微機(jī)原理與接口技術(shù)：14第6章 存儲(chǔ)器系統(tǒng)

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1、 交通信息與控制工程系教案（理論教學(xué)用） 課程名稱 微機(jī)原理與接口技術(shù) 第 14 次 第 7 周 2 學(xué)時(shí) 上課教室 WM1310 課程類型 專業(yè)基礎(chǔ)課 授課對(duì)象 自動(dòng)化專業(yè) 章節(jié)名稱 第6章 存儲(chǔ)器系統(tǒng)（6.1,6.2,6.3） 教學(xué)目的 和要求 1． 了解存儲(chǔ)器的概念、分類以及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)； 2． 了解靜態(tài)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片原理以及應(yīng)用； 3． 掌握存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法； 4． 了解只讀存儲(chǔ)器的原理。 講 授 主要內(nèi)容及時(shí)間分配 存儲(chǔ)器的基本概念；（20min） 隨機(jī)存儲(chǔ)器；（45min） 只讀存儲(chǔ)器；（25min） 教

2、學(xué)重點(diǎn) 與難點(diǎn) 重點(diǎn)： 1． 存儲(chǔ)器的概念、分類等； 2． 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片原理以及應(yīng)用； 3． 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法； 4． 只讀存儲(chǔ)器的原理。 難點(diǎn)： 1．存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法。 要求掌握知識(shí)點(diǎn)和分析方法 1．了解存儲(chǔ)器的分類和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)； 2．靜態(tài)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片原理以及在8086系統(tǒng)中的應(yīng)用； 3．掌握存儲(chǔ)器的字位擴(kuò)展方法； 4．了解只讀存儲(chǔ)器的原理。 啟發(fā)與提問 1． MP3使用的是什么存儲(chǔ)器類型？ 教學(xué)手段 多媒體 作業(yè)布置 思考題： 1．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中那些地方使用靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器？ 主 要 參考資料 備注

3、 注：教案按授課次數(shù)填寫，每次授課均應(yīng)填寫一份。重復(fù)班授課可不另填寫教案。 長(zhǎng)安大學(xué)講稿(第十四講) 講 授 內(nèi) 容 第5章 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 5.1 存儲(chǔ)器概述 一、存儲(chǔ)器基本概念 存儲(chǔ)器由大量的記憶單元組成，記憶單元是一種具有兩個(gè)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。 由若干個(gè)最基本的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一個(gè)字，字長(zhǎng)有4位、8位、16位以及32位等，在微機(jī)中，習(xí)慣上把一個(gè)地址所尋址的8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。 存儲(chǔ)器容量一般都很大，無論內(nèi)存還是外存，均以字節(jié)為單元，常用

4、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(chǔ)器的容量與微機(jī)的地址線有關(guān) 二、內(nèi)存和外存 1.內(nèi)存 　內(nèi)存或主存,也稱半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，用于存放當(dāng)前計(jì)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)。內(nèi)存一般由快速的存儲(chǔ)器件構(gòu)成，它與CPU交換數(shù)據(jù)的速度很快。 2.外存或輔存 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(chǔ)器，分為硬磁盤、軟磁盤、光盤等。外存容量很大，但存取速度很慢，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

5、傳送 三、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類 按工藝結(jié)構(gòu)分類 雙極型和金屬氧化物型存儲(chǔ)器 按存儲(chǔ)器原理分類 靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM 按數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾确诸? 并行I/O的存儲(chǔ)器，串行I/O的存儲(chǔ)器 按存取方式分類 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM（PROM,EPROM,EEPROM,FLASH等） 四：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo) ? 存儲(chǔ)容量　微機(jī)存儲(chǔ)器的容量是指存儲(chǔ)器所能容納的最大字節(jié)數(shù)。 ? 存取時(shí)間和存取周期 　存取周期是指存儲(chǔ)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(shí)間，也稱為存取時(shí)間，是存儲(chǔ)器進(jìn)行連續(xù)讀和寫操作所允許的最

