微机原理与接口技术周荷琴第5版第五章存储器及其接口

整理课件1微型计算机原理及其应用微型计算机原理及其应用第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口整理课件2第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口 概述概述 只读存储器只读存储器ROM 随机存储器随机存储器RAM 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 典型的半导体芯片举例典型的半导体芯片举例 整理课件3第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口 概述概述 随机存储器随机存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 典型的半导体芯片举例典型的半导体芯片举例整理课件4第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 存储器是计算机存储器是计算机(包括微机包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有存储器，计算机才具有“记忆记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。存储器由具有记忆功能的两态物理器件组成，如电容、双稳存储器由具有记忆功能的两态物理器件组成，如电容、双稳态电路等。态电路等。存储器有两种基本操作：读操作和写操作。存储器有两种基本操作：读操作和写操作。整理课件5第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述整理课件6第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 存储器的分类存储器的分类按所处地位不同按所处地位不同内存和外存内存和外存按存储介质分类按存储介质分类磁芯存储器、半导体存储器（双极型磁芯存储器、半导体存储器（双极型TTL和单和单极型极型MOS）、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光）、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。盘存储器等。按存取方式分类按存取方式分类随机存储器随机存储器(内存和硬盘内存和硬盘)、顺序存储器、顺序存储器(磁带磁带)。按存储器的读写功能分类按存储器的读写功能分类只读存储器只读存储器(ROM)、随机存储器、随机存储器(RAM)。按信息的可保存性分类按信息的可保存性分类非永久记忆的存储器、永久性记忆的存非永久记忆的存储器、永久性记忆的存储器。储器。按在计算机系统中的作用分类按在计算机系统中的作用分类主存储器、辅助存储器、缓冲存主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。储器、控制存储器等。整理课件7第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 存储器的分类存储器的分类整理课件8第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 半导体存储器半导体存储器 什么叫半导体？什么叫半导体？导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体例如：锗、硅、砷化镓等例如：锗、硅、砷化镓等 半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用（例如：半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用（例如：电视、半导体收音机、电子计算机等）电视、半导体收音机、电子计算机等）半导体的一些电学特性：半导体的一些电学特性：压敏性：压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化 用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化化 热敏性：热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小 用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化 整理课件9第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 半导体半导体存储器存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM整理课件10第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 存储器的性能指标存储器的性能指标存储器系统的三项主要性能指标是存储器系统的三项主要性能指标是【容量容量】、【速度速度】、【可靠性可靠性】、【功耗功耗】和和【价格价格】。存储容量：存储容量：是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存取速度：存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；是存储器系统的重要的性能指标；存储器可靠性：存储器可靠性：也是存储器系统的重要性能指标。通常用平均故障间也是存储器系统的重要性能指标。通常用平均故障间隔时间来衡量。隔时间来衡量。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器高速缓冲存储器、主存储主存储器器和和辅助存储器辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。