～AD15經(jīng)8286或74LS245緩沖后產(chǎn)生的信號(hào)MEMR和MEMW在最小模式下由8086CPU的M/IO和RD、WR信號(hào)產(chǎn)生，在最大模式下由8288產(chǎn)生。8086系統(tǒng)存儲(chǔ)器連接舉例IC0為偶地址存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線(xiàn)低8位傳送。IC1為奇地址存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線(xiàn)高8位傳送。由A0和BHE控制寫(xiě)信號(hào)實(shí)現(xiàn)奇偶地址寫(xiě)操作。A16～A19由74LS138譯碼選中存儲(chǔ)器三種情況mov[2000h],

al

；從偶地址開(kāi)始寫(xiě)一個(gè)字節(jié)mov[2000h],ax；從偶地址開(kāi)始寫(xiě)一個(gè)字mov[2001h],ax；從奇地址開(kāi)始寫(xiě)一個(gè)字IC0（偶）IC1（奇）A19A18A17A160000XX0000XX范圍00000～0FFFFH00000～0FFFFH地址分配

A15～A0控制奇偶寫(xiě)的存儲(chǔ)器連接電路圖（2）控制奇偶片選CS的存儲(chǔ)器連接電路圖4.3.3存儲(chǔ)器空間的使用全譯碼采用全地址譯碼方式，計(jì)算機(jī)的全部地址空間都可以使用。例：用2片62256（32K×8RAM）和2片27256（32K×8EPROM）組成8086微機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)。要求EPROM的起始地址為F0000H，RAM的起始地址為00000H，使用全地址譯碼方式，試畫(huà)出計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器連接圖，并寫(xiě)出地址范圍。A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1MEMRA0MEMWBHED15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0A19A18A17A16A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9D8DBD7D6D5D4D3D2D1D06225662256IC0IC1ABA14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9