6、短時(shí)間間隔。 ? 可靠性　指它抵抗干擾，正確完成讀/寫數(shù)據(jù)的性能 (平均故障間隔時(shí)間)。 ? 功 耗　半導(dǎo)體存儲(chǔ)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稱之為功耗。 5.2 隨機(jī)存儲(chǔ)器 一、靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM 　　靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的基本存儲(chǔ)單元一般由六管靜態(tài)存儲(chǔ)電路構(gòu)成，集成度較低，功耗較大，無需刷新電路，從而簡(jiǎn)化了外部控制邏輯電路，由于存取速度快，一般用作高檔微機(jī)中的高速緩沖存儲(chǔ)器（CACHE）。 典型SRAM芯片 6264芯片的主要引線 n 地址線：A0------A12； n 數(shù)據(jù)線：D0------D7； n 輸出允

7、許信號(hào)：OE； n 寫允許信號(hào)：WE； n 選片信號(hào)：CS1，CS2。 6264芯片與系統(tǒng)的連接 譯碼電路 n 將輸入的一組二進(jìn)制編碼變換為一個(gè)特定的輸出信號(hào)，即：將輸入的一組高位地址信號(hào)通過變換，產(chǎn)生一個(gè)有效的輸出信號(hào)，用于選中某一個(gè)存儲(chǔ)器芯片，從而確定了該存儲(chǔ)器芯片在內(nèi)存中的地址范圍。 全地址譯碼 n 用全部的高位地址信號(hào)作為譯碼信號(hào)，使得存儲(chǔ)器芯片的每一個(gè)單元都占據(jù)一個(gè)唯一的內(nèi)存地址。 部分地址譯碼 n 用部分高位地址信號(hào)（而不是全部）作為譯碼信號(hào)，使得被選中得存儲(chǔ)器芯片占有幾組不同的地址范圍。 n 下例使用高5位地址作為譯碼信號(hào)，從而使被選中芯片的每個(gè)單元都占有兩個(gè)

8、地址，即這兩個(gè)地址都指向同一個(gè)單元。 線選方式 § 線選方式就是將地址總線的高位地址不經(jīng)過譯碼，直接將它們作為片選信號(hào)接至各存儲(chǔ)芯片的片選輸入端，即采用線選方式，根本不需要使用片選譯碼器。 n 必須注意的是： A19和A18不能同時(shí)為0，否則，將會(huì)同時(shí)選中兩個(gè)存儲(chǔ)芯片，造成訪問存儲(chǔ)器操作錯(cuò)誤。 n 即在采用線選方式的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，軟件上必須保證在存儲(chǔ)器尋址時(shí)片選線中只能有一位有效(例如定義為邏輯“0”)，而不允許多于一位的片選線同時(shí)有效。否則，將導(dǎo)致存儲(chǔ)器操作的差錯(cuò)。 全譯碼方式 n 優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)器中每一存儲(chǔ)單元都有惟一確定的地址。 n 缺點(diǎn)是譯碼電路比較復(fù)雜。

9、部分譯碼方式 n 優(yōu)點(diǎn):片選譯碼電路比較簡(jiǎn)單; n 缺點(diǎn):存儲(chǔ)空間中存在地址重疊區(qū)，使用時(shí)應(yīng)予以注意。 線選方式 優(yōu)點(diǎn):無須使用片選譯碼器； 缺點(diǎn):存儲(chǔ)地址空間被分成了相互隔離的區(qū)段，造成地址空間的不連續(xù)(片選線多于一位為“0”以及片選線為全“1”的地址空間不能使用)，給編程帶來不便。 2. 動(dòng)態(tài)RAM(DRAM) 1) DRAM基本存儲(chǔ)單元電路 n 與靜態(tài)RAM一樣，動(dòng)態(tài)RAM也是由許多“基本存儲(chǔ)單元”(cells)按行、列形式構(gòu)成的二維存儲(chǔ)矩陣來組成的。 n 目前，動(dòng)態(tài)RAM基本存儲(chǔ)單元是由一個(gè)MOS管和一個(gè)小電容構(gòu)成，故稱“單管動(dòng)態(tài)RAM基本存儲(chǔ)單元電路”，其結(jié)

