第05章 存储器及其与CPU接口0
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微机原理与接口技术(第三版)课本习题答案
第二章 8086体系结构与80x86CPU1．8086CPU由哪两部分构成？它们的主要功能是什么？答：8086CPU由两部分组成：指令执行部件(EU，Execution Unit)和总线接口部件(BIU，Bus Interface Unit)。
指令执行部件（EU）主要由算术逻辑运算单元(ALU)、标志寄存器FR、通用寄存器组和EU控制器等4个部件组成，其主要功能是执行指令。
总线接口部件(BIU)主要由地址加法器、专用寄存器组、指令队列和总线控制电路等4个部件组成，其主要功能是形成访问存储器的物理地址、访问存储器并取指令暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或I／O端口读取操作数参加EU运算或存放运算结果等。
2．8086CPU预取指令队列有什么好处？8086CPU内部的并行操作体现在哪里？答：8086CPU的预取指令队列由6个字节组成，按照8086CPU的设计要求，指令执行部件（EU）在执行指令时，不是直接通过访问存储器取指令，而是从指令队列中取得指令代码，并分析执行它。
从速度上看，该指令队列是在CPU内部，EU从指令队列中获得指令的速度会远远超过直接从内存中读取指令。
8086CPU内部的并行操作体现在指令执行的同时，待执行的指令也同时从内存中读取，并送到指令队列。
5．简述8086系统中物理地址的形成过程。
8086系统中的物理地址最多有多少个？逻辑地址呢？答：8086系统中的物理地址是由20根地址总线形成的。
8086系统采用分段并附以地址偏移量办法形成20位的物理地址。
采用分段结构的存储器中，任何一个逻辑地址都由段基址和偏移地址两部分构成，都是16位二进制数。
通过一个20位的地址加法器将这两个地址相加形成物理地址。
具体做法是16位的段基址左移4位(相当于在段基址最低位后添4个“0”)，然后与偏移地址相加获得物理地址。
由于8086CPU的地址线是20根，所以可寻址的存储空间为1M字节，即8086系统的物理地址空间是1MB。
存储器和布尔处理器课件
功能
通过组合逻辑门电路实现各种布尔运算和逻辑控制，支持基本的逻辑运算（AND 、OR、NOT）和复合逻辑运算（NAND、NOR、XOR、XNOR），以及逻辑控 制操作。
布尔处理器的组成和原理
组成
布尔处理器由多个逻辑门电路组成，通过组合这些逻辑门电路实现各种布尔运算和逻辑控制。
原理
布尔处理器基于逻辑代数和逻辑电路理论，通过逻辑门电路实现布尔运算和逻辑控制。其中，AND门、OR门和 NOT门是最基本的逻辑门电路，其他复杂的逻辑门电路（如NAND、NOR、XOR、XNOR）可以通过基本逻辑 门电路组合得到。
件输出，判断硬件是否出现故障。
人工智能应用
04
布尔处理器在人工智能领域也有广泛的应用， 如神经网络、决策树等算法中，需要使用布尔
处理器进行数据处理和决策判断。
05
布尔处理器的指令系统
指令集和寻址方式
指令集
布尔处理器的指令集包括基本逻辑运算指令、比较指令、算 术运算指令、数据传送指令和转移指令等。
特点
可以随时读写，但断电后 数据会丢失。
用途
作为计算机的内存，用于 临时存储程序和数据。
Flash存储器
存储单元
由一个隧道氧化层、一个 多晶硅浮栅和两个控制栅 组成。
特点
可以长时间存储数据，且 体积小、容量大、速度快 、成本低。
用途
用于存储程序和数据，如 USB闪存盘、手机存储等 。
EEPROM电可擦除可编程只读存储器
存储器分类
根据存储器的读写速度、容量、价格等因素，可以将存储器分为不同的类型。 例如，高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory）、辅助存储器（ Secondary Memory）等。
通过组合逻辑门电路实现各种布尔运算和逻辑控制，支持基本的逻辑运算（AND 、OR、NOT）和复合逻辑运算（NAND、NOR、XOR、XNOR），以及逻辑控 制操作。
布尔处理器的组成和原理
组成
布尔处理器由多个逻辑门电路组成，通过组合这些逻辑门电路实现各种布尔运算和逻辑控制。
原理
布尔处理器基于逻辑代数和逻辑电路理论，通过逻辑门电路实现布尔运算和逻辑控制。其中，AND门、OR门和 NOT门是最基本的逻辑门电路，其他复杂的逻辑门电路（如NAND、NOR、XOR、XNOR）可以通过基本逻辑 门电路组合得到。
件输出，判断硬件是否出现故障。
人工智能应用
04
布尔处理器在人工智能领域也有广泛的应用， 如神经网络、决策树等算法中，需要使用布尔
处理器进行数据处理和决策判断。
05
布尔处理器的指令系统
指令集和寻址方式
指令集
布尔处理器的指令集包括基本逻辑运算指令、比较指令、算 术运算指令、数据传送指令和转移指令等。
特点
可以随时读写，但断电后 数据会丢失。
用途
作为计算机的内存，用于 临时存储程序和数据。
Flash存储器
存储单元
由一个隧道氧化层、一个 多晶硅浮栅和两个控制栅 组成。
特点
可以长时间存储数据，且 体积小、容量大、速度快 、成本低。
用途
用于存储程序和数据，如 USB闪存盘、手机存储等 。
EEPROM电可擦除可编程只读存储器
存储器分类
根据存储器的读写速度、容量、价格等因素，可以将存储器分为不同的类型。 例如，高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory）、辅助存储器（ Secondary Memory）等。
05存储器及其与CPU的接口
第五章 存储器及其与CPU的接口
۞教学内容 5.1 存储器的基本概念 5.2 只读存储器与随机读写存储器 5.3 存储器与CPU接口的基本技术
5.1 存储系统的基本概念
一、存储系统的基本参数 微机存储系统有三个基本参数：容量、速度、成本 容量：以字节数表示 速度：以访问时间TA、存储周期TM或带宽BM表 TA——从接收读申请到读出信息到存储器输出端的时
掩摸ROM
生产厂家根据用户需要在ROM的制作阶段，通过“掩膜”工 序将信息做到芯片里，适合于批量生产和使用。 掩膜ROM制成后，用户不能修改。
只读存储器（ROM）
可擦可编程ROM（EPROM）
