微機(jī)原理及接口技術(shù)第7章

第七章第7章半導(dǎo)體存儲器及其接口教學(xué)重點(diǎn)芯片SRAM2114和DRAM4116

芯片EPROM2764和EEPROM2817ASRAM、EPROM與CPU的連接7.1半導(dǎo)體存儲器概述除采用磁、光原理的輔存外，其它存儲器主要都是采用半導(dǎo)體存儲器本章介紹采用半導(dǎo)體存儲器及其組成主存的方法CPU寄存器CACHE主存（內(nèi)存）輔存（外存）7.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類按用途分類內(nèi)部存儲器（內(nèi)存、主存）外部存儲器（外存、輔存）按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體集成電路存儲器磁存儲器光存儲器7.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類（續(xù)）按制造工藝雙極型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用屬性隨機(jī)存取存儲器RAM：可讀可寫、斷電丟失只讀存儲器ROM：正常只讀、斷電不丟失詳細(xì)分類，請看圖示圖7.1半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器只讀存儲器（ROM）隨機(jī)存取存儲器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式MROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）詳細(xì)展開，注意對比7.1.2存儲器的主要性能參數(shù)存儲容量對于M位地址總線、N位數(shù)據(jù)總線的半導(dǎo)體存儲器芯片的存儲容量則為2M×N位芯片的存儲容量＝2M×N＝存儲單元數(shù)×存儲單元的位數(shù)存取速度存取時間(AccessTime)TA：啟動一次存儲器操作，到完成該操作所經(jīng)歷的時間存儲周期(MemoryCycle)TMC：為連續(xù)進(jìn)行兩次獨(dú)立的存儲器操作之間所需的最小時間間隔可靠性MTBF(MeanTimeBetweenFailures)，即平均故障間隔時間來衡量，MTBF越長，可靠性越高性能／價格比7.1.3微機(jī)存儲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)CPU寄存器CACHE主存（內(nèi)存）輔存（外存）用戶對存儲器的要求7.2半導(dǎo)體存儲器結(jié)構(gòu)與原理本節(jié)主要介紹典型半導(dǎo)體存儲器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其存儲原理7.2.1

半導(dǎo)體存儲器芯片的結(jié)構(gòu)地址鎖存地址譯碼存儲體控制電路AB數(shù)據(jù)緩沖讀寫電路DBOEWECS①存儲體存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息②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③

片選和讀寫控制邏輯選中存儲芯片，控制讀寫操作①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)一個存儲單元提供并行操作的位單元數(shù)稱為存儲器的字長

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)

②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A3A4A501764個單元單譯碼雙譯碼單譯碼：使用一個譯碼電路對全部地址進(jìn)行譯碼，經(jīng)過字選擇直接選中指定的存儲單元，各存儲單元按一維方向排列（一列或一行）雙譯碼：將地址分為X行和Y行兩部分，用兩個譯碼電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生行選擇和列選擇線，交叉為指定的存儲單元。雙譯碼可減少譯碼線例題例題：用存儲器芯片組成內(nèi)存，在存儲器芯片內(nèi)部存儲單元采用矩陣排列，主要是可以節(jié)省存儲器芯片內(nèi)部譯碼電路。若要組成512字節(jié)的內(nèi)存，不用矩陣形式來組織這些單元就需要條譯碼線，采用矩陣形式來排列，譯碼線就可以降低到條。51248③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（只有RAM芯片或EEPROM芯片才有此引腳）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)的寫控制線例題例：某一SRAM芯片其容量2KB（2K*8），除電源和接地線之外，該芯片引出線的最小數(shù)目

。A、24B、26C、20D、22D7.2.26管SRAM存儲單元T3、T4為放大管，T1、T2為有源負(fù)載管。T5、T6是行選門控管，當(dāng)行選信號為高電平時導(dǎo)通，使觸發(fā)器A點(diǎn)與原碼數(shù)據(jù)線D接通，B點(diǎn)與反碼數(shù)據(jù)線D接通

