第6章_微機的存儲器.ppt

1,存儲器分類與組成隨機存取存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)存儲器的連接,第六章微機的存儲器,存儲器是微型計算機系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的基本單元或設(shè)備。存儲器容量愈大，能存放的信息就愈多，計算機的能力就愈強。存儲器作為計算機系統(tǒng)重要組成部分，隨著更好的存儲載體材料的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)工藝的不斷改進，爭取更大的存儲容量、獲得更快的存取速度、減小存儲器載體的體積以及降低單位存儲容量性價比等方面都獲得快速的發(fā)展。,微機的存儲器,按與CPU連接方式不同分為：內(nèi)存儲器和外存儲器。通過CPU的外部總線直接與CPU相連的存儲器稱為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）。CPU要通過I/O接口電路才能訪問的存儲器稱為外存儲器（簡稱外存或二級存儲器）。按存儲器信息的器件和媒體不同分為：半導體存儲器、磁表面存儲器、磁泡存儲器和磁芯存儲器以及光盤存儲器等。,存儲器的分類與組成（一）,4,存儲器的分類與組成（二）,5,存儲容量,存儲容量=NM,N半導體存儲器芯片有多少個存儲單元，單元尋址與地址線有關(guān)。M每個存儲單元中能存放多少個二進制位，二進制數(shù)位的傳送與數(shù)據(jù)線有關(guān)。,半導體存儲器性能指標（一）,6,1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB,存儲容量的表示,常用單位的換算,bit用二進制位定義存儲容量Byte用二進制字節(jié)定義存儲容量,字節(jié)B（Byte）千字節(jié)KB（KiloByte）兆字節(jié)MB（MegaByte）吉字節(jié)GB（GigaByte）,存儲容量的常用單位,半導體存儲器性能指標（二）,7,存取時間,存取時間的定義（讀寫周期表示）存取時間的單位存取時間的特點,向存儲器單元寫數(shù)據(jù)所需時間，從存儲器單元讀數(shù)據(jù)所需時間。,ns（納秒）,存儲器存取時間短僅用基本周期，存儲器存取時間長插入等待周期。,半導體存儲器性能指標（三）,8,功耗,功耗的定義功耗的單位功耗的應用,存儲器單元的功耗，存儲器芯片的功耗。,存儲器單元的功耗W/單元存儲器芯片的功耗mW/芯片,臺式機可用高功耗的存儲器，便攜機必用低功耗的存儲器。,該指標不僅涉及消耗功率的大小，也關(guān)系到芯片集成度以及在機器中的組裝和散熱問題。,半導體存儲器性能指標（四）,9,TTL器件，工作電源為+5VMOS器件，工作電源為+1.5V+18V,與存儲器芯片類型有關(guān)與應用系統(tǒng)有關(guān),一般應用系統(tǒng)+5V特殊應用系統(tǒng)+3.3V、1.5V,工作電源,半導體存儲器性能指標（五）,10,價格,價格公式（CE）/S元/位性價比,C存儲器芯片價格E所需外圍電路價格S存儲器芯片字節(jié)容量,單片容量大的存儲器芯片相對成本低存取時間長的存儲器芯片相對成本低無外圍電路的存儲器芯片相對成本低,半導體存儲器性能指標（六）,按使用的功能分兩類：隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)。,半導體存儲器分類,RAM在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內(nèi)容根據(jù)程序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故可稱讀/寫存儲器。主要用來存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果，也用來與外存交換信息和用作堆棧等。RAM所存儲的信息在斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。,隨機存取存儲器（一）,13,RAM按工藝可分為：雙極型RAM和MOSRAM兩類。,MOSRAM特點：制造工藝簡單，集成度高，功耗小，價格便宜，在半導體存儲器中占有重要地位。常用：靜態(tài)SRAM，動態(tài)DRAM,雙極型RAM特點：速度快，集成度低，功耗大，成本高，一般用于大型計算機或高速微機中。常用：TTL邏輯、ECL邏輯、I2L邏輯,隨機存取存儲器（二）,14,靜態(tài)RAM：集成度高于雙極型RAM，低于動態(tài)RAM。功耗低于雙極型RAM；不需要刷新電路。速度較快，集成度較低，一般用于對速度要求高、而容量不大的場合。