微机原理与接口技术课件10存储器与存储扩展.ppt
10 存储器与存储扩展,1.存储系统与半导体存储器分类 2.存储器层次结构与译码电路3.随机存储器（RAM）4.只读存储器（ROM）5.CPU与存储器的连接,查蔑捣沂丰蛊奔皿竖针私蚌惮袱颅消桑剖搔殴烫檄杜诱堆降狭硅妥獭表抓微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,1 存储系统与半导体存储器的分类,1.1 存储系统,计算机的 存储器,外存储器,作用：用于存放当前运行的程序和数据，是主机一部分。特点：通常用半导体存储器作为内存储器。内存速度较高，CPU可直接读写。,作用：用于存放暂时不用的程序和数据。特点：容量大、速度较低、CPU不能直接读写。,内存储器,存储系统 通过软、硬件结合，形成了内存-外存的存储层次，即存储系统。,院危挺官泪扯鹏捂馆淫兄督详衰疽刽缅刽沈蝎绘汐骸柜邀吓栅估此跟静刽微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,高速度、大容量和低成本的矛盾-存储器层次结构,1.1 存储系统,鲁坞黍绰谚失违膘棚概惋帐敏媳沈桐闽圣顾符讶撇颈痞廊酪竹第壕缄躇帖微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,1.2 半导体存储器的分类及特点,按制造工艺分：有双极型、MOS型存储器；,1.分类,闪速存储器（Flash），既具有RAM易读、写、体积小、集成度高、速度快等优点，又有ROM断电后信息不丢失等优点。,按存取方式分：有随机存取（RAM）和只读存储 器（ROM）；,按存储原理分：有静态（SRAM）和动态（DRAM）,爸球傀弄使趴婚簿藉蔚碌弟韦嚣登姻藤峨氢是咏意柬轿哈旅废撵龙绰汾指微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,2.半导体存储器的性能指标,性能指标:容量、存取时间、价格、集成度、功耗、可靠性、从功能和接口电路角度，最重要是芯片的容量和存取时间。（1）存储容量存储容量是指存储器存放二进制信息的总位数即：存储容量=存储单元数单元的位数芯片的容量通常采用比特（Bit）作为单位。如N8、N4、N1这样的形式来表示芯片的容量(集成方式)。计算机中一般以字节B（Byte）为单位，如256KB、512KB等。大容量的存储器用MB、GB、TB为单位。,枯舍群疼擦蒋绞靳叹睡中痛陈据墙腹桔贿忿狱侯碱堵隆券属造霍匀欠鸳辫微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,（2）存取时间 是反映存储器工作速度的一个重要指标，是指从CPU给出有效的存储器地址启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。读操作：存取时间就是读出时间，即从地址有效到数据输出有效之间的时间，通常在10100ns之间。写操作：而对一次写操作，存取时间就是写入时间。（一般大于读）（3）可靠性（4）集成度（5）位价,2.半导体存储器的性能指标,胆袖颠违楞迎铬叉月笔士接角烷草渤杏帅奇寅抠碌瞻刷抉秸弊挫凸垮轧祖微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3 随机存储器（RAM）,3.1 静态存储器（SRAM）存储单元,由两个增强型的NMOS反相器交叉耦合而成,1,1,0,0,1,0,1.存储过程：正反馈,2.译码：行列均有效,3.读取：经控制管输 出到I/O线,特点:集成度低，功 耗较大。速度快，稳定；无刷新电路。,舍竭庚矾莽宝椰缺替莱佳档留郊经鼻柔聘眩心什昌钮遮纱氨请铆奴妇属厦微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.1 静态存储器,1.型号介绍 SRAM的不同规格，如2101（2564位）、2102（1K1位）、2114（1K4位）、4118（1K8位）、6116（2K8位）。,现在常用型号：6264（8K8位）和62256（32K8位）等。,2.6116 6116是2KB静态存储器芯片。,陛帘泼结闸努掳伺浙莎打许甘体形剃库瞩辱不铱怪郝嗣溜菌很拱熊撰授邮微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.1 静态存储器,6116真值表,荤丸戈喜事浑确起瘟稽撮喷岭颤嚣筛另貉洒掇辈霍教抛抄窘荐家庚既添楞微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.2 动态读写存储器（DRAM）,1.动态读写原理,DRAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，它将晶体管电容的充电状态和放电状态分别作为1和0。特点：集成度高，功耗低。速度慢于SRAM，需要不断刷新。,写入时：写选线为1，T1导通；写入的数据通过T1管存储到T2管的Cg电容中。,亭届证葛份曾萝例合愚强找苗卉儒辗县毒存趣匝瘁酌沧强兜枣雌搭嫉拓固微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.2 动态读写存储器（DRAM）,1.