字或行選線 ABT5T6T1T2T3T4DD寫“1”，A點(diǎn)為高電平，

B點(diǎn)為低電平，使T4截止，T3導(dǎo)通。當(dāng)行選信號消失后，T3和T4的互鎖將保持寫入的狀態(tài)不變，并由電源提供其工作電流，只要不斷電，該狀態(tài)就將一直保持下去。如果要寫“0”，則有關(guān)狀態(tài)相反

當(dāng)選中該單元讀信息時，若A點(diǎn)為高電平，B點(diǎn)為低電平，則讀出“1”，否則讀出“0”六管靜態(tài)MOS存儲單元7.2.3單管DRAM存儲單元Cs上充有電荷時，表示存儲了信息“1”，當(dāng)電容上無電荷（未充電或被放電）時，表示存儲了信息“0”。進(jìn)行讀操作時，若有放電電流，則讀出了“1”，否則讀出了“0”CS行選擇線TS數(shù)據(jù)線三個問題：讀放大：讀出“1”時，輸出的高電平只有0.1V左右，使用高靈敏度的讀出放大器對輸出信號進(jìn)行放大讀重寫。進(jìn)行一次讀操作后，Cs中的電荷將幾乎被放完，破壞性讀出。每次讀操作后必須利用讀出放大器進(jìn)行一次重寫操作。動態(tài)刷新。由于漏電，Cs中的電荷也會在2ms左右的時間內(nèi)消失，而丟失“1”信息。必須定期進(jìn)行刷新操作，方法是每隔1－2ms自動進(jìn)行一次“空讀”操作

ROM主要由地址譯碼器、

存儲矩陣、

輸出電路三部分組成。7.2.4、ROM的結(jié)構(gòu)及工作原理存儲容量＝2n×b（位）存儲單元地址4×4位ROM地址譯碼器存儲體存儲內(nèi)容7.3

典型的半導(dǎo)體存儲芯片靜態(tài)RAMSRAM2114SRAMHM6116動態(tài)RAMDRAM4116DRAM2164EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A7.3.1靜態(tài)RAMSRAM的基本存儲單元是觸發(fā)器電路每個基本存儲單元存儲二進(jìn)制數(shù)一位許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣SRAM一般采用“字結(jié)構(gòu)”存儲矩陣：每個存儲單元存放多位（4、8、16等）每個存儲單元具有一個地址SRAM芯片HM6116

