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微型计算机系统

微型计算机系统. 第五章 存储系统及半导体存储器. 第五章. 存储系统及半导体存储器. 第五章 存储系统及半导体存储器. 教学提示：. 存储器是计算机系统的记忆部件，用来存放程序和各种数据信息，根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。在计算机开始工作以后，存储器还要为其他部件提供信息，同时保存中间结果和最终结果。. 教学要求：. 通过本章的学习，需要掌握半导体存储器的分类，了解不同类型的存储器各自的特征，掌握存储器系统的组织方法，掌握存储器地址线、数据线、控制线的连接方法。. 第五章 存储系统及半导体存储器. 本章主要内容 :.

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  1. 微型计算机系统

  2. 第五章 存储系统及半导体存储器 第五章 存储系统及半导体存储器 Company Logo

  3. 第五章 存储系统及半导体存储器 教学提示： 存储器是计算机系统的记忆部件，用来存放程序和各种数据信息，根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。在计算机开始工作以后，存储器还要为其他部件提供信息，同时保存中间结果和最终结果。 教学要求： 通过本章的学习，需要掌握半导体存储器的分类，了解不同类型的存储器各自的特征，掌握存储器系统的组织方法，掌握存储器地址线、数据线、控制线的连接方法。 Company Logo

  4. 第五章 存储系统及半导体存储器 本章主要内容: 5.1 存储系统与半导体存储器的分类 5.2 随机存取存储器 5.3 只读存储器 5.4 存储器的连接与扩充 5.5 微机系统的存储器体系结构 5.6 PC机的存储系统 Company Logo

  5. 第五章 存储系统及半导体存储器 § 5.1 存储系统与半导体存储器的分类 § 5.1.1 存储器概述 存储器是微机的一个重要组成部分,一般分为内存储器和外存储器。内存储器和微处理器一起构成微机的主机部分。CPU 是通过系统总线直接访问内存。 存储器的作用：存放待加工的原始数据和中间计算结果以及系统或用户程序等。 Company Logo

  6. 第五章 存储系统及半导体存储器 1、存储器按工作方式分类 内存（RAM+ROM）： （半导体存储器，本章内容) 存 储 器 磁盘 软盘：普通1.44M 硬盘：从10MB~几百GB 光盘 CD、DVD (650MB、4.7GB） 外存 磁光盘MO：高密度、大容量、快速、 “无限次”擦写、 寿命长、可靠性高、抗干扰强、性价比高 （1.3GB~几个GB） e盘（基于USB接口的电子盘等） Company Logo

  7. 第五章 存储系统及半导体存储器 2、内存储器 • 存储单元：存储器中存储信息的最小的单位，每个存储单元能存放若干位二进制数据，一般可存放8位(即一个字节)二进制数据。 • 存储单元地址：存储单元按照顺序的线性方式组织编号。排在前面的单元是0号单元，其地址(单元编号)为0，往下依次是1号单元、2号单元 …… 。地址具有唯一性，对存储单元的访问就可以通过地址进行。 • 内存储器的存储载体材料：目前采用半导体存储器。 Company Logo

  8. 第五章 存储系统及半导体存储器 • 存储器的主要性能指标： • 存储容量：指存储器能存储的二进制信息。 • 存储器芯片容量：存储单元数×每单元的数据位数。 • 存储容量单位：1字节=8 bit；1KB=210字节=1024字节； • 1MB=210KB=1024KB； • 1GB=210MB=1024MB； • 1TB=210GB=1024GB。 • 存取时间：访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所 • 需要的时间。 Company Logo

  9. 第五章 存储系统及半导体存储器 § 5.1.2 半导体存储器的分类 从应用角度可分为两大类： 静态RAM（SRAM ） 双极型RAM 随机存取存储器 （RAM） 动态RAM（DRAM） 动态金属氧化物 （MOS RAM） 半导体存储器 （Memory） 掩膜ROM 可编程ROM（PROM） 只读存储器 （ROM） 紫外线可擦除的PROM（EPROM） 电可擦除的PROM（EEPROM） 快擦写存储器（Flash Memory） Company Logo

  10. 第五章 存储系统及半导体存储器 1. 随机存取存储器 （RAM） • 也称读写存储器。 • RAM中的内容既可以读也可以写，但里面存储的信息断电就消失 • 主要是用来存放一些和系统进行实时通信的输入、输出数据、中间果以及和外存交换的信息。 （1）双极型半导体RAM 具有存取速度高、集成度低、功耗大、成本高的特点； 用于存取速度要求比较高的微机中和Cache； （2） 动态金属氧化物(MOS)RAM 具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜的特点； Company Logo

