微机原理及应用存储器.ppt

,北京理工大学 宇航学院 飞行器系,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,微机原理及应用存储器,第6章 存储器,6.1,概述,6.2,随机存储器,6.3,只读存储器,6.4,主存储器设计,2,6.1 概 述,主要内容：,微型机的存储系统,半导体存储器的基本概念,存储器的分类及其特点,两类半导体存储器的主要区别,存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息 程序和数据。,3,一、存储器的一般概念,存储器由能够表示二进制数“0”和“1”的、具有记忆功能的一些物理器件组成。存储器能存放一位二进制数的物理器件称为一个存储元。若干存储元构成一个存储单元。,1、,内存和外存,2、,存储器的分类,3、,存储器的性能指标,4、,存储器的基本结构,4,1、内存和外存,（1）内存(或主存），用于存放当前正在使用的程序和数据，CPU可以对它直接访问，存取速度快，但容量较小。,（2）外存（或辅存），用于存放一些CPU暂时不处理的程序和数据。当CPU要处理这些信息时，必须先将其调入内存。需通过专用设备才能对其进行读写操作。,外存包括软盘，硬盘，光盘等等。,外存容量大，相对内存来说，存取速度较慢。,5,2、存储器的分类(应用),(1),只读存储器ROM,(2),随机存取存储器RAM,6,(1)只读存储器ROM,只读存储器(Read Only Memory ROM)用户在使用时只能读出其中信息，不能修改或写入新的信息，断电后，其信息不会消失。,只读存储器分类:,存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时一次性写入，称为掩膜ROM（Masked ROM）；,PROM(Programmable ROM 可编程ROM),PROM中的程序和数据是由用户自行写入的，但一经写入，就无法更改，是一次性的ROM；,7,(1)将写入单元的地址送到A0-A12上;,(1)只读存储器ROM,X 000H-FFFH,只读存储器分类:,区别：芯片的存储容量和微机的存储容量,3、控制信号 系统总线中与存储器有关的控制信号有IO/M，RD，WR(针对8088)。,地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们,用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个惟一的内存地址,6、读/写控制电路 接受来自CPU的片选信号、读/写信号。,A130 且Y40有效选中此片，,若干存储元构成一个存储单元。,一般微机系统中的内存采用DRAM，配有刷新电路，每隔12ms刷新一次。,2764芯片的地址范围是：70000H-71FFFH,字节写入：每一次BUSY正脉冲写,地址线：A0-A12,(1)只读存储器ROM,EPROM(Eraseble Programmable ROM 可擦除可编程ROM)可由用户自行写入程序和数据，写入后的内容可用紫外线灯照射擦除，然后可以重新写入新的内容，可以多次擦除，多次使用。,E,2,PROM(Electrically Eraseble Programmable ROM 电可擦除可编程ROM)可用电信号进行清除和改写的存储器，使用方便。掉电不丢失。,思考：,EPROM,和,E,2,PROM,与,RAM,的区别？,8,(2)随机存取存储器RAM,随机存取存储器(Random Access Memory)RAM的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样的。断电后，RAM中的信息即消失。,按其制造工艺分：,（1）双极型半导体RAM,存取时间短，与MOS型比，集成度低，功耗大，价 格高。,（2）MOS 型RAM,9,(2)随机存取存储器RAM,MOS型RAM分为两类：,SRAM(Static RAM 静态RAM)SRAM是利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”。只要电源不撤除，信息不会消失，不需要刷新电路。,DRAM(Dynamic RAM 动态RAM)DRAM是利用电容端电压的高低来表示“1”和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一般微机系统中的内存采用DRAM，配有刷新电路，每隔12ms刷新一次。,10,3、存储器的性能指标,(1),存储容量,(2),存储速度,(3),可靠性,(4),功耗,11,(1)存储容量,存储容量 是指一块存储芯片上所能存储的二进制位数。,假设存储芯片的存储单元数是M，一个存储单元所存储的信息的位数是N，则其存储容量为MN。,D,7,D,1,D,0,12,例题,1、已知单片6116芯片的地址线是11位，每个存储单元是8位，求其存储容量?,解:因为可编址范围2,11,，即M 2,11,，,每个存储单元可存8位，即N 8，,所以，6116的存储容量=2,11,8,=210248,=2K8,2KB,13,例题,2、若要组成64K字节的存储器，以下芯片各需几片?,6116(2K8),4416(16K4),解:,(64K8)(2K8)=32(片),(64K8)(16K4)=8(片),14,区别：芯片的存储容量和微机的存储容量,微机的存储容量 由多片存储芯片组成的总存储容量。