微機(jī)存儲器系統(tǒng)

微機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲器分類半導(dǎo)體存儲器的主要性能指標(biāo)典型存儲器芯片和譯碼芯片存儲器芯片與CPU連接存儲器空間的使用教學(xué)目的和要求掌握微型計算機(jī)中存儲器的基本概念、存儲器的系統(tǒng)組成掌握半導(dǎo)體存儲器的分類和主要性能指標(biāo)掌握典型半導(dǎo)體存儲器芯片的特點(diǎn)和工作方式掌握8086/8088與存儲器的連接原理與方法、存儲空間的使用和分配了解高速緩沖存儲器技術(shù)4.1存儲器概述4.1.1存儲器的基本概念存儲器由大量的記憶單元組成，記憶單元是一種具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件，可用來表示二進(jìn)制的0和1，這種物理器件一般由半導(dǎo)體器件或磁性材料等構(gòu)成。存儲器基本概念由若干個最基本的存儲單元組成，每個單元存儲一個字。字長有4位、8位、16位以及32位等。在微機(jī)中，存儲器按8位二進(jìn)制數(shù)（1個字節(jié)）編址，習(xí)慣上把一個地址所尋址的8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個存儲單元。存儲器容量一般都很大，內(nèi)存和外存，均以字節(jié)為單元，常用的有210字節(jié)=1KB，220字節(jié)=1024KB=1MB，230字節(jié)=1024MB=1GB，240字節(jié)=1024GB=1TB存儲器的存儲空間與微機(jī)的地址線位數(shù)有關(guān)。4.1.2微機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)微機(jī)中存儲器的層次內(nèi)存（主存）內(nèi)存用于存放當(dāng)前計算機(jī)正在執(zhí)行或經(jīng)常要使用的程序或數(shù)據(jù)，CPU可直接從內(nèi)存中讀取指令并執(zhí)行，還可直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)。通常直接與系統(tǒng)總線相連。內(nèi)存也稱半導(dǎo)體存儲器，一般由快速的半導(dǎo)體存儲器件構(gòu)成，它與CPU交換數(shù)據(jù)的速度很快。在共享存儲器的多處理機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存中數(shù)據(jù)可以共享，并可實(shí)現(xiàn)多處理機(jī)間的通信。微機(jī)中存儲器的層次外存一般是由磁性材料以及運(yùn)用激光技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的存儲器，分為硬磁盤、軟磁盤、光盤等。通常是通過總線接口電路與系統(tǒng)總線相連。外存容量很大，掉電信息不丟失，但存取速度慢，通常使用DMA技術(shù)和IOP技術(shù)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外存之間的數(shù)據(jù)直接傳送。微機(jī)中存儲器的層次高速緩沖存儲器Cache

簡稱緩存，是位于CPU與主存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。緩存主要是為了解決CPU運(yùn)算速度與內(nèi)存讀寫速度不匹配的矛盾。在CPU中加入緩存是一種高效的解決方案，這樣整個內(nèi)存儲器（緩存+內(nèi)存）就變成了既有緩存的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲系統(tǒng)了。4.2半導(dǎo)體存儲器4.2.1半導(dǎo)體存儲器分類

按器件分類雙極型TTL速度較快、集成度低、功耗大、成本高金屬氧化物型MOS現(xiàn)大量使用CMOS存儲器，存儲速度可達(dá)幾ns特點(diǎn)：集成度高(單片可達(dá)1Gb)、功耗小、成本低電荷耦合器速度快、但成本較高半導(dǎo)體存儲器分類