  11. 第五章 存储系统及半导体存储器 • 它又可分为： • 静态RAM：结构复杂、集成度低、不需刷新，速度快。 • 动态RAM：集成度高，功耗更小，但它靠电容存储电荷来记录信 • 息，要求周期性地将存储单元中的内容读出再写入 。 2. 只读存储器 （ROM） • ROM中的信息是只能读不能写的，但断电后信息不消失，在计算机重新加电后，原有的内容仍可以读出来的； • 一般用来存放一些固定的程序和数据。 Company Logo

  12. 第五章 存储系统及半导体存储器 ROM的分类： • 掩膜ROM • 厂家对用户定做的掩膜ROM进行编程，信息就固化其中，不能改变 • 可编程ROM (PROM) • 芯片在出厂时并没有固化信息，允许用户一次性写入，以后就不可更改了。 • 可擦除可编程ROM（EPROM） • 可用紫外线进行多次擦除和由专用的设备完成重写的可编程ROM，写入的速度较慢。 • 电可擦除可编程ROM ( E2PROM ) • 使用特定电信号进行擦除的可编程ROM，可以在线操作。 Company Logo

  13. 第五章 存储系统及半导体存储器 § 5.2 随机存取存储器 • 易失性存储器，即断电后存储内容立即丢失 • 能随机地存取存储器中的任何一个存储单元 • 存取的时间和该单元的物理位置无关 §5.2.1 静态RAM 1.基本的存储电路 存储器由若干个基本存储电路有规则地排列而构成，一个基本存储电路存储1位二进制数。 一个基本存储电路是双稳态触发电路，典型的六管电路图如图： Company Logo

  14. （1）T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T4为负载管。（1）T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T4为负载管。 如A点为数据D，则B点为数据 D。 （2）读操作： 行选择线（X地址线）有效（高电平）时，A、B处的数据信息通过门控管T5和T6送至T7和T8 。 列选择线（Y地址线）有效（高电平）时，T7和T8导通，D0、D0的数据信息通过输入输出电路I/O及I/O输出； 第五章 存储系统及半导体存储器 Company Logo

  15. （3）写操作： 写入信号自I/O以及I/O线输入，当写“1”时，I/O线为“1”，而 I/O线为“0”。I/O线上的高电平通过T7管、D线、T5管送到A点，而 I/O线上的低电平经T8管、 D线、T6管送到B点，使T2管导通、T1管截止，保持A点为1、B点为0。 Company Logo

  16. 628128 32 个引脚： 17根地址线A16～A0： 9根行译码线、8根列译码线； 8根数据线D7～D0 片选CS1、CS2 读写WE 、OE 第五章 存储系统及半导体存储器 2. 典型的静态RAM芯片 有： 6116、 6264、 62256 、 628128等 ↑ ↑ ↑ ↑ 2K×8位 8K×8位32K×8位128KX8位 Company Logo

  17. 第五章 存储系统及半导体存储器 628128 的基本组成框图 Company Logo

  18. 第五章 存储系统及半导体存储器 628128 的功能表 Company Logo

  19. +5V WE* CS2 A8 A9 A10 OE* A10 CS1* D7 D6 D5 D4 D3 NC A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 • 存储容量为2K×8 bit • 28个引脚： • 11根地址线A10～A0 • 8根数据线D7～D0 • 片选CS1、CS2 • 读写WE、OE 第五章 存储系统及半导体存储器 HM 6116 芯片 Company Logo

  20. 第五章 存储系统及半导体存储器 § 5.2.2 动态RAM 以电荷形式来存储信息的半导体存储器，具有集成度高、功耗小； 采用“位结构”存储体，每个存储单元存放一位； 必须配备“读出再生放大电路”进行刷新； 1. 单管动态存储电路 利用MOS管栅极和源极之间的寄生电容C存储电荷的原理来存储信息的。 一个典型的单管存储电路原理图： 电容C上有电荷表示存储的二进制 信息是“1”，无电荷表示“0”。 Company Logo

  21. 读操作： 字选线为高电平,T1管导通， 若存储单元为1,导通时C上电荷转移 到C上，所以D为1； 若存储单元为0,C上原无电荷,则D为0； 每个数据读出后，C上的电荷释放，信息被破坏，必须重新恢复C上的电荷量，称为刷新。 写操作： 字选线X为“1”，T1管导通，写入的信息通过数据线D存入电容C中。 Company Logo