,微机的最大内存容量 由CPU的地址总线决定。,如：PC486，地址总线是32位，,则，内存容许最大容量是2,32,=4G；,实际的装机容量 由实际使用的若干片存储芯片组成的总存储容量。,15,(2)存储速度,存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主要因素，用两个参数来衡量：,存取时间T,A,（Access Time）定义为启动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经历的时间。,存储周期T,MC,（Memory Cycle）定义启动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间间隔。,注意：CPU读写存储器的时间必须大于存储芯片的额定存取时间,16,(3),可靠性,存储器的可靠性用MTBF来衡量。,MTBF即Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间，MTBF越长，表示可靠性越高。,(4)功耗,使用功耗低的存储芯片构成存储系统不仅可以减少对电源容量的要求，而且还可以提高存储系统的可靠性。,17,4、存储器的基本结构,1、存储体 由多个基本存储单元组成，容量即为MN；,2、地址寄存器（地址锁存器）锁存CPU送来的地址信号；,3、地址译码器 对地址信号进行译码，选择存储体中要访问的存储单元；,4、读/写驱动电路 包括读出放大和写入电路；,5、数据缓冲器 芯片数据信号经双向三态门挂在数据总线上，未选中该片，呈高阻状态；,6、读/写控制电路 接受来自CPU的片选信号、读/写信号。（对ROM只读；对DRAM刷新信号）,18,“读”操作工作过程,（1）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；,（2）发出“读”命令 CPU通过控制总线将“存储器读”信号送入读/写控制电路；,（3）从存储器读出数据 读/写控制电路根据“读”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，从该单元读出数据，送到数据缓存器。再经过数据总线送到CPU。,19,“写”操作工作过程,（1）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；,（2）发出“写”命令 CPU通过控制总线将“写”信号送入读/写控制电路；,（3）写入数据到存储器 读/写控制电路根据“写”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，将数据总线上的数据，送到数据缓存器，再写入到选中的存储单元。,20,6.2 随机存取存储器,要求掌握：,SRAM与DRAM的主要特点,几种常用存储器芯片及其与系统的连接,了解存储器扩展技术,21,一、静态存储器SRAM,特点：,存储元由双稳电路构成，存储信息稳定,T,1,T,2,工作管;,T,3,T,4,是负载管;,T,5,T,6,T,7,T,8,是控制管,22,典型SRAM芯片,地址线：A,0,-A,12,数据线：D,0,-D,7,输出允许信号：OE,写允许信号：WE,选片信号：CS,1,，CS,2,2,A,12,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,D,0,D,1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,NC,A,0,D,2,GND,27,WE,CS,2,A,8,A,9,A,11,OE,A,10,CS,1,D,6,D,5,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,28,VCC,D,7,D,4,D,3,6264,工作时序,与系统的连接使用,CMOS RAM,芯片6264（8KB）：,主要引脚功能,23,6264,的工作过程,6264的读操作和写操作,CS,1,片选信号,OE,输出允许,WE,写允许信号,D,0,-D,7,0,0,1,写入,1,0,1,读出,0,或1,0,或1,三态,片选信号,CS,2,0,6264,真值表,未选中,24,地址信号：A0 A12,用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同的地址范围,作用：将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。,6264的工作过程写操作,6116(2K8),2、存储器芯片的基本地址,（即000H07FFH）,(1)只读存储器ROM,EEPROM（电擦除）,（1）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；,当CPU要处理这些信息时，必须先将其调入内存。