廉价慢速的辅存平均价格。整理课件11第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口概述概述 微机系统存储体结构微机系统存储体结构整理课件12第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口 概述概述 随机存储器随机存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 典型的半导体芯片举例典型的半导体芯片举例整理课件13第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口随机存储器随机存储器RAMRAM随机存储器随机存储器(Random Access Memory,RAM),RAM)：在微机系统的工作在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读写操作。过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读写操作。半导体半导体存储器存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM整理课件14读写存储器读写存储器RAMRAM组成单元组成单元速度速度集成度集成度应用应用SRAM触发器触发器快快低低小容量系统小容量系统DRAM极间电容极间电容慢慢高高大容量系统大容量系统NVRAM带微型电池带微型电池慢慢低低小容量非易失小容量非易失整理课件15半导体存储器芯片的结构地地址址寄寄存存地地址址译译码码存储体存储体控制电路控制电路AB数数据据寄寄存存读读写写电电路路DBOE WE CS 存储体存储体 存储器芯片的主要部分，用来存储信息存储器芯片的主要部分，用来存储信息 地址译码电路地址译码电路 根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑 选中存储芯片，控制读写操作选中存储芯片，控制读写操作整理课件16 存储体存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量芯片的存储容量2MN存储单元数存储单元数存储单元的位数存储单元的位数 M：芯片的：芯片的地址线根数地址线根数 N：芯片的：芯片的数据线根数数据线根数 整理课件17 地址译码电路译译码码器器A5A4A3A2A1A06301存储单元存储单元64个单元个单元行行译译码码A2A1A0710列译码列译码A3A4A501764个单元个单元单译码双译码单译码结构单译码结构双译码结构双译码结构 双译码可简化芯片设计双译码可简化芯片设计 主要采用的译码结构主要采用的译码结构整理课件18 片选和读写控制逻辑片选端片选端CS*或或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作有效时，可以对该芯片进行读写操作输出输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出控制读操作。有效时，芯片内数据输出 该控制端对应系统的读控制线该控制端对应系统的读控制线写写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中控制写操作。有效时，数据进入芯片中 该控制端对应系统的写控制线该控制端对应系统的写控制线整理课件195.3 随机存取存储器静态静态RAMSRAM 2114SRAM 6264动态动态RAMDRAM 4116DRAM 2164整理课件20静态RAMSRAM的基本存储单元是触发器电路的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储二进制数一位每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用一般采用“字结构字结构”存储矩阵：存储矩阵：每个存储单元存放多位（每个存储单元存放多位（4、8、16等）等）每个存储单元具有一个地址每个存储单元具有一个地址整理课件21随机存取存储器随机存取存储器RAM一、静态随机存取存储器（SRAM）构成器件：双极型快速稳定，集成度低，工艺复杂。MOS速度较双极型低，比Dram快。特点：存取周期快（双极型10nS,MOS几十-几百nS），不需刷新，外电路简单，基本单元晶体管数目较多，适于小容量。六管基本存储器T1T2双稳态触发器T3T4负载管T5T6控制管特点：非破坏性读出，双稳态保持稳态不用刷新。整理课件22SRAM结构框图：结构框图：存储矩阵存储矩阵可选用位结构矩阵或字结构矩阵可选用位结构矩阵或字结构矩阵地址译码器地址译码器采用双译码采用双译码控制逻辑和三态数据缓冲器控制逻辑和三态数据缓冲器 通过读通过读/写端和写端和CS片选端控制由片选端控制由I/O电路电路对存储器单元输入对存储器单元输入/输出信号。输出信号。整理课件23SRAM芯片2114存储容量为存储容量为1024418个个引脚：引脚：10根地址线根地址线A9A0 4根数据线根数据线I/O4I/O1 片选片选CS*读写读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND整理课件24SRAM 2114的读周期数据数据地址地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECSTA读取时间读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间有效地址维持的时间整理课件25SRAM 2114的写周期TWCTWRTAW数据数据地址地址TDTWTWDOUT