  22. 2. 动态RAM的刷新 存储电路中电容C会泄漏放电,要保持电容中的电荷不丢失，必须对动 态RAM不断进行读出和再写入，以使放电泄漏的电荷得到补充。 刷新的时间间隔是随温度而变化的，一般为1～100ms，一般的刷新间 隔为2ms。 3.典型的动态RAM芯片 有4116、 Intel 2164、μpd424256等芯片 （1） Intel 2164A的结构 芯片2164A的容量为64K×1位，即片内共有64K(65536)个地址单元 ，每个地址单元存放一位数据。片内要寻址64K，则需要16条地址线， 为了减少引脚，地址线分为两部分：行地址与列地址。芯片的地址 引线只要8条，内部设有地址锁存器。 Company Logo

  23. 利用多路开关，由行地址选通信号行地址选通信号RAS 将先送入的8位行地址送到片内行地址锁存器，然后由列地址选通信号CAS 将后送入的8位列地址送到片内列地址锁存器。16位地址信号选中64K个存储单元中的一个单元。 数据线是输入和输出分开的，由WE信号控制读写。无专门的片选信号。 （2） Intel 2164A的操作 数据读出 数据写入 读―修改―写 刷新：送入7位行地址，同时选中4个存储矩阵的同一行，即对 4×128 = 512个存储单元进行刷新 Company Logo

  24. § 5.3 只读存储器 在一般工作状态下，ROM中的信息只能读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来信息擦除，以便再次编程 §5.3.1 掩膜ROM 掩膜ROM芯片所存储的信息由芯片制造厂家完成，用户不能修改。 掩膜ROM以有/无跨接管子来区分0/1信息：有为0，无（被光刻而去掉）为1。 Company Logo

  25. §5.3.2 可编程的ROM 一种双极型可编程的ROM(PROM)的基本存储结构，在 晶体管发射极与数据位线间连有熔丝，所以这种PROM也称“熔丝式”PROM。 出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。 Company Logo

  26. § 5.3.3 可擦除可编程的ROM 一种用紫外线可擦除允许用户多次写入信息的只读存储器(EPROM) • 1、特点： • 顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有 • 信息； • 一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程； • 编程后，应该贴上不透光封条； • 出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1； • 编程就是将某些单元写入信息0 ； Company Logo

  27. 2、典型的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片 2716、 2732、 2764、 27128、 27256、 27512等。 2K×8位 4K×8位 8K×8位16K×8位32K×8位 仅容量不同，工作方式、引脚的作用都相同。 工作方式选择表 Company Logo

  28. 地 址 线： A0-A11 数 据 线： O0-O7 片选信号：CE 输出允许信号：OE 编程电源：VPP Company Logo

  29. § 5.3.4电可擦除可编程的ROM 和EPROM相比的最大特点是无需从应用系统中拆卸下来而是“在线”地进行电改写。改写后的信息可以快速读出，可以长期非易失性地保持信息。 • 1、特点： • 在线改写，简单，在单一5V电源下即可完成； • 擦除与写入同步，约10ms。有些E2PROM设有写入结束标志 • 以供查询或申请中断； • 一般为并行总线传输，但也有采用串行数据传送的； • 具备RAM、ROM的优点,但写入时间较长。 Company Logo

  30. 2、典型芯片（28系列） 2816 、2817A： 2K×8bit 2832 ：4K×8bit 28512：64K×8bit 2817A的内部结构如图所示。 地址线： A0-A10 数据线： I/O0-I/O7 片选信号：CE 输出允许信号：OE 写入允许信号：WE 准备就绪/忙控制信号：RDY/BUSY Company Logo

  31. § 5.3.5 闪速存储器（ Flash Memory） • 一种新型非挥发性存储器； • 吸收了EPROM结构简单的特点，又吸收了E2PROM电擦除的特点； • 具备RAM的高速性，还兼有ROM的非挥发性。 • 可以整块芯片电擦除、耗电低、集成度高、体积小、可靠性高； • 无需后备电池支持、可重新改写、重复使用性好(至少可反复使用10万次以上) ； • 广泛应用在Pentium及其以上级别的主板中，应用在超小型专用 便 • 携式电脑(代替微型硬盘)中； • 取代ROM及特种专用微型硬盘已成为一种发展趋势。 Company Logo

  32. §5.4 存储器的连接与扩充 在微机系统要组成一个存储器系统，就是通过总线将RAM、ROM芯片和CPU连接起来，使之协调工作。首先要考虑: • 选片 • 确定芯片数 • 芯片的地址分配 • 如何把芯片连接起来 Company Logo

