大学计算机硬件基础 第五章 存储器

计算机硬件技术基础自动化教研室第五章半导体存储器及其接口4学时计算机硬件技术基础自动化教研室目录5.1概述5.2存储器芯片5.3存储器扩展计算机硬件技术基础自动化教研室5.1存储器分类主存储器（内存，MainMemory）存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据CPU可以直接访问由半导体存储器构成，装在主板上存取速度快，但容量有限，其大小受地址总线位数的限制。辅助存储器（外存，ExternalMemory）存放不经常使用的程序和数据CPU不能直接访问属外部设备，需要配置专门的驱动设备容量大，成本低，但速度慢计算机硬件技术基础自动化教研室内存储器分类组合RAM(IRAM)随机读写存储器(RAM)随机读写存储器(RAM)只读存储器(ROM)双极型RAMMOS型RAM静态RAM(SRAM)动态RAM(DRAM)非易失RAM(NVRAM)掩膜ROM可编程ROM(PROM)可擦除的PROM(EPROM)电可擦除的PROM(E2PROM)内存储器快速电可擦除FlashMemory计算机硬件技术基础自动化教研室随机存取存储器⒉动态RAM(即DRAM),存储单元电路以电容为基础,电路简单,集成度高,功耗低,因电容漏电,需定时刷新。⒊组合RAM(即IRAM),附有片上刷新逻辑的DRAM,兼有SRAM和DRAM的优点。⒋非易失RAM(即NVRAM),由SRAM和E2PROM共同构成的存储器,正常运行时和SRAM一样,而在掉电或电源故障时,把SRAM的信息保存在E2PROM中,NVRAM多用于存储非常重要的信息和掉电保护。⒈静态RAM(即SRAM),其存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失,但集成度低。计算机硬件技术基础自动化教研室⒈掩膜ROM,按用户要求掩膜制成,只能读,无法再改写,适合存储成熟的程序,大量生产时,成本低。只读存储器⒉可编程ROM(PROM),为空白存储器,用户一次性写入,写入后不能更改,适合批量生产。⒊可擦除的PROM(EPROM),用户按规定方法可多次改写内容,改写时先用紫外线擦除,适合于研制和开发。⒋电可擦除的PROM(E2PROM),能以字节为单位进行擦除和改写,并可直接在机器内进行擦除和改写,方便灵活。5.闪速存储器(FlashMemory)是80年代末推出的新型存储芯片,它的主要特点是在掉电情况下可长期保存信息,原理上看象ROM,但又能在线进行擦除与改写,功能上象RAM,因此兼有E2PROM和SRAM的优点。计算机硬件技术基础自动化教研室5.1.2多层次存储器结构CPU高速缓存M1M2M3M4......Mn外存2外存1外存3外存4......外存n虚拟存储器主存外存计算机硬件技术基础自动化教研室1.主存-辅存层次用于解决大容量低成本的矛盾，主存辅存采用统一编址，形成虚拟存储器，虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型（为编程时提供），不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。2.Cache-主存层次cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快。它能高速地向CPU提供指令和数据，加快程序的执行速度。它是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。计算机硬件技术基础自动化教研室5.1.3主存储器的结构主存储器由存储体、地址译码驱动电路、读写控制逻辑电路与数据缓冲器组成。计算机硬件技术基础自动化教研室主存储体：对存储单元按顺序编号，如存储器地址线位数为n，则存储单元数N=2n地址译码驱动：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。读写控制电路：片选信号用以实现芯片的选择。读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。计算机硬件技术基础自动化教研室5.2存储器芯片控制线（1）ROM控制线芯片允许CE；输出允许OE（2）SRAM控制线芯片允许CE；输出允许OE；写允许WE（3）DRAM控制线芯片允许CE；读写WE允许（读=1，写=0）（4）IRAM（新型DRAM）控制线芯片允许CE；输出允许OE；写允许WECECE5.2.1存储器与CPU总线相关的信号线地址线An～A0数据线On～O0或I/On～I/O0计算机硬件技术基础自动化教研室5.2.2存储器芯片外特性1、芯片外特性典型EPROM芯片Intel2716A1A2A3A4A5A6A7O1O2O0A0地VCCA8A9VPPOEA10CEO7O6O5O4O3123456789101112131415161718192021222324•Al0~A0：地址信号输入引脚，可寻址芯片的2K个存储单元；•O7~O0：数据信号输出引脚；•CE：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚转入低电平时，才能对相应的芯片进行操作；•OE：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输出；•Vcc：+5v电源，用于在线的读操作；•VPP：+25v电源，用于在专用装置上进行写操作；•GND：地。计算机硬件技术基础自动化教研室E2PROM2816，2817，2816A，2817A，2864FlashMemory28F256，28F512，28F010，28F020SRAM2128，6132，6164，61256，64C512DRAM2164B，21256，21464，4146160计算机硬件技术基础自动化教研室5.2.3微机内存构成确定主存结构：一般CPU外部数据总线8位用单体结构，16位用双体结构，32位用四体结构。