第四章：存储器及其接口(修改)

微型计算机原理及其应用——第四章：存储器及其接口嘉兴学院机电工程学院2020/1/25微型计算机原理及应用2第四章：存储器及其接口1.概述2.随机存储器RAM3.只读存储器ROM4.存储器芯片的扩展及其与CPU的连接2020/1/25微型计算机原理及应用3第四章：存储器及其接口——概述存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。2020/1/25微型计算机原理及应用4第四章：存储器及其接口——概述存储器的分类按存储介质分类——磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类——随机存储器(内存和硬盘)、顺序存储器(磁带)。按存储器的读写功能分类——只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)。按信息的可保存性分类——非永久记忆的存储器、永久性记忆的存储器。按在计算机系统中的作用分类——主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。2020/1/25微型计算机原理及应用5第四章：存储器及其接口——概述存储器的分类2020/1/25微型计算机原理及应用6第四章：存储器及其接口——概述存储器的性能指标存储器系统的三项主要性能指标是【容量】、【速度】和【可靠性】。存储容量：是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器可靠性：也是存储器系统的重要性能指标。通常用平均故障间隔时间来衡量。2020/1/25微型计算机原理及应用7为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。2020/1/25微型计算机原理及应用8第四章：存储器及其接口——概述半导体存储器什么叫半导体？导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体．例如：锗、硅、砷化镓等．半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用．（例如：电视、半导体收音机、电子计算机等）2020/1/25微型计算机原理及应用9第四章：存储器及其接口——概述半导体存储器的分类半导体存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlashROM2020/1/25微型计算机原理及应用10第四章：存储器及其接口——概述存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。1.基本存储单元一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。2.存储体一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。例如，8K＊8表示存储体中一共有8K个单元，每个存储单元存放8位数据，依此类推。2020/1/25微型计算机原理及应用11第四章：存储器及其接口——概述3.地址译码器由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。存储器地址译码一般采用双译码方式。在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号。行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。2020/1/25微型计算机原理及应用12第四章：存储器及其接口——概述4.片选与读／写控制电路片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。5.I/O电路I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。6.其它外围电路对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。2020/1/25微型计算机原理及应用13第四章：存储器及其接口1.概述2.随机存储器RAM3.只读存储器ROM4.存储器芯片的扩展及其与CPU的连接2020/1/25微型计算机原理及应用14第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM随机存储器(RandomAccessMemory,RAM)：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读／写操作。半导体存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlashROM2020/1/25微型计算机原理及应用15第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM静态随机存储器(StaticRAM,SRAM)SRAM其存储电路是以双稳态触发器为基础，只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路。SRAM的主要性能是：存取速度快、功耗较大、容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（Cache）。2020/1/25微型计算机原理及应用16第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM静态RAM存储器芯片Intel2114Intel2114是一种1K×4的静态RAM存储器芯片，其它的典型芯片有Ietel6116/6264/62256等。