  33. § 5.4.1 存储器芯片选择 • 1、类型选择 • RAM ——存储用户的调试程序、程序的中间运算结果及掉电时无需保护的I/O数据及参数等。 • SRAM — 与CPU连接简单，无需接口电路，在小型系统 • 中、智能仪表中采用。 • ② DRAM — 集成度高，但需刷新电路，与CPU的接口复杂，仅 在需要较大存贮容量的计算机产品中应用。 ROM —— 具有非易失性。 ①EPROM — 存放系统（监控）程序，无需在线修改的参数。 ②E2PROM —数据、参数等有掉电保护要求的数据。 Company Logo

  34. 2、存储器芯片与CPU的时序配合 CPU时序： CPU进行读写操作时，什么时候送地址信号, 什么时候从数据线上读数据, 其时序是固定的。 存储器芯片时序： 从外部输入地址信号有效，到把内部数据送至数据总线上的时序也是固定的，由存储器的内部结构和制造工艺决定。 应尽可能 选择与CPU时序相匹配的芯片。 Company Logo

  35. § 5.4 存储器的连接与扩充 在微机系统要组成一个存储器系统，就是通过总线将RAM、ROM芯片和CPU连接起来，使之协调工作。首先要考虑: • 选片 • 确定芯片数 • 芯片的地址分配 • 如何把芯片连接起来 Company Logo

  36. § 5.4.1 存储器芯片选择 1、类型选择 RAM ——存储用户的调试程序、程序的中间运算结果及掉电时 无需保护的I/O数据及参数等。 ① SRAM — 与CPU连接简单，无需接口电路，在小型系统 中、智能仪表中采用。 ②DRAM — 集成度高，但需刷新电路，与CPU的接口复 杂，仅在需要较大存贮容量的计算机产品中应 用。 ROM——具有非易失性。 ①EPROM —存放系统（监控）程序，无需在线修改的参数。 ②E2PROM —数据、参数等有掉电保护要求的数据 Company Logo

  37. 2、存储器芯片与CPU的时序配合 CPU时序： CPU进行读写操作时，什么时候送地址信号, 什么时候从数据线上读数据, 其时序是固定的。 存储器芯片时序： 从外部输入地址信号有效，到把内部数据送至数据总线上的时序也是固定的，由存储器的内部结构和制造工艺决定。 应尽可能 选择与CPU时序相匹配的芯片。 Company Logo

  38. § 5.4.2存储器容量扩充 当单片存储器芯片的容量不能满足系统容量要求时，可多片组合以扩充位数或存贮单元数。 1、位扩充 当配置的存储器的单元数和采用的存储器芯片的单元数一样， 但位数 不同时，要进行位扩展。 例:采用N ╳ m 位的存储器芯片组成N ╳ k m 位的存储器芯片组， 需要: N ╳ k m bit 芯片数为： = k (片) N ╳ m bit Company Logo

  39. 接线特点： 地址线： k 片芯片的地址范围相同，地址线的连接一样；各芯片的地址线Ao～Ai并接在一起分别和CPU地址线连接。 片选信号： 各芯片的片选端CS都应并接在一起,连接到CPU相应的控制线上； 数据线： K片芯片的数据线独立。 Company Logo

  40. 例：用1K×1的静态RAM芯片位扩充形成1KB的存储器。例：用1K×1的静态RAM芯片位扩充形成1KB的存储器。 所需芯片数为8片。这8片芯片的地址线A0～A9分别连在一起，各芯片的片选信号以及读/写控制信号也都分别连在一起，只有数据线是各自独立的，每片代表一位。 Company Logo

  41. 2、单元数扩充（字扩充） 当配置的存储器的位数和采用的存储器芯片的位数一样， 但单元数不同时，要进行单元数扩展。 例 采用N ╳ m 位的存储器芯片组成 k N ╳ m 位的存储器芯片组， 需要 kN ╳ m bit 芯片数为： = k (片) N ╳ m bit • 接线特点： • k片芯片的地址线、读写控制线并联后同接相应信号； • k片芯片的地址范围不同，各芯片的片选信号不同，各片片选信号CS应连接不同的片选控制信号； • 各芯片的数据线连接相同。 Company Logo

  42. 4个1K×8芯片组的地址线A0～A9，数据线D0～D7，及读／写信号WE都是分别连在一起的。通过译码器，产生4个片选信号，分别选择4个1K×8的芯片组。4个1K×8芯片组的地址线A0～A9，数据线D0～D7，及读／写信号WE都是分别连在一起的。通过译码器，产生4个片选信号，分别选择4个1K×8的芯片组。 例:用1K×8的芯片扩充组成4KB的存储器。 构成容量为4KB的存储器需要4KB/1KB=4片 Company Logo