,MTBF即Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间，MTBF越长，表示可靠性越高。,若干存储元构成一个存储单元。,即20000H23FFFH,低于8位的要进行位扩充后再与CPU相连。,6264的工作过程写操作,(1),将写入单元的地址送到A,0,-A,12,上;,(2)将要写入的数据送到数据线上;,(3)使片选信号(CS,1,、,CS,2,),同时有效;,(4)在WE端加上有效的低电平,OE端可以任意;,25,6264,芯片与系统的连接,D,0,D,7,A,0,A,12,WE,OE,CS,1,CS,2,A,0,A,12,MEMW,MEMR,译码,电路,高位地址信号,D,0,D,7,26,译码电路,作用：将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。,分类,：（1）,全地址译码,（2）部分地址译码,27,全地址译码,用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个惟一的内存地址,例,所接芯片的地址范围,F0000HF1FFFH,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,&,1,6264,CS,1,28,部分地址译码,用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同的地址范围,例,两组地址：,F0000H-F1FFFH,B0000H-B1FFFH,被选中芯片的每个单元都占有两个地址，即这两个地址都指向同一个单元,A,19,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,&,1,6264,CS,1,29,应用举例,将SRAM 6264芯片与系统连接，使其地址范围为：38000H39FFFH,使用74LS138译码器构成译码电路,译码和译码器,30,译码和译码器,全部CPU高位地址参与译码，称之为全译码。全译码方式能保证每个存储单元地址唯一。,若只选择CPU一部分高位地址参与译码，这称为部分译玛。每个存储单元会有多个地址对应，,地址译码可以选择专用芯片，在微机系统中常用的有74LS138（称3-8译码器）。,真值表,31,74LS138真值表,32,应用举例,D0D7,A,0,A,12,WE,OE,CS,1,CS,2,A,0,A,12,MEMW,MEMR,D0D7,A,19,G,1,G,2A,G,2B,C,B,A,&,&,A,18,A,14,A,13,A,17,A,16,A,15,VCC,Y,0,74LS138,33,应用举例,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,0,0,1,1,1,1,1,地址范围：,3E000H-3FFFFH,A,12,A,11,-A,0,X 000H-FFFH,34,解：（2）6264是SRAM，13条地址线，用2片，,EPROM 27218基本地址是0000H3FFFH,存储器的可靠性用MTBF来衡量。,只读存储器(Read Only Memory ROM)用户在使用时只能读出其中信息，不能修改或写入新的信息，断电后，其信息不会消失。,A131 且Y40有效选中此片，,D7 D1D0,断电后，RAM中的信息即消失。,随机存取存储器(Random Access Memory)RAM的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样的。,用存储器芯片SRAM 6116构成一个4KB的存储器。,A130 且Y40有效选中此片，,2、数据总线 8位芯片的数据线可以直接与8088CPU的相连，与8086CPU连接，要分成两个存储体；,解：（2）6264是SRAM，13条地址线，用2片，,6264的基本地址:0000H1FFFH,（1）送地址 CPU通过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；,EE000H-EFFFFH,应用举例,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,0,0,1,1,1,1,1,地址范围：,3E000H-3FFFFH,A,12,A,11,-A,0,X 000H-FFFH,35,应用举例,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,1,X,1,X,1,1,1,地址范围：,AE000H-AFFFFH,BE000H-BEFFFH,EE000H-EFFFFH,FE000H-FFFFFH,A,12,A,11,-A,0,X 000H-FFFH,36,其它典型芯片举例,SRAM芯片HM 6116(简称6116）静态随机存取存储器，11条地址线，8位数据线，3条控制线，两条电源线，单片存储容量2K8。,常用的SRAM还有6232，62256，适用于较小系统。,37,应用举例,用存储器芯片SRAM 6116构成一个4KB的存储器。要求其地址范围为：78000H78FFFH,G,1,=1 G,2A,=G,2B,=0,时，译码器处于使能状态。