,動態(tài)RAM：比靜態(tài)RAM具有更高的集成度，但是它靠電路中柵極電容來儲存信息，由于電容器上的電會泄它需要定時進行刷新。集成度較高，存取速度較低，一般用于需要較大容量場合。,隨機存取存儲器（三）,只讀存儲器ROM按工藝可分為雙極型和MOS型，但一般根據(jù)信息寫入的方式不同，而分為:,掩膜ROM一次性可編程PROM紫外線可擦除EPROM電可擦除E2PROM可編程只讀存儲器FLASH,只讀存儲器（一）,16,固定ROM(掩模ROM)：又稱為固定存儲器。,只讀存儲器（二）,由器件制造廠家根據(jù)用戶事先編好的機器碼程序，把0、1信息存儲在掩模圖形中而制成的ROM芯片。這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中每個MOS管所存儲的信息0或1被固定下來，不能再改變，而只能讀出。如果要修改其內(nèi)容，只有重新制作。只適用于大批量生產(chǎn)，不適用于科學研究。,17,2.一次性可編程ROM(PROM)：,只讀存儲器（三）,為克服掩模式MOSROM芯片不能修改內(nèi)容的缺點，設(shè)計了可編程只讀存儲器PROM(ProgrammableROM)?？删幊讨蛔x存儲器出廠時各單元內(nèi)容全為0（或全為0），用戶可用專門的PROM寫入器將信息寫入，這種寫入是破壞性的，即某個存儲位一旦寫入1，就不能再變?yōu)?，因此對這種存儲器只能進行一次編程。根據(jù)寫入原理PROM可分為兩類：結(jié)破壞型和熔絲型。用于小批量產(chǎn)品。,PROM芯片雖然可供用戶進行一次修改程序，但有其局限性。為便于研究工作，試驗各種ROM程序方案，研制了可擦除、可再編程的ROM，即EPROM（ErasablePROM）。,3.可擦除、可再編程的只讀存儲器,EPROM芯片出廠時，是未編程的。EPROM中寫入的信息有錯或不需要時，可用兩種方法擦除原存的信息。,只讀存儲器（四）,19,只讀存儲器（五）,紫外線擦除可編程ROM(EPROM)：利用專用紫外線燈對準芯片上的石英窗口照射10-20分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復出廠的狀態(tài)，經(jīng)過照射后的EPROM，就可再寫入信息?？芍貜筒脸先f次。寫好信息的EPROM為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口上。這種方法只能把存儲的信息全部擦除后再重新寫入，它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時間也較長。另外，要借助EPROM擦除器和專用編程器進行擦除和寫入程序，很不方便。用于產(chǎn)品開發(fā)。,20,電可擦除可編程ROM(E2PROM)：,只讀存儲器（六）,采用浮柵技術(shù)，用電擦除，即EEPROM，可重復擦寫，并且擦除的速度要快的多。電擦除過程就是改寫過程，只要通過廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫芯片內(nèi)部的內(nèi)容，徹底擺脫了EPROM擦除器和編程器的束縛。它具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，可隨時改寫。,21,4.快閃存儲器(FlashMemory)：,只讀存儲器（七）,采用浮柵型MOS管，存儲器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)據(jù)寫入方式與EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/寫入100萬次以上。是一種不需要電力就能保存資料的可重寫的記憶體。市面上的儲存卡、U盤、MP3播放器、數(shù)碼照相機和部分手機都是使用閃存。,組成：存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路、控制電路,半導體存儲器組成,存儲信息1或0的電路實體，由許多存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址單元號。每個存儲單元由若干相同位組成，每個位需要一個存儲元件。存儲器的地址用一組二進制數(shù)表示，其地址線的位數(shù)n與存儲單元的數(shù)量N之間的關(guān)系為：,存儲體,包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。,地址譯碼方式有兩種：單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）,地址選擇電路,雙譯碼方式（或稱重合譯碼）,單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）,全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對應地址碼的存儲單元。