(1)芯片的内部结构如下图所示，它包括下列几个主要组成部分：2020/1/25微型计算机原理及应用17A3A4A5A6A7A8行选择64×64存储矩阵......VCCGND输入数据控制I/O1I/O2I/O3I/O4列I/O电路列选择......A0A2A1A9CSWEIntel2114静态存储器芯片的内部结构框图2020/1/25微型计算机原理及应用18第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM•存储矩阵：Intel2114内部共有4096个存储电路，排成64×64的短阵形式；•地址译码器：输入为10根线，采用两级译码方式，其中6根用于行译码，4根用于列译码；•I/O控制电路：分为输入数据控制电路和列I／O电路，用于对信息的输入／输出进行缓冲和控制；•片选及读／写控制电路：用于实现对芯片的选择及读／写控制。2020/1/25微型计算机原理及应用19(2)Intel2114的外部结构Intel2114RAM存储器芯片为双列直插式集成电路芯片，共有18个引脚，引脚图如下图所示，各引脚的功能如下：•A0-A9：10根地址信号输入引脚。•WE：读／写控制信号输入引脚，当WE为低电平时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元；反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线。•I/O1~I/O4：4根数据输入／输出信号引脚，•CS:片选信号输入引脚，低电平有效，通常接地址译码器的输出端。•+5V：电源。•GND：地。CSCSCSCS2020/1/25微型计算机原理及应用20123456789181716151413121110A1A2A3A4A5A6A0CSGNDVCCA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE引脚图2020/1/25微型计算机原理及应用21第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM动态随机存储器(DynamicRAM,DRAM)DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。DRAM的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。2020/1/25微型计算机原理及应用22第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM动态RAM存储器芯片Intel2164AIntel2164A是一种64K×1的动态RAM存储器芯片，它的基本存储单元就是采用单管存储电路，其它的典型芯片有Intel21256/21464等。(1)Intel2164A的内部结构如下图所示，其主要组成部分如下：2020/1/25微型计算机原理及应用23Intel2164A内部结构25页2020/1/25微型计算机原理及应用24•存储体：64K×1的存储体由4个128×128的存储阵列构成；•地址锁存器：由于Intel2164A采用双译码方式，故其16位地址信息要分两次送入芯片内部。但由于封装的限制，这16位地址信息必须通过同一组引脚分两次接收，因此，在芯片内部有一个能保存8位地址信息的地址锁存器；•数据输入缓冲器：用以暂存输入的数据；•数据输出缓冲器：用以暂存要输出的数据；•1/4I/O门电路：由行、列地址信号的最高位控制，能从相应的4个存储矩阵中选择一个进行输入／输出操作；第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM2020/1/25微型计算机原理及应用25•行、列时钟缓冲器：用以协调行、列地址的选通信号；•写允许时钟缓冲器：用以控制芯片的数据传送方向；•128读出放大器：与4个128×128存储阵列相对应，共有4个128读出放大器，它们能接收由行地址选通的4×128个存储单元的信息，经放大后，再写回原存储单元，是实现刷新操作的重要部分；•1/128行、列译码器：分别用来接收7位的行、列地址，经译码后，从128×128个存储单元中选择一个确定的存储单元，以便对其进行读/写操作。第四章：存储器及其接口——随机存储器RAM结构图2020/1/25微型计算机原理及应用26第四章：存储器及其接口——随机存储器RAMIntel2164A的外部结构Intel2164A是具有16个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚安排如图5-6所示。•A0~A7：地址信号的输入引脚，用来分时接收CPU送来的8位行、列地址；•RAS：行地址选通信号输入引脚，低电平有效，兼作芯片选择信号。当为低电平时，表明芯片当前接收的是行地址；•CAS：列地址选通信号输入引脚，低电平有效，表明当前正在接收的是列地址(此时RAS应保持为低电平)；•WE：写允许控制信号输入引脚，当其为低电平时，执行写操作；否则，执行读操作。•DIN：数据输入引脚；•DOUT：数据输出引脚；•VDD：地；•Vss：十5V电源引脚；•N/C：未用引脚。2020/1/25微型计算机原理及应用2712345678910111213141516N/CDINWERASA0A2A1VDDVSSCASDOUTA6A5A4A3A7Intel2164A引脚2020/1/25微型计算机原理及应用28第四章：存储器及其接口——随机存储器RAMIntel2164A的工作方式与时序①读操作在对Intel2164A的读操作过程中，它要接收来自CPU的地址信号，经译码选中相应的存储单元后，把其中保存的一位信息通过DOUT数据输出引脚送至系统数据总线。Intel2164A的读操作时序如下图所示。从时序图中可以看出，读周期是由行地址选通信号有效开始的，要求行地址要先于RAS信号有效，并且必须在有效后再维持一段时间。同样，为了保证列地址的可靠锁存，列地址也应领先于列地址锁存信号CAS有效，且列地址也必须在有效后再保持一段时间。要从指定的单元中读取信息，必须在RAS有效后，使也CAS有效。由于从RAS有效起到指定单元的信息读出送到数据总线上需要一定的时间，因此，存储单元中信息读出的时间就与CAS开始有效的时刻有关。存储单元中信息的读写，取决于控制信号WE。为实现读出操