基本存储单元电路 – 核心部件是FAMOS场效应管（Floationg grid Avalanche injection MOS） S D
TA2 TA1
1 则 e r (1 r ) H
TA1 e TA
存储系统的基本概念
三、存储器访问的局部性原理
1 追求 e r (1 r ) H
1.0 r=1
1
r=2
e r=10
r=100
0 H 1.0
5.2 存储器分类
一、半导体存储器的分类 按制造工艺分类
①双极型
双极型由TTL晶体管逻辑电路构成，在微机系统中常用作高速缓存器 （Cache）。 特点：工作速度快，与CPU处在同一量级；集成度较低、功耗大、价格偏 高。
②金属氧化物半导体型
金属氧化物半导体型又称MOS型，在微机系统中主要用来构造内存。根据 制造工艺，可分为NMOS、HMOS、CMOS、CHMOS等，可用来制作 多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。
特点是集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较双极型器件慢。
۞教学内容 5.1 存储器的基本概念 5.2 只读存储器与随机读写存储器 5.3 存储器与CPU接口的基本技术
5.1 存储系统的基本概念
一、存储系统的基本参数 微机存储系统有三个基本参数：容量、速度、成本 容量：以字节数表示 速度：以访问时间TA、存储周期TM或带宽BM表 TA——从接收读申请到读出信息到存储器输出端的时
掩摸ROM
生产厂家根据用户需要在ROM的制作阶段，通过“掩膜”工 序将信息做到芯片里，适合于批量生产和使用。 掩膜ROM制成后，用户不能修改。
只读存储器（ROM）
可擦可编程ROM（EPROM）
基本存储单元电路 – 核心部件是FAMOS场效应管（Floationg grid Avalanche injection MOS） S D
TA2 TA1
1 则 e r (1 r ) H
TA1 e TA
存储系统的基本概念
三、存储器访问的局部性原理
1 追求 e r (1 r ) H
1.0 r=1
1
r=2
e r=10
r=100
0 H 1.0
5.2 存储器分类
一、半导体存储器的分类 按制造工艺分类
①双极型
双极型由TTL晶体管逻辑电路构成，在微机系统中常用作高速缓存器 （Cache）。 特点：工作速度快，与CPU处在同一量级；集成度较低、功耗大、价格偏 高。
②金属氧化物半导体型
金属氧化物半导体型又称MOS型，在微机系统中主要用来构造内存。根据 制造工艺，可分为NMOS、HMOS、CMOS、CHMOS等，可用来制作 多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。
特点是集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较双极型器件慢。
微机原理与接口技术_05半导体存储器
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5.5 微机内存空间的形成
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5.5.1 8位微机内存空间的形成
• 例 ： 要 求 用 2732 和 6116 形 成 16KB 的 ROM 和 8KB 的 RAM，共24KB内存空间，试画出采用全译码法的硬件 连接图并计算每个芯片的地址范围。（详解见课本第 5.5.1节例3） • 解： • （1）总体分析。 • （2）数据线的连接。 • （3）地址线的连接。 • （4）控制线的连接。
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5.3.4 电擦写EPROM （E2PROM）
• E2PROM的工作原理与EPROM类似，当浮空栅上没有 电荷时，管子的漏极和源极之间不导电，若设法使浮空 栅带上电荷，则管子就导通。在E2PROM中，使浮空栅 带上电荷和消去电荷的方法与EPROM中是不同的。在 E2PROM中漏极上面增加了一个隧道二极管，它在第二 栅与漏极之间的电压UG作用下（在电场的作用下），可 以使电荷通过它流向浮空栅（即起编程作用）；若UG的 极性相反也可以使电荷从浮空栅流向漏极（起擦除作用 ）。而编程与擦除所用的电流是极小的，可用极普通的 电源供给UG。
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• （5）读写控制电路：用来提供片选和读/ 写控制等信 号，用来完成对被选中单元中各位的读/写操作。 • （ 6 ）数据寄存器：用来暂存 CPU 与内存之间进行交 换的数据信息，目的是为了协调CPU与存储器速度上 的差异。 • （ 7 ）数据总线：数据总线用来在 CPU 与内存之间传 送数据信息。
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5.1.2 存储器的层次结构
• • • • 1）CPU内部寄存器 包括通用寄存器和专用寄存器。 2）Cache 为了提高CPU读写程序和数据的速度，在内存和CPU之间增加了两 级高速缓存（Cache）。 3）内存（主存） 内存和CPU直接进行信息交换，存放当前正在运行的程序及数据。 4）外存（辅存） 外存用于存放当前未运行的程序及数据。 5）虚拟内存 它是指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，并不是真正的内存。
《存储器及其接口 》课件
存储容量的计算公式为：存储容量 = 存储单元数 × 每个存储单元的位数。
数据传输速率
定义与单位
数据传输速率是指存储器在单位时间内可以传输的数据量，通常以MB/s 或GB/s为单位。
数据传输速率的计算公式为：数据传输速率 = 数据总线宽度 × 数据总线 频率。
存取时间
01
定义与分类
02
存取时间是指存储器从接收到读/写命令到完成数据传输所 需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。
CHAPTER 03
存储器接口
IDE接口
总结词
IDE接口是一种并行接口标准，主要用于连接硬盘驱动器和计 算机主板。