DINTDWTDHWECSTW写入时间写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间写信号有效时间TWC写入周期写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间有效地址维持的时间整理课件26SRAM芯片6264存储容量为存储容量为8K828个个引脚：引脚：13根地址线根地址线A12A0 8根数据线根数据线D7D0 片选片选CS1*、CS2 读写读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615整理课件27动态RAMDRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备必须配备“读出再生放大电路读出再生放大电路”进行刷新进行刷新每次同时对一行的存储单元进行刷新每次同时对一行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储二进制数一位每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵许多个基本存储单元形成行列存储矩阵DRAM一般采用一般采用“位结构位结构”存储体：存储体：每个存储单元存放一位每个存储单元存放一位需要需要8个存储芯片构成一个字节单元个存储芯片构成一个字节单元每个字节存储单元具有一个地址每个字节存储单元具有一个地址整理课件28二、动态二、动态RAM（DRAM）基本单元：有基本单元：有4管、管、3管及单管管及单管单管动态单管动态RAM基本存储单元基本存储单元原理：通过电容原理：通过电容C存储信息存储信息缺点：漏电和破坏性读出缺点：漏电和破坏性读出改进：加刷新放大器，速度几百次改进：加刷新放大器，速度几百次/秒秒改进动态改进动态RAM特点：特点：读写操作二次打入读写操作二次打入 先输先输RASRAS，后，后CASCAS刷新操作只输入刷新操作只输入RASRAS刷新周期不能进行读写操作刷新周期不能进行读写操作整理课件29 DRAMDRAM的刷新的刷新电容电容C C上高电平保持时间：约上高电平保持时间：约2mS2mS刷新时间间隔：刷新时间间隔：2mS2mSDRAM内刷新：矩阵内一行行地进行，刷新一行的时间为刷新周期。内刷新：矩阵内一行行地进行，刷新一行的时间为刷新周期。刷新控制：由读写控制电路系统地完成刷新控制：由读写控制电路系统地完成DRAMDRAM刷新刷新注：读写过程也有刷新功能，但是随机的，不保证所有注：读写过程也有刷新功能，但是随机的，不保证所有RAMRAM单元都能经读写刷新单元都能经读写刷新。刷新控制器刷新控制器(图图6-5)6-5)；协调完成前述；协调完成前述DRAMDRAM特点中三项。特点中三项。构成：构成：地址多路器地址多路器 刷新地址计数器刷新地址计数器 刷新定时器刷新定时器 仲裁电路仲裁电路 定时发生器定时发生器整理课件30刷新定时器定时发出刷新请求刷新定时器定时发出刷新请求CPU发出读发出读/写申请写申请定时发生器按刷新或读写要求提供定时发生器按刷新或读写要求提供RAS、CAS和和 WE给给DRAM芯片。芯片。地址多路器地址多路器 CPUCPU地址转换为行地地址转换为行地址，列地址分两次送入址，列地址分两次送入DRAMDRAM芯片，实现两次打芯片，实现两次打入。先入。先RASRAS，后，后CASCAS 刷新地址计数器产刷新地址计数器产生行扫地址，由生行扫地址，由RASRAS打打入，无列扫地址。入，无列扫地址。仲裁电路对优先权仲裁。注意在刷新周期不接受CPU的申请。整理课件31第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口随机存储器随机存储器RAMRAM 动态随机存储器动态随机存储器(Dynamic RAM,DRAM)DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。DRAM的主要性能是：容量大、功耗的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。整理课件32DRAM芯片4116存储容量为存储容量为16K116个个引脚：引脚：7根地址线根地址线A6A0 1根数据输入线根数据输入线DIN 1根数据输出线根数据输出线DOUT 行地址选通行地址选通RAS*列地址选通列地址选通CAS*读写控制读写控制WE*VBBDINWE*RAS*A0A2A1VDDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5VCC12345678161514131211109整理课件33DRAM 4116的读周期DOUT地址地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址行地址列地址列地址WECASRAS存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送 行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址有效，开始传送行地址 随后，列地址选通信号随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址，有效，传送列地址，CAS*相当于片选信号相当于片选信号 读写信号读写信号WE*读有效读有效 数据从数据从DOUT引脚输出引脚输出整理课件34DRAM 4116的写周期TWCSTDS列地址列地址行地址行地址地址地址 TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWECASRAS存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送 行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址有效，开始传送行地址 随后，列地址选通信号随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址有效，传送列地址 