  43. 3、字位扩充 主存储器要求容量较大 ，而存储器芯片的字数和字长均不能满足主存 储器要求时,需要在字数和位数上同时扩展，以构成主存储器。 例：采用N ╳ m 位的存储器芯片构成 k N ╳ j m 位的存储器系统，需要多少片N ╳ m 位的存储器芯片？ Company Logo

  44. × 所需芯片 = 存储体总单元数 存储体位数 芯片单元数 芯片位数 解: N ╳ m 位的存储器芯片组成 N ╳ j m 位的存储器芯片组，进行位 扩充，需要 j 片芯片组成一组； N ╳ j m 位的存储器芯片组组成 k N ╳ j m 位的存储器，进行单元数扩充，需要 k 组； 采用N ╳ m 位的存储器芯片构成 k N ╳ j m 位的存储器系统， 总共需要 k ╳ j 片芯片。 Company Logo

  45. 例 采用Intel 2164芯片构成容量为128KB的内存。 Intel 2164的容量是64K×1 首先需要位扩充，用8片2164组成64KB的内存模块； 用两组64K×8位的模块进行字扩充。 总共需要这样的芯片16片。 Company Logo

  46. §5.4.3存储器芯片的地址分配 地址范围指首地址（起始地址）〜 末地址 地址范围和存储器容量有关, 末地址为（首地址+单元数-1） 容量为 N KB （N K × 8 位）存储器的地址范围为： 首地址 〜 首地址+( N ×K – 1) 例1: 一个8088系统配置了16K × 8 位的存储器，其起始地址为10000H，则该存储器末地址为 Company Logo

  47. 例2: 8088系统配置16KB存储器，其中4KB ROM，12KB RAM ，ROM首地址为00000H，RAM地址和ROM地址连续。若选用2K ╳ 8 位的ROM、RAM芯片，写出各存储器芯片的地址范围 。 03FFFH 解: 芯片数量: 2片 ROM 和 6片 RAM ，地址范围:00000H〜 ROM 的地址范围: #1 ROM 的地址范围: #2 ROM 的地址范围: 00000H～03FFFH 04000H～07FFFH 08000H〜00FFFH RAM 的地址范围： 01000H 〜03FFFH #1 RAM 的地址范围： #2 RAM 的地址范围： #3 RAM 的地址范围： #4 RAM 的地址范围： #5 RAM 的地址范围： #6 RAM 的地址范围： 01000H 〜017FFH 01800H 〜 01FFFH 02000H 〜 027FFH 02800H 〜 02FFFH 03000H 〜 037FFH 03800H 〜 03FFFH Company Logo

  48. § 5.4.4 存储器芯片的片选信号 • 多个存储芯片组成存储器时，CPU对某一存储单元的寻址方式: • 通过片选信号选择存储芯片; • 通过片内寻址从该存储芯片中选择 某一存储单元。 • 片内寻址是经芯片内部的地址译码电路实现的，存储器芯片容量决定芯片需要多少根地址线（低位地址线）进行片内译码寻址； • 片选是由地址的高位部分提供，通过存储器外部的有关电路而产生的。 片选信号的产生方法：(主要有三种) 线选法、部分译码和全译码。 Company Logo

  49. 1、全译码法 所有高位地址线译码，译码输出产生片选信号。 用于译码的器件称为译码器，74LS138为典型的译码器。 控制信号 输入信号 输出信号 G1 G2A G2B C B A Y0 Y1 Y2 ┅┅ Y7 1 0 0 0 0 0 0 1 1 ┅┅ 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 ┅┅ 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 ┅┅ 1 ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ 1 0 0 1 1 1 1 1 1 ┅┅ 0 其 它 代 码× × × 1 1 1 ┅┅ 1 Company Logo

  50. 例：采用6116存储芯片(2K×8)用全译码法实现8KB的存储器系统。存储器的首地址为80000H 。 分析： 译码电路：芯片6116的片内地址线为A0～A10，将剩余的高位地址A19～ A11进行完全译码。 系统的存储器地址范围为： 80000H 〜 81FFFH 系统所需6116存储器芯片=8KB/2KB= 4片 地址分配： 80000H 〜 807FFH 80800H 〜 80FFFH 81000H 〜 817FFH 81800H 〜 81FFFH #1 6116 的地址范围为 ： #2 6116 的地址范围为： #3 6116 的地址范围为： #4 6116 的地址范围为： Company Logo

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