详细描述
IDE接口采用40根或80根的扁平电缆连接硬盘和主板，传输 速率较慢，但兼容性好，广泛应用于个人电脑中。
SATA接口
总结词
SATA接口是一种串行接口标准，相比IDE接口，它具有更高的传输速率和更小的 线缆尺寸。
详细描述
SATA接口采用较细的线缆连接硬盘和主板，支持热插拔和本机命令队列等功能 ，广泛应用于现代个人电脑和企业服务器中。
SCSI接口
总结词
SCSI接口是一种并行接口标准，主要 用于连接高端存储设备和计算机主板 。
详细描述
SCSI接口具有高带宽和高速传输的特 点，但线缆长度较短，且连接设备数 量有限，常用于服务器和工作站等高 端应用场景。
存储器市场主要厂商
存储器市场应用领域
智能手机、平板电脑、笔记本电脑、 服务器等是存储器市场的主要应用领 域。
三星、SK海力士、美光、铠侠等是全 球存储器市场的主要供应商。
存储器技术发展趋势
1 2
存储器技术进步
随着制程工艺的不断进步，存储器的容量和速度 不断提升。
数据传输速率
定义与单位
数据传输速率是指存储器在单位时间内可以传输的数据量，通常以MB/s 或GB/s为单位。
数据传输速率的计算公式为：数据传输速率 = 数据总线宽度 × 数据总线 频率。
存取时间
01
定义与分类
02
存取时间是指存储器从接收到读/写命令到完成数据传输所 需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。
CHAPTER 03
存储器接口
IDE接口
总结词
IDE接口是一种并行接口标准，主要用于连接硬盘驱动器和计 算机主板。
详细描述
IDE接口采用40根或80根的扁平电缆连接硬盘和主板，传输 速率较慢，但兼容性好，广泛应用于个人电脑中。
SATA接口
总结词
SATA接口是一种串行接口标准，相比IDE接口，它具有更高的传输速率和更小的 线缆尺寸。
详细描述
SATA接口采用较细的线缆连接硬盘和主板，支持热插拔和本机命令队列等功能 ，广泛应用于现代个人电脑和企业服务器中。
SCSI接口
总结词
SCSI接口是一种并行接口标准，主要 用于连接高端存储设备和计算机主板 。
详细描述
SCSI接口具有高带宽和高速传输的特 点，但线缆长度较短，且连接设备数 量有限，常用于服务器和工作站等高 端应用场景。
存储器市场主要厂商
存储器市场应用领域
智能手机、平板电脑、笔记本电脑、 服务器等是存储器市场的主要应用领 域。
三星、SK海力士、美光、铠侠等是全 球存储器市场的主要供应商。
存储器技术发展趋势
1 2
存储器技术进步
随着制程工艺的不断进步，存储器的容量和速度 不断提升。
微机原理第5章存储器系统
71
3. 工作方式
数ห้องสมุดไป่ตู้读出 字节写入：每一次BUSY正脉冲写
编程写入
入一个字节
自动页写入：每一次BUSY正脉冲写
入一页（1~ 32字节）
字节擦除：一次擦除一个字节 擦除
片擦除：一次擦除整片
72
4. EEPROM的应用
可通过编写程序实现对芯片的读写； 每写入一个字节都需判断READY / BUSY
主存储器 虚拟存储系统
磁盘存储器
8
Cache存储系统
对程序员是透明的 目标：
提高存储速度
Cache
主存储器
9
虚拟存储系统
对应用程序员是透明的。 目标：
扩大存储容量
主存储器
磁盘存储器
10
3. 主要性能指标
存储容量（S）（字节、千字节、兆字节等） 存取时间（T）（与系统命中率有关）
端的状态，仅当该端为高电平时才可写 入下一个字节。
P219例
73
四、闪速EEPROM
特点：
通过向内部控制寄存器写入命令的方法 来控制芯片的工作方式。
74
工作方式
数据读出
读单元内容 读内部状态寄存器内容 读芯片的厂家及器件标记
CAS：列地址选通信号。
地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们 分别在#RAS和#CAS有效期间被锁存在锁存器中。
WE：写允许信号
DIN： 数据输入
WE=0 WE=1
数据写入 数据读出
DOUT：数据输出
49
3. 2164在系统中的连接
与系统连接图
50
三、存储器扩展技术
51
1. 存储器扩展
1 A15 1 A14 1 A13
3. 工作方式
数ห้องสมุดไป่ตู้读出 字节写入：每一次BUSY正脉冲写
编程写入
入一个字节
自动页写入：每一次BUSY正脉冲写
入一页（1~ 32字节）
字节擦除：一次擦除一个字节 擦除
片擦除：一次擦除整片
72
4. EEPROM的应用
可通过编写程序实现对芯片的读写； 每写入一个字节都需判断READY / BUSY
主存储器 虚拟存储系统
磁盘存储器
8
Cache存储系统
对程序员是透明的 目标：
提高存储速度
Cache
主存储器
9
虚拟存储系统
对应用程序员是透明的。 目标：
扩大存储容量
主存储器
磁盘存储器
10
3. 主要性能指标
存储容量（S）（字节、千字节、兆字节等） 存取时间（T）（与系统命中率有关）
端的状态，仅当该端为高电平时才可写 入下一个字节。
P219例
73
四、闪速EEPROM
特点：
通过向内部控制寄存器写入命令的方法 来控制芯片的工作方式。
74
工作方式
数据读出
读单元内容 读内部状态寄存器内容 读芯片的厂家及器件标记
CAS：列地址选通信号。
地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们 分别在#RAS和#CAS有效期间被锁存在锁存器中。
WE：写允许信号
DIN： 数据输入
WE=0 WE=1
数据写入 数据读出
DOUT：数据输出
49
3. 2164在系统中的连接
与系统连接图
50
三、存储器扩展技术
51
1. 存储器扩展
1 A15 1 A14 1 A13
存储器及其与CPU的接口课件
•存储器及其与CPU的接口
•17
• 2764工作方式：
• 读方式：这是EPROM的主要工作方式。此时， VCC=VPP，CE=0，OE=0。数据线为输出。
• 维持方式（未选中）：此时，CE=1，VCC=VPP，OE任 意，EPROM数据线为高阻态。
• 编程方式（写入方式）：VPP加规定电压，CE=OE=1， EPROM数据线为输入。
