半导体存储器和高速缓冲存储器.ppt

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1、1/46一、存储系统概一、存储系统概述述二、二、随机存储器（随机存储器（RAM）三、只读存储器（三、只读存储器（ROM）四、存储器部件的组成与连接四、存储器部件的组成与连接五、微机系统中的高速缓冲存储器五、微机系统中的高速缓冲存储器（80 x86）第5讲 半导体存储器和高速缓冲存储器2/46本讲重点：本讲重点：掌握存储器的工作原理及存储器的扩展方法。掌握存储器的工作原理及存储器的扩展方法。本讲难点：本讲难点：存储器扩展方法：线选法和译码法。存储器扩展方法：线选法和译码法。第第5讲讲 半导体存储器和高速缓冲存储器半导体存储器和高速缓冲存储器3/46存储器存储器是计算机中存储信息的部件。它可以把需

2、是计算机中存储信息的部件。它可以把需要要CPU处理的程序和原始数据存储起来，处处理的程序和原始数据存储起来，处理时自动而连续地从存储器中取出程序中的理时自动而连续地从存储器中取出程序中的指令并执行指令规定的操作。分为指令并执行指令规定的操作。分为程序存储程序存储器器和和数据存储器数据存储器两大类。两大类。一、存储系统概述4/461.半导体存储器的分类半导体存储器的分类5/46（1）存储容量：存储容量：存储器芯片上能存储的二进制数的存储器芯片上能存储的二进制数的位数。位数。芯片的存储容量存储单元数芯片的存储容量存储单元数存储单元的位数存储单元的位数 2MN M：芯片的地址线根数；芯片的地址线根数

3、；N：芯片的数据线根数：芯片的数据线根数 2.存储器的主要技术指标存储器的主要技术指标6/46解：该芯片上有解：该芯片上有1024个存储单元，每个单元内可存储一位二个存储单元，每个单元内可存储一位二进制数。进制数。地址线根数地址线根数M为为10；数据线根数数据线根数 为为1在存储容量的表示方法中，常常用到在存储容量的表示方法中，常常用到KB、MB、GB等，其等，其关系为：关系为：1KB=210B=1024B，1MB=210KB=1024KB，1GB=210MB=1024MB。【例例】某存储芯片容量为某存储芯片容量为10241，其容量为多少？，其容量为多少？7/46（2）存取速度：）存取速度：一

4、般用下面的两个参数描述一般用下面的两个参数描述 存取时间（存取时间（Access Time）：）：用用TA表示，指从存取命令发出到操作完表示，指从存取命令发出到操作完成所经历的时间。成所经历的时间。存取周期（存取周期（Access Cycle），），用用TAC表示，指两次存储器访问所允许的表示，指两次存储器访问所允许的最小时间间隔。因为该时间包括了数据存取的准备和稳定时间，所以，最小时间间隔。因为该时间包括了数据存取的准备和稳定时间，所以，TAC比比TA稍大。该参数常常表示为读周期稍大。该参数常常表示为读周期TRC或写周期或写周期TWC，而，而TAC是是它们的统称。它们的统称。（3）功耗：功耗

5、：芯片在正常工作时所消耗的电功率。由芯片在正常工作时所消耗的电功率。由“维持功维持功率率”和和“操作功率操作功率”两部分组成。两部分组成。维持功率：维持功率：是指存储芯片未被选中工作时所消耗的电能。是指存储芯片未被选中工作时所消耗的电能。操作功率：操作功率：是指存储芯片被选中工作时所消耗的电能。是指存储芯片被选中工作时所消耗的电能。2.半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标首页首页8/46二、随机存储器（二、随机存储器（RAM）分为静态分为静态RAM和动态和动态RAM两种。用来保两种。用来保存数据。存数据。常用常用的静态的静态RAM芯片有芯片有6116，6264，62256等。等。常用静

6、态常用静态RAMRAM芯片的管脚配置图芯片的管脚配置图9/4610/4611/4612/4613/4614/4615/46 管脚 管脚首页16/4617/4618/4619/4620/4621/4622/46三、只读存储器（三、只读存储器（ROM）2 28 8引引脚脚E EP PR RO OM M芯芯片片管管脚脚配配置置常用常用EPROM芯芯片有：片有：2716、2732、2764、27128、27256、275121.EPROM芯片芯片23/462716功能表功能表工作方式工作方式/PGM/PGMVccVccVppVppD D7 7D D0 0待用待用1 1+5V+5V+5V+5V高阻高阻读