N條地址線，地址譯碼后，輸出2n種不同編號的字線。需要的選擇線數(shù)較多，只適合容量較小的存儲器。,單譯碼方式,雙譯碼方式（或稱重合譯碼）,地址碼分為X和Y兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。X向譯碼也稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元。Y向譯碼也稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元。只有X向和Y向選擇線同時選中的那一位存儲單元，才能進行讀或?qū)懖僮?。需要的選擇線數(shù)目較少，簡化了存儲器結(jié)構(gòu)，適合于大容量的存儲器。,雙譯碼方式（一）,27,雙譯碼方式（二）,包括讀/寫放大器、數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等，是數(shù)據(jù)信息輸入和輸出的通道。外界對存儲器的控制信號有讀信號（RD）、寫信號（WR）和片選信號（CS）等，通過控制電路以控制存儲器的讀或?qū)懖僮饕约捌x。只有片選信號處于有效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。,讀/寫電路與控制電路,由6個MOS管組成的RS觸發(fā)器。信息暫存于T1,T2柵極上。,1.靜態(tài)RAM的基本存儲電路,T1,T2,T3,T4組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，T3,T4是T1,T2的負載。,若T1截止,則A=1,使T2導通,于是B=0。而B=0保證了T1截止，處于穩(wěn)定狀態(tài)。,反之，T1導通,T2截止,為另一種穩(wěn)定狀態(tài)。,T5,T6行向選通門,T7,T8列向選通門,分別受行/列選線上電平的控制。,靜態(tài)隨機存儲器（一）,2.靜態(tài)RAM組成(4Kx1位),通常，1個RAM芯片的存儲容量是有限的,需要用若干個才能構(gòu)成1個實用存儲器。每塊芯片都有一個片選信號。,靜態(tài)隨機存儲器（二）,地址碼A0-A11加到RAM芯片的地址輸入端，經(jīng)X與Y地址譯碼器譯碼，產(chǎn)生行選與列選信號，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，經(jīng)一定時間，出現(xiàn)在I/O電路的輸入端。I/O電路對讀出的信號進行放大、整形，送至輸出緩沖寄存器。緩沖寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒有開門信號，所存數(shù)據(jù)還不能送到DB上。,3.靜態(tài)RAM的讀/寫過程,讀出過程,靜態(tài)隨機存儲器（三）,在送上地址碼的同時，還要送上讀/寫控制信號和片選信號。讀出時，使R/W=1，CS=0，這時，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存信息送至DB上。于是，存儲單元中的信息被讀出。,地址碼加在RAM芯片的地址輸入端，選中相應的存儲單元，使其可以進行寫操作。將要寫入的數(shù)據(jù)放在DB上。加上片選信號CS=0及寫入信號R/W=0。這兩個有效控制信號打開三態(tài)門使DB上的數(shù)據(jù)進入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。,寫入過程,靜態(tài)隨機存儲器（五）,33,靜態(tài)RAM芯片有2114、2142、6116、6264等。例如：常用的Intel6116是CMOS靜態(tài)RAM芯片，雙列直插式、21引腳封裝。它的存儲容量為2K8位，其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.7所示：,4.靜態(tài)RAM芯片舉例,靜態(tài)隨機存儲器（六）,34,靜態(tài)隨機存儲器（七）,動態(tài)RAM芯片是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管組成，以三管和單管較為常用。由于它所需要的管子較少，故可擴大每片存儲器芯片的容量，并且其功耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數(shù)采用動態(tài)RAM芯片。,動態(tài)隨機存儲器,36,由3個管子和2條字選擇線，2條數(shù)據(jù)線組成。,三管動態(tài)基本存儲電路,寫數(shù)控制管,讀數(shù)控制管,存儲管,預充電管,輸出電容,柵極電容,動態(tài)基本存儲電路（一）,寫操作時，寫選擇線上為高電平，T1導通。