[信息与通信]第五章 存储器.ppt

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1、第五章 存储器,主要内容有：1.存储器分类（了解）2.随机存取存储器RAM（了解）3.只读存储器（了解）4.CPU与存储器的连接（重点）5.存储器空间的分配和使用（了解）,第五章 存储器,5-1 存储器分类,一、按用途分类 按存储器用途分类，可以分成内部存储器和外部存储器。,1.内部存储器,2.外部存储器,二、按存储器性质分类 内存按存储器性质分类通常分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。,1.RAM随机存取存储器（Random Access Memory）,CPU能根据RAM的地址将数据随机地写入或读出。电源切断后，所存数据全部丢失。通常我们所说的计算机内存容量有多少字节，均是

2、指RAM存储器的容量。按照集成电路内部结构的不同，RAM又分为两种：,（1）SRAM静态RAM（Static RAM）,（2）DRAM动态RAM（Dynamic RAM）,2.ROM只读存储器（Read Only Memory）,（1）PROM可编程ROM（Programmable ROM）,（2）EPROM可擦除、可编程ROM（Erasable PROM）,（3）EEPROM电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable PROM）,5-2 随机存取存储器RAM,一、静态随机存取存储器SRAM,1.静态RAM的构成,静态RAM存储一位信息的单元电路可以用双极型器件构成，也可

3、以用MOS器件构成。静态RAM的单元电路通常是由6个MOS管子组成的双稳态触发器电路，可以用来存储信息0或1，只要不掉电，0或1状态能一直保持，除非重新通过写操作写入 新的数据。同样对存储器单元信息的读出过程也是非破坏性的，读出操作后，所保存的信息不变。,使用静态RAM的优点是访问速度快，访问周期达2040ns。静态RAM工作稳定，不需要进行刷新，外部电路简单，但基本存储单元所包含的管子数目较多，且功耗也较大，它适合在小容量存储器中使用。,静态RAM通常由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态数据缓冲器组成，存储器芯片内部结构框图如图5-2所示。,（1）存储矩阵,（2）地址译码器,（3）控制逻辑

4、与三态数据缓冲器,2.静态RAM的例子,二、动态随机存取存储器DRAM,1.动态RAM的构成,图5-4 单管动态RAM基本存储单元,动态RAM依靠电容存储电荷来决定存放信息是1或0。图5-4以单管动态RAM为例说明其工作原理。,读操作时先由行地址译码，某行选择信号为高电平时，此行上管子Q导通，由刷新放大器读取电容C上的电压值折合为0或1，再由列地址译码，使某列选通。行和列均选通的基本存储单元允许驱动，并读出数据，读出信息后由刷新放大器对其进行重写，以保存信息。,写操作时，行和列的选择信号为1，基本存储单元被选中，数据输入/输出线送的信息通过刷新放大器和Q管送到电容C，数据写入存储单元。,2.动

5、态RAM的刷新,3.动态RAM的例子,三、存储器的工作时序,1.静态RAM器件对存储器读周期和写周期时序,为了使存储器与CPU很好地配合构成一个微型计算机系统，存储器芯片的工作时序应和CPU的读/写时序密切配合，因此有必要分析一下存储器的工作时序。选择存储器时最重要的参数是存取时间，在存储器读周期中，具体是指读取时间，在存储器写周期中，就是指写入时间。访问存储器所需要的时间是指存储器接收到稳定的地址输入到读/写操作所需时间，访问时间的长短与存储器制造工艺有关，例如用双极型技术制造的器件速度快，但功耗大，价格贵，用互补金属氧化物半导体技术制造的器件功耗低，但速度慢。,图5-7 给出了静态RAM存

6、储器对读/写周期的时序要求。,tA：读取时间，地址有效到数据读出有效之间的时间。tCO：片选到稳定输出，从 片选信号有效到数据输出稳定的时间，一般tA tCOtCX：片选到输出有效，从/CS片选信号有效到数据输出有效的时间。tAR：读恢复时间，输出数据有效之后，存储器不能立即输入新的地址来启动下一次 读操作，因为存储器在输出数据后要有一定的时间来内部操作，这段时间称恢复时间。tRC：存储器的读周期，是指启动一个读操作到启动下一次内存操作（读或写）之间所需要的时间，tRC=tA+tAR。,存储器对读周期的时序要求是：,（1）CPU送出存储单元地址（图中A点），读周期开始，读周期比读取时间长，为了

