1、MOV AL, BX,內存儲器,CPU,CPU與內存的關系,存儲器讀操作,第5章 半導體存儲器,隨機存儲器RAM 只讀存儲器ROM 存儲器的連接設計,5.1 概述,存儲器是計算機中實現(xiàn)記憶功能的重要部件，可存放程序和數據。存儲器按與CPU的耦合關系分為兩大類：一類是內部存儲器，簡稱內存。另一類是外部存儲器，簡稱外存。,我們只介紹內存，目前構成微機內存的主要是半導體存儲器.,高速緩沖存儲器(Cache):所用芯片都是高速的,其存取速度可與微處理器相匹配,容量由幾十幾百KB,通常用來存儲當前使用最多的程序或數據。 內存:速度較快,有一定容量(受DB位數限制),一般都在幾十MB以上。,外存:速度慢,

2、容量大,如磁帶,軟盤,硬盤,光盤等。容量可達幾百兆至幾十個GB,又稱“海量存儲器”,通常用作后備存儲器,存儲各種程序和數據,可長期保存,易于修改,要配置專用設備。,存儲器的分類,按存取方式分，半導體存儲器分為兩大類：隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。,半導體存儲器因其存取速度快、集成度高、功耗小、價格低，常用作內存。,一、半導體存儲器的分類,半 導 體 存 儲 器,ROM,RAM,隨機存取存儲器RAM,使用屬性: 可讀可寫、斷電信息丟失 按制造工藝分類 雙極型：速度快、集成度低、功耗大 MOS型：速度慢、集成度高、功耗低 微機中幾乎都用MOS型RAM,MOS型RAM的分類 靜態(tài)R

3、AM(SRAM)：其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎,狀態(tài)穩(wěn)定,只要不掉電,信息不會丟失,但集成度低。 動態(tài)RAM(DRAM)：存儲單元電路以電容為基礎,電路簡單,集成度高,功耗低,但因電容漏電,需定時刷新。 組合RAM(IRAM)：附有片上刷新邏輯的DRAM,兼有SRAM和DRAM的優(yōu)點。,二. 主要性能指標,衡量半導體存儲器的指標很多,如功耗,價格,可靠性等,但從選用來看主要考慮容量,存取時間和價格。,1. 存儲容量 指每一個存儲芯片或模塊能夠存儲的二進制位數。 芯片存儲容量存儲單元數M 每單元數據位數N,如：芯片有2048個單元，每單元存放8位二進制數，則容量為,簡化表示：10248b1KB

4、 10241KB1MB 10241MB1GB,20488b = 2K8b = 2KB = 16Kb,由于在微機中對存儲器的讀寫是以字節(jié)為單位尋址的。存儲芯片為適用于1位、4位、8位計算機的需要,或因工藝上的原因,其數據線也有1位、4位、8位之分。 例：Intel 2116為1位,2114為4位,6116為8位。 所以標定存儲器容量時,經常標出存儲單元的數目和位數,即:存儲器容量=單元數數據線位數 例: 2114芯片為1K4位/片、6116芯片為2K8位/片 雖然微機字長已達16位,32位甚至64位,但其內存仍以一個字節(jié)為一個單元,不過在這種微機中,一次可同時對2,4,8個單元進行訪問。,常用單

5、位： B（Byte）、KB、MB、GB等。 1字節(jié)=8bit； 1KB=210字節(jié)=1024字節(jié)；1MB=210KB；1GB=210MB=1024MB；1TB=210GB=1024GB。,3、其他指標 集成度、功耗、可靠性、價格等。,芯片從接收到讀/寫信號到完成讀出或寫入操作的時間。 CPU提供的讀寫時間必須比RAM芯片所要求的存取時間要長。存取時間直接決定了整個微機系統(tǒng)的運行速度。,2、存取時間,2.存取速度 存取速度：從CPU給出有效的存儲器地址到存儲器輸出有效數據所需要的時間。 超高速存儲器的存取速度已小于20ns,中速存儲器在100200ns之間,低速存儲器在300ns以上。 選用存儲

6、器時,存取速度最好選與CPU時序相匹配的芯片。另外在滿足存儲器總容量前提下,盡可能選用集成度高,存儲容量大的芯片。,三、半導體存儲器芯片的結構,存儲體：存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息 地址譯碼電路：根據地址編碼來選中芯片內某個特定單元 控制邏輯：選中存儲芯片，控制讀寫操作, 存儲體,存儲單元 地址,可存儲1位（位片結構）或多位（字片結構）二進制數據 存儲容量與地址、數據線個數有關： 芯片容量存儲單元數存儲單元的位數 2MN M：芯片的地址線根數 N：芯片的數據線根數,例：32K8的SRAM芯片62256,芯片引腳與容量的關系： 容量=單元數位數 =2地址線條數數據線條數 對于62256：