• 由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此 PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。
•存储器及其与CPU的接口
•4
• ③ EPROM
• EPROM是一种紫外线可擦除可编程ROM。
• 写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的 功能。
• EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时， 将它放在紫外线灯光下照射约15～20分钟便可擦除信息， 使所有的擦除单元恢复到初始状态“1”，又可以编程写 入新的内容。
• 其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但由于电容存 在漏电现象，电容电荷会因为漏电而逐渐丢失，因此必 须定时对DRAM进行充电（称为刷新）。
•存储器及其与CPU的接口
•9
• ③ NVRAM
• NVRAM是一种非易失性随机存储器。
• 它的存储电路由SRAM和EEPROM共同构成，在正常运 行时和SRAM的功能相同，既可以随时写入，又可以随 时读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间，它可以立即 把SRAM中的信息保存到EEPROM中，使信息得到自动 保护。
A2
A2
A2
A2 8
A1
A1
A1
A1
A1 9
A0
A0
A0
A0
A0 10
D0
计算机组成原理第五章
解： h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)×0.95)=83.3%
ta=tc/e=50ns/0.833=60ns
例:已知Cache存储周期为40ns,主存存储周期为200ns, Cache / 主存系统平均访问时间为50ns,求Cache旳命中率是多少? 解: 因为 ta=htc+(1-h)tm
主存
块0 块1
标识 块15
块
…
字0 字1 字511
块2047
因为Cache旳块数远不大于主存旳块数，所以一种Cache不能
唯一地、永久地只相应一种贮存块，在Cache中，每一块外加有
一种标识，指明它是主存旳哪一块旳副本(拷贝)。
标识旳有效位
每个标识设置有一种有效位。机器 标识
加电开启时，Reset信号将全部标识旳 0
第五章 存储系统
本讲安排
1、存储器层次概述 存储器层次构造及其工作原理，CACHE和虚拟存储器旳性能 2、CACHE构造设计 直接、全相联、组相联，地址映象，地址变换 3、CACHE旳替代策略 RAND、FIFO、LRU 4、CACHE旳写策略 写透，写回 5、虚拟存储器及其管理 分段管理，分页管理，段页式管理，多级页表，TLB
块内地址
访问主存 替换 Cache
访问主存 装入 Cache
到CPU
Cache
单字
主存
块
Cache概念： （1）CPU与主存储器之间旳一种高速缓冲装置 （2）Cache-主存层次构造：由硬件变换地址和控制调度。
Cache具有如下特点： ① 位于CPU与主存之间，是存储器层次构造中级别最高旳一级； ② 容量比主存小，目前一般有数ＫＢ到数ＭＢ； ③ 速度一般比主存快５－１０倍,一般由存储速度高旳双极型三
ta=tc/e=50ns/0.833=60ns
例:已知Cache存储周期为40ns,主存存储周期为200ns, Cache / 主存系统平均访问时间为50ns,求Cache旳命中率是多少? 解: 因为 ta=htc+(1-h)tm
主存
块0 块1
标识 块15
块
…
字0 字1 字511
块2047
因为Cache旳块数远不大于主存旳块数，所以一种Cache不能
唯一地、永久地只相应一种贮存块，在Cache中，每一块外加有
一种标识，指明它是主存旳哪一块旳副本(拷贝)。
标识旳有效位
每个标识设置有一种有效位。机器 标识
加电开启时，Reset信号将全部标识旳 0
第五章 存储系统
本讲安排
1、存储器层次概述 存储器层次构造及其工作原理，CACHE和虚拟存储器旳性能 2、CACHE构造设计 直接、全相联、组相联，地址映象，地址变换 3、CACHE旳替代策略 RAND、FIFO、LRU 4、CACHE旳写策略 写透，写回 5、虚拟存储器及其管理 分段管理，分页管理，段页式管理，多级页表，TLB
块内地址
访问主存 替换 Cache
访问主存 装入 Cache
到CPU
Cache
单字
主存
块
Cache概念： （1）CPU与主存储器之间旳一种高速缓冲装置 （2）Cache-主存层次构造：由硬件变换地址和控制调度。
Cache具有如下特点： ① 位于CPU与主存之间，是存储器层次构造中级别最高旳一级； ② 容量比主存小，目前一般有数ＫＢ到数ＭＢ； ③ 速度一般比主存快５－１０倍,一般由存储速度高旳双极型三
微机原理和接口技术-5-2 存储系统
0110000000000000 1111111111111111
20
Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
例3 （1）解：如果ROM和RAM存储器芯片都采用 8K×1的芯片，试画出存储器与CPU的连接图。
MREQ# A15-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
例2解
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
MREQ# A20-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
A20-18
000
3-8译码器
001
010
A17-0
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
D7~D0
D7~D0
D7~D0
…
111
WE A CS
如果采用的字节编址方式，则需要20条地址线，因为220=1024K byte。
注：字编址方式时，每个32位字地址能够访问4个字节； 如果按照字节编址方式，则每个地址只对应一个字节， 因此所需的地址数是前者的4倍， 218* 4=220 ，即需要20条地址线）
13
Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
