半导体存储器及其接口.ppt

微机原理及接口技术,第5章 半导体存储器及其接口,微机原理与接口技术,半导体存储器的分类与基本结构 随机存取存储器 只读存储器 存储器与CPU的连接 微机内存层次结构 微机系统的内存管理,主要内容,5.1 存储器概述,存储器是计算机系统中的记忆部件，用来存放用二进制数据表示的程序和数据。,内存储器,外存储器,RAM,ROM,DRAM,PROM,EPROM,E2PROM,磁盘,SRAM,掩膜ROM,光盘,5.1.1 半导体存储器的分类与性能指标,1.分类,SRAM：存取速度快、功耗大、价高、集成度低。DRAM：存取速度慢、功耗小、价低、集成度高。,（1）RAM,（2）ROM,掩膜ROM：内容在芯片制造过程中固化。PROM：内容只能写一次。EPROM：内容可多次改写，紫外线擦除。E2PROM：电擦除的EPROM。,2.性能指标,（1）容量：每块芯片上能存储的二进制位数，单位NM。（2）速度：存取数据的时间，单位ns。（3）功耗：功耗和速度成正比，单位w/单元或 mw/芯片。（4）价格,5.1.2 半导体存储器的基本结构,地址译码器实现对存储单元的寻址，常用的有单译码和双译码方式。,1.单译码方式,5.1.3 存储单元的寻址,单译码方式主要用于小容量的存储器。,2.双译码方式,图5-2双译码结构示意图,例 Intel 2732 ROM(4K8bit)：12位（212=4K）地址线 8位I/O数据线Intel 2114 RAM(1K4bit)：10位（210=1K）地址线 4位I/O数据线,5.2 随机存取存储器RAM,RAM可以随时在任意位置上存取信息，但怕掉电。根据存储器芯片内部基本单元电路的结构，可分为静态RAM和动态RAM。,1.单元电路,5.2.1 静态RAM（SRAM）,图5.36管SRAM存储单元电路,图5.4SRAM芯片组成示意图,A0,A1,A2,A3,A4,X译码驱动,1,32,.,控制电路,I/O电路,输出驱动,输出,A5,A6,A7,A8,A9,2,31,32321024存储单元,.,1,2,31,32,Y译码,输入,读/写,片选,2.SRAM芯片组成,3.RAM芯片实例,（1）Intel 2114（1K4 bit SRAM）,A0A9：地址输入 CS：片选,I/O1I/O4：数据I/OWE：写允许,（2）Intel 6116（2K8bit SRAM）,图5-56116结构框图,5.2.2 动态RAM（DRAM）,1.单元电路,图5-6单管DRAM存储单元电路,数据输入/输出线,2.DRAM的刷新,DRAM是利用电容存储电荷的原理保存信息的。为防止电容逐渐放电使信息丢失，DRAM需要在预定的时间内不断进行刷新。所谓刷新就是把写入到存储单元的数据读出，经过放大器放大后再写入该单元。DRAM的刷新是一行一行进行的，每刷新一行的时间称为刷新周期。刷新的方式有三种：集中刷新、分散刷新和异步刷新。,集中刷新 在信息保存允许的时间范围（如2ms）内，集中一段时间对所有基本存储单元 一行一行地顺序进行刷新。分散刷新 每隔一段时间刷新一次，刷新操作与 CPU操作无关。异步刷新 在一个指令周期中，利用CPU不进行访 问存储器操作时进行刷新的方法。,图5-7DRAM控制器逻辑图,3.DRAM芯片实例,4164的8条地址线重复使用，采用行列地址复合选择法得到16位地址信号寻址64K个存储单元。片内64K个存储单元排列成4个128 128存储矩阵，即每行512个单元，共128行。所有存储单元要在2ms内全部刷新一次，需要128次刷新操作，由DMA控制器8237A-5来控制完成。,MN4164（64K1 bit DRAM）,5.3 只读存储器ROM,ROM中各基本存储电路所存信息是固定的、非易失性的，在机器运行期间只能读出不能写入。ROM中信息的写入通常是在脱机或非正常工作情况下用人工方式或电气方式完成的，称为对ROM编程。,5.3.1 ROM的组成,图5-8ROM组成框图,5.3.2 ROM的类型,1.掩膜ROM（MROM）,图5-944掩膜ROM矩阵,2.可编程ROM（PROM）,图5-10 PROM基本存储单元,3.紫外线擦除可编程ROM（EPROM）,图5-11 EPROMC擦写原理及单元电路,4.电擦除可编程ROM（E2PROM）,5.闪速存储器（Flash Memory）,写入过程中自动进行擦除，但擦写时间较长，约需10ms。,采用一种非挥发性存储技术的E2PROM类型存储器，在不加电情况下，信息可保持10年。存取速度远高于E2PROM，可达30ns或更快。,Intel 2732 A(4K8bit EPROM),（1）2732A的结构框图,图5-122732A结构框图,5.3.2 ROM芯片实例,（2）引脚名称,（3）2732A的操作模式,模式,读,备用,编程,程序校验,程序禁止,引脚,CE,OE/VPP,Vcc,输出,低,高,低,高,低,无关,VPP,低,VPP,+5V,+5V,+5V,+5V,+5V,Dout,高阻,Din,Dout,高阻,5.4 存储器与CPU的连接,图5.13连接示意图,（1）CPU总线的负载能力。