7、容量2158位 32K8位 32KB, 地址譯碼電路, 片選和讀寫控制邏輯,片選端 CS*或CE* 有效時，可以對該芯片進行讀寫操作 輸出 OE* 控制讀操作。有效時，片內數據輸出 對應系統(tǒng)的RD* 寫 WE* 控制寫操作。有效時，數據進入芯片中 對應系統(tǒng)的WE*,5.2 隨機存取存儲器（RAM）,隨機存取存儲器，也稱讀寫存儲器，簡稱RAM（Random Access Memory）。 特點：存儲單元的內容能夠根據需要讀出或寫入，但其保存的信息斷電后不再保存，即具有“易失性”。常用于存放輸入/輸出數據、中間結果或用戶應用程序。,動態(tài)RAM（Dynamic RAM）的基本存儲電路利用MOS管和電

8、容存儲信息，電容泄漏須刷新。,靜態(tài)RAM（Static RAM）的基本存儲電路主要由R-S觸發(fā)器構成，在有電源條件下，存入的數據可一直保存。,5.2 隨機存取存儲器（RAM）,靜態(tài)RAM SRAM 6264 SRAM 2114,動態(tài)RAM DRAM 2164,一、靜態(tài)RAM,2、SRAM典型芯片 從使用的角度出發(fā)了解芯片幾個方面： 引腳功能地址線，數據線，控制線，如何與CPU連接 容量單元數，每單元位數 工作方式如何讀/寫,1、結構特點： SRAM的基本存儲電路由6個MOS管組成,為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 外圍電路包括地址譯碼、讀/寫控制、三態(tài)輸出等。,SRAM芯片6264,28個引腳：,存儲容量 可

9、尋址的單元數：213 = 8K 每單元數據位數：8 容量21388K8 b,13根地址線 A12A0,控制線 片選 CS1*、CS2 讀寫 WE*、OE*,8根數據線 D7D0,SRAM芯片6264,工作方式,P115表5.1,2114芯片, 引腳信號 地址信號 A9A0 數據線 I/O4I/O1 控制線： 片選 CS 讀/寫控制信號 WE, 容量 可尋址的單元數：210 = 1K 每單元數據位數：4 210 4 1K4 b,SRAM 的讀周期,TA讀取時間：從讀命令發(fā)出到數據穩(wěn)定出現(xiàn)的時間，給出地址到數據出現(xiàn)在總線上 TRC讀取周期：兩次讀取存儲器所允許的最小時間間隔，有效地址維持的時間,S

10、RAM 的寫周期,TW寫入時間：從寫命令發(fā)出到數據進入存儲單元的時間，寫信號有效時間 TWC寫入周期：兩次寫入存儲器所允許的最小時間間隔，有效地址維持的時間,二、動態(tài)RAM,1、結構特點： 基本存儲電路為單管或三管存儲電路。 外圍電路：行、列地址譯碼，行、列地址鎖存， 1/4門控，讀/寫控制等。,使用動態(tài)RAM芯片，必須有一定的輔助電路提供行/列地址選通信號，將CPU送出的地址分為行/列地址，在2ms內刷新等，因此一般小系統(tǒng)中不使用。,動態(tài)RAM,DRAM的基本存儲單元是單個場效應管及其極間電容 必須配備“讀出再生放大電路”進行刷新 每次同時對一行的存儲單元進行刷新 每個基本存儲單元存儲二進制

11、數一位 許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣 DRAM一般采用“位結構”存儲體： 每個存儲單元存放一位 需要8個存儲芯片構成一個字節(jié)單元 每個字節(jié)存儲單元具有一個地址, 引腳信號, 容量 可尋址的單元數：216 = 64K 每單元數據位數：1 容量216164K1 b,數據線：Dout輸出，Din輸入。,地址線：A7A0 ，重復使用，分二次接受16位地址信號。,2、典型芯片Intel 2164,DRAM芯片4116,存儲容量為 16K1 16個引腳： 7根地址線 A6A0 1根數據輸入線 DIN 1根數據輸出線 DOUT 行地址選通 RAS* 列地址選通 CAS* 讀寫控制 WE*,DRAM 的