24個引腳11條地址線8條數(shù)據(jù)線1條電源線Vcc和1條接地線GND3條控制引腳芯片允許（選中）CE（E）

寫允許信號WE（W）輸出允許信號OE（G）

典型的SRAM芯片HM6116芯片內(nèi)共有16384（16K）個存儲位單元，字長8位，共2K個字，構(gòu)成2KB的內(nèi)存。

三位控制信號的組合控制6116芯片的工作方式。引腳

工作方式CEOEWED0—D7未選中（待用）HXX高阻讀出LLHDout寫入LHLDinSRAM芯片2114存儲容量為1024×418個引腳：10根地址線A9～A04根數(shù)據(jù)線I/O4～I(xiàn)/O1片選CS讀寫R/W123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4R/WA6A5A4A3A0A1A2CSGND功能SRAM2114的功能工作方式CSR/WI/O4～I(xiàn)/O1未選中讀操作寫操作100×10高阻輸出輸入7.3.2動態(tài)RAMDRAM的基本存儲單元是單個場效應(yīng)管及其極間電容必須配備“讀出再生放大電路”進(jìn)行刷新每次同時對一行的存儲單元進(jìn)行刷新每個基本存儲單元存儲二進(jìn)制數(shù)一位許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣DRAM一般采用“位結(jié)構(gòu)”存儲體：每個存儲單元存放一位需要8個存儲芯片構(gòu)成一個字節(jié)單元每個字節(jié)存儲單元具有一個地址DRAM芯片4116存儲容量為16K×116個引腳：7根地址線A6～A01根數(shù)據(jù)輸入線DIN1根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通RAS列地址選通CAS讀寫控制WEVBBDINWERASA0A2A1VDDVSSCASDOUTA6A3A4A5VCC12345678161514131211109DRAM芯片2164存儲容量為64K×116個引腳：8根地址線A7～A01根數(shù)據(jù)輸入線DIN1根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通RAS列地址選通CAS讀寫控制WENCDINWERASA0A2A1GNDVSSCASDOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111097.3.3EPROM頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息一般使用專門的編程器（燒寫器）進(jìn)行編程編程后，應(yīng)該貼上不透光封條出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息1編程就是將某些單元寫入信息0EPROM芯片2716存儲容量為2K×824個引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線DO7～DO0片選/編程CE/PGM讀寫OE編程電壓VPP功能VDDA8A9VPPOEA10CE/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2VssEPROM2716的功能工作方式CE/PGMOEVCCVPPDO7～DO0待用1×＋5V＋5V高阻讀出00＋5V＋5V輸出讀出禁止01＋5V＋5V高阻編程寫入正脈沖1＋5V＋25V輸入編程校驗(yàn)00＋5V＋25V輸出編程禁止01＋5V＋25V高阻EPROM芯片2764存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CE編程PGM讀寫OE編程電壓VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMNCA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615EPROM芯片2725612345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14Vcc27256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256邏輯圖7.3.4EEPROM用加電方法，進(jìn)行在線（無需拔下，直接在電路中）擦寫（擦除和編程一次完成）有字節(jié)擦寫、塊擦寫和整片擦寫方法并行EEPROM：多位同時進(jìn)行串行EEPROM：只有一位數(shù)據(jù)線EEPROM芯片2817A存儲容量為2K×828個引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線I/O7～I(xiàn)/O0片選CE讀寫OE、WE狀態(tài)輸出RDY/BUSY功能NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GNDVccWENCA8A9NCOEA10CEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O312345678910111213142827262524232221201918171615EEPROM2817A的功能工作方式CEOEWERDY/BUSYI/O7～I(xiàn)/O0讀出維持字節(jié)寫入0100×11×0高阻高阻0輸出高阻輸入EEPROM芯片2864A存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線I/O7～I(xiàn)/O0片選CE讀寫OE、WEVccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615內(nèi)存條

內(nèi)存條是集中了多塊大容量DRAM芯片的內(nèi)存模塊。7.4半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接這是本章的重點(diǎn)內(nèi)容譯碼和譯碼器存儲器容量擴(kuò)充技術(shù)存儲器芯片片選端的處理7.4.1譯碼和譯碼器譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯一一個“有效輸出”的過程N(yùn)位編碼輸入2N位譯碼輸出唯一有效的輸出其余均無效譯碼器譯碼器件：采用門電路組合邏輯進(jìn)行譯碼采用集成譯碼器進(jìn)行譯碼，常用的器件有：2-4（4選1）譯碼器74LS1393-8（8選1）譯碼器74LS1384-16（16選1）譯碼器74LS154地址74LS1387.4.2存儲器容量擴(kuò)充技術(shù)通常單片存儲芯片的容量不能滿足系統(tǒng)要求，需要多片組合來擴(kuò)充存儲器的容量。存儲器擴(kuò)充分為位擴(kuò)充，字?jǐn)U充和字位擴(kuò)充。(1).位擴(kuò)充當(dāng)實(shí)際存儲器芯片每個單元的位數(shù)和系統(tǒng)需要內(nèi)存單元字長不等時采用的方法。用1K*1的靜態(tài)芯片位擴(kuò)充1KB的存儲器，需要芯片數(shù)為8。地址線A0-A9分別連在一起，各芯片的片選信號CS和讀/寫信號WE都分別連接在一起。（2）、字?jǐn)U充當(dāng)存儲器芯片上每個存儲單元的字長已滿足要求，但存儲單元的個數(shù)不夠時，需要增加存儲單元的數(shù)量，這就稱為字?jǐn)U充。

1K*8的芯片擴(kuò)充組成4KB，需要4片4片芯片的地址范圍為：

000H-3FFH，400H-7FFH，800H-BFFH，C00H-FFFH（3）、字位擴(kuò)充需要同時進(jìn)行位擴(kuò)充和字?jǐn)U充才能滿足系統(tǒng)存儲容量要求的方法稱為字位擴(kuò)充。要構(gòu)成128KB的內(nèi)存，需要64K*1的芯片片，先位擴(kuò)充，再字?jǐn)U充。例：組成8K字節(jié)的存儲器，需要256*4位的存儲芯片