7、读出出0 00 0+5V+5V+5V+5V输输出出读读出禁止出禁止0 01 1+5V+5V+5V+5V高阻高阻编编程写入程写入正脉冲正脉冲1 1+5V+5V+25V+25V输输入入编编程校程校验验0 00 0+5V+5V+25V+25V输输出出编编程禁止程禁止0 01 1+5V+5V+25V+25V高阻高阻24/462764功能表功能表工作方式工作方式A A9 9VccVccVppVppD D7 7D D0 0读读出出0 00 01 1+5V+5V+5V+5V输输出出读读出禁止出禁止0 01 11 1+5V+5V+5V+5V高阻高阻待用待用1 1+5V+5V+5V+5V高阻高阻读读IntelI

8、ntel标识标识符符0 00 0+12V+12V1 1+5V+5V+5V+5V输输出出编码编码标标准准编编程程0 01 1负负脉冲脉冲+5V+5V+25V+25V输输入入IntelIntel编编程程0 01 1负负脉冲脉冲+5V+5V+25V+25V输输入入编编程校程校验验0 00 01 1+5V+5V+25V+25V输输出出编编程禁止程禁止1 1+5V+5V+25V+25V高阻高阻25/462.EEPROM当前当前EEPROM有两类产品。有两类产品。一类是并行传送数据，称一类是并行传送数据，称并行并行EEPROM；这类芯片；这类芯片具有较高的传送速率，如具有较高的传送速率，如Intel的的2

9、817A（2K8位）；位）；另一类是串行传送数据，称另一类是串行传送数据，称串行串行EEPROM；这类芯；这类芯片只用少数几个引脚来传送地址和数据，使引脚数、片只用少数几个引脚来传送地址和数据，使引脚数、芯片体积和功耗大为减少，如芯片体积和功耗大为减少，如AT24C16（2K8位）。位）。AT24C16只有只有8个引脚，支持个引脚，支持I2C串行接口。串行接口。26/46EEPROM芯片芯片2817A 27/46EEPROM芯片芯片2864A 工作方式工作方式I/OI/O7 7I/OI/O0 0维维持持1 1高阻高阻读读出出0 00 01 1输输出出写入写入0 01 1负负脉冲脉冲输输入入数据

10、数据查询查询0 00 01 1输输出出28/46四、存储器与微处理器的连接本节要求：本节要求：了解存储器地址分配的概念；了解存储器地址分配的概念；掌握掌握位扩展位扩展和和字扩展字扩展的方法；的方法；掌握片选信号产生的两种方法：掌握片选信号产生的两种方法：线选法线选法和和译码法译码法；本节是全讲的重点。本节是全讲的重点。29/461.存储器地址分配存储器地址分配存储器地址分配存储器地址分配配置微机内存时，往往要选择若干个存储器芯片才能达到容配置微机内存时，往往要选择若干个存储器芯片才能达到容量要求。量要求。这些选择好的存储器芯片如何同这些选择好的存储器芯片如何同CPU有效地连接并能有效地有效地连

11、接并能有效地寻址，就存在一个寻址，就存在一个存储器的地址分配问题。存储器的地址分配问题。例如，例如，IBM PC/XT的内存地址分配情况如下图所示。它是将的内存地址分配情况如下图所示。它是将ROM安排在高端，而把安排在高端，而把RAM安排在低端安排在低端。30/46IPM PC/XT 存储器地址分配31/462.位扩展和字扩展位扩展和字扩展用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中片（或一组）被选中存储器的扩展存储器的扩展。位扩展位扩展字扩展字

12、扩展字位扩展字位扩展32/46u 位扩展位扩展存储器的存储容量等于：存储器的存储容量等于：单元数单元数每单元的位数每单元的位数当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长时，就要进行位扩展，使每个单元的字长满足要求。时，就要进行位扩展，使每个单元的字长满足要求。位扩展方法：位扩展方法：将每片的地址线、控制线并联，将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出数据线分别引出。位扩展特点：位扩展特点：存储器的单元数不变，位数增加存储器的单元数不变，位数增加字节数字节数字长字长33/46 位扩展举例位扩展举例【例例】用用27256 EPROM芯片扩展字芯片

13、扩展字长为长为32位的存储器。位的存储器。分析：一片分析：一片27256字字长为长为8位，扩展到位，扩展到32位共需位共需4片。片。34/46u 字扩展字扩展地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。但单元数不满足。扩展原则：扩展原则：每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片仅片选端分别引出选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地，以实现每个芯片占据不同的地址范围。址范围。35/46 字扩展举例字扩展举例【例例】用用27256 EPROM芯片扩展芯片扩展64K的存储器数的存储器数据线为据线为8位。