,A,、B和C三条线的输入决定Y,0,Y,7,的状态。,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,A,12,A,11,0 1 1 1 1 0 C B A,38,地址范围：3E000H-3FFFFH,0 1 1 1 C B A,如：PC486，地址总线是32位，,数据线：D0-D7,MOS型RAM分为两类：,F0000H-F1FFFH,SRAM与DRAM的主要特点,PROM(Programmable ROM 可编程ROM),作用：将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。,00 1000 0000 000000 1111 1111 1111,一般微机系统中的内存采用DRAM，配有刷新电路，每隔12ms刷新一次。,二、动态随机存储器DRAM,特点：,存储元主要由电容构成，由于电容存在的漏电现象而使其存储的信息不稳定，故DRAM芯片需要定时刷新,原理:,39,典型芯片举例,DRAM芯片Intel 2164A 动态随机存取存储器，8条地址线，2位数据线(输出和输入），3条控制线，两条电源线，单片存储容量64K1。,地址线采用分时复用，由CAS（列选通）和RAS（行选通），从而实现16位地址线，M2,16,64K。,NC,DIN,WE,A,0,A,1,1,2,3,4,5,6,7,8,RAS,A,2,GND,VCC,CAS,D,OUT,A,3,A,4,16,15,14,13,12,11,10,9,A,6,A,5,A,7,2164,40,典型DRAM芯片2164A,2164A：64K1bit,采用行地址和列地址来确定一个单元,行列地址分时传送，,共用一组地址信号线,地址信号线的数量仅,为同等容量SRAM芯,片的一半,41,主要引线,RAS：行地址选通信号。用于锁存行地址,CAS：列地址选通信号,地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们,分别在RAS和CAS有效期间被锁存在锁存器中,DIN：数据输入,DOUT：数据输出,WE：,写允许信号,WE=0,数据写入,WE=1,数据读出,NC,DIN,WE,A,0,A,1,1,2,3,4,5,6,7,8,RAS,A,2,GND,VCC,CAS,D,OUT,A,3,A,4,16,15,14,13,12,11,10,9,A,6,A,5,A,7,2164,42,工作原理,数据读出,数据写入,43,工作原理,刷新:将存放于每位中的信息读出再照原样写入原单元的过程,44,三、存储器扩展技术,位扩展,字扩展,字位扩展,用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中存储器的扩展。,存储器的存储容量等于：,单元数每单元的位数,字节数,字长,45,位扩展,当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长时，就要进行位扩展，使每个单元的字长满足要求,位扩展方法：,将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出连接至数据总线的不同位上,位扩展特点：,存储器的单元数不变，位数增加,46,位扩展例,用8片2164A芯片构成64KB存储器,LS158,A,0,A,7,A,8,A,15,2164A,2164A,2164A,DB,AB,D,0,D,1,D,7,A,0,A,7,47,字扩展,地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足,扩展原则：,每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围,48,字位扩展,根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数,进行位扩展以满足字长要求,进行字扩展以满足容量要求,若已有存储芯片的容量为LK，要构成容量为M N的存储器，需要的芯片数为：,（M/L）（N/K）,49,6.3 只读存储器（ROM）,掩模ROM,一次性可写ROM（PROM),可读写ROM,分 类,EPROM（,紫外线擦除）,EEPROM（电擦除）,知识点回顾:,50,一、EPROM,特点：,可多次编程写入,掉电后内容不丢失,内容的擦除需用紫外线擦除器,51,EPROM 2764,8K8bit芯片，其引脚与SRAM 6264完全兼容：,地址信号：A,0,A,12,数据信号：D,0,D,7,输出信号：OE,片选信号：CE,编程脉冲输入：PGM,读操作时PGM1,2,A,12,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,D,0,D,1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1,V,PP,A,0,D,2,GND,27,PGM,NC,A,8,A,9,A,11,OE,A,10,CE,D,6,D,5,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,28,V,CC,D,7,D,4,D,3,2764,52,2764,的工作方式,数据读出,编程写入,擦除,标准编程方式,快速编程方式,编程写入的特点：,每出现一个编程负脉冲就写入一个字节数据,53,2764,的工作方式,数据读出：,54,2764的工作示例,A,19,A,18,A,17,A,16,A,15,A,14,A,13,A,12,-,A,0,0 