解：256K*8位SRAM芯片包含18根地址线 (1) 该存储器需要2048K/256K = 8片SRAM芯片； (2) 需要21条地址线， 因为221=2048K， 其中高3位经过译码器输出后用于芯片选择， 低18位作为每个存储器芯片的地址输入。 (3) 该存储器与CPU连接的结构图如下。
20
Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
例3 （1）解：如果ROM和RAM存储器芯片都采用 8K×1的芯片，试画出存储器与CPU的连接图。
MREQ# A15-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
例2解
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
MREQ# A20-0 R/W#
CPU
D7~D0
OE#
A20-18
000
3-8译码器
001
010
A17-0
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
WE A CS
256K ×8
D
D7~D0
D7~D0
D7~D0
…
111
WE A CS
如果采用的字节编址方式，则需要20条地址线，因为220=1024K byte。
注：字编址方式时，每个32位字地址能够访问4个字节； 如果按照字节编址方式，则每个地址只对应一个字节， 因此所需的地址数是前者的4倍， 218* 4=220 ，即需要20条地址线）
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Zuo 华中科技大学计算机学院
微机原理与接口技术---Chapter5 存储器
解：256K*8位SRAM芯片包含18根地址线 (1) 该存储器需要2048K/256K = 8片SRAM芯片； (2) 需要21条地址线， 因为221=2048K， 其中高3位经过译码器输出后用于芯片选择， 低18位作为每个存储器芯片的地址输入。 (3) 该存储器与CPU连接的结构图如下。
CPU与存储器连接IO接口和总线
CPU与存储器连接IO接口和总线第22课CPU与存储器的连接I/O接口和总线教学目的：掌握CPU与存储器的连接方式，了解I/O接口的寻址和数据传送，了解总线的类型。
教学重点：CPU与存储器的连接、CPU与外部设备的数据传送。
教学难点：存储器连接时数据线、地址线和控制线的连接。
授课内容：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。
连接时要考虑：CPU总线负载能力、CPU 时序和存储器存取速度之间的配合、存储器地址分配和片选、控制信号的连接。
1.存储器的地址选择通常是将低位地址线连到所有存储器芯片，实现片内寻址，将高位地址线通过译码器或线性组合后输出作为芯片的片选信号，实现片间寻址，由地址线的连接决定了存储器的地址分配，有三种存储器地址选择的方法：(1).线性选择方式将某根高位地址线直接作为芯片的片选。
电路简单，但地址分配重叠，且地址空间不连续。
适于用在容量小且不要求扩充的系统中。
(2).全译码选择方式对全部高位地址进行译码，输出作为片选。
译码电路复杂，但所得地址是唯一且连续的，并且便于内存扩充。
(3).部分译码选择方式将高位地址线中的几位经过译码后作为片选控制。
部分译码方式的可寻址空间比线性选择范围大，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。
使用不同信号作片选控制信号时，它们的地址分配也将不同，此方式经常应用在设计较小的微型计算机系统中。
2.存储器的数据线及控制线的连接与8086CPU相连的存储器分为奇偶两个存储体，用A0和/BHE 分别来选择奇地址和偶地址两个存储体，用A19～A1来选择存储体体内的地址。
若A0＝0选中偶地址存储体，它的数据线连到D7～D0，若/BHE＝0选中奇地址存储体，它的数据线连到Dl5～D8。
若读写一个字，A0和/BHE均为0，两个存储体全选中。
存储器及其接口课件
单位表示。
PART 03
常见存储器类型及其特点
REPORTING
DRAM（动态随机存取存储器）
特点
DRAM是计算机中最常用的存储器 类型，它具有容量大、价格低廉等优 点。但是，DRAM需要定期刷新以 保持数据存储，因此功耗相对较高。
应用
计算机的内存条（RAM）就是由 DRAM芯片组成的。
SRAM（静态随机存取存储器）
CPU通过地址总线向存储器发送地址信号，指定 需要访问的存储单元的位置。
CPU通过控制总线访问存储器
CPU通过控制总线向存储器发送控制信号，如读 /写信号，以指导要执行的操作。
3
CPU通过数据总线访问存储器
CPU通过数据总线从存储器读取数据或向存储器 写入数据。
存储器对CPU的响应过程
存储器接收到CPU的访问要求 后，根据地址信号找到相应的 存储单元。
随着半导体技术的发展，出现了 基于晶体管的随机访问存储器（ RAM）和只读存储器（ROM） 。这些存储器具有更高的速度和
更小的体积。
现代存储器
随着集成电路技术的发展，出现 了更小、更快、更可靠的存储器
，如动态随机访问存储器（ DRAM）、静态随机访问存储器
（SRAM）和闪存等。
存储器的应用领域
计算机系统
特点
SRAM的读写速度非常快，但是 它的功耗也相对较高。由于 SRAM的制造工艺复杂，因此价 格也相对较高。
应用
计算机的CPU缓存（Cache）就 是由SRAM芯片组成的。
ROM（只读存储器）
特点
ROM可以存储大量数据，但是一旦写入，就不能修改或只能以困难的方式修改 。因此，ROM通常用于存储固件或其他不需要更改的数据。
数据传输与CPU的时钟 信号不同步，适用于较
PART 03
常见存储器类型及其特点
REPORTING
DRAM（动态随机存取存储器）
特点
DRAM是计算机中最常用的存储器 类型，它具有容量大、价格低廉等优 点。但是，DRAM需要定期刷新以 保持数据存储，因此功耗相对较高。
应用
计算机的内存条（RAM）就是由 DRAM芯片组成的。
SRAM（静态随机存取存储器）
CPU通过地址总线向存储器发送地址信号，指定 需要访问的存储单元的位置。