选择主芯片：CPU的低地址线与主存芯片相连，高地址线通过译码产生片选信号。接口设计：主存与CPU的连线和时序问题主存设计工作包括：计算机硬件技术基础自动化教研室1、地址译码（1）为什么要用译码器解决CPU地址总线与存储器地址线数目不匹配问题。译码：将来自地址总线上的地址代码翻译成为所需要访问的存储器单元计算机硬件技术基础自动化教研室1、线选法地址的高位直接作为各个芯片的片选信号，在寻址时只有一位有效来使片选信号有效的方法称为线选法。2、部分译码法用部分高位地址进行译码产生片选信号。3、全译码法全部高位地址译码产生片选信号。三种译码方法（存储器芯片片选端的处理）：计算机硬件技术基础自动化教研室全译码方法高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生存储器芯片的片选信号CS，实现系统中的存储器芯片寻址低位地址线直接接到存储器芯片的地址引脚，进行存储器芯片的片内寻址计算机硬件技术基础自动化教研室74LS138地址译码器ABCG2AG2BG1Y0Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y174LS138计算机硬件技术基础自动化教研室输入输出CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70000111111100110111111010110111110111110111110011110111101111110111101111110111111111110当控制端信号有效时：138译码器真值表：计算机硬件技术基础自动化教研室5.3存储器扩展存储器的容量：字数×位数位数扩展字数扩展字数位数同时扩展计算机硬件技术基础自动化教研室位数的扩展【例1】用1K×4的2114芯片构成lK×8的存储器系统。分析：每个芯片只能提供4位数据，故需用2片这样的芯片，它们分别提供4位数据至系统的数据总线，以满足存储器系统的字长要求。设计要点：关键是处理好地址线、数据线、写信号线、片选信号线的连接。计算机硬件技术基础自动化教研室A11A10译码器A9A9A0A0WRWEI/OI/OCS2114(1)...D0D3D4D7A9A0WEI/OI/OCS2114(2)........................8088Y0M/IO计算机硬件技术基础自动化教研室（1）地址线共用（至系统地址总线低10位）；（2）数据线分别接入系统数据总线的低4位和高4位；（3）WE端并在一起接至系统的存储器写信号；（4）CS端并在一起接至地址译码器输出。计算机硬件技术基础自动化教研室字数的扩展【例2】用2K×8的2716Ａ存储器芯片组成8K×8的存储器系统。分析：每个芯片只能提供2K个存储单元，故需用4片这样的芯片，以满足存储器系统的字数要求。设计要点：关键是处理好地址线、数据线、写信号线、片选信号线的连接。计算机硬件技术基础自动化教研室A10A0OEO0O7M/IO8088A12A11A10A0RDD0D72716(1)CEA10A0OEO0O72716(2)CEA10A0OEO0O72716(3)CEA10A0OEO0O72716(4)CEY3Y2Y1Y0译码器..........…...…...……计算机硬件技术基础自动化教研室（1）地址线共用（至系统地址总线低11位）；（2）数据线共用（至系统数据总线）；（3）OE端并在一起接至系统的存储器写信号；（4）CS端分别接至地址译码器的不同输出。计算机硬件技术基础自动化教研室字数字长同时扩展将上述两种方法结合使用，一般先扩展字长，再扩展字数。【课堂练习】用1K×4的2114芯片组成2K×8的存储器系统。计算机硬件技术基础自动化教研室位数扩展M/IOWRA0~A9D7~D4CSWE2114(1)A0~A9D3~D0CSWE2114(1)A0~A9D7~D4CSWE2114(2)A0~A9D3~D0CSWE2114(2)2:4译码器A11A10A0~A9D7~D010字数扩展计算机硬件技术基础自动化教研室例：某8088CPU构成的计算机系统中，需要扩展32K字节的EPROM存储器，要求其地址空间范围为：F8000H~FFFFFH，若采用27C64存储器（参见图1）、74LS138（3-8译码器）和必要的门电路实现，问：1、需要多少片27C64？2、完成各个芯片（含扩充的芯片）与系统总线的硬件连线图。（可以采用网络标号的方式）计算机硬件技术基础自动化教研室A0A1A2A12OECED0D1D2D727C64计算机硬件技术基础自动化教研室1）需要4片27C64存储器；因为27C64有13条地址线，每片27C64存储器容量为：213=8192B=8KB，若扩展32KB的存储器，需要32/8=4（片）；2）分析:地址空间范围为：F8000H~FFFFFHA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01111100与CPU地址线直接相连产生片选信号计算机硬件技术基础自动化教研室A16ABCG2AG2BG1。+5VY0Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y174LS138IO/M非门与非门A13A14A15A17A19A18计算机硬件技术基础自动化教研室A0A1A2A12OECED0D1D2D727C64A1A12A2RDD0D1D2D7A0A1A2A12OECED0D1D2D727C64A1A12A2RDY4Y5A0A1A2A12OECED0D1D2D727C64A0A1A12A2RDD0D1D2D7A0A1A2A12OECED0D1D2D727C64A0A1A12A2RDY6Y7D0D1D2D7F8000~F9FFFHFA000~FBFFFHFC000~FDFFFHFE000~FFFFFHD0D1D2D7