12、讀周期,行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址； 隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址，CAS*相當于片選信號； 讀寫信號WE*讀有效；數據從DOUT引腳輸出,DRAM 的寫周期,行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址 隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址 讀寫信號WE*寫有效 數據從DIN引腳進入存儲單元,DRAM 的刷新,采用“僅行地址有效”方法刷新： 行地址選通RAS*有效，傳送行地址；CAS*無效，無列地址； 芯片內部實現(xiàn)一行存儲單元的刷新；沒有數據輸入輸出； 存儲系統(tǒng)中所有芯片同時進行刷新 DRAM必須每隔固定時間就刷新,內存條,是將若干片大容量的DRAM芯片

13、設計并組裝在一塊電路板上，并集成了動態(tài)刷新電路。,SDRAM(同步)：168線，數據寬度達64位。 DDR(雙倍數據速率)：184線。,RAM芯片匯總,P114 圖5.3,5.3 只讀存儲器ROM,只讀存儲器，簡稱ROM（Read-Only Memory）。 存儲單元的內容在使用時只能讀出不能寫入或可以寫入但速度很慢。但其保存的信息斷電后仍然保存，即具有“非易失性”。常用于存放固定的程序和參數表，如微機開機的引導程序等。,1、掩模ROM,2、可編程PROM Programmable ROM特點：為空白存儲器,允許用戶編程一次，存儲電路由熔絲相連，當加入寫脈沖，某些存儲單元熔絲熔斷，信息永久寫入

14、，不可再改寫。適合批量生產 。,Masked ROM特點：其存儲的信息在芯片制造時已確定，用戶不可更改。掩模ROM成本低，適用于大批量生產。,3、可擦除可編程EPROM,（2）典型EPROM芯片,Intel 27系列是常用的EPROM芯片。芯片的容量2KB、4KB、8KB、16KB、32KB等。它們在容量上不同，但工作原理、編程及讀操作上相似。,（1）Erasable Programmable ROM 特點： 在線使用時，只能讀出，不能寫入。用戶按規(guī)定方法可多次改寫內容, 編程時，從電路板取下，在編程器上實現(xiàn)擦除和寫入,適合于研制和開發(fā)。,EPROM,頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過

15、擦除原有信息 一般使用專門的編程器（燒寫器）進行編程 編程后，應該貼上不透光封條 出廠未編程前，每個存儲單元都是信息1 編程就是將某些單元寫入信息0,Intel 2764芯片, 引腳信號,可尋址的單元數：213 = 8K 每單元數據位數：8 21388KB, 容量,控制線： 片選 編程控制信號 輸出允許信號,數據線D7D0,地址信號A12A0,EPROM 2764的功能,Intel 27芯片,4、電擦除可編程EEPROM,E2PROM特點：電擦除可編程芯片的擦除和改寫均用電信號進行，既可在編程器上擦除和編程，也可直接在印制電路板上在線進行。,5、快擦寫存儲器 Flash Memory,快擦寫存

16、儲器簡稱閃存。閃存具有EEPROM電擦除可編程特點，其內部可自行產生編程所需電壓，僅需Vcc供電。但內部組織不同于EEPROM，可提供全片擦除、塊擦除、頁面擦除能力，實現(xiàn)快速擦除。,閃存（Flash Memory）,采用一種非揮發(fā)性存儲技術，即掉電后數據信息可以長期保存，在不加電的情況下，信息可以保持10年。 能在線擦除和重寫。 由EEPROM發(fā)展起來，屬于EEPROM 目前幾乎所有主板中的BIOS ROM均采用Flash,單一電源,讀取速度較快(100ns左右),低功耗,改寫次數目前達100萬次,價格接近EPROM。存儲容量從64KB,256KB到32MB、64MB等。體積小,可靠性高,內部

17、無可移動部分,無噪聲,抗震動力強,是小型硬盤的代替品,也是代替EPROM和E2PROM的理想器件,市場前景看好。Flash有單片應用和固態(tài)盤應用，固態(tài)盤分卡式和盤式兩種。閃速卡,用在可移動計算機中,如數字相機,手機,CD-ROM等。閃速固態(tài)盤,用于惡略環(huán)境中代替硬盤。目前幾乎所有主板中的BIOS ROM均采用Flash。,閃存（Flash Memory）,80年代末推出的新型存儲芯片,主要特點是在掉電情況下可長期保存信息,原理象ROM,但又能在線擦除與改寫,功能象RAM,兼有E2PROM和SRAM的優(yōu)點。,5.4 存儲器設計,1、設計原則,根據存儲器容量要求、應用場合、速度要求、價格、體積、功