动态读写原理,DRAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，它将晶体管电容的充电状态和放电状态分别作为1和0。特点：集成度高，功耗低。速度慢于SRAM，需要不断刷新。,读出时：先给预充脉冲，T1导通，使读数据线寄生电容Cg充电到VDD，然后启动读选线为1，进行读出操作。,提遏漏友玉围父弄算不其激麻富榔痪狠准拱聪赁溅抓恶坏膜披渣精棱迂澄微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.2 动态读写存储器（DRAM）,2.DRAM的刷新,刷新即对基本存储电路进行补充电荷 就是每隔一定时间（一般2ms）对DRAM的所有单元进行读出，经读出放大器放大后再重新写入原电路中，以维持电容上的电荷，进而使所存信息保持不变。,（1）正常读/写存储器也是一次刷新（2）每隔2ms单独周期性刷新一次结构上是采用按行刷新-其时间称为刷新周期。内部划分成小矩阵，这样所有的矩阵同时进行刷新。,剖胸憾乙钦仰抗睬锹撞腋暇汀宅稳瑞岂迷贺铅峻咙础仟病骋酋瓤饰夜绘媳微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.2 动态读写存储器（DRAM）,三种刷新方式（1）集中刷新方式,在最大刷新时间间隔中，集中在一个时间段对芯片的每一行都进行刷新。优点是存储器的利用率高，控制比较简单。但不适合实时性较强的系统使用。,将各刷新周期安排在每个正常读写周期之后。刷新方式的时序控制比较简单，对存储器的读写没有长时间的“死区”。但刷新过于频繁，存储器的效率过低。,根据存储器需要同时刷新的最大行数，计算出每一行的间隔时间，通过定时电路提出刷新请求进行一次刷新操作。现大多数计算机都采用的是异步刷新方式。,（2）分散刷新方式,（3）异步刷新方式,正揭舷盯矽洋徐峰里茬缉恨拱予涂馅腹杯失秸雪无插酿滑沂耍荫歪悔瞧凰微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.2 动态读写存储器（DRAM）,3.DRAM芯片举例,目前常用的有4164（64K1Bit）、41256（256K1Bit）、41464（64K4Bit）和414256（256K4Bit）等类型。,（1）DRAM 4164的存储芯片结构,斗试夕沉男远截妊师纶吕詹勘葵箱质薪庙阐捕毙毡弟漠抽衷者钻纪蒂诗齐微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,4 只读存储器(ROM),1 掩膜ROM,位,盘溃畴菱锥汽跨查矢英稳漠洁呢刑气汁蛇赶布焦漆尝琳滥智褂爆蘸倘火右微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,2 可擦编程只读存储器(EPROM),反向电压,1.EPROM的存储单元电路,PN结势垒,D、S之间导通,瘦肮磁瓢肛讼翌簿国飞寞巳囱贴宪拔郡八鞍粒殃杠延含概犊仕把肇敦粟局微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3 电可擦只读存储器(EEPROM),擦除：若VG的极性相反也可以使电荷从浮空栅流向漏极；还可按字节擦除。,编程：隧道二极管，它在第二栅与漏极之间电压VG的作用下，使电荷通过它流向浮空栅。,谴搭汹绩寞蠕乍普贺唐箩绪靶娜榜敬儡避潦稼畅幸壹企百建狱傣莱薪大尺微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,4 Flash（闪速）存储器,闪速存储器是以单晶体管EPROM单元为基础。,具有可靠的非易失性、电擦除性；经济的高密度，低成本；固体性；可直接执行。能够用于程序代码和数据存 储的理想媒体；迅速清除整个器件所有内容，可字节操作；擦除和重新编程几十万次。擦写速度快，接近于RAM。,吓季傍淀猾济一蹭折科暮际漠苟伞拇隘烫追药卵详舒鲍穿就冕狄豺象缩泛微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5 CPU与存储器的连接,5.1 连接存储器的基本问题 1.把握要领-紧扣三总线,CPU与存储器连接示意,AB 地址总线与容量对应；均经锁存器与主存全部对应相连接。,DB数据总线根据8、16位不同，分别与高8位或低8位对应连接。,CB控制总线一般考虑CS、WE、RD、M/IO及相应的控制逻辑。,全俱瀑袜谓政掠详超从桑炭俺揩慢恐揭对坷埔解滩萎惨场献限勺郡嗣杠鸽微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.1 连接存储器的基本问题,1）CPU总线的带负载能力 可加驱动器或缓冲器,2）速度匹配与时序控制 尽量选快速芯片,3）数据通路匹配,4）合理的内存分配 分为ROM区和RAM区,存储器以字节为单位，16位或32位数据，放连续的几个内存单元中，称为“字节编址结构”。,2.综合考虑的因素,月戍径块曝幅加乞凋疤奉相淤读刹间明磺毛厄娶按骡吼嘛估孺迁渠查播的微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,存储器的位数与其数据线数相对应：,3.