待寫入的信息由寫數(shù)據(jù)線通過T1加到T2管的柵極上，對柵極電容Cg充電。若寫入1，則Cg上充有電荷；若寫入0，則Cg上無電荷。寫操作結(jié)束后，T1截止，信息被保存在電容Cg上。,讀操作時，在T4管柵極加上預充電脈沖，使T4管導通，讀數(shù)據(jù)線因有寄生電容CD而預充到1。使讀選擇線為高電平,T3管導通。若T2管柵極電容Cg上已存有“1”信息，則T2管導通。這時，讀數(shù)據(jù)線上的預充電荷將通過T3，T2而泄放，于是，讀數(shù)據(jù)線上為0。若T2管柵極電容上所存為“0”信息，則T2管不導通，則讀數(shù)據(jù)線上為1。經(jīng)過讀操作，在讀數(shù)據(jù)線上可讀出與原存儲相反的信息。若再經(jīng)過讀出放大器反相后，就可得到原存儲信息了。,對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉電，Cg電荷也會在幾毫秒之內(nèi)逐漸泄漏掉，而丟失原存1信息。為此，必須每隔1ms3ms定時對Cg充電，以保持原存信息不變，即動態(tài)存儲器的刷新（或叫再生）。,動態(tài)基本存儲電路（二）,需要有刷新電路。周期性地讀出信息，但不往外輸出（由讀信號RD為高電平來保證），經(jīng)三態(tài)門（刷新信號RFSH為低電平時使其導通）反相，再寫入Cg，就可實現(xiàn)刷新。,由T1管和寄生電容Cs組成。,單管動態(tài)基本存儲電路,動態(tài)基本存儲電路（三）,寫入時，使字選線上為高電平，T1管導通，待寫入的信息由位線D（數(shù)據(jù)線）存入Cs。讀出時，同樣使字選線上為高電平，T1管導通，則存儲在Cs上的信息通過T1管送到D線上，再通過放大，即可得到存儲信息。,39,為節(jié)省面積，電容Cs不可能做得很大，一般使CsCD。這樣，讀出“1”和“0”時電平差別不大，故需鑒別能力高的讀出放大器。Cs上信息被讀出后，其電壓由0.2V下降為0.1V，是破壞性讀出。要保持原存信息，讀出后必須重寫。使用單管電路，其外圍電路比較復雜。但因使用管子最少，4K以上容量較大的RAM，大多采用單管電路。,動態(tài)基本存儲電路（七）,40,Intel2116單管動態(tài)RAM芯片的引腳和邏輯符號如圖。,兼片選信號,動態(tài)RAM舉例（一）,41,Intel2116芯片存儲容量為16Kx1位，需要14條地址輸入線，但2116只有16條引腳。由于受封裝引線的限制，只用了A0到A67條地址輸入線，數(shù)據(jù)線只有1條(1位)，而且數(shù)據(jù)輸入(DIN)和輸出(DOUT)端是分開的，有各自的鎖存器。寫允許信號WE為低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。需要3種電源。類似芯片：2164，3764，4164等DRAM芯片。,動態(tài)RAM舉例（二）,42,214=16x1024=27x27128x128=16Kx1,動態(tài)RAM舉例（三）,動態(tài)基本存儲電路所需管子數(shù)目比靜態(tài)要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。由于要刷新，需增加刷新電路，外圍控制電路比較復雜。靜態(tài)RAM盡管集成度低些，但靜態(tài)基本存儲電路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較簡單。究竟選用哪種RAM，要綜合比較各方面的因素決定。,隨機存儲器小結(jié),ROM存儲元件可看作是一個單向?qū)ǖ拈_關(guān)電路。當字線上加有選中信號時:如果電子開關(guān)S是斷開的，位線D上將輸出信息1；如果S是接通的，則位線D經(jīng)T1接地，將輸出信息0。,ROM存儲信息原理（一）,與RAM相似，由地址譯碼電路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。,ROM存儲信息原理（二）,16個存儲單元，字長為1位的ROM示意圖。,采用復合譯碼方式，行地址譯碼和列地址譯碼各占2位地址碼。,例：地址A3A0為0110,ROM存儲信息原理（三）,對某一固定地址單元而言，僅有一根行選線和一根列選線有效，相交單元即為選中單元，根據(jù)被選中單元的開關(guān)狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上將讀出0或1信息。如，若地址A3A0為0110，行選線X2及列選線Y1有效，圖中有*號的單元被選中，其開關(guān)S是接通的，故讀出的信息為0。片選信號有效時，打開三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數(shù)據(jù)總線上。