读写信号读写信号WE*写有效写有效 数据从数据从DIN引脚进入存储单元引脚进入存储单元整理课件35DRAM 4116的刷新TRCTCRPTRAS高阻高阻TASRTRAH行地址行地址地址地址DINCASRAS采用采用“仅行地址有效仅行地址有效”方法刷新方法刷新 行地址选通行地址选通RAS*有效，传送行地址有效，传送行地址 列地址选通列地址选通CAS*无效，没有列地址无效，没有列地址 芯片内部实现一行存储单元的刷新芯片内部实现一行存储单元的刷新 没有数据输入输出没有数据输入输出 存储系统中所有芯片同时进行刷新存储系统中所有芯片同时进行刷新 DRAM必须每隔固定时间就刷新必须每隔固定时间就刷新整理课件36DRAM芯片2164存储容量为存储容量为64K116个个引脚：引脚：8根地址线根地址线A7A0 1根数据输入线根数据输入线DIN 1根数据输出线根数据输出线DOUT 行地址选通行地址选通RAS*列地址选通列地址选通CAS*读写控制读写控制WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A712345678161514131211109整理课件37高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）用用Cache来解决来解决CPU与内存之间的速度差。与内存之间的速度差。Cpu-Cache-Dram-外存外存 多多 Cache工作原理：程序访问工作原理：程序访问在时空上的局部性。在时空上的局部性。Cache设计思想：把经常设计思想：把经常访问的代码和数据保存到访问的代码和数据保存到SRAM组成的高速缓冲存储组成的高速缓冲存储器中，把不常访问的代码和器中，把不常访问的代码和数据保存到大容量数据保存到大容量DRAM中，中，使得存储器系统的价格降低，使得存储器系统的价格降低，而访存时间接近零等待。而访存时间接近零等待。层次存储器结构如图层次存储器结构如图整理课件38 Cache的命中和命中率：的命中和命中率：CPU访存的内容正好在访存的内容正好在Cache中就称为命中。命中的几率即命中率。中就称为命中。命中的几率即命中率。主存和主存和Cache比例与命中率关系：一般主存和比例与命中率关系：一般主存和Cache比例为比例为1M：4K时命中率为时命中率为90%。主存（主存（MB）8163264128Cache(KB)3264128256512 主存与主存与Cache地址映象的地址映象的3种基本结构：种基本结构：全相联全相联Cache 直接映象直接映象Cache 组相联组相联Cache Cache的读取结构：的读取结构：旁视结构旁视结构 通视结构通视结构 Cache的数据更新方式：的数据更新方式：通写式通写式 回写式回写式替换策略替换策略:随机替换随机替换先进先出法先进先出法最近最少使用法最近最少使用法影响影响Cache性能的因素：规模大小，关联方式，行大小，性能的因素：规模大小，关联方式，行大小，速度，配置。速度，配置。整理课件39第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口 概述概述 随机存储器随机存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 典型的半导体芯片举例典型的半导体芯片举例整理课件40第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM只读存储器只读存储器(Read Only Memory,ROM)(Read Only Memory,ROM)：内容只可读出不可写入，最内容只可读出不可写入，最大优点是所存信息可长期保存，断电时，大优点是所存信息可长期保存，断电时，ROMROM中的信息不会消失。主中的信息不会消失。主要用于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装入程序。要用于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装入程序。半导体半导体存储器存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM整理课件41只读存储器只读存储器ROMROM 掩膜掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改信息制作在芯片中，不可更改 PROM：允许一次编程，此后不可更改允许一次编程，此后不可更改 EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程次擦除和编程 EEPROM（E2PROM）：）：采用加电方法在线进行擦除和采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写编程，也可多次擦写 Flash Memory（闪存）（闪存）：能够快速擦写的：能够快速擦写的EEPROM，但，但只能按块（只能按块（Block）擦除）擦除整理课件42第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM 掩膜掩膜ROM 在出厂前由芯片厂在出厂前由芯片厂家将程序写到家将程序写到rom里，以后里，以后永远不能修改。永远不能修改。如图是一个简单的如图是一个简单的44位的位的MOS ROM存储阵存储阵列，两位地址输入，经译码后，列，两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。此输出即为这个字的每一位。此时，若有管子与其相连（如位时，若有管子与其相连（如位线线1和位线和位线4），则相应的），则相应的MOS管就导通，输出低电平，管就导通，输出低电平，表示逻辑表示逻辑“0”；否则（如位；否则（如位线线2和位线和位线3）输出高电平，）输出高电平，表示逻辑表示逻辑“1”。