7、保证tA时间后，读出数据在数据线上稳定，要求地址信号有效后，不超过tA tCO的时间段中，片选信号 有效。若 不能及时到达，则tA之后可能数据仅出现在内部内部数据总线上，而不能将数据送到系统总线上。,（2）输出数据有效后（图中C点），只要地址信号和输出允许信号没有撤消，输出数据一直保持有效。,（3）在整个读周期，要求R/应保持高电平。,存储器对写周期时序要求，如图5-7（b）所示。,（2）从片选信号有效到CPU要求的数据稳定之间的时间间隔必须大于tCO，否则外部电路必须产生 信号，迫使CPU插入周期TW来满足上面的时间要求。,（1）从地址信号有效到CPU要求的数据稳定之间的时间间隔必须大于tA

8、。,在存储器芯片和CPU连接时,必须保证下面时间要求：,图5-7（b）存储器的写周期,四、高速缓冲存储器,图5-9所示，CACHE RAM是位于CPU和主存储器之间容量小而速度快的存储器，通常由SRAM组成。可以把CACHE看作是主存储器中面向CPU的一组高速暂存寄存器，它保存有一份主存储器的内容拷贝，该内容拷贝是最近曾被CPU使用过的。,5-3 只读存储器,根据ROM信息写入的方式，ROM分为4种:,1.掩膜型ROM,2.可编程只读存储器PROM,3.可擦除可编程只读存储器EPROM,4.电可擦除的可编程只读存储器EEPROM,一、掩膜型ROM,掩膜型ROM中信息是厂家根据用户给定的程序或数

9、据对芯片图形掩膜进行两次光刻而决定的。这类ROM可由二极管、双极型晶体管和MOS型晶体管构成，在数量较少时，掩膜ROM造价很贵，如果进行批量生产，就相当便宜了。适用于计算机系统开发完成后，大批量使用。,二、可编程ROM（PROM）,可编程只读存储器的内容可以由用户编写，但只允许编程一次。PROM由二极管矩阵组成，用可熔金属丝连接存储单元发射极，出厂时所有管子的熔丝都是连着的。,三、可编程可擦除ROM（EPROM）,1.EPROM工作原理,掩膜型ROM和PROM中的内容一旦写入，就无法改变，而EPROM却允许用户根据需要对它编程，且可以多次进行擦除和重写，因而EPROM得到了广泛的应用。,实现E

10、PROM的技术是浮栅雪崩注入式技术，信息存储由电荷分布决定，MOS管的栅极被SiO2包围，称为浮置栅，控制栅连到字线。平时浮置栅上没有电荷，若控制栅上加正向电压使管子导通，则ROM存储信息为1。EPROM的存储单元电路原理图如图5-11（a）所示。,编程写入时若在漏极和衬底、漏极和源极间加上+25V电压，使内部PN结反向击穿，形成较大的电流，部分电荷会在浮置栅上捕获注入。当电压移去后由于绝缘层的包围，注入的电荷无法泄露，相当于管子开启电压提高，控制栅上加上正向电压（+5V）后，管子仍截止，ROM存储信息为0。,2.EPROM的例子,四、电可擦除可编程ROM（EEPROM）,EPROM尽管可以擦

11、除后重新进行编程，但擦除时需用紫外线光源，使用起来仍然不大方便。电可擦除的可编程ROM，简称EEPROM，它的外形管脚与EPROM相似，仅擦除过程不需要用紫外线光源。它是采用电脉冲进行擦除。,5-4 CPU与存储器的连接,在CPU对存储器进行读写操作时，首先在地址总线上给出地址信号，然后发出相应的读或写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换，所以CPU与存储器的连接包括地址线、数据线和控制线的连接等三个部分。在连接时要考虑以下几个问题：,（1）CPU总线的负载能力,（2）CPU的时序和存储器存取速度之间的配合,（3）存储器的地址分配和片选,（4）控制信号的连接,一、存储器的地址选择,1.线