1 1 1 C B A,2764,芯片的地址范围是：70000H-71FFFH,55,二、EEPROM,特点：,可在线编程写入,掉电后内容不丢失,电可擦除,56,典型EEPROM芯片98C64A,8K8bit芯片,13根地址线（A0 A12）,8位数据线（D0 D7）,输出允许信号（OE）,写允许信号（WE）,选片信号（CE）,状态输出端（READY/BUSY）,57,工作方式,数据读出,编程写入,擦除,字节写入：每一次BUSY正脉冲写,入一个字节,自动页写入：每一次BUSY正脉写,入一页（1 32字节）,字节擦除：一次擦除一个字节,片擦除：一次擦除整片,58,EEPROM的应用,可通过编写程序实现对芯片的读写，但,每写入一个字节都需判断READY/BUSY,端的状态，仅当该端为高电平时才可写,入下一个字节,59,三、闪存,特点：,通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式,60,工作方式,数据读出,编程写入：,擦 除,读单元内容,读内部状态寄存器内容,读芯片的厂家及器件标记,数据写入，写软件保护,字节擦除，块擦除，片擦除,擦除挂起,61,6.4 主存储器设计,1、,芯片选择,2、,存储器芯片的基本地址,3、,存储器芯片的容量扩充,4、,存储器芯片与CPU连接,62,1、芯片选择,SRAM与CPU连接，不需要外围电路，连接简单，用于小型控制系统。,DRAM常用于大型系统，因为需要刷新电路，比如PC机的内存条。,ROM通常用于存放固定的系统程序。,63,2、存储器芯片的基本地址,6116的基本地址：000H7FFH,D,7,D,1,D,0,64,2、存储器芯片的基本地址,6264的基本地址:0000H1FFFH,D,7,D,1,D,0,65,2、存储器芯片的基本地址,2114的基本地址是000H3FFH,D,3,D,2,D,1,D,0,66,2、存储器芯片的基本地址,EPROM 27218基本地址是0000H3FFFH,D,7,D,1,D,0,67,3、存储器芯片的容量扩充,对1#来说其地址范围,00 0000 0000 0000,00 0111 1111 1111,（即000H07FFH）,用两片6116芯片（2K 8）即可扩展成4K 8位，这种扩展方式就称为字扩展。,对2#来说其地址范围,00 1000 0000 000000 1111 1111 1111,（即0800H0FFFH),68,3、存储器芯片的容量扩充,显然，我们可以用2片2114组成1K8位的存储器，这种扩展方式称为位扩展。,对2114来说，存储容量是1K4位，而正常数据都以字节作为存储单元，显然需要进行扩展。,N=(,1K8位)(1K4位)=2,69,4、存储器芯片与CPU连接,1、地址总线 低位直接相连，高位通过译码器相连。地址线的连接方式确定了芯片的地址。,2、数据总线 8位芯片的数据线可以直接与8088CPU的相连，与8086CPU连接，要分成两个存储体；低于8位的要进行位扩充后再与CPU相连。,例题,3、,控制信号,系统总线中与存储器有关的控制信号有IO/M，RD，WR(针对8088)。,70,例题,所以27128地址范围：,0010 0000 0000 0000 0000,0010 0011 1111 1111 1111,即20000H23FFFH,1、如图是某一8088系统的存储器连接图，试确定其中各芯片的地址空间。,解,：（1）,27128是ROM，没有WR，Y,0,0选中该片；,该片14条地址线，其基本地址,00 0000 0000 0000 11 1111 1111 1111,；,高6位：,A,19,A,18,00；,A,17,1；,A,16,A,15,A,14,000；,71,例题,0011 00,0,0 0000 0000 0000,0011 00,0,1 1111 1111 1111,即30000H31FFFH,解：（2）6264是SRAM，13条地址线，用2片，,基本地址0 0000 0000 00001 1111 1111 1111；,1,6264,的高7位：,A,13,0,且Y,4,0,有效选中此片，,则A,16,A,15,A,14,100；,A,19,A,18,0；,A,17,1；,1,6264,地址范围：,72,例题,26264地址范围：,0011 00,1,0 0000 0000 0000,0011 00,1,1 1111 1111 1111,即32000H33FFFH,解：（2）6264是SRAM，13条地址线，用2片，,基本地址,0 0000 0000 00001 1111 1111 1111,；,A,13,1,且Y,4,0,有效选中此片，,2,6264,的高7位：,则A,16,A,15,A,14,100；,A,19,A,18,00；,A,17,1；,73,74,