(0110、0101、1010、0000)整理课件43第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM 可编程的可编程的ROM(Programmable-ROM，PROM)掩模掩模ROM的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已经固定下来了，这给使用者带来了不便。为了解决这个矛盾，设计制经固定下来了，这给使用者带来了不便。为了解决这个矛盾，设计制造了一种可由用户通过简易设备写入信息的造了一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件，即可编程的器件，即可编程的ROM，又称为，又称为PROM。PROM 的类型有多种，如二极管破坏型的类型有多种，如二极管破坏型PROM存储器，在出存储器，在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的的PN结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存储内容均为储内容均为“1”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写写入电路，产生足够大的电流把要写入入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击的那个存储位上的二极管击穿，造成这个穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位此位 就意味着写入了就意味着写入了“1”。读出的操作同掩模。读出的操作同掩模ROM。除此之外，还有一种熔丝式除此之外，还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入，用户编程时，靠专用写入电路产生脉冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入电路产生脉冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。的目的。对对PROM来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种ROM器器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。整理课件44第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM可擦除可编程可擦除可编程ROM(Erasable Programmable ROM,EPROM)EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到作要用到EPROM擦除器。一般擦除信息需用紫外线照射擦除器。一般擦除信息需用紫外线照射l520分钟分钟。了解教材的所列出的了解教材的所列出的EPROM例子例子Intel 2764芯片的基本知识芯片的基本知识 整理课件45第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM电可擦除可编程电可擦除可编程ROM (Electronic Erasible Programmable ROM,EEPROM)EEPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压内容时必须要加一定的编程电压(1224V，随不同的芯片型号而定，随不同的芯片型号而定)。EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。借助于电压芯片。借助于EPROM芯片的双电压特性，可以使芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至打至“OFF”的位置，防止病毒对的位置，防止病毒对BIOS芯片的非法修改。芯片的非法修改。了解教材的所列出的了解教材的所列出的EEPROM例子例子NMC98C64A芯片的芯片的基本知识基本知识整理课件46第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口只读存储器只读存储器ROMROM 快擦型存储器快擦型存储器(Flash Memory)快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机存储器市场。存储器市场。快擦型存储器具有快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除的特点，可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。相似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器有快擦型存储器有5V或或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。快擦型存储器可替代快擦型存储器可替代EEPROM，在某些应用场合还可取代，在某些应用场合还可取代SRAM，尤其是对于需要配备电池后援的，尤其是对于需要配备电池后援的SRAM系统，使用快擦型存系统，使用快擦型存储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点，能储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点，能满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的ROM，以便随时，以便随时写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打印机、条写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打印机、条形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。