,（2）存储器的地址分配和片选。,（3）控制信号的连接。,（4）CPU的时序和存储器芯片存取速度 的配合。,连接时要考虑的问题：,5.4.1 存储器的地址选择,一个存储器系统通常由多片存储芯片组成。CPU发出地址信号对存储器寻址必须实现两种选择：片选；字选。片选：使某一芯片的CS为有效来选中该 芯片。,字选：在被选中的芯片内部再选择某一 存储单元。,片选信号由存储器芯片的外部译码电路产生，需设计。字选信号由存储器芯片的内部译码电路产生，无需设计。,存储器的地址选择方法由三种：线性选择法；全译码选择法；部分译码选择法。,1.线性选择法,直接用CPU地址总线中的某一高位线作为存储器芯片的片选信号。,例1 某一计算机系统有16条地址线，现需 1KRAM和1KROM的存储空间，采用 线选法组成该存储系统。,A10作片选：ROM 0000H03FFH，RAM 0400H07FFH。A11作片选：ROM 0000H03FFH，RAM 0800H0BFFH。,线选法的优点：选片方式简单，节省译码电路。线选法的缺点：地址空间不连续；地址分配多义性（高位地址重叠）；不能充分利用存储空间。线选法适用于存储容量较小且不要求扩充的系统,2.全译码选择法,对全部地址总线进行译码，可直接寻址2N（N为地址线根数）字节单元。一般将高位地址线全作为译码器的输入，译码器的输出作为片选信号。,常用的译码器：Intel 8205、74LS138等。,例2 采用全译码方式设计一个12K字节的存 储器系统，低8KB为 EPROM，高 4KB 为 RAM，地址范围：0000H 2FFFH。,低8KB EPROM，选用两片4K8的2732A；高4KB RAM，选用两片2K8位的6116；CPU的A0A11与2732A连，A0A10与6116 连；译码器选用74LS138，其地址输入A、B、C 分别与A12、A13、A14相连；各芯片地址分配：,分析,0000H 0FFFH 4K 2732A1000H 1FFFH 4K 2732A2000H 27FFH 2K 61162800H 2FFFH 2K 6116,图5.1474LS138引脚图及真值表,图5.15例2系统连接框图,3.部分译码选择法,若将高位地址线中的几位经过译码后作为片选控制，则称为部分译码选择法。它是线选法和全译码法的混合方式。显然，由于高位地址没有全部参与译码片选，地址仍有重叠区。部分译码法的可寻址空间比线选法大，比全译码法小。,结论,CPU与存储器相连时，将低位地址线连到存储器所有芯片的地址线上，实现片内选址。高位地址线单独选用（线选法）或经过译码器（部分译码或全译码）译码输出控制芯片的片选端，实现芯片间寻址。连接时要注意地址分布及重叠区。,5.4.2 数据线及控制线的连接,1.数据线的连接,若存储芯片的数据线根数与CPU相同，则直接相连；若存储芯片的数据线比CPU少，则要进行位扩展。,2.控制线的连接,CPU与存储器相关的控制信号有：存储器请求信号（如8086的M/IO）和读写控制信号（RD、WR）。这些控制信号可以参加译码控制，也可直接与存储芯片的控制输入端相连。总的原则是能正确确定存储器的读写状态，使CPU能顺利完成响应的读写操作。,1.Intel 2114(1K4bit)与8位Z-80CPU 连接组成2KB(2K8bit)RAM系统,图5.15系统连接图,5.4.3 存储器与CPU的连接举例,（1）所需芯片数,需要字位全扩展位扩展：4 bit 8 bit字扩展：1 K 2 K,（2）片选信号的译码方式,全译码法 线选法,0 0 0 0(选中第一组),0 0 0 0 0 0 0000H 1 1 1 1 1 1 03FFH,0 0 0 1(选中第二组),0 0 0 0 0 0 0400H 1 1 1 1 1 1 07FFH,全译码法,A15 A12 A11 A10 A9 A0,线选法,用高位地址的某一位实现片选控制。,A10,MREQ,&,&,至第二组CS,至第一组CS,显然，有重叠地址空间。,X X X 0(选中第一组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,X X X 1(选中第二组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,A15 A10 A9 A0,2.Intel 2114 与Z-80 CPU连接组成4KB的RAM系统,图5.17连接系统图,片选信号的译码（部分译码法）,X X 0 0(选中第一组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,X X 0 1(选中第二组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,X X 1 0(选中第三组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,X X 1 1(选中第四组),0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1,3.8086 CPU与存储器的连接,图5.18存储体的连接,A19 A0,BHE,8086,D15D8,D7 D0,地址锁存器,偶数存储体,BHE,奇数存储体,A0,AB,DB,A19 A0,5.5 微机内存层次结构,随着CPU速度的大幅提高，DRAM成为瓶颈，而用SRAM作为系统的内存，则成本太高无法实现。