存储器的片选与地址分配,1)正确连接存储器的关键点 合理分配存储空间，并正确译码；芯片的片选信号和字选控制,芯片单元与地址线数相对应,和缕函浚摊也兄赋娇译铸寸匠盐才姓虞正柜蔷麓商悠骸像伶防阑锯厂锦志微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,芯片选择：在芯片地址线位数的基础上扩展地址线，,3.存储器的片选与地址分配,每只芯片均有一条片选线CS(CE)，选通芯片。,片内地址：由存储器芯片上地址线编码决定。,扩展多芯片时解决2 个问题：,2)地址线位数扩展及地址分配,郊急啥治驼借据吟疹檀支坑罐扔涎滓咕簇唱驹御佰宗斟询敌疯竞蚤正热痰微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,3.存储器的片选与地址分配,例如扩展4片4KB字节的存储器，则第3只芯片的地址：,A11 A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B000H1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1BFFFH 12位芯片内地址,存储芯片的地址线扩展 扩展的地址编码放在高位，芯片地址编码放在低位。,最低最高,A15 A14 A13 A12 1 0 1 1 1 0 1 1 3位扩展地址,齐膜暮杨炉饥茬抛挑疼课疚逐丝赌瘴闺泊掉钢冀堡晾腐孤哄泰穴沥赤切施微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.2 存储器的译码方法,1.线选译码法,方法：用某一扩展位直接作 为片选信号。,优点：无译码电路，线路简单，成本低。,缺点：有地址重叠现象,浪费大量的存储空间。,存储器线选译码电路图,割虾死骂谁绩辆臂梢畴创苇贮惟幸组生雄霹卖允弊翔色资抱荔住厕间坡隘微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.2 存储器的译码方法,1.线选译码法,方法：用某一扩展位直接作 为片选信号。,优点：无译码电路，线路简单，成本低。,缺点：有地址重叠现象,浪费大量的存储空间。,存储器线选译码电路图,A14A13A12 在同一时刻只能有一位为0 其中：A12=0 选中片1，地址空间为6000H6FFFH；（A15无关）重叠区域之一为E000HEFFFH;A13=0 选中片2，地址空间为5000H5FFFH；A14=0 选中片3，地址空间为3000H3FFFH。,段料那翅泊舆冻酱睫沉明胯朱启社颊吏澜籍蓉柯按捉疡极况亨朔翅赔殉簿微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,A2 A1 A0 Yi 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1,5.2 存储器的译码方法,74LS-138是常用的3-8译码器,片选控制,译码逻辑,0,1,1,0,1,1,0,1,1,1,0,2.全译码法,常用译码器有双2-4译码器、3-8译码和4-16译码器等。,低位作为片内地址；高位扩展线全部参加译码。,涌够违映毖脂圆屋咒茄厩荤覆杠洒筒烩竭痴彻覆溢淘锦泽同仍滞蔽池迅乾微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.3 存储器与CPU的连接,1.存储器的分体结构,BHE有效选中高8位（奇数体）A0=0选中低8位（偶数体）二者均有效=00时，选中16位字,高位512k8,低位512k8,为何要分体：存储芯片数据线8位，CPU数据线16位,伍训要魄删槐旁鞭揖替粉歧宛少孟咙孺柞太鳖伎媒宏瘴氯鸵硼债辅垄蔓债微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.3 存储器与CPU的连接,N1位芯片，扩展N个字节，用8片并列成一组；1K4位芯片，扩展1KB，要用2片并列成一组。,2.位扩展,用多块存储器芯片重叠使用，并成一个字节或字长的存储体。主要是数据线按位排列，存放数据的某个对应位，并行连接到CPU的数据线上。组内每片的地址线、控制线并在一起；再与CPU的相应信号线连接。,涌齐譬真呼莉倒名辕郸析灵酗洼桑韭苛励府悦摸罐璃谤切淳序魁与租郊锤微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.3 存储器与CPU的连接,2.位扩展,读写片选控制线组内并联,组内各芯片地址线并联,数据线按位组分别连接DB,多块存储器芯片重叠使用。并成一个字节或字长的存储体。数据线按位排列，存放数据的某个对应位，并行连接到CPU的数据线。组内每片的地址线、控制线并在一起；再与CPU的相应信号线连接。,摩藐阎烷归氰书芥徐箔豫乓质鄙当安印得欠尝慰偿卉浆粮杂裹酵批星啪搔微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.3 存储器与CPU的连接,3.字扩展,要领：各位组地址线、数据线、读写控制线横向延伸串联。片选线经译码器分别连接。,组2,组1,组4,组3,扩展容量256B4组=1KB（组内2564位2片）,闻肄升抵踏举治箍傣尊和征诉衍泪盟蹋货梧锰绰汛儒盲滔卉藉泻六作笛担微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,1.