整理课件47第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口 概述概述 只读存储器只读存储器ROM 随机存储器随机存储器RAM 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接 典型的半导体芯片举例典型的半导体芯片举例整理课件48第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器的系统结构存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。基本存储单元：基本存储单元：一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。类型不同。存储体：存储体：一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M MN N个二进制信息，就需要用个二进制信息，就需要用M MN N个基本存储单元，它们按一定的规则排个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。1.1.地址译码器：地址译码器：由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放元一般存放8 8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受是用来接受CPUCPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对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应的存储单元，以便对该单元进行读/写操作。存储器地址译码有两种写操作。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。方式，通常称为单译码与双译码。单译码：单译码：单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。双译码：双译码：双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫又叫X X译码器译码器)和列译码器和列译码器(又叫又叫Y Y译码器译码器)。X X译码器输出行地址选择信号，译码器输出行地址选择信号，Y Y译码器输出列地址选择信号，行列选择线交叉处即为所选中的单元。译码器输出列地址选择信号，行列选择线交叉处即为所选中的单元。整理课件49第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器的系统结构存储器的系统结构4.4.片选与读片选与读/写控制电路：写控制电路：片选信号用以实现芯片的选择。对于一片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读/写操作。写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。写操作。I/O电路：电路：I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱信号的驱动及放大处理功能。动及放大处理功能。集电极开路或三态输出缓冲器：集电极开路或三态输出缓冲器：为了扩充存储器系统的容量，常为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。5.其它外围电路：其它外围电路：对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。路等，这也是存储器系统的重要组成部分。整理课件50第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器的系统结构存储器的系统结构CPU时序/控制控制信号控制信号存储体MB读写驱动器MDR地址译码器MARN位数据总线M位地址总线整理课件51第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器的系统结构存储器的系统结构3232=1024存储单元驱动器X译码器地址反向器I/O电路Y译码器地址反向器控制电路输出驱动12321232输入输出321231读/写选片1A0A2A3A4A5A6A7A8A9A321231整理课件52第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 基本存储器芯片模型基本存储器芯片模型 在微型系统中，在微型系统中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与系统总线的连之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括接，包括(1)地址线的连接；地址线的连接；(2)数据线的连接；数据线的连接；(3)控制线的连接。控制线的连接。整理课件53第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 基本存储器芯片模型基本存储器芯片模型 地址线的位数：地址线的位数：从图中可看出地址线的位数决定了芯片内可寻址的单从图中可看出地址线的位数决定了芯片内可寻址的单元数目，如元数目，如Intel2114(1K4)有有10条地址线，则可寻址的单元数为条地址线，则可寻址的单元数为1024个；个；Intel2116(16K1)有有14条地址线，则可寻址的单元数条地址线，则可寻址的单元数为为16K个。