10、構(gòu)如圖所示。 n 由于任何電容均存在漏電效應(yīng)，所以經(jīng)過一段時(shí)間后電容上的電荷會(huì)流失殆盡，所存信息也就丟失了。 n 對(duì)電容漏電而引起信息丟失這個(gè)問題的解決辦法是定期地對(duì)內(nèi)存中所有動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)單元進(jìn)行刷新(refresh)，使原來表示邏輯“1”電容上的電荷得到補(bǔ)充，而原來表示邏輯“0”的電容仍保持無電荷狀態(tài)。 n 刷新是逐行進(jìn)行的。 DRAM 的主要特點(diǎn) n 與靜態(tài)RAM相比，動(dòng)態(tài)RAM基本存儲(chǔ)電路所用的MOS管少，從而可以提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度并降低功耗。 n 動(dòng)態(tài)RAM的缺點(diǎn)是存取速度比靜態(tài)RAM慢；需要定時(shí)刷新，因此需增加相應(yīng)的刷新支持電路； n 此外，在刷新期間CPU不能

11、對(duì)內(nèi)存模塊啟動(dòng)讀/寫操作，從而損失了一部分有效存儲(chǔ)器訪問時(shí)間。 n DRAM的高存儲(chǔ)密度、低功耗及每位價(jià)格便宜的突出優(yōu)點(diǎn)，使之非常適用于在需要較大存儲(chǔ)容量的系統(tǒng)中用作主存儲(chǔ)器。現(xiàn)代PC機(jī)均采用各種類型的DRAM作為可讀寫主存。 (2) DRAM芯片的引腳信號(hào)及讀寫操作 為了具體理解動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)器的工作機(jī)理，清楚地了解DRAM芯片的主要引腳信號(hào)及其讀寫特性是十分必要的。 n 下面以一個(gè)64K×1位2164的DRAM芯片為例進(jìn)行概要說明。 主要引線 n RAS：行地址選通信號(hào)。用于鎖存行地址； n CAS：列地址選通信號(hào)。 地址總線上先送上行地址，后送上列地址，分別在R

12、AS和CAS有效期間被鎖存在鎖存器中。 n DIN： 數(shù)據(jù)輸入 n DOUT：數(shù)據(jù)輸出 刷新 n 將存放于每位中的信息讀出再照原樣寫入原單元的過程---------刷新。 n 刷新過程 n 首先，使列地址鎖存信號(hào)CAS＝1無效。 n 送上行地址并給出行地址鎖存信息RAS＝0。 n 芯片內(nèi)部將選中行各個(gè)單元上的信息進(jìn)行刷新（把為“1”的電容補(bǔ)充電荷，“0”的不變）。 n 每次送出一個(gè)行地址，刷新一行，直到把整個(gè)芯片刷新完畢。 三、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù) 用多片存儲(chǔ)芯片構(gòu)成一個(gè)需要的內(nèi)存空間，它們?cè)谡麄€(gè)內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時(shí)刻僅有一片（或一組）被選中--

13、----存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 1. 位擴(kuò)展法 n 位擴(kuò)展法也稱位并聯(lián)法，采用這種方法構(gòu)成存儲(chǔ)器時(shí)，各存儲(chǔ)芯片連接的地址信號(hào)是相同的。 n 而存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線則分別連接到數(shù)據(jù)總線的相應(yīng)位上。 n 下圖給出的是按位擴(kuò)展法將8片4K×1位的存儲(chǔ)芯片連接擴(kuò)展成4K×8位(4KB)存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)圖。 n 存儲(chǔ)器工作時(shí)，各芯片同時(shí)進(jìn)行相同的操作。 n 在這種方式中，對(duì)存儲(chǔ)芯片實(shí)際上沒有選片的要求，只進(jìn)行數(shù)據(jù)位數(shù)的擴(kuò)展，而整個(gè)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)(存儲(chǔ)單元數(shù))與單個(gè)存儲(chǔ)芯片的字?jǐn)?shù)是相同的(如本例中兩者均為4K)。 n 在這種連接方式下，地址線的負(fù)載數(shù)等于芯片數(shù)，而數(shù)據(jù)線的負(fù)載數(shù)為1。