14、位。分析：一片分析：一片27256容容量为量为32K，扩展，扩展到到64K共需共需2片。片。36/46u 字位扩展字位扩展根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数进行位扩展以满足字长要求进行位扩展以满足字长要求进行字扩展以满足容量要求进行字扩展以满足容量要求若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为LK，要构成容量为要构成容量为M N的存储器，需要的芯片数为：的存储器，需要的芯片数为：（M/L）（N/K）通常把通常把N/K后的数据称为后的数据称为芯片组数芯片组数。37/46 字位扩展举例（字位扩展举例（1）【例例】若用若用4K1位的位的RAM芯片组成芯

15、片组成16K8位的存储器，需位的存储器，需要多少芯片？要多少芯片？A19A0地址线中哪些参与片内寻址？哪些地址线中哪些参与片内寻址？哪些作为芯片组的片选信号？作为芯片组的片选信号？答：数据线从答：数据线从1位扩展到位扩展到8位，要进行位扩展。位扩展需位，要进行位扩展。位扩展需8/1=8片。每片。每8片称为一个芯片组。片称为一个芯片组。芯片容量从芯片容量从4K扩展到扩展到16K，要进行字扩展，需，要进行字扩展，需16/4=4组芯片。组芯片。所以总共需所以总共需4*8=32片芯片。片芯片。A9A0地址线参与片内寻址，地址线参与片内寻址，A19A10可作为片选信号。可作为片选信号。38/46 字位扩

16、展举例（字位扩展举例（2）【例例】使用下列使用下列RAM组成所需的存储容量，各需多少片组成所需的存储容量，各需多少片RAM芯片？各需多少个芯片？各需多少个RAM芯片组？共需多少寻址线芯片组？共需多少寻址线？每块芯片需多少寻址线？每块芯片需多少寻址线？（1）5124位芯片，组成位芯片，组成8K8位的存储容量；位的存储容量；（2）10241位芯片，组成位芯片，组成32K8位的存储容量。位的存储容量。答：（）需答：（）需 片片RAM芯片；需芯片；需16个个RAM芯芯片组；共需片组；共需13根寻址线；每块芯片需根寻址线；每块芯片需9根寻址线。根寻址线。（）需（）需 片片RAM芯片；需芯片；需32个个R

17、AM芯片组；共需芯片组；共需15根地址线；每块芯片需根地址线；每块芯片需10根地址线。根地址线。39/46CPU发出的地址信号必须实现两种选择，首先是对存储器芯片发出的地址信号必须实现两种选择，首先是对存储器芯片的选择，使相关芯片的片选端的选择，使相关芯片的片选端CS为有效，这称为为有效，这称为片选片选；然后；然后在选中的芯片内部再选择某一存储单元，这称为在选中的芯片内部再选择某一存储单元，这称为字选字选。片选。片选信号和字选信号均由信号和字选信号均由CPU发出的地址信号经译码电路产生。发出的地址信号经译码电路产生。片选信号由存储器芯片的外部译码电路产生，这是需要自行片选信号由存储器芯片的外部

18、译码电路产生，这是需要自行设计的部分设计的部分；字选信号字选信号由存储器芯片的内部译码电路产生，由存储器芯片的内部译码电路产生，这部分译码电路这部分译码电路不需用户设计不需用户设计。片选信号产生常用的两种方法是：片选信号产生常用的两种方法是：线选法线选法和和译码法。译码法。3.片选信号的连接片选信号的连接40/46（1）线选法）线选法当存储器容量不大，所使用的存储芯片数量不多，而当存储器容量不大，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量时，寻址空间远远大于存储器容量时，可用高位地址可用高位地址线直接作为存储芯片的片选信号，每一根地址线选通线直接作为存储芯片的片选信号，每一根

19、地址线选通一块芯片，一块芯片，这种方法称为线选法。这种方法称为线选法。线选法特点：线选法特点：连接简单，片选信号的产生，不需复杂连接简单，片选信号的产生，不需复杂的逻辑电路。只用一条地址线与的逻辑电路。只用一条地址线与/MREQ的简单组合就的简单组合就可产生有效的可产生有效的/CS信号。但会产生地址重叠和地址不连信号。但会产生地址重叠和地址不连续的问题。续的问题。41/46线选法举例线选法举例(1)【例例】某一计算机，共有某一计算机，共有16条地址线，现接入条地址线，现接入1KB的的RAM和和1KB的的ROM，由此可以确定，当地址范围要求如下图由此可以确定，当地址范围要求如下图所示时，字选线为

