第六章存储器系统

黄河科技学院计算机科学与技术教研室第6章存储器系统本章主要知识点：1、存储器的工作原理、读/写操作的基本过程；2、地址译码电路设计；3、8086存储器的扩展设计方法本章学习的重点：1、存储器的工作原理、读/写操作的基本过程2、RAM、ROM芯片的组成特点、工作过程、典型芯片的引脚信号、基本概念。3、8086与存储器硬件电路的奇偶设计基本原理。4、存储器的扩展电路设计原理黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.1存储器概述问题的提出:CPU可以实现二进制算术运算,如要满足更复杂的运算,参与运算的数据和运算的结果放到什么地方?完成运算的指令(程序),放到什么地方?某些数据需随时存放或取出，某些数据又要求不能由于计算机的运行而改变，如何实现这个要求?解决的方法:给CPU配备必要的信息存储设备—存储器。存储器就是用来存储程序和数据的电子器件。黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.1.1存储器的分类1.按存储介质分类：半导体、磁表面和光表面存储器。2.按读/写功能分类：只读存储器和随机存取存储器。3.按在微机系统中的作用分类：主存储器（又称内存储器，简称内存）、辅助存储器（又称外存储器，简称外存）和高速缓冲存储器（Cache）。黄河科技学院计算机科学与技术教研室存储器工作原理黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.1.2存储器的常用性能指标1.存储容量存储器芯片因为要适用于1位、4位、8位计算机的需要，其数据线也有1位、4位、8位之不同。例如，Intel2116为1位，2114为4位，6264为8位，所以在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元的数目和位数，因此有存储器芯片容量=单元数×数据线位数如Intel2114芯片容量为1K×4位/片，Intel6264为8K×8位/片。虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位甚至64位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微机中，一次可同时对2、4、8个单元进行访问。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2.存取速度存储器的存取速度可用存取时间和存取周期来衡量。（1）存取时间：指启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间。具体来说是指从存储器接收到地址到取出或存入数据为止所需的时间。（2）存取周期：指连续两次独立的存储器操作最小时间间隔。存取周期略大于存取时间，其差别与存储器的物理实现有关。3.价格存储器价格常用位价格来衡量。黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.1.3存储系统的层次结构存储器的层次结构问题的提出：目前的计算机系统，为什么要采用多种类型的存储器？为什么存储结构要采用分级体系结构？原因：目前存储器的特点是：速度快的存储器价格贵，容量小；而价格低的存储器速度慢，容量大。而我们对计算机中的存储装置提出的要求是：速度快、容量大并且价格尽量低。所以，在计算机存储器体系结构设计时，应当在存储器容量，速度和价格方面的因素作折中考虑，建立了分层次的存储器体系结构。黄河科技学院计算机科学与技术教研室CPU高速缓存主存储器I/O控制电路辅助存储器图6-1存储系统的层次结构黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.1.4半导体存储器的结构现代微机的主存储器普遍采用半导体存储器，其特点是容量大、存取速度快、体积小、功耗低、集成度高以及价格便宜。静态RAM动态RAM掩膜ROM可编程PROM光可擦除EPROM电可擦除EEPROM闪速存储器随机存取存储器RAM只读存储器ROM半导体存储器图6-2半导体存储器的分类黄河科技学院计算机科学与技术教研室半导体存储器一般由地址译码器、存储矩阵、读/写控制逻辑和输入/输出控制电路等部分组成。1.地址译码器接收CPU发出的地址信号，产生地址译码信号，以便选中存储矩阵中的某个存储单元。（1）单译码（2）双译码2.存储矩阵是能够存储二进制信息的基本存储单元的集合。黄河科技学院计算机科学与技术教研室3.读/写控制逻辑（CS/,OE,WE/等）4.输入/输出控制电路一般为三态双向缓冲器结构，以便使系统中各存储器芯片的数据输入/输出端能方便地挂接到系统数据总线中。黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.2随机存取存储器随机存取是指通过指令可随机地对每个存储单元进行访问。随机存取存储器根据存储原理分为静态RAM和动态RAM。静态RAM存放的信息在不断电的情况下能长时间保留，状态稳定。动态RAM电路简单，集成度高，但其保存内容即使在不断电的情况下隔一定时间也会自动消失，因此，要定时进行刷新。黄河科技学院计算机科学与技术教研室图6.3六个MOS管组成的静态RAM存储电路T5T3VCCT6AI/OI/O选择线T4T1T26.2.1静态RAM（SRAM)1.基本存储电路B列选择线T7T8I/OI/O黄河科技学院计算机科学与技术教研室优点：（1）工作稳定，不需外加刷新电路。（2）访问速度快。缺点：（1）由于基本存储电路中所含晶体管较多，故集成度较低。（2）功耗较大。（3）断电即失。黄河科技学院计算机科学与技术教研室2.SRAM的结构利用基本存储电路排成阵列，再加上地址译码电路和读/写控制电路可构成随机存取存储器。参考教材P-149图6-616×1SRAM原理图常用典型SRAM芯片有6116、6264、62256、628128等。黄河科技学院计算机科学与技术教研室I/OI/O数据线≥1≥1CSWE1SRAM基本读写电路黄河科技学院计算机科学与技术教研室A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND————————————————————————VCCA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D3124223322421520619718817916101511141213图6-46116引脚RAM引脚功能:A0-A10:地址线D0-D7:数据线CS:片选,=0时该片被选中,与WE和OE组合,可以对地址线指定的地址单元进行读/写操作WE:写允许.