个。数据线的根数：数据线的根数：RAM芯片的数据线多数为芯片的数据线多数为1条，静态条，静态RAM芯片一般有芯片一般有4条和条和8条。若为条。若为1条数据线，则称为位片存贮芯片；若有条数据线，则称为位片存贮芯片；若有4条数据线，条数据线，则该芯片可作为数据的低则该芯片可作为数据的低4位或高位或高4位；若有位；若有8条数据线，则该芯片正条数据线，则该芯片正好作为一个字节数，其引脚已指定相应数据位的名称。好作为一个字节数，其引脚已指定相应数据位的名称。1.控制线：控制线：RAM芯片的控制引脚信号一般有：芯片选择信号、读芯片的控制引脚信号一般有：芯片选择信号、读/写控写控制信号，对动态制信号，对动态RAM（DRAM）还有行、列地址选通信号。）还有行、列地址选通信号。整理课件54第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 基本存储器芯片模型基本存储器芯片模型 存储芯片型号存储芯片型号 存储容量存储容量 地址线地址线数据线数据线2101（1K1B）10241BA0A9D02114（1K4B）10244BA0A9D0D34118（1K8B）10248B A0A9D0D76116（2K8B）20488B A0A10D0D76232（4K8B）410248BA0A11 D0D76264（8K8B）810248BA0A12D0D761256（32K8B）3210248B A0A14D0D72732（4K8B）410248BA0A11D0D7整理课件55第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接 在实际应用中，进行存储器与在实际应用中，进行存储器与CPUCPU的连接需要考虑以下几的连接需要考虑以下几个问题：个问题：CPUCPU的总线负载能力；的总线负载能力；CPUCPU与存储器之间的速度匹配；与存储器之间的速度匹配；存储器地址分配和片选；控制信号的连接。存储器地址分配和片选；控制信号的连接。(1)(1)控制线的连接：控制线的连接：即如何用即如何用CPUCPU的存储器读写信号同存储器芯片的控的存储器读写信号同存储器芯片的控制信号线连接，以实现对存储器的读写操作。制信号线连接，以实现对存储器的读写操作。简单系统：简单系统：CPUCPU读写信号与存储器芯片的读写信号直接相连。读写信号与存储器芯片的读写信号直接相连。复杂系统：复杂系统：CPUCPU读写信号和其它信号组合后与存储器芯片的读写信读写信号和其它信号组合后与存储器芯片的读写信号直接相连。号直接相连。CPUCPU读信号最终和存储器的读信号相连，读信号最终和存储器的读信号相连，CPUCPU写信号最终和存写信号最终和存储器的写信号相连。储器的写信号相连。整理课件56第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接(2)数据线的连接：数据线的连接：若一个芯片内的存储单元是若一个芯片内的存储单元是8位，则它自身就作位，则它自身就作为一组，其引脚为一组，其引脚D0D7可以和系统数据总线可以和系统数据总线D0D7或或D8D15直接相连。若一组芯片直接相连。若一组芯片(4个或个或8个个)才能组成才能组成8位存储单元的结构，位存储单元的结构，则组内不同芯片应与不同的数据总线相连。则组内不同芯片应与不同的数据总线相连。61168086D7D0I/O8I/O12164(0)8086D7D0DIN(DOUT)2164(6)DIN(DOUT)2164(7)DIN(DOUT)D6整理课件57第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接存储器芯片分组存储器芯片分组位扩展位扩展(加大字长加大字长)例例 用用8个个16K1bit芯片组成芯片组成16K8bit的存储器。的存储器。A0A13D0D1D2D716K1CSCSCSCSWEWEWEWE16K1D0D1D2D7整理课件58第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接(3)地址线的连接：地址线的连接：将用以将用以“字选字选”的低位地址总线直接与存贮芯的低位地址总线直接与存贮芯片的地址引脚相连，将用以片的地址引脚相连，将用以“片选片选”的高位地址总线送入译码器。的高位地址总线送入译码器。可以根据所选用的半导体存储器芯片地址线的多少，把可以根据所选用的半导体存储器芯片地址线的多少，把CPUCPU的地址线分为芯片的地址线分为芯片外外(指存储器芯片指存储器芯片)地址和芯片内的地址，地址和芯片内的地址，片外地址经地址译码器译码后输出片外地址经地址译码器译码后输出。作。作为存储器芯片的片选信号，用来选中为存储器芯片的片选信号，用来选中CPUCPU所要访问的存储器芯片。所要访问的存储器芯片。片内地址线片内地址线直接接到所要访问的存储器芯片的地址引脚直接接到所要访问的存储器芯片的地址引脚，用来直接选中该芯片中的一个存储，用来直接选中该芯片中的一个存储单元。对单元。对4 4K K8b8b的的27322732而言，片外地址线为而言，片外地址线为A A19A A1212，片内地址线为片内地址线为A A1111A A0 0；对对2 2K K8b8b的的61166116而言，片外地址线为而言，片外地址线为A A1919A A1111，片内地址线为，片内地址线为A A1010A A0 0。27328086译码器A19A12A11A0A11A061168086译码器A19A11A10A0A10A0整理课件59第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接字扩展字扩展(扩大地址扩大地址)CSWECSWECSWECSWE16K416K416K416K4A0A13WED0D1D2D3译码器译码器A14A15123D0 D3D0 D3D0 D3D0 D3整理课件60第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接 组成一个存储系统通常是由多个存储芯片组成。