圖中所示是16個存儲單元的1位，8個這樣陣列，才能組成一個168位的ROM存儲器。,ROM存儲信息原理（四）,48,2716EPROM芯片容量為2K8位，采用NMOS工藝和雙列直插式封裝，24條引腳。,1.Intel2716引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu),11條地址線，27(行)x24(列)=128x16=2K,EPROM芯片實例（一）,49,2.Intel2716工作方式,類似EPROM芯片：2732(4Kx8),2764(8Kx8),27128(16Kx8),27256(32Kx8)等。,EPROM芯片實例（二）,兩個重要問題：如何用容量較小、字長較短芯片，組成微機系統(tǒng)所需的存儲器；地址線根數(shù)取決于芯片容量。存儲器與CPU的連接方法及應注意問題。,存儲器的連接,用1位或4位的存儲器芯片構(gòu)成8位的存儲器，可采用位并聯(lián)的方法。,1.位數(shù)的擴充,存儲器芯片的擴充（一）,用8片2Kx1位的芯片組成容量為2Kx8位的存儲器，各芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的各位，而地址線的相應位及各控制線，則并聯(lián)在一起。,2Kx1,存儲器芯片的擴充（二）,53,用2片1Kx4位的芯片，組成1Kx8位的存儲器。一片芯片的數(shù)據(jù)線接數(shù)據(jù)總線的低4位，另一片芯片的數(shù)據(jù)線則接數(shù)據(jù)總線的高4位。兩片芯片的地址線及控制線則分別并聯(lián)在一起。,存儲器芯片的擴充（三）,當擴充存儲容量時，采用地址串聯(lián)的方法。要用到地址譯碼電路，以其輸入的地址碼來區(qū)分高位地址，而以其輸出端的控制線來對具有相同低位地址的幾片存儲器芯片進行片選。地址譯碼電路是一種可以將地址碼翻譯成相應控制信號的電路。有2-4譯碼器，3-8譯碼器等。,2.地址的擴充,存儲器芯片的擴充（四）,存儲器芯片的擴充（五）,例：用4片16Kx8位的存儲器芯片組成64Kx8位存儲器。,芯片16Kx8地址為14位，芯片64Kx8地址碼應有16位。連接時，各芯片的14位地址線可直接接地址總線的A0A13，而地址總線的A15，A14則接到2-4譯碼器的輸入端，其輸出端4根選擇線分別接到4片芯片的片選CS端。,存儲器芯片的擴充（六）,任一地址碼時，僅有一片芯片處于被選中的工作狀態(tài)，各芯片的取值范圍如表所示。,存儲器芯片的擴充（七）,ROM、PROM或EPROM芯片都可與8086系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)程序存儲器。例如，EPROM芯片2716、2732、2764和27128，屬于以1字節(jié)寬度輸出組織的，因此，在連接到8086系統(tǒng)時，為了存儲16位指令字，要使用兩片這類芯片并聯(lián)組成一組。,1.只讀存儲器與8086CPU的連接,存儲器與CPU連接（一）,兩片2732EPROM與8086系統(tǒng)總線的連接示意圖。,2732是4Kx8位存儲器芯片。,存儲器與CPU連接（二）,微機系統(tǒng)的存儲器容量少于16K字時，宜采用靜態(tài)RAM芯片。因為大多數(shù)動態(tài)RAM芯片都是以16K1位或64K1位來組織的，并且，動態(tài)RAM芯片還要求動態(tài)刷新電路，這種附加的支持電路會增加存儲器的成本。8086CPU無論是在最小方式或最大方式下，都可以尋址1MB的存儲單元，存儲器均按字節(jié)編址。,2.靜態(tài)RAM與8086CPU芯片的連接,存儲器與CPU連接（三）,2片靜態(tài)RAM6116(2Kx8位)組成2K字數(shù)據(jù)存儲器。,存儲器與CPU連接（四）,圖5.21給出了8086CPU組成的單處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。8086接成最小工作方式。當機器復位時，8086將執(zhí)行FFFF0H單元的指令。,3.EPROM、靜態(tài)RAM與8086CPU連接的實例,系統(tǒng)具有32K字節(jié)的EPROM區(qū)，使用了8片2732(4Kx8)EPROM芯片。兩片一組。系統(tǒng)還具有16K字節(jié)的RAM區(qū)，使用了8片6116(2Kx8)靜態(tài)RAM芯片。兩片一組。,存儲器與CPU連接（五）,63,存儲器與CPU連接（六）,CPU外部總線的負載能力，即能帶一個標準的TTL負載。對于MOS存儲器來說，它的直流負載很小，主要是電容負載，故在小系統(tǒng)中，CPU可與存儲器直接相連。在較大的存儲系統(tǒng)中，連接的存儲器芯片片數(shù)較多，就會