CPU通过控制总线访问存储器
CPU通过控制总线向存储器发送控制信号，如读 /写信号，以指导要执行的操作。
3
CPU通过数据总线访问存储器
CPU通过数据总线从存储器读取数据或向存储器 写入数据。
存储器对CPU的响应过程
存储器接收到CPU的访问要求 后，根据地址信号找到相应的 存储单元。
随着半导体技术的发展，出现了 基于晶体管的随机访问存储器（ RAM）和只读存储器（ROM） 。这些存储器具有更高的速度和
更小的体积。
现代存储器
随着集成电路技术的发展，出现 了更小、更快、更可靠的存储器
，如动态随机访问存储器（ DRAM）、静态随机访问存储器
（SRAM）和闪存等。
存储器的应用领域
计算机系统
特点
SRAM的读写速度非常快，但是 它的功耗也相对较高。由于 SRAM的制造工艺复杂，因此价 格也相对较高。
应用
计算机的CPU缓存（Cache）就 是由SRAM芯片组成的。
ROM（只读存储器）
特点
ROM可以存储大量数据，但是一旦写入，就不能修改或只能以困难的方式修改 。因此，ROM通常用于存储固件或其他不需要更改的数据。
数据传输与CPU的时钟 信号不同步，适用于较
微机原理与接口技术(第三版)&电子工业出版社&课本习题答案
&电子工业出版社&第二章 8086体系结构与80x86CPU1．8086CPU由哪两部分构成？它们的主要功能是什么？答：8086CPU由两部分组成：指令执行部件(EU，Execution Unit)和总线接口部件(BIU，Bus Interface Unit)。
指令执行部件（EU）主要由算术逻辑运算单元(ALU)、标志寄存器FR、通用寄存器组和EU控制器等4个部件组成，其主要功能是执行指令。
总线接口部件(BIU)主要由地址加法器、专用寄存器组、指令队列和总线控制电路等4个部件组成，其主要功能是形成访问存储器的物理地址、访问存储器并取指令暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或I／O端口读取操作数参加EU运算或存放运算结果等。
2．8086CPU预取指令队列有什么好处？8086CPU内部的并行操作体现在哪里？答：8086CPU的预取指令队列由6个字节组成，按照8086CPU的设计要求，指令执行部件（EU）在执行指令时，不是直接通过访问存储器取指令，而是从指令队列中取得指令代码，并分析执行它。
从速度上看，该指令队列是在CPU内部，EU从指令队列中获得指令的速度会远远超过直接从内存中读取指令。
8086CPU内部的并行操作体现在指令执行的同时，待执行的指令也同时从内存中读取，并送到指令队列。
5．简述8086系统中物理地址的形成过程。
8086系统中的物理地址最多有多少个？逻辑地址呢？答：8086系统中的物理地址是由20根地址总线形成的。
8086系统采用分段并附以地址偏移量办法形成20位的物理地址。
采用分段结构的存储器中，任何一个逻辑地址都由段基址和偏移地址两部分构成，都是16位二进制数。
通过一个20位的地址加法器将这两个地址相加形成物理地址。
具体做法是16位的段基址左移4位(相当于在段基址最低位后添4个“0”)，然后与偏移地址相加获得物理地址。
由于8086CPU的地址线是20根，所以可寻址的存储空间为1M字节，即8086系统的物理地址空间是1MB。
第05章IO接口
2io端口独立编址访问io端口需要专门的io指令80868088cpu采用这种方式io端口地址范围为00000ffffh共64k3ibmpc微型计算机io端口地址分配共10条地址线定义io端口设a11150寻址范围为03ffh前256个端口地址供主板上寻址io接口芯片使用后768个供扩展槽接口卡使用用户设计io接口电路的时候应使用系统未占用的端口地址区域为避免所选择的地址与其他扩展卡冲突最好将其设计成地址可选的型式ibmpc微机系统板各io接口器件端口地址见表518086cpu采用内存与io端口独立编址方式设置了一套独立的输入输出指令
举例
IN AL, 60H ；8位输 入指令 IN AX, 78H ；16位输 入指令 MOV DX, 312H ；端口 地址送DX IN AX, DX ；16位间 接输入指令
功能
把指定端口中 的数据读入AL 或AX中
IN ACC, DX
AL/AX ← （DX）
OUT ACC OUT ACC
PORT, DX,
图5-4 输出锁存电路
简单的输入／输出接口（图5-5）
• • 把地址译码、数据锁存与缓冲、状态寄存器、命令寄 存器各个电路组合起来，构成简单输入／输出接口 接口连接的信号： – 与系统总线连接：
地址总线A0～A15 数据总线D0~D7 控制总线M/IO#、RD# 、WR# （最小模式时）或 IOWC#、IORC#（最大模式时）相连接
高电平（无效）：缓冲器输出端呈高阻态。 低电平（有效，端口被选中 ）：已锁存的数据通过 74LS244送往系统数据总线，被CPU所接收。
图5-3 输入设备接口的数据锁存和缓冲电路
数据（命令）输出端口：
•
CPU送往外设的数据或命令，应由接口进行锁存， 以便使外设有充分的时间接收和处理。
举例
IN AL, 60H ；8位输 入指令 IN AX, 78H ；16位输 入指令 MOV DX, 312H ；端口 地址送DX IN AX, DX ；16位间 接输入指令
功能
把指定端口中 的数据读入AL 或AX中
IN ACC, DX
AL/AX ← （DX）
OUT ACC OUT ACC
PORT, DX,
图5-4 输出锁存电路
简单的输入／输出接口（图5-5）
• • 把地址译码、数据锁存与缓冲、状态寄存器、命令寄 存器各个电路组合起来，构成简单输入／输出接口 接口连接的信号： – 与系统总线连接：
地址总线A0～A15 数据总线D0~D7 控制总线M/IO#、RD# 、WR# （最小模式时）或 IOWC#、IORC#（最大模式时）相连接
高电平（无效）：缓冲器输出端呈高阻态。 低电平（有效，端口被选中 ）：已锁存的数据通过 74LS244送往系统数据总线，被CPU所接收。
图5-3 输入设备接口的数据锁存和缓冲电路
数据（命令）输出端口：
•
CPU送往外设的数据或命令，应由接口进行锁存， 以便使外设有充分的时间接收和处理。
微机原理与接口技术第五章存储器
数据只能读出不能写入，断电后数据不丢 失，常用作固定数据存储。
RAM的分类与特点