12、性选择方式（简称线选法）,注意：由于地址总线的A19A14没有使用，所以1#、2#芯片的地址范围各有64个（26=64）,线性选择方式的特点：（1）无译码电路，所以电路简单。（2）地址分配重叠，地址空间不连续。,2.全译码选择方式,1#：地址范围为0000H03FFH 2#：地址范围为0400H07FFH 3#：地址范围为0800H0BFFH 4#：地址范围为0C00H0FFFH,全译码选择方式的特点：（1）有译码电路，所以电路比较复杂。（2）地址是唯一的连续的。,3.部分译码选择方式,当然在存储器的一段（64K）内，A14和A15可以任意选择，所以地址仍有重叠区。部分译码方式的可寻址空间比线

13、性选择范围大，比全译码选择方式的地址空间要小。部分译码方式的译码器比较简单，但地址扩展受到一定的限制，并且出现地址重叠区。,总之，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。将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，以实现芯片片间寻址。连接时要注意地址分布和重叠区。,例5-4 如果要设计一个8K8的存储器系统，采用2K1的RAM芯片32片，选用A10A0作为片内寻址，用A13A11作为74LS138的译码（部分译码）输入，利用输出端/Y4/Y7作为片选信号，则如何连线，其地址分配又怎样？,8个2K1一组构成2K8,

14、A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7A4 A3A0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 选中1组1 1 1 1 1 1 11组地址范围为：200027FFH；同理，2组地址范围为：28002FFFH；3组地址范围为：300037FFH；4组地址范围为：38003FFFH；,二、存储器的数据线和控制线的连接,8086CPU与存储器芯片连接的控制信号主要有地址锁存信号ALE，读选通信，写选通信号，存储器或I/O选择信号M/，数据允许输出信号，数据收发控制信号DT/，准备好信号READY。在最小系统配置中，数据线和地址线经过地址锁存器8282和数据收发器8286输出。

15、,例5-5 要求用8K8的EPROM芯片2764，译码器74LS138构成8K字ROM的存储器系统，系统配置为最小模式。,ROM芯片，8K字用2片2764芯片组成，1片为奇地址体；1片为偶地址体，片内用13根地址线A1A13寻址。其中用A0用选中偶地址体；用 选中奇地址体。,地址确定：A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A1 A00 0 0 0 0 0 0 偶地址 1 奇地址偶地址体范围为：0000003FFEH；奇地址体范围为：0000103FFFH；总的8K字ROM的地址范围为：0000003FFFH。,5-5 存储器空间的分配和使用,目前使用的16位或32位微型计算机

16、，大多以MS-DOS作为操作系统，而最早设计时，由于存储器芯片价格昂贵，以及软件对内存要求不高，设计主存储器为640KB。随着大型软件系统出现，多道程序要求允许不同程序同时存取，需要大量存储空间，640KB的限制成了计算机的致命伤。但随着计算机技术的发展，CPU的寻址空间不断扩大，80386CPU可寻址4G字节，如何充分利用CPU的庞大的寻址空间，发挥其性能呢？目前软硬件技术已十分成熟，可以解决此问题，本节简单地介绍一些这方面的技术。,计算机通过地址总线对存储器寻址，地址总线的宽度决定了计算机的寻址能力，各种类型的计算机的总线宽度和寻址能力如表5-4所示。,实模式：就是8086/8088CPU

17、所采用的工作模式（最大、最小模式），20根地址线能寻址1MB存储空间。它的寻址方式为：段地址：偏移地址 存储器的实际地址（物理地址）为：段地址16+偏移地址 保护模式：80286CPU有24根地址线能寻址16MB存储空间，80386CPU有32根地址线能寻址4GB存储空间，利用保护模式的寻址方式，能够访问整个存储器的地址空间。它的寻址方式为：选择器：偏移地址 存储器的实际地址换算如图5-17所示。,V86模式：V86模式也称虚拟86模式，是80386以上CPU中才有的模式，是保护模式的一种子模式。V86模式可同时提供多个8086实模式的存储空间，又有保护功能，存储器的运行和控制是在进入保护模式