按存取方式分類隨機(jī)存取存儲器RAMSRAM（StaticRAM，靜態(tài)RAM）：速度快。DRAM（DynamicRAM，動態(tài)RAM)：速度較慢，需定時刷新。只讀存儲器ROM工作時只能讀（用特殊方法寫入）掉電信息不丟失可作為主存儲器存放系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)等只讀存儲器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允許一次編程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶多次擦除和編程EEPROM（E2PROM）：采用加電方法在線進(jìn)行擦除和編程，也可多次擦寫FlashMemory（閃存）：能夠快速擦寫的EEPROM4.2.2半導(dǎo)體存儲器的主要性能指標(biāo)存儲容量：微機(jī)存儲器的容量指存儲器所能容納的最大字節(jié)數(shù)。存取周期：指存儲器從接收到地址，到實(shí)現(xiàn)一次完整的讀出和寫入數(shù)據(jù)的時間，也稱為存取時間，是存儲器進(jìn)行連續(xù)讀和寫操作所允許的最短時間間隔。易失性：指存儲器的供電電源斷開后，存儲器中的內(nèi)容是否丟失。功耗：半導(dǎo)體存儲器在額定工作電壓下，外部電源保證它正常工作的前提下所提供的最大電功率。可靠性：指抵抗干擾，正確完成讀/寫數(shù)據(jù)的性能。4.2.3存儲器中的地址譯碼存儲器芯片邏輯圖存儲器芯片的結(jié)構(gòu)存儲體存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息

地址譯碼電路根據(jù)輸入的地址編碼來選中芯片內(nèi)某個特定的存儲單元片選和讀寫控制邏輯選中存儲芯片，控制讀寫操作存儲體每個存儲單元具有一個唯一的地址，可存儲1位（位片結(jié)構(gòu)）或多位（字片結(jié)構(gòu)）二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲容量與地址、數(shù)據(jù)線個數(shù)有關(guān)：芯片的存儲容量＝2M×N＝存儲單元數(shù)×存儲單元的位數(shù)

M：芯片的地址線根數(shù)

N：芯片的數(shù)據(jù)線根數(shù)地址譯碼電路譯碼器A5A4A3A2A1A06301存儲單元64個單元行譯碼A2A1A0710列譯碼A5A4A301764個單元單譯碼雙譯碼單譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼可簡化芯片設(shè)計主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)片選和讀寫控制邏輯片選端CS或CE有效時，可以對該芯片進(jìn)行讀寫操作輸出OE或RD控制讀操作。有效時，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸出該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的讀控制線寫WE或WR控制寫操作。有效時，數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片中該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的寫控制線存儲器芯片的工作方式操作1XX無操作001RAM→CPU操作010CPU→RAM操作000非法011無操作

4.2.4典型存儲器芯片靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM的基本存儲單元一般由六管靜態(tài)存儲電路構(gòu)成，集成度較低，功耗較大，無需刷新電路，由于存取速度快，一般用作微機(jī)中的高速緩沖存儲器。Intel6264引腳圖162646264是一個8K×8bitCMOS靜態(tài)RAM芯片，其引腳包含地址線13條，數(shù)據(jù)線8條，2個片選端，CS1=0，CS2=1才能選通芯片。一個寫允許WE端和一個輸出允許OE端。該芯片功耗低，在未選中時僅10μw，工作時也僅15mw，很適合于用電池供電的RAM電路。Intel6264的工作方式方式操作000

非法不允許WE與OE同時為低電平010讀出從RAM中讀出數(shù)據(jù)001寫入將數(shù)據(jù)寫入RAM中011選中6264內(nèi)部I/O三態(tài)門均處于高阻1×

×未選中6264內(nèi)部I/O三態(tài)門均處于高阻

62256

——32K×8的CMOS靜態(tài)RAM12345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVCC62256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256邏輯圖非法LLL高阻HHL輸入HLL輸出LHL高阻××HD7~D0OEWECS62256工作表