片。16647.4.3存儲器芯片片選端的處理當(dāng)多個存儲器芯片組成存儲器時，CPU對某一存儲單元的尋址要經(jīng)過兩個選擇：一是通過片選選擇存儲芯片。二是通過片內(nèi)尋址從該芯片中選擇某一存儲單元。片內(nèi)尋址是經(jīng)片內(nèi)的地址譯碼電路實(shí)現(xiàn)的。片選是由地址的高位部分提供，通過存儲器外部的有關(guān)電路產(chǎn)生的。（1）、線選法地址的高位直接作為各個芯片的片選信號，在尋址時只有一位有效來使片選信號有效的方法稱為線選擇法。只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，且每根負(fù)責(zé)選中一個芯片（組）雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴(yán)重浪費(fèi)6116（2K*8）實(shí)現(xiàn)8KB的內(nèi)存各芯片的尋址范圍：7000H-77FFH，6800H-6FFFH，5800H-5FFFH，3800-3FFFH（2）、部分譯碼法用部分高位地址進(jìn)行譯碼產(chǎn)生片選信號只有部分高位地址線參與對存儲芯片的譯碼。

這樣，每個存儲單元將對應(yīng)多個地址，導(dǎo)致“地址重疊”，這種情況要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中避免。優(yōu)點(diǎn)：可簡化譯碼電路的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費(fèi)（3）、完全譯碼法全部高位地址譯碼產(chǎn)生片選信號。優(yōu)點(diǎn)：充分利用了CPU的地址引腳，適用于大容量內(nèi)存系統(tǒng)和需要擴(kuò)充內(nèi)存容量的系統(tǒng)。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜產(chǎn)生片選信號的譯碼電路可采用很多方式7.5

PC系列微機(jī)的內(nèi)存組織

8086CPU有20位地址線，可直接尋址1M字節(jié)的內(nèi)存地址空間。8086CPU的16位微機(jī)系統(tǒng)，要求內(nèi)存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存的一次訪存操作既可以處理一個16位字，當(dāng)然也可以只處理一個字節(jié)。

但是內(nèi)存組織是按字節(jié)順序排列

.7.5.1內(nèi)存分體結(jié)構(gòu)8086系統(tǒng)中1M字節(jié)的內(nèi)存地址空間實(shí)際上分成兩個512K字節(jié)的存儲體——“偶地址存儲體”和“奇地址存儲體”。偶地址存儲體連接8086低8位數(shù)據(jù)總線D7—D0，奇地址存儲體連接8086高8位數(shù)據(jù)總線D15—D8。地址總線的Al9—A1與兩個存儲體中的地址線Al8—A0直接連接。最低位地址線A0和8086的“總線高允許”BHE信號則用來選擇存儲體。BHE與A0的組合控制BHEA0操作涉及的數(shù)據(jù)線00讀/寫從偶數(shù)地址開始的一個字

D15－D0

01讀/寫奇數(shù)地址的一個字節(jié)

D15－D8

0110讀/寫從奇數(shù)地址開始一個字先讀/寫奇地址字節(jié)后讀/寫偶地址字節(jié)

D15－D8D7－D0

10讀/寫偶數(shù)地址的一個字節(jié)

D7－D0

11無效

當(dāng)16位字的訪問內(nèi)存地址為偶數(shù)地址時，A0為低電平而自動選中偶地址存儲體，并由地址Al9—A1選中其中的一個字節(jié)；同時，CPU將自動置BHE為低電平，選中奇地址存儲體，同樣由地址Al9—A1選中其中的一個字節(jié)，顯然該字節(jié)的地址等于所給偶數(shù)地址加1。這樣，分屬于兩個存儲體但地址碼連續(xù)的兩個字節(jié)將分別通過數(shù)據(jù)總線的高8位和低8位同時傳送，從而在一個總線周期中完成16位字的訪存操作，這也是標(biāo)準(zhǔn)工作情況。