组成一个存储系统通常是由多个存储芯片组成。CPUCPU每次访每次访问内存只能对一个存储单元进行读或写，这个单元位于某个芯片问内存只能对一个存储单元进行读或写，这个单元位于某个芯片中或一组芯片中。因此，首先要找到这个或这组芯片，这就是所中或一组芯片中。因此，首先要找到这个或这组芯片，这就是所谓的谓的片选问题片选问题。换句话说，就是每当。换句话说，就是每当CPUCPU访问内存，如何产生相应访问内存，如何产生相应芯片的片选信号。指定一个存贮单元是由芯片的片选信号。指定一个存贮单元是由CPUCPU给出的地址来决定的，给出的地址来决定的，硬件寻址的方法是将地址总线分成两部分。一部分直接送入芯片硬件寻址的方法是将地址总线分成两部分。一部分直接送入芯片进行进行“片内地址译码片内地址译码”，确定片内单元的位置；另一部分送入译，确定片内单元的位置；另一部分送入译码器进行码器进行“片外地址译码片外地址译码”产生片选信号。产生片选信号。通常我们有三种片选方法：通常我们有三种片选方法：线选法、全译码法、部分译码法线选法、全译码法、部分译码法。整理课件61第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接线选法线选法 在剩余的高位地址总线中，任选一位作为片选信号直接与在剩余的高位地址总线中，任选一位作为片选信号直接与存贮芯片的存贮芯片的CS引脚相连，这种方式就称为线选法。其特点是无需引脚相连，这种方式就称为线选法。其特点是无需译码器，但有较多的地址重叠区。该方法适用于存储器容量不大，译码器，但有较多的地址重叠区。该方法适用于存储器容量不大，所使用的存储芯片数量不多，而所使用的存储芯片数量不多，而CPU寻址空间远远大于存储器容寻址空间远远大于存储器容量。量。（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（4）1KBCSA10A11A13A11A0A9整理课件62第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接线选法线选法 例例5-1：用：用5片片Intel6116(2K8)组成组成10K8位的存储器位的存储器系统。求每块芯片的地址范围。系统。求每块芯片的地址范围。RAM2KBRAM2KBRAM2KBCSCSCSCSCSA11A12A13A14A15D0-D7A0-A10（3）（4）（5）RAM2KBRAM2KB（1）（2）整理课件63第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接线选法线选法A15 A14 A13 A 12 A11 A10-A0 地 址范围 0 1 1 1 1 0 0 7800H 0 1 1 1 1 1 1 7FFFH 1 0 1 1 1 0 0 B800H 1 0 1 1 1 1 1 BFFFH 1 1 0 1 1 0 0 C800H 1 1 0 1 1 1 1 CFFFH 1 1 1 0 1 0 0 E800H 1 1 1 0 1 1 1 EFFFH 1 1 1 1 0 0 0 F000H 1 1 1 1 0 1 1 F7FFH存储器存储器5地址范围地址范围存储器存储器4地址范围地址范围存储器存储器3地址范围地址范围存储器存储器2地址范围地址范围存储器存储器1地址范围地址范围整理课件64第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接线选法线选法A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A 12 A11 A10-A0 地 址范围?0 1 1 1 1 0 0?7800H?0 1 1 1 1 1 1?7FFFH?1 0 1 1 1 0 0?B800H?1 0 1 1 1 1 1?BFFFH?1 1 0 1 1 0 0?C800H?1 1 0 1 1 1 1?CFFFH?1 1 1 0 1 0 0?E800H?1 1 1 0 1 1 1?EFFFH?1 1 1 1 0 0 0?F000H?1 1 1 1 0 1 1?F7FFH整理课件65第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接全译码法全译码法 除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部送入送入“片外地址译码器片外地址译码器”中进行译码的方法就称为中进行译码的方法就称为全译码法。全译码法。其特点是其特点是物理地址物理地址与实际存储单元一一对应，但译码电路复杂与实际存储单元一一对应，但译码电路复杂。8KB(2)CS8KB(1)CS 8KB(8)CS 3-8译码器A0A12A13A15Y0Y1Y7整理课件66第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接全译码法全译码法 例例5-2：用：用16片片Intel6232(4K8)组成组成64K8位的存储器位的存储器系统。求每块芯片的地址范围。系统。求每块芯片的地址范围。4KB (1)4KB (2)4KB(16)译译码码器器CSCSCSY0Y1Y15A15-A12.整理课件67第五章：存储器及其接口第五章：存储器及其接口存储器芯片的扩展与连接存储器芯片的扩展与连接 存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接全译码法全译码法A15 A14 A13 A 12 A11 A10-A0 地地 址范围址范围 0 0 0 0 0 0 0 Y1 0000H-0FFFH 0 0 0 1 0 0 0 Y2 1000H-1FFFH 0 0 1 0 0 0 0 Y3 2000H-2FFFH 1 1 0 1 0 0 0 Y14 D