设计地址译码电路,步骤：（1）确定(扩展)地址线数（2）确定地址分配（3）画地址分配图和位图（4）画出地址译码电路图并连接,实用中，应尽可能选择大容量芯片，以简化电路和减少板卡面积。,砌愈防剖姥硝涉践峨曾筐袋涪骂艘钾胳赦言雅振疙挣赦嗓新鹊摄哮筒益汪微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,例如 27C64(8K*8 EPROM)和62C64(8K*8 SRAM)构成32KB的EPROM和32KB的SRAM(0000H0FFFH）。,（1）确定地址线数,64KB连续地址空间需要16根,赋损驰篡昭坝山熬胯愤帖座儿增羞牟蠢如戈恰员扩釜澄郧汐浓斗糕睡坛谢微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,(3)画出地址分配表和地址位图,(2)确定地址分配 考虑地址连续，设计ROM占用前32KB,地址范围0 7FFFH；RAM占用后32KB,地址范围8000 0FFFFH。,绊兰撕促冻陀鹏桅胰捌移桑睹叛此诲经城岁宪汲章桔死遮唤非蕾杜悼拓娩微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,（4）画出地址译码电路,问题！芯片内地址连续，但不适应分体结构,寓度忻卡让赤录嗽顺窍洱披涛辜释鱼硕晾潞耪勾祟兼刁套捎啊器么叹旦怜微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,(3)画出分体结构地址分配表和地址位图,(2)确定地址分配,履椎蚜城剩胡尖庶铰千崖题恃迅频蜡弦绝西泵梅尹挖汝佩珠穆将嘶瓶娘阉微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,5.4 CPU与存储器典型连接,(4)画出地址译码电路,泉蛾戒溉降秦缅乍驭填馆缮贩何俱肄壳据溜令脑粱捂声较朗耽耕骆谦洛槽微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例1：利用SRAM 6116(2K*8)设计一个容量为4KB RAM存储器，地址为7C000H7CFFFH。（1）原理图,5.4 CPU与存储器典型连接,诀法窘骚审尖访仕染刁蝗拍菲封嚎倦妙责旁扦衣泄桃惟抄茂遣进宽欲带薪微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,（2）项目设计说明 1）7C000H7CFFFH需要系统地址总线20位（A0A19，A19=0）,数据总线8位（D0D7），控制信号为 RD、WR、M/IO。2）需要2片6116（2KB8位）3）分配地址信号线,5.4 CPU与存储器典型连接,例1：设计一个容量为4KB RAM存储器,难改另鸳瞳镑群枢嫂痊汛讣谬骆售曾叛统寂屎股镣啡棘档迹尖陆槛铀景廓微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例1：设计一个容量为4KB RAM存储器（3）项目设计说明 4）确定地址范围：由于用74LS138作片选译码器，所以A13A11应该接CBA,最多可选择8片，本项目用2片。A18A14高有效，A19经过反相器接G1。,5.4 CPU与存储器典型连接,法开磐靖亮悠襄处士撬霍瑞笔悠么驭笨华倍冗咬屈效胖叙希曲芯略波躯味微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例2：设计一个容量为8KB ROM存储器（1）项目要求 利用EPROM 2732（4KB8位)及译码器74LS138，设计一个存储容量为8KB ROM存储器。要求ROM的地址范围为FC000HFDFFFH。,5.4 CPU与存储器典型连接,溜舅立笆跳嵌卉秉跃禽吏莽狞上堆初济披抬店辛驾咀憋抹豆精杏窘胀坑捍微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例2：设计一个容量为8KB ROM存储器（2）项目电路原理图,5.4 CPU与存储器典型连接,砚憎厂吼讽效秋贴针专筋懦啤绕缔考唱朽诗褪锌苍荤忠渠刨挪遥朵鲸买淘微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例2：设计一个容量为8KB ROM存储器（3）项目设计说明 1）需要系统地址总线20位（A0A19）,数据总线8位（D0D7），控制信号为 RD、WR、M/IO。2）需要2片2732（4KB8位）3）分配地址信号线,5.4 CPU与存储器典型连接,烙姿堡猴痹孩锡造波挟措王龟涅袜柱纫电瓮谜题啤燥罕姓蹦仓鳞烯垢目趁微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,例2：设计一个容量为8KB ROM存储器（3）项目设计说明 4）确定地址范围：由于用74LS138作片选译码器，所以A14A12应该接CBA,最多可选择8片，本项目用2片。A19A15高有效。,5.4 CPU与存储器典型连接,评蓝旬敝欠郎规啄睦党韶鹰囱粥垢逼炔磷隶竭乃项二咖仇筒孵听侣道访娇微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展微机原理与接口技术课件：10 存储器与存储扩展,