18、后由程序来切换的。,一、IBM PC/XT 机中存储器空间分配,IBM PC/XT机采用8088CPU，可以寻址1MB存储空间，但MS-DOS只能管理640KB内存，省下的384KB做什么用呢？图5-18给出了PC/XT机的存储空间分配。,其中，从000009FFFFH的640KB为主存储器，由DOS进行管理。A0000BFFFFH的128KB为VRAM区，分配给视频适配器上的存储器使用。C0000HFFFFFH为ROM区供BIOS为和其他程序使用。VRAM和ROM区合起来称为上位存储器（Upper Memory，UM），总共384KB。这些ROM空间用户程序无法存取，此部分存储器要么在系统主

19、板上，要不在接口板上，用户没有感觉到它的存在。,二、IBM PC/AT机中存储器空间分配,IBM PC/AT机中使用80286CPU以上的芯片，80286CPU有两种支持操作系统模式：实模式和保护模式，在实模式下它的工作和8086CPU相同。但80286CPU有24根地址线，可访问16MB存储空间。在PC/AT机中可以专门对80286CPU的A20地址线进行控制，当A20=1时，允许访问1MB以上的64K地址空间，这个地址空间称作高位存储区（MHA），这是在实模式下可以访问的保护模式的存储区域。在保护模式下80286CPU可以访问16MB地址空间，1MB以上的地址空间称作扩展存储区（XMS），

20、图5-19给出了IBM PC/AT机的存储空间分配。,三、PC机中存储器的使用,下面以PC/AT机为例，来讨论PC机中各类存储器的定义、特点和它们之间的关系。,1.主存储器（Conventional Memory）主存储器是指地址范围为0640KB的RAM，也称为基本存储器或常规存储器。图5-20给出了主存储器640KB的分配。2.上位存储器UM（Upper Memory）从640KB到1024KB的内存保留区称为上位存储器（UM）留给系统配置使用，内存保留区空间分配如图5-21所示。,从5-21的配置图中可以看到，内存保留区的384KB里面有不少区域未使用，单色显示器有256KB未用，彩色显

21、示器系统上有160KB未用。但384KB的内存保留区中未用的区域不能直接用来存取数据，要利用一些软件（如DOS5.0的EMM386EXE）使这个区域“再生”，将未用的那些区域变成所谓的上位存储块（Upper Memory Block，UMB），可以在这一区域执行一些常驻程序或驱动程序，如DOS的DOSKEY或MOUSE.SYS等，这样使主存储器中存放DOS的区域减少，供用户使用的区域加大。图5-22说明了这种情况。,扩展存储器（Extended Memory）扩展存储器是640K以上的存储器，不包括384KB的内存保留区的区域。注意，DOS的寻址能力为1MB存储空间，是,指640KB主存储器和

22、384KB的内存保留区，而目前人们所说的1MB内存容量是指PC机主板上实际拥有的1024KB RAM，这两个概念要分清楚。如图5-23所示，1MB RAM的实际地址是0K640K和1024K1408K，即1024K以上的384KB为扩展存储器。如果有16MB的存储器，扣除640KB主存储器，剩下的就是扩展存储器（内存保留区不包括在内）。,384K扩展存储器,640K 主存储器,640K 主存储器,384K扩展存储器,384K内存保留区,分别附在各种界面卡上,PC机主板上实际拥有的1024KB,0K,640K,1024K,1408K,1024K,640K,0K,一般人印象中所谓 的1024KB,真正的1024KB 地址位置,图5-23 扩展存储器配置,高位存储器（High Memory Area）扩展存储器中位于1024K1088K的64KB存储区，被称为高位内存区（HMA）。扩充存储器（Expanded Memory）扩充存储器是一类特殊的存储器，它可以在任何一种PC机中使用，扩充存储器问世在扩展存储器之前。8086/8088只能寻址1MB，为补充内存的不足，人们设计了内存扩充卡，按照扩充存储器规范（EMS），用扩充存储器管理程序（EMM）来管理。人们也将按此规范管理的扩充存储器称为EMS。6.五种存储器的关系,