EPROM芯片Intel2764

可擦除可編程只讀存儲器EPROM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Intel2764在EPROM芯片的上方，有一圓形石英窗，從而允許紫外線穿過透明的圓形石英窗而照射到半導(dǎo)體芯片上，將它放在紫外線光源下一般照射10分鐘左右，EPROM中的內(nèi)容就被抹掉，即所有浮置柵MOS管的漏源處于斷開狀態(tài)，然后，才能對它進(jìn)行編程輸入。2764是28腳雙列直插式封裝，內(nèi)部采用雙譯碼方式，用于尋址8KB存儲單元，并有輸出緩沖器。其中A12~A0是地址線，O7~O0是8根數(shù)據(jù)線。CE是片選，OE是輸出允許信號，低電平有效。27256

－32K×8EPROM12345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14VCC27256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256邏輯圖閃爍存儲器（FlashMemory）閃爍存儲器也稱快速擦寫存儲器。實(shí)際上閃爍存儲器屬于EEPROM類型，又稱FlashROM，性能優(yōu)于普通EEPROM。它是Intel公司率先推出的存儲器。在Pentium機(jī)主板上，用128KB或256KB的FlashROM存放BIOS，取代了EPROM和EEPROM。因此現(xiàn)在稱BIOS為FlashBIOS。

特點(diǎn)使內(nèi)部存儲信息在不加電的情況下保持10年左右?？捎幂^快的速度將信息擦除以后重寫，反復(fù)擦寫達(dá)幾十萬次?？梢詫?shí)現(xiàn)分塊擦除和重寫，也可以按字節(jié)擦除與重寫。具有非易失性，可靠性能好，速度快及容量大等許多優(yōu)點(diǎn)。4.2.5典型譯碼芯片74LS138－3-8譯碼器

片選信號：G1?G2A?G2B=100C、B、A譯碼，Y0到Y(jié)7低電平有效12345678910111213141516ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC74LS138引腳圖Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BCBA74LS138邏輯圖74LS138譯碼器真值表輸入 輸出 CBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y000001111001100110101010111111110

111111011111101111110111111011111101111110111111011111114.2.6微機(jī)中的內(nèi)存條計算機(jī)中的內(nèi)存多以DRAM為主，把內(nèi)存芯片集成在一小條印刷電路板上，稱為內(nèi)存條。內(nèi)存插槽：主板上用于插入和固定內(nèi)存條的插槽。金手指：內(nèi)存條上與內(nèi)存插槽之間的連接部件，所有的信號都是通過金手指進(jìn)行傳送的。金手指內(nèi)存插槽主板上的內(nèi)存插槽內(nèi)存插槽用于插入內(nèi)存條，主板所支持的內(nèi)存的種類和容量由內(nèi)存插槽決定。

168針SDRAMSIMM插槽184針DDRDIMM插槽240針DDR2DIMM插槽4.3微型計算機(jī)中存儲器的系統(tǒng)組成這是本章的重點(diǎn)內(nèi)容SRAM、EPROM與CPU的連接譯碼方法同樣適合I/O端口4.3.1存儲器芯片與CPU連接存儲芯片的數(shù)據(jù)線存儲芯片的地址線存儲芯片的片選端存儲芯片的讀寫控制線存儲芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好8根：一次可從芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線相連若芯片的數(shù)據(jù)線不足8根：一次不能從一個芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)利用多個芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位——簡稱“位擴(kuò)充”位擴(kuò)充2114（1）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1CECE多個位擴(kuò)充的存儲芯片的數(shù)據(jù)線連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的不同位數(shù)其它連接都一樣這些芯片應(yīng)被看作是一個整體存儲芯片地址線的連接芯片的地址線通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連尋址時，這部分地址的譯碼是在存儲芯片內(nèi)完成的，稱為“片內(nèi)譯碼”000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全100…0000…0100…10…11…0111…1011…11范圍（16進(jìn)制）A9～A0存儲芯片片選端的譯碼由于存儲器芯片的容量是有限的，微機(jī)中存儲器的總?cè)萘恳话氵h(yuǎn)大于單個存儲器芯片的容量，因此，存儲器往往由多片存儲器芯片組成。在CPU與存儲器芯片之間必須設(shè)有片選擇譯碼電路，一般由CPU的高位地址譯碼產(chǎn)生片選，而低位地址送給存儲器芯片的地址輸入端，以提供存儲芯片內(nèi)部的行、列地址。存儲芯片片選端的譯碼存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴(kuò)充容量，也就是擴(kuò)充了存儲器地址范圍進(jìn)行“地址擴(kuò)充”，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進(jìn)行尋址這個尋址方法，主要通過將存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相連來實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)充簡稱為“地址擴(kuò)充”或“字?jǐn)U充”地址擴(kuò)充（字?jǐn)U充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE譯碼器000000000100000000004.3.28086微機(jī)存儲器系統(tǒng)8086存儲器空間8086系統(tǒng)有20根地址線，16根數(shù)據(jù)線，尋址空間為1MB8086CPU的存儲器組織采用2體結(jié)構(gòu)，把1MB存儲器分為2個512KB的存儲體，即分為偶地址體與奇地址體（簡稱偶體和奇體）各512KB，僅當(dāng)A0=0時，訪問偶體中一個字節(jié)；僅當(dāng)BHE=0時，訪問奇體中一個字節(jié)，當(dāng)二者均為0時，訪問偶地址起始的一個字。偶地址數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線低8位傳送奇地址數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線高8位傳送奇、偶地址數(shù)據(jù)存取分別由BHE和A0控制(見下表)