內(nèi)存訪問的兩種情況標(biāo)準(zhǔn)工作情況若訪問內(nèi)存地址為奇地址時，A0為高電平，無法自動選中偶地址存儲體，則CPU只能使用兩個總線周期分兩步完成所要求的訪存操作：第一步，將BHE置低電平，在奇地址存儲體中選中指定的一個字節(jié)，通過數(shù)據(jù)總線的高8位傳送，在一個總線周期中完成第一字節(jié)的訪存操作。第二步，將所給奇數(shù)地址加1成為偶數(shù)地址，將BHE置高電平,A0置低電平，選中偶地址存儲體中的指定字節(jié)，通過數(shù)據(jù)總線的低8位傳送，在第二個總線周期中完成第二字節(jié)的訪存操作。這種情況需要使用兩個總線周期才能完成16位字的訪存操作。非標(biāo)準(zhǔn)工作情況P1471、系統(tǒng)內(nèi)存（SM）2、擴(kuò)展內(nèi)存(XMS)（不做要求）3、擴(kuò)充內(nèi)存(EMS)（不做要求）7.5.2內(nèi)存空間分布1．系統(tǒng)內(nèi)存（SystemMemory）

系統(tǒng)內(nèi)存對應(yīng)的地址范圍是00000H—FFFFFH，可分成：常規(guī)內(nèi)存保留內(nèi)存兩部分。常規(guī)內(nèi)存常規(guī)內(nèi)存。這是系統(tǒng)內(nèi)存中地址從00000H—9FFFFH的640KB的RAM區(qū)，又稱為“基本內(nèi)存”、傳統(tǒng)內(nèi)存”、“實(shí)存”。該內(nèi)存區(qū)主要用來存放操作系統(tǒng)的核心程序、系統(tǒng)工作參數(shù)和一些應(yīng)用程序。其最底端的00000H—003FFH為中斷向量表。保留內(nèi)存

A0000H—BFFFFH為128KB的視頻緩沖區(qū)，用于緩存顯示的視頻圖形和文本信息。

C0000H—DFFFFH為128KB的ROM擴(kuò)充區(qū)，用于視頻圖像ROM、擴(kuò)充卡緩存和存放EMS頁面幀等。

E0000H—EFFFFH為64KB的保留區(qū)

F0000H—FFFFFH為64KB的系統(tǒng)ROM區(qū)，存放開機(jī)引導(dǎo)程序、診斷程序和系統(tǒng)BIOS。保留內(nèi)存，對應(yīng)地址從A0000H—FFFFFH，共384KB，由ROM或FlashROM及RAM組成。習(xí)題1、內(nèi)存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的

裝置，用來存放

和

。2、Intel4116RAM芯片容量為2K8，訪問該芯片須用

根地址線。3存貯器分為

、

、

、

。存儲程序數(shù)據(jù)11內(nèi)部寄存器高速緩存內(nèi)存外存4、8086CPU寫入一個規(guī)則字，數(shù)據(jù)線的高8位寫入

存儲體，低8位寫入

存儲體。5、對6116進(jìn)行讀操作，6116引腳=

，=

，=

。奇偶0106、隨機(jī)存貯器即RAM是指（）

A.存貯單元中所存信息是隨機(jī)的。

B.存貯單元中的地址是隨機(jī)的。

C.用戶的程序和數(shù)據(jù)可隨機(jī)的放在內(nèi)存的任何地方。

D.存貯器中存取操作與時間存貯單元物理位置順序無關(guān)。D7、動態(tài)存貯器刷新，下面哪種說法正確（）

A.刷新可在CPU執(zhí)行程序過程中進(jìn)行

B.刷新在外電路控制下，定時刷新，但刷新時，信息不讀出

C.在正常存貯器讀操作時也會發(fā)生刷新，可防止刷新影響讀出信息，故讀操作時，應(yīng)關(guān)閉電路工作。

D.刷新過程一定伴隨著信息輸出，無法控制，故刷新時不要進(jìn)行讀出操作。B8、用4K×8的存貯芯片，構(gòu)成64K×8的存貯器，需使用多少4K×8的存貯芯片，正確答案為（）

A.128片B.16片C.8片D.32片B9、動態(tài)RAM芯片容量為16K×1位，要構(gòu)成32K字節(jié)的RAM存貯器，需要該芯（）

A.4片B.8片C.16片D.32片10