20、所示时，字选线为10条，可用条，可用A0A9充当，若用充当，若用A10作片作片选，则选，则RAM和和ROM的地址为图中的第一组；若用的地址为图中的第一组；若用A11作作片选，地址范围如图中的第二组。片选，地址范围如图中的第二组。从图可知，从图可知，A11作片选时，作片选时，RAM和和ROM的地址已不连续。的地址已不连续。42/46片选片选信号信号高高8位地址位地址第第8位地址位地址地址范地址范围围A15 A8 A7 A0(A10)首址首址0000 0 0 0 0 0 0 00000H(A10)末址末址0111 1 1 1 1 1 1 103FFH(A10)首址首址1000 0 0 0 0 0

21、0 00400H(A10)末址末址1111 1 1 1 1 1 1 107FFH(A11)首址首址0000 0 0 0 0 0 0 00000H(A11)末址末址0111 1 1 1 1 1 1 103FFH(A11)首址首址1000 0 0 0 0 0 0 00800H(A11)末址末址1111 1 1 1 1 1 1 10BFFH线选法地址分配表线选法地址分配表(1)43/46例：某微机系统有例：某微机系统有16根地址线，用线选法扩充根地址线，用线选法扩充4片片1K存储器。存储器。（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（3）1KBCS1111A10A11A13A11A0A9图6.

22、3 线选结构示意图线选法举例线选法举例(2)44/46片选片选信号信号高高8位地址位地址第第8位地址位地址地址范地址范围围A15 A8 A7 A01#首址首址0001000 0 0 0 0 0 0 00400H1#末址末址0001111 1 1 1 1 1 1 107FFH2#首址首址0010000 0 0 0 0 0 0 00800H2#末址末址0010111 1 1 1 1 1 1 10BFFH3#首址首址0100000 0 0 0 0 0 0 01000H3#末址末址0100111 1 1 1 1 1 1 113FFH4#首址首址1000000 0 0 0 0 0 0 02000H4#末

23、址末址1000111 1 1 1 1 1 1 123FFH线选法地址分配表（线选法地址分配表（2）45/46用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个惟一的内存地址。的每一个单元都占据一个惟一的内存地址。优点：可实现地址连续，可以译出更多的有效片选优点：可实现地址连续，可以译出更多的有效片选地址；地址；缺点：硬件电路较复杂。缺点：硬件电路较复杂。常用译码器：常用译码器：74SL138（3-8译码器）、译码器）、74LS139（双（双2-4译码器）等。译码器）等。（2）全译码法全译码法46/4674LS138 74LS1

24、38 和和74LS13974LS139译码器引脚配置图译码器引脚配置图47/46输入输入输出输出G1 C B A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 11 0 00 0 00 1 1 1 1 1 1 11 0 00 0 11 0 1 1 1 1 1 11 0 00 1 01 1 0 1 1 1 1 11 0 00 1 11 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 01 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 11 1 1 1 1 0 1 11 0 01 1 01 1 1 1 1 1 0 11 0 01 1 11 1 1

25、1 1 1 1 074LS138真真值值表表48/46【例例】某计算某计算机共有机共有16条地条地址线，需扩充址线，需扩充12KB存储系统，存储系统，其中低其中低8KB为为EPROM，高，高4KB为为RAM。存储器扩充如存储器扩充如左图所示。左图所示。译码法举例1111采用全译码法的存储器系统电路图采用全译码法的存储器系统电路图49/46采用全译码的存储器系统的地址分配表采用全译码的存储器系统的地址分配表芯片芯片A15A14A13A12A11A10A0地址范围地址范围2732（1）00000000000H0FFFH1112732（2）0010001000H1FFFH1116116（1）0010

26、0002000H27FFH0116116（2）0101002800H2FFFH11150/46本节小结位扩展：位扩展：字长不够时进行的扩展，即数据线的扩展；字长不够时进行的扩展，即数据线的扩展；字扩展：字扩展：容量不够时进行的扩展，即地址线的扩展；容量不够时进行的扩展，即地址线的扩展；字位扩展：字位扩展：数据线和地址线都进行的扩展。数据线和地址线都进行的扩展。若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为LK，要构成容量为要构成容量为M N的存的存储器，需要的芯片数为：储器，需要的芯片数为：（M/L）（N/K）线选法：线选法：用高位地址线直接作为片选线。简单，但有地用高位地址线直接作为片选线。简