静态随机存取存储器（SRAM）
动态随机存取存储器（DRAM）
速度快，集成度低，功耗大，常用作高速 缓冲存储器。
速度较慢，集成度高，功耗小，常用作主 存储器。
异步随机存取存储器（DRAM）
只读存储器（ROM）
速度慢，集成度高，功耗小，价格便宜， 常用于大容量存储。
01
02
03
存储器接口是CPU与主 存储器之间的连接桥梁 ，负责数据的传输和控
制。
存储器接口的主要功能 包括地址译码、数据传
输、读写控制等。
存储器接口的信号线包 括地址线、数据线、控 制线等，用于实现CPU 与主存储器之间的信息
交换。
存储器接口的信号线
01
02
03
地址线
用于传输CPU发出的地址 信号，指向主存储器中的 某个单元。
高密度化
随着技术的不断发展，存储器的容量和集成度将不断提高，以满 足不断增长的数据存储需求。
异构存储集成
未来存储器将朝着异构存储集成的方向发展，结合不同类型存储 器的优点，实现更高效、可靠的数据存储。
新型存储技术
新型存储技术如相变存储器、阻变存储器和闪存等将继续得到发 展，并逐渐应用于商业领域。
04
存储器接口
04
存储器接口
存储器接口的基本概念
01
02
03
存储器接口是CPU与主 存储器之间的连接桥梁 ，负责数据的传输和控
制。
存储器接口的主要功能 包括地址译码、数据传
输、读写控制等。
存储器接口的信号线包 括地址线、数据线、控 制线等，用于实现CPU 与主存储器之间的信息
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Intel 2817的工作方式
︰
6、Flash Memory（闪存）：
快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体 存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携 机存储器市场。 快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除 和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当 快擦型存储器有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电 源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均 已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。 快擦型存储器可替代EEPROM，在某些应用场合还可取代 SRAM，尤其是对于需要配备电池后援的SRAM系统，使用快擦型 存储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点 能满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的ROM，以 便随时写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打 印机、条形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。
静态RAM（SRAM）
动态RAM（DRAM）
随机存取存储器 （RAM） 半导体 存储器 非易失RAM（NVRAM） PSRAM MPRAM FPRAM
掩膜式ROM
一次性可编程ROM（PROM） 只读存储器 （ROM） 紫外线擦除可编程ROM（EPROM） OTPROM 电擦除可编程ROM（EEPROM）
二、ROM（Read Only Memory）
正常工作时，只读不可写，掉电不丢失 1．掩模ROM • • • 早期的ROM 由半导体厂 • 字 • 按照某种固 线 A0 • • 地 定线路制造 • 址 译 的，制造好 A1 • 码 • 以后就只能 器 • • • 读不能改变。 • •
• • • • • • • • •
FLASH ROM
5.1.2 半导体存储器的特点
• • • • • 1、存储容量 2、速度: 分存取时间TA和存取周期TAC 3、功耗 :分维持功耗和操作功耗 4、可靠性:平均无故障时间MTBF 5、性价比
1．存储容量
(1) 用字数位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯 片的容量，如1K4位，表示该芯片有1K个单元 (1K=1024)，每个存储单元的长度为4位。 (2) 用字节数表示容量，以字节为单位，如128B，表示
3．可擦去的可编程只读存储器EPROM（Erasable PROM） 高压写入，紫外线擦除
VCC 位 线 输 出 S SiO 2 浮栅 行线
P＋
＋ ＋ ＋ N衬底
P＋
D 浮栅管 S (b)
位线
(a)
4．OTPROM（Onetime Programmable ROM） 只不过在EPROM基础上，但没有窗口。
2．存取时间
存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经
历的时间。例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有
效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止
所用的时间。显然，存取时间越小，存取速度越快。 3．存储周期 连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所 需要的最短间隔时间称为存储周期。它是衡量主存储器 工作速度的重要指标。一般情况下，存储周期略大于存 取时间。 4．功耗 功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的 程度。
三、SRAM芯片实例
常用典型的SRAM芯片有6116、6264、62256等
5.2.1 SRAM
一、SRAM的内部结构
• •
A T5 T3 D0 T4 DO VCC （+5V）
• •
行选择线X
• •
T1 T2
•B
T6
•
CELL
位线D
位线D
T7 (I/O) 接 Y 地址译码器
T8 (I/O)