为解决这一问题，引入了内存层次的概念。,DRAM作为主存：经常使用的数据或程序 SRAM作为高速缓存：使用最频繁但容量 不大的程序或数据 磁盘作为虚拟内存：不太常用但容量较大 的程序或数据,图5.19内存的层次结构,5.5.1 主存储器,1.存储器组织,（1）16位存储系统,适用于8086/80286/80386SX微处理器。,图5.2016位存储系统基本组织,（2）32位存储系统,适用于80386/80486微处理器。,图5.2132位存储系统基本组织,每个存储体为8位宽度，最大1GB，4个存储体共可寻址4GB存储空间。,（3）64位存储系统,适用于Pentium系列微处理器。,图5.2264位存储系统基本组织,每个存储体为8位宽度，对Pentium，每个存储体最大512MB，8个存储体共可寻址4GB存储空间；对Pentium ProP4，每个存储体最大8GB，8个存储体共可寻址64GB存储空间。,2.存储器模块,双列直插式：用于8086/80286。单面直插式（SIMM）：80386/80486。30线 386/486 72线 486以上 双面直插式（DIMM）：Pentium系列（168线）（184线）。,5.5.2 高速缓冲存储器,Cache分为L1（一级Cache）和L2（二级Cache）。L1以处理器同频工作，L2则以处理器一半频率工作。Cache一般由两部分组成：一部分存放由主存来的数据，另一部分存放该数据在主存中的地址 目标地址标记（TAG）存储器。Cache的数据读取方法：直接映射法（直接相连映象与变换法）N路集合法（组相连映象与变换法）完全相关法（全相连映象与变换法）,5.5.3 虚拟内存,在内存不足的情况下，用硬盘的一部分空间模拟内存的一种虚设内存。利用虚拟内存，应用程序将暂时不用的数据写到硬盘上，当要再次读这些数据时，重新将它们读入RAM中，而把RAM中其它暂时不用的数据移到硬盘上。软件将当作一般内存使用，但由于在硬盘上有交换文件不断在内存与磁盘之间交换数据，执行速度受到一定影响。,虚拟内存的管理方法：段式管理 页式管理 段页式管理,5.6 微机系统的内存管理,管理内存的过程，属于CPU使用其相关硬件的范畴，它是由操作系统负责的。本节从使用角度介绍微机内存的分布及管理。,5.6.1 内存分类与使用,从使用角度，微机内存划分为：常规内存（Conventional Memory）保留内存（Reserved Memory），又称 上位内存块（UMB）高端内存区（HMA）扩充内存（Expended Memory）扩展内存（Extended Memory）,1.常规内存,又称基本内存，地址范围 0640K，由MS-DOS直接管理和使用，也是所有应用程序在DOS下就可以直接使用的内存。常规内存不受系统RAM大小的影响，也与CPU型号无关。,图5.23常规内存配置,2.保留内存与上位内存块（UMB）,640K1024K共384K，留给系统配置使用。,图5.24内存保留区配置,384K内存保留区中未用区域不能直接用来存储数据，要利用扩充内存管理程序EMM386.EXE使其“再生”，将那些未用区域变成上位内存块（UMB）才能使用。,图5.25UMB的“再生”,3.扩展内存,1M以上的内存区域为扩展内存。注意：DOS寻址能力的1M空间与实际 1MB RAM的区别,图5.26扩展内存配置,4.高位内存区（HMA）,扩展内存中最低的64KB（10241088K）内存区域。要使用HMA，需运行扩展内存管理程序HIMEM.SYS。HMA的地址是固定的，且不能分割，一次只能让一个程序使用，不能多个程序共享。因此，使用HMA要考虑它的利用率。通常将DOS的核心程序载入HMA，可节省48KB左右常规内存。,图5.27HMA的使用,5.扩充内存,图5.28扩充内存使用原理,6.五种内存的关系,图5.29五种内存的类型和关系示意图,5.6.2 微机常用操作系统的内存管理,1.DOS的内存管理方式,采用分段式管理，应用程序在实地址方式下运行，不支持多任务，使用的内存空间为1MB。,内存物理地址段地址16偏移地址,2.Windows 3.X 的内存管理方式,采用描述符结构寻址，应用程序在16位保护方式（80286的保护方式）运行，访问的存储空间达16MB。在这种方式下，处理器禁止应用程序访问它自己以外的内存区域，以保护正在执行的其它程序，避免系统崩溃。,3.Windows 9X/NT/2000 的内存管理方式,采用32位保护方式，使用分页式的虚拟内存方案，可直接寻址的内存空间达4GB。Windows 9X/NT/2000 等将 Windows 和DOS的16位应用程序和32位应用程序在内存中相互隔离，因此，一旦某个16位应用程序出现问题，不会影响整个操作系统。,