=0时,数据由总线写入存储器OE:读允许.=0时,从存储器读出数据黄河科技学院计算机科学与技术教研室图6.5单管动态存储器电路刷新放大器DV列选择信号数据输入输出行选择信号6.2.2动态RAM（DRAM）1.基本存储电路黄河科技学院计算机科学与技术教研室2.DRAM的刷新DRAM利用电容存储电荷原理来保存信息，但由于任何电容都存在漏电现象，因此，一段时间后会由于电容的漏电导致电荷流失，使保存的信息丢失。解决的办法是“刷新”，即每隔一定时间（一般为2ms）就必须对DRAM进行读出和再写入操作，使原来处于逻辑电平“1”的电容上所释放的电荷得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”，这个过程称为DRAM的刷新。黄河科技学院计算机科学与技术教研室刷新的特点：（1）刷新的地址通常是由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。（2）DRAM以行为单位进行刷新，不需要列地址。（3）刷新时片内数据线和片外数据线完全隔离。黄河科技学院计算机科学与技术教研室缺点：（1）工作不稳定，需外加刷新电路（2）因要放大，所以影响访问速度优点：（1）由于基本存储电路中所含晶体管较少，故集成度较高。（2）功耗较小。（3）断电即失黄河科技学院计算机科学与技术教研室3.DRAM举例参考教材P-151图6-9Intel2164A的内部结构。Intel2164A64K存储体由4个128×128存储矩阵组成，每个128×128存储矩阵由7条行地址线和7条列地址线进行选择，为了减少地址线引脚数目，DRAM地址线采用行地址和列地址分时工作，这样对Intel2164A来说外部只需引出8条地址线即可。黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.3只读存储器（ROM）只读存储器（失电后存储的内容不会丢失），常见的有五种类型：1）掩膜ROM：制造商可将用户的程序在制造时生产在芯片里，数量较大时价格低。2）可编程PROM：由用户在使用前一次性写入信息，写入后只能读出，不能修改。3）光可擦除EPROM：可以在紫外灯的照射下将固化在芯片里的数据整体抹掉，在给定的电压和设备下可重新将数据固化在芯片里。黄河科技学院计算机科学与技术教研室4）电可擦除EEPROM：在给定的端口上加上电压后可以任意修改存储器某个单元和全部的内容。5）闪速存储器：黄河科技学院计算机科学与技术教研室只读存储器，CPU只能将存储器中的数据通过数据线读到CPU中，不能将数据写入到存储器中。工作原理和RAM基本相同，区别是不能把数据随机写入，写入时需专门的电路才能实现把数据写入。微处理器8086存储器RAM存储器ROMI/O接口外围设备地址总线AB控制总线CB数据总线DB读出的方向黄河科技学院计算机科学与技术教研室典型的只读存储器---EPROM图6-62716引脚1．2716的引线2716是2K×8bit的EPROM芯片。A0～A10为11条地址线，芯片的容量为2K单元。D0～D7为8条数据，每个存贮单元存放一个字节。CS为片选控制信号。OE读输出允许信号。PGM为编程脉冲输入端。Vpp编程电源A7A6A5A4A3A2A1A0D1D0D2GND————————————————————————VCCA8A9VPPOEA10CS/PGM124223322421520619718817916101511141213D7D6D5D4D3黄河科技学院计算机科学与技术教研室图6-72764引线图2764的引线2764是8K×8的EPROM芯片。A0～A12为13条地址线，芯片的容量为8K个单元。D0～D7为8条数据，每个存贮单元存放一个字节。CS为输入信号。OE输出允许信号。PGM为编程脉冲输入端。Vpp编程电源(+25V)1234567891011141312VPPA12GND2827262524232221201918171615VCC(+5V)PGMNCOECSA7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2D3D4D5D6D7A10A11A9A8黄河科技学院计算机科学与技术教研室各种不同类型ROM的特点ROM在使用时，仅用于将其存贮的内容读出。其过程与RAM的读出类似,即CPU送出要读出的地址，然后通过地址译码使该电路的CS被选中，通过指令的类型使OE有效(低电平)，则在芯片的数据线上就可以输出要读出的数据。注意:RAM和ROM在设计是的区别是:ROM只使用读出控制线,不用写入控制。黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.4存储器的扩展与寻址存储器的扩展–目前生产的存储芯片的容量有限，另外，在字长和位长与实际的存储器都有一定的差距。存储器芯片的外引线可分为：片选线数据线片内地址线读写控制线所有的扩充方法连接情况一样不同的扩充方法，连接情况不一样黄河科技学院计算机科学与技术教研室假设存储器芯片的容量为L×K；所需存储器的总容量为M×N；扩充时所需存储器芯片数目为：ML×NK黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.4.1位扩展原因：芯片中每个单元的位数不能满足系统需求，需要在位向上进行扩展。方法：片选线合并，数据线分开例如：用2114（1K×4）组成1024×8位的RAM黄河科技学院计算机科学与技术教研室两片2114组成1K容量的电路CSWED0D7D3D4CSCSWEWEI/O1I/O2I/O3I/O4I/O1I/O2I/O3I/O4A0A9A0A9A0A9图6-8位扩展示意图黄河科技学院计算机科学与技术教研室CS/CS/A0A9A9D0～D4D0～D4D0～D7A0A9CS/图6-9位扩展简化示意图黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.4.2字扩展原因：芯片中每个单元的位数能满足系统需求，但存储容量不够，需要在字向上进行扩展。方法：片选线分开，数据线合并例如：用16K×8的芯片组成64K×8的存储器黄河科技学院计算机科学与技术教研室图6-10字扩展示意图黄河科技学院计算机科学与技术教研室6.4.3字位扩展原因：芯片单元数和位数不能满足存储器的要求，要在字、位两个方向上进行扩展。方法：先进行位扩展，再进行字扩展例如：用2114（1K×4）组成4K×8位的RAM黄河科技学院计算机科学与技术教研室CSCSCSCSD0-D3D4-D7A0-A9CS1CS4