18、耗等方面綜合考慮。 存儲器設計應包含兩個方面：,（1）選片,芯片類型選擇：小系統(tǒng)中多使用SRAM，而DRAM的集成度較高多用于中、大系統(tǒng)中。掩模ROM、PROM成本低多用于較成熟程序；EPROM、EEPROM則用于保存不常修改的數據，如系統(tǒng)運行過程的參數等。,（2）存儲芯片與CPU的連接,存儲地址空間的分配： 內存分為系統(tǒng)區(qū)（即機器的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的區(qū)域）和用戶區(qū)，用戶區(qū)又要分成數據區(qū)和程序區(qū)，所以內存的地址分配是一個重要的問題。另外，通常一個存儲器是由許多存儲芯片組成，就需要將各個芯片正確的接到系統(tǒng)總線上。,CPU總線負載能力：一般考慮其輸出線的直流負載能力。,CPU時序與存儲芯片存

19、取速度的配合： CPU在存儲器讀/寫操作時，是有固定時序的，用戶要根據這些來確定對存儲器存取速度的要求。,前面介紹的各種存儲器芯片（RAM和ROM）的容量都是有限的，當實際系統(tǒng)需要更大存儲容量時，就必須采用多片現(xiàn)有的存儲器芯片構成較大容量的存儲器模塊，這就是存儲器擴展。,擴展存儲器有三種方法：一是存儲單元數的擴展（字擴展），二是字長的擴展（位擴展），三是將前兩者結合起來的字位全擴展。微機系統(tǒng)中的內存大多數是采用多個存儲芯片字位全擴展方法組成較大容量的存儲器模塊。,5.4 SRAM與CPU的連接,這是本章的重點內容 SRAM與CPU的連接 譯碼方法同樣適合I/O端口,主要考慮的問題： 存儲芯片的

20、數據線 存儲芯片的地址線 存儲芯片的片選端 存儲芯片的讀寫控制線,1.存儲芯片與系統(tǒng)數據總線連接,若芯片的數據線正好8根： 一次可從芯片中訪問到8位數據 全部與系統(tǒng)的8位數據總線相連,若芯片的數據線不足8根： “位擴充” 利用多個存儲器芯片的數據線和系統(tǒng)數據總線的不同信號線相連，達到擴充數據位,2114的邏輯圖：,芯片容量存儲單元數存儲單元的位數 =2地址線條數數據線條數= 1K4b,2114的數據線不足8根位擴充,D4D7,D0D3,各芯片的數據線連接系統(tǒng)數據總線的不同位數 這些芯片應被看作是一個整體；稱為“芯片組”,2.存儲芯片與系統(tǒng)地址總線連接,高位地址線用于選擇不同的存儲芯片 系統(tǒng)中的

21、存儲器由多片芯片構成，須通過譯碼電路將高位地址線譯碼產生芯片的片選信號，即為片選。,低位地址線等于存儲芯片地址線數目 低位地址線與存儲芯片直接相連，由芯片的內部譯碼電路確定具體的存儲單元，即為字選(片內譯碼)。,系統(tǒng)總線中地址信號為A19A0，存儲芯片的地址線一般少于此。將系統(tǒng)地址總線分為兩部分：,（1）字選（片內譯碼）,CPU低位地址線與存儲芯片的地址線直接相連。 如6264芯片的連接：,A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A0 0 0 1 1,基本地址 00000H 01FFFH,所謂基本地址是對該芯片而言， 用作片選的高位地址全為0。,芯片的地址空間（高7位未

22、確定）：,（2）片選,存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴充容量， 也就是擴充了存儲器地址范圍 這種擴充簡稱為 “字擴充” 進行“地址擴充”，需要利用芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進行尋址 這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián)來實現(xiàn),（2）片選,將高位地址線通過譯碼電路產生片選信號，有全譯碼、部分譯碼和線選三種方式：,地址的利用率高，使存儲器中任一單元都有唯一的確定的地址。 譯碼電路復雜。, 全譯碼 除了存儲器內部需要的地址信號線外，其 他高位地址信號線全部參加譯碼。,低位地址線對芯片內各存儲單元的譯碼尋址（片內譯碼），高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址（片選譯碼）,芯片的