A7 Y0 X0
CELL
A6
A5
A4
行地址译码 Y1
…
CELL
Y15
…
… …
A3 A2 A1 A0 行 地 址 译 码
2716引脚
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GND — — — — — — — — — — — — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 — — — — — — — — — — — — VCC A8 A9 VPP OE A10 CE O7 O6 O5 O4 O3
3、NVRAM(Non Volatile RAM)非易失性RAM
掉电时，将SRAM信息写入E2PROM
4、PSRAM(Pseudo Static RAM)伪静态RAM
片内集成了动态刷新电路
5、MPRAM(Multiport RAM)多端口RAM
(1)双口RAM
(2)VRAM（Video RAM）视频动态读写存储器 (3)双向FIFO，高速图形图像处理 (4)MPRAM：三口、四口等 6、FPRAM(Ferroelectic RAM)铁介质读写存储器
1．Intel 2817的基本特点
R/B NC A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND — — — — — — — — — — — — — — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 — VCC — WE — NC — A8 — A9 — NC — OE — A10 — CE — D7 — D6 — D5 — D4 — D3
上一张 返回
5．可靠性
可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变
化的抗干扰能力。存储器的可靠性用平均故障 间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures) 来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均 时间间隔。MTBF越长，可靠性越高，存储器正
常工作能力越强。
6．集成度
集成度指在一块存储芯片内能集成多少
个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信 息，所以集成度常用位/片来表示。
上一张
返回
7．性能/价格比
性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性
能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价
值。其中性能包括前述的各项指标，而价格是 指存储单元本身和外围电路的总价格。
5.2 RAM
X 地址译 码线
5、电可擦除可编程ROM (Electronic Erasible Programmable ROM, EEPROM) EEPROM内资料的写入要用专用 的编程器，并且往芯片中写内容时 必须要加一定的编程电压(12—24V， 随不同的芯片型号而定)。 EEPROM在写入数据时，仍要利用 一定的编程电压，此时，只需用厂 商提供的专用刷新程序就可以轻而 易举地改写内容，所以，它属于双 电压芯片。借助于EPROM芯片的 双电压特性，可以使BIOS具有良好 的防毒功能，在升级时，把跳线开 关打至“ON”的位置，即给芯片加 上相应的编程电压，就可以方便地 升级；平时使用时，则把跳线开关 打至“OFF”的位置，防止病毒对 BIOS芯片的非法修改。
磁存储器：磁芯、磁盘、磁带 2、按存 储介质分 光存储器：光盘
1)按半导 体存储器 制造工艺
(1)双极型TTL
半导体存储器： 2)按半导 体存储器 工作方式 和应用角 度
(2)MOS型存储器 (1)RAM (Random Acess Memory) (2)ROM (Read Only Memory)
VDD 字线 0 字线 1
字线 2
字线 3
位线 1 位线 2 位线 3 位线 4 字线 4 D3 D2 D1 D0
•
1 A0 A1 A2 A3 A4 X 地 址 译 码 器
• • • • • • •
• • •
•
2
32
• •
I/O
1
•2
A5 A6 A7
32
Y 地址译码器 A8 A9
2．可编程序的只读存储器PROM(Programmable ROM) 为了便于用户根据自己的需要来写ROM，就发展了一种 PROM，可由用户对它进行编程，但这种ROM用户只能 写一次。
X 地址译 码线
• •
A T5 T3 D0 T4 VCC （+5V）
• •
行选择线X
T2
•
•
T1
CELL
•B
T6
•
位线D
位线D
DO
T7 (I/O) 接 Y 地址译码器
T8 (I/O)
2、动态RAM的特点 DRAM(Dynsmic RAM) ① 基本存储电路用单管线路 组成（靠电容存储电荷）。 ② 集成度高。 ③ 比静态RAM的功耗更低。 ⑤ 价格比静态便宜。 ⑥ 因动态存储器靠电容来存 储信息，由于总是存在着泄漏 电流，故需要定时刷新。典型 的是要求每隔1ms刷新一遍。 单管动态存储电路
CELL
X1
D D
D
CELL
D D
D
CELL
X15
…
D
…
D
… … … …
D D
D
CELL
…
D
CELL
CELL
CELL
D
D
X0
D
D
D
D
WE CE
OE
≥
…
D0 D1
≥
…
D7
二、SRAM的结构及组成
• • • • • 1、单译码结构 2、双译码结构 3、 CE 作用 4、优点：不用刷新，速度快 缺点：功耗大，集成度低
5.1.1半导体存储器
半导体存储器从使用功能上来分，可分为：读写存 储器RAM（Random Access Memory）又称为随机存 取存储器；只读存储器ROM（Read Only Memory）两 类。RAM主要用来存放各种现场的输入、输出数据，中 间计算结果，与外存交换的信息和作堆栈用。它的存储 单元的内容按需要既可以读出，也可以写入或改写。而 ROM的信息在使用时是不能改变的，也即只能读出， 不能写入故一般用来存放固定的程序，如微型机的管理、 监控程序，汇编程序等，以及存放各种常数、函数表等。