14、 2. 字?jǐn)U展法 n 字?jǐn)U展法也叫地址串聯(lián)法。利用這種方法進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，只在字的方向上進(jìn)行擴(kuò)充，而存儲(chǔ)器的位數(shù)不變。整個(gè)存儲(chǔ)器的位數(shù)等于單個(gè)存儲(chǔ)芯片的位數(shù)。這種方法將存儲(chǔ)器的地址分成兩部分，一部分(低位地址部分)接到各存儲(chǔ)芯片作為芯片的片內(nèi)地址，一部分(高位地址部分)經(jīng)過片選譯碼器譯碼后送到各存儲(chǔ)芯片的片選輸入端；各存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線中的對(duì)應(yīng)位連接在一起。 n 下圖所示的是用字?jǐn)U展法將8片2K×8位的存儲(chǔ)芯片連接擴(kuò)展成容量為16K×8位的存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)圖。 3. 字位擴(kuò)展法 n 根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲(chǔ)芯片數(shù)； n 進(jìn)行位擴(kuò)展以滿足字長(zhǎng)要求； n

15、進(jìn)行字?jǐn)U展以滿足容量要求。 n 若已有存儲(chǔ)芯片的容量為L(zhǎng)×K，要構(gòu)成容量為M ×N的存儲(chǔ)器，需要的芯片數(shù)為： （M / L） ×（N / K） n 采用字位擴(kuò)展法，就是既在位方向上進(jìn)行擴(kuò)展，又在字方向上進(jìn)行擴(kuò)展，如下圖所示。 n 圖中的擴(kuò)展方法是選用8片2K×1位的存儲(chǔ)芯片構(gòu)成2K×8位的存儲(chǔ)組(位擴(kuò)展)，再用8個(gè)這樣的存儲(chǔ)組構(gòu)成16K×8位的存儲(chǔ)器(字?jǐn)U展)，整個(gè)存儲(chǔ)器共計(jì)用了64片2K×1位的存儲(chǔ)芯片。 5.3 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 一、EPROM n 可多次編程寫入； n 掉電后內(nèi)容不丟失

16、； n 內(nèi)容的擦除需用紫外線擦除器。 EPROM 2764 n 8K×8bit芯片，其引腳與SRAM 6264完全兼容： n 地址信號(hào)：A0 ~ A12 n 數(shù)據(jù)信號(hào)：D0 ~ D7 n 輸出信號(hào)：OE n 片選信號(hào)：CE n 編程脈沖輸入：PGM 二、EEPROM n 可在線編程寫入； n 掉電后內(nèi)容不丟失； n 電可擦除，擦除總是向單元內(nèi)寫入FFH，一次可擦除一個(gè)字節(jié)，也可以擦除整個(gè)芯片。 典型EEPROM芯片98C64A n 8K×8bit芯片； n 13根地址線（A0 ~ A12）； n 8位數(shù)據(jù)線（D0 ~ D7）； n 輸出允

17、許信號(hào)（OE）； n 寫允許信號(hào)（WE）； n 選片信號(hào)（CE）； n 狀態(tài)輸出端（READY/BUSY）。 EEPROM的應(yīng)用 n 可通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯片的讀寫，但每寫入一個(gè)字節(jié)都需判斷READY/BUSY 端的狀態(tài)，僅當(dāng)該端為高電平時(shí)才可寫入下一個(gè)字節(jié)。 三、閃爍存儲(chǔ)器（Flash Memory） 特點(diǎn) 　1、使內(nèi)部存儲(chǔ)信息在不加電的情況下保持10年左右 　2、可以用比較快的速度將信息擦除以后重寫，反復(fù)擦寫達(dá)幾十萬次，可以實(shí)現(xiàn)分塊擦除和重寫，也可以按字節(jié)擦除與重寫。還具有非易失性，可靠性能好，速度快以及容量大等許多優(yōu)點(diǎn) 閃爍存儲(chǔ)器也稱快速擦寫存儲(chǔ)器。實(shí)際上閃爍存儲(chǔ)器屬于EEPROM類型，又稱Flash ROM，性能優(yōu)于普通EEPROM。它是Intel公司率先推出的一種新型存儲(chǔ)器，在Pentium機(jī)主板上，用128KB或256KB的Flash ROM存放BIOS，取代了EPROM和EEPROM。因此現(xiàn)在稱BIOS為Flash BIOS。