23、地址空間： A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1,地址譯碼（字擴充）,D7D0,A9A0,譯碼和譯碼器,譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸出”的過程,譯碼電路可以使用門電路組合邏輯,譯碼電路更多的是采用集成譯碼器 常用的2:4譯碼器：74LS139 常用的3:8譯碼器：74LS138 常用的4:16譯碼器：74LS154,譯碼的概念,N 位編碼輸入,2N 位譯碼輸出,唯一有效的輸出 其余均無效,譯碼器,A,B,Y,&,A,B,Y,1,A,Y,1,邏輯門 國家標準符號 舊教材使用

24、符號,與 門 Y = A B,或 門 Y = A B,與非門 Y = A B,或非門 Y = A B,A,B,Y,1,A,B,Y,&,A,B,Y,A,B,Y,邏輯門的表示方法,8088系統(tǒng)BUS,0,0,0,O,&,D0 D7,D0 D7,A0,A0,A1,A1,A12,A12,.,.,OE,WE,CS1,CS2,MEMR,MEMW,A13,A14,A15,A16,A19,.,.,6264 SAM,最大方式,+ 5 V,D0 D7數據線 A0 A12地址線 OE讀允許 WE寫允許 CS1 = 0 CS2 = 1 6264選中工作,門電路譯碼,門電路譯碼,38000H3FFFFH,1,1,譯碼器

25、74LS138,Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,E3,E2,E1,C,B,A,74LS138原理圖,74LS138功能表,74LS138連接示例1,74LS138連接示例2,B8000HBFFFFH,A8000HAFFFFH,全譯碼示例,A12A0,部分譯碼,除了存儲器內部需要的地址信號線外，其他高位地址信號線未全部參加譯碼，只有部分（高位）地址線譯碼。,一個實際存儲單元對應多個地址（地址重復），地址的利用率低。 電路簡單。,芯片的兩個地址范圍： DC000H DDFFFH FC000H FDFFFH,部分譯碼示例,A11A0,線選譯碼,除了存儲器內部需要的地址信號線外，只用少

26、數幾根高位地址信號線直接控制存儲器的片選端，進行芯片的譯碼，且每根負責選中一個芯片（組）。,線選法節(jié)省譯碼電路，設計簡單。 存儲器芯片中的一個存儲單元有多個地址，地址空間嚴重浪費，多個存儲單元共用的存儲地址不應使用。,線選譯碼示例,切記： A14 A1300的情況不能出現(xiàn) 00000H01FFFH 的地址不可使用,片選端譯碼小結,芯片的片選端可以看作是一根最高位地址線 在系統(tǒng)中，主要與地址發(fā)生聯(lián)系：包括地址空間的選擇（接系統(tǒng)的IO/M*信號）和高位地址的譯碼選擇（與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián)） 對一些存儲芯片通過片選無效可關閉內部的輸出驅動機制，降低功耗,3. 存儲芯片與系統(tǒng)控制總線連接,三個信號

27、組合產生存儲器寫和存儲器讀信號分別連至存儲芯片的寫信號 和輸出允許信號 。,8088最小方式下系統(tǒng)總線中與存儲器有關的控制信號有：,當芯片被選中、且讀命令有效時，存儲芯片將開放并驅動數據到總線,當芯片被選中、且命令有效時，允許總線數據寫入存儲芯片,位擴展和字擴展總結：,芯片的數據位小于8位時，將幾片作一組，它們的低位地址線、片選信號線、讀/寫控制線連接在一起，因此每片芯片的地址空間相同，它們的數據線組合為一個8位數據。此為位擴展。,字擴展 芯片的數據位為8位，但總容量達不到規(guī)定的容量，則需要多片芯片，它們的低位地址線、讀/寫控制線連接相同，片選信號線不同，因此每片芯片有不同的地址空間。此為字擴

28、展。,位擴展,用2K1b存儲器芯片組成 2K8b RAM,用10241位的芯片組成1K RAM,字位全擴展 例：用2114構成存儲模塊，存儲器地址為：2000H27FFH,用1K4位存儲器芯片組成4K8位RAM,字位全擴展 練習：用1K4b的 SRAM芯片（如下圖示）構成存儲模塊，其存儲器地址為08000H08FFF的連續(xù)區(qū)域，請設計連線圖,作業(yè)（ P133 ） ： 3、4、9、10,1、存儲器的分類、RAM和ROM的特點。,2、RAM和ROM的典型芯片：6264、2114和2764等的容量。,3、存儲器和CPU的連接：全譯碼、部分譯碼；LS138譯碼器；譯碼電路圖和地址范圍的相互對應關系。,本章總結,6264：8K8 62256：32K8 2164：64K1