8086存儲器空間BHEA0操作所用總線00從偶地址讀/寫一個字D15～D010從偶地址讀/寫一個字節(jié)D7～D001從奇地址讀/寫一個字節(jié)D15～D8從奇地址讀/寫一個字01讀/寫低字節(jié)D15～D810讀/寫高字節(jié)D7～D0MEMRMEMWM/IORDWR存儲器讀命令存儲器寫命令存儲器連接的控制信號8086系統(tǒng)存儲器連接舉例例：由2片62256（32K×8RAM）組成64K×8RAM的8086微機(jī)存儲器系統(tǒng)，試給出硬件電路連接圖。（1）控制奇偶片的寫使能WE地址信號A0～A19和BHE是8086CPU經(jīng)鎖存器8282或74LS373鎖存后產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)總線D0～D15是8086CPU的AD0～AD15經(jīng)8286或74LS245緩沖后產(chǎn)生的信號MEMR和MEMW在最小模式下由8086CPU的M/IO和RD、WR信號產(chǎn)生，在最大模式下由8288產(chǎn)生。8086系統(tǒng)存儲器連接舉例IC0為偶地址存儲器，其數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線低8位傳送。IC1為奇地址存儲器，其數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線高8位傳送。由A0和BHE控制寫信號實(shí)現(xiàn)奇偶地址寫操作。A16～A19由74LS138譯碼選中存儲器三種情況mov[2000h],

al

；從偶地址開始寫一個字節(jié)mov[2000h],ax；從偶地址開始寫一個字mov[2001h],ax；從奇地址開始寫一個字IC0（偶）IC1（奇）A19A18A17A160000XX0000XX范圍00000～0FFFFH00000～0FFFFH地址分配

A15～A0控制奇偶寫的存儲器連接電路圖（2）控制奇偶片選CS的存儲器連接電路圖4.3.3存儲器空間的使用全譯碼采用全地址譯碼方式，計算機(jī)的全部地址空間都可以使用。例：用2片62256（32K×8RAM）和2片27256（32K×8EPROM）組成8086微機(jī)存儲器系統(tǒng)。要求EPROM的起始地址為F0000H，RAM的起始地址為00000H，使用全地址譯碼方式，試畫出計算機(jī)的存儲器連接圖，并寫出地址范圍。A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1MEMRA0MEMWBHED15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0A19A18A17A16A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CSOEWED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9D8DBD7D6D5D4D3D2D1D06225662256IC0IC1ABA14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D0D15D14D13D12D11D10D9