27、单，但有地址重叠和地址不连续的问题。址重叠和地址不连续的问题。译码法：译码法：将高位地址线全部用于片选。需要译码器，但将高位地址线全部用于片选。需要译码器，但可保证每一个地址的唯一性。可保证每一个地址的唯一性。首页首页51/46的存储系统的存储系统主要内容：主要内容：u8086存储器的组织模式，奇库和偶库的概念；存储器的组织模式，奇库和偶库的概念；u8086和和8088存储器的连接方式。存储器的连接方式。52/468086 CPU在组织在组织1MB的存储器时，的存储器时，其空间实际上被分成两其空间实际上被分成两个个512KB的存储体的存储体（或称为存储库），分别叫做（或称为存储库），分别叫做高

28、位库高位库和和低位库低位库。高位库与高位库与8086数据总线中的数据总线中的D15D8相连，库中每个地址均为相连，库中每个地址均为奇数；奇数；低位库与数据总线中的低位库与数据总线中的D7D0相连，库中每个地址均为偶数。相连，库中每个地址均为偶数。8086存储器的组织模式如下图所示。存储器的组织模式如下图所示。（1）8086存储系统存储系统53/4616位微机系统的内存组织MOV AL,2000H;A0=0且且/BHE=1，按字节访问偶地址，按字节访问偶地址，数据在数据在D7D0传输。传输。MOV BL,2001H;A0=1且且/BHE=0，按字节访问奇地址，按字节访问奇地址，数据在数据在D15

29、D7传输。传输。MOV AX,2002H;A0=0且且/BHE=0，按规则字同时访问两，按规则字同时访问两个存储体，数据在个存储体，数据在D15D0传输，传输，需一个总线周期。需一个总线周期。MOV BX,2003H;按非规则字按非规则字分时访问两个存储体，需两个总分时访问两个存储体，需两个总线周期。线周期。8086访问存储器示意ABCD2584311000H:2000H1000H:2001H1000H:2002H1000H:2003H1000H:2004H规则字规则字规则字规则字非规非规则字则字55/46【例例】设某微机系统必须扩展内存芯片设某微机系统必须扩展内存芯片RAM 32KB，扩充，

30、扩充内存空间为内存空间为10000H开始的连续存储区。存储芯片采用开始的连续存储区。存储芯片采用16K8的的RAM芯片，扩展到芯片，扩展到16K16位。位。CPU为为8086（1）试画出存储器连线结构图。）试画出存储器连线结构图。（2）写出各）写出各RAM的所在地址空间。的所在地址空间。分析：分析：8086地址线为地址线为20条，数据线条，数据线16条，需要由信号条，需要由信号/BHE、A0来分别选择奇、偶地址，组成来分别选择奇、偶地址，组成16位数据。位数据。8086存储系统举例存储系统举例56/46解：（解：（1）共需要芯片（）共需要芯片（16K16）/（16K8）=2片片（2）总容量所占

31、地址为）总容量所占地址为15条，片内地址线数条，片内地址线数14条。条。（3）由内存起始地址）由内存起始地址10000H，及单片，及单片RAM的存储的存储容量容量16K8，可得出其编址情况如下：，可得出其编址情况如下：8086存储系统举例分析存储系统举例分析57/46奇奇 库库偶偶 库库 8086存储器连接地址分配表存储器连接地址分配表58/46 8086存储器连接电路图存储器连接电路图59/46本节小结本节主要介绍了本节主要介绍了8086存储器的组织模式。存储器的组织模式。8086有有20根地址线和根地址线和16根数据线，其根数据线，其1MB存储器存储器分为两个分为两个512KB的存储体，分

32、别叫做高位库（奇的存储体，分别叫做高位库（奇库）和低位库（偶库）。分别用库）和低位库（偶库）。分别用/BHE和和A0来作来作为库的选择线。实际连接时要主要片内地址线要为库的选择线。实际连接时要主要片内地址线要从从A1开始选择。开始选择。首页首页60/46本讲小结本讲主要介绍了存储器的基本概念和存储系统的扩充方本讲主要介绍了存储器的基本概念和存储系统的扩充方式。式。重点掌握存储器的字扩展、位扩展和字位扩展的方法。重点掌握存储器的字扩展、位扩展和字位扩展的方法。重点掌握片选信号的两种连接方法：重点掌握片选信号的两种连接方法：线选法和译码法线选法和译码法。了解了解8086存储器的扩充方法，注意存储器的扩充方法，注意8086存储器扩展时有存储器扩展时有奇库和偶库之分。奇库和偶库之分。作业：作业：P202 12，13，14，15首页首页