存储器与存储器系统

第五章存储器与存储器系统内容提要：1．存储器的分类、性能指标，存储器系统的多层结构；2．半导体存储器的基本结构、工作原理；3．半导体存储器容量的形成与寻址及其与8086CPU的连接；4．内存条的选择与安装；5． EPROM编程实践。

学习目标：1．掌握存储器的分类、性能指标，存储器系统的多层结构；2．掌握存储器芯片RAM、EPROM的基本结构、地址形成方法；3．重点掌握8086CPU与存储器的连接技术；4．掌握EPROM编程技术；5．了解DRAM刷新，内存条选择与安装。

难点：CPU与存储器的连接。

学时：6实验学时：作业：1、由2K×1bit的芯片组成容量为4K×8bit的存储器需要个存储芯片。

A）2 B）8 C）32 D）162、由2732芯片组成64KB的存储器，则需要块芯片和根片内地址线。

A）12 B）24 C）16 D）143、安排2764芯片内第一个单元的地址是1000H，则该芯片的最末单元的地址是。

A）1FFFH B）17FFH C）27FFH 4）2FFFH将存储器与系统相连的译码片选方式有法和法。

4、若存储空间的首地址为1000H，存储容量为1K×8、2K×8、4K×8H和8K×8的存储器所对应的末地址分别为、、和。

5、对6116进行读操作，6116引脚CE= ，WE= ，OE= 。

6、试用4K×8位的EPROM2732和2K×8位的静态RAM6116以及LS138译码器,构成一个8KB.的ROM、4KB的RAM存储器系统(8086工作于最小模式),ROM地址范围为：FE000H～FFFFFH,RAM 地址范围为：00000H～00FFFH。

一、概述1. 存储器分类1）按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器；2）按读写功能分：ROM和RAM；3）按信息的可保存性分类：非永久性记忆存储器（断电后信息消失）：RAM永久性记忆存储器（断电后信息仍保存）：ROM、磁表面或光表面存储器；4）按在计算机系统中的作用分类：主存储器（内存）、辅助存储器（外存）、高速缓冲存储器。

2. 存储器的性能指标1）存储容量：是指存储器可以存储的二进制信息量。

表示方法为：存储容量= 存储单元数*每单元二进制位数2）存取时间和存取周期：说明存储器工作速度。

存取时间：从存储器接收到寻址地址开始，到完成取出或存入数据为止所需的时间；存取周期：连续两次独立的存储器存取操作所需的最小时间间隔；一般略大于存取时间。

3）可靠性：指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。

4）其它指标：体积、功耗、工作温度范围、成本等。

3. 存储器系统的多层结构对存储器系统的要求：容量大、速度快、成本低；存储器系统多层结构：高速缓冲存储器（cache）、主存储器、外存储器；主存：用来存放计算机运行期间的大量程序和数据，CPU可直接访问，一般由MOS型半导体存储器组成；高速缓冲存储器（cache）：是计算机系统中的一个高速但容量小的存储器，在中高档微机中用来临时存放CPU正在使用和可能就要使用的局部指令和数据。

通常用双极型半导体存储器组成；外存：用来存放系统程序和大型数据文件及数据库等。

外存储器中的数据和程序必须调到内存中CPU才能执行或调用，所以其特点是：存储器容量大、成本低但存取速度慢，目前主要有磁盘、光盘、磁带存储器。

二、半导体存储器1. 半导体存储器的分类：可分为RAM和ROM。

RAM：随机读写存储器，非永久性记忆存储器，用来存放需改变的程序、数据、中间结果及作为堆栈等；ROM：只读存储器，属永久性记忆存储器，用来存放固化系统的设备驱动程序、不变的常数和表格等。

2. 随机存储器RAM按制造工艺可分为双极型和MOS型。

双极型：用晶体管组成基本存储电路，特点是存取速度快，但与MOS型相比，集成度低、功耗大、成本高，常用来制造cache；MOS型：用MOS管组成基本存储电路，存取速度低于双极型，但集成度高、功耗低、成本低、应用广泛。

可分为静态和动态两类。

1）SRAM和DRAM的共同点：①断电后内容会丢失；②既可读亦可写。

2）区别：①从存放一位信息的基本存储电路来看，SRAM由六管结构的双稳态电路组成，而DRAM是由单管组成，是靠分布电容来记忆信息的。

②SRAM的内容不会丢失，除非对其改写，DRAM除了对其进行改写或掉电，若隔相当长时间时，其中的内容回丢失，因此，DRAM每隔一段时间就需刷新一次，在700C情况下，典型的刷新时间间隔为2ms。

③DRAM集成度高，而SRAM的集成度低。

3）DRAM的刷新①基本存储电路见图5.1。

图5.1基本存储电路DRAM刷新：定时重复地DRAM进行读出和再写入，以使电容泄放的电荷得到补充。

②专门安排的动态刷新操作特点：保证在2ms内DRAM所有行都能遍访一次；刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由AB提供；刷新地址只需行地址；刷新操作时，存储器芯片的数据线呈高阻状态。

③实际的DRAM刷新方法：一种是利用专门DRAM控制器来实现刷新控制，如Intel8203就是专门为了2117、2118、2164DRAM刷新DRAM控制器；另一种是在每一个DRAM芯片上集成逻辑电路，使存储器件自身完成刷新，这种器件叫综合型DRAM，对用户而言，工作起来如同静态RAM，如Intel2186/2187。

④DRAM特点：需刷新，且刷新操作时，不能进行正常读写操作，和SRAM比较，具有集成度高、功耗低、价格便宜、应用普遍等优点。

3. 只读存储器ROM分为掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM。

1）掩膜ROM：厂家采用光刻掩膜技术，将程序制入其中，用户使用时，只能进行读操作，不能再改写存储器中的信息；2）PROM：用户买来可按照自己的需要，进行一次且只能进行一次编程（写操作），一经编程就只能执行读出操作了；3）EPROM：用户借助特殊手段可写入信息（编程）且能用紫外线擦除信息并可重复编程的ROM；4）EEPROM：在线电擦除的EPROM。

三、常用半导体存储器芯片1. 静态RAM存储器（SRAM）1）静态RAM的结构和特性常用的静态RAM电路有6116、6264、62256等，它们的引脚排列见图5.2。

①A0～Ai：地址输入线，i=10（6116），12（6264），14（62256）；②O0～O7：双向数据线，有时用D0～D7表示；③：选片信号输入线，低电平有效；（CS高电平有效）④：读选通信号输入线，低电平有效；⑤：写选通信号输入线，低电平有效；⑥Vcc：工作电源+5V；⑦GND：线路地。

图5.2 常用静态RAM电路引脚图2) 静态RAM的工作方式静态RAM存储器有读出、写入、维持三种工作方式，工作方式的操作控制见表5.1。

表5. 1 6116,6264,62256的操作控制* 对CMOS的静态RAM电路,为高电平时电路处于降耗状态,此时Vcc电压可降至3V左右,内部的存储数据也不会丢失。

2. EPROM电路1）EPROM的结构和特性常用的EPROM电路有：2716，2732，2764，27128，27256，27512等。

①A0～Ai：地址输入线，i=10～15；②O0～O7：三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。

维持或编程禁止时，O0～O7呈高阻抗；③：选片信号输入线，“0”（即TTL低电平）有效；④：编程脉冲输入线；⑤：读选通信号输入线，“0”有效；⑥Vpp：编程电源输入线，Vpp的值因芯片型号和制造厂商而异；⑦Vcc：主电源输入线，Vcc一般为+5V；⑧GND：线路地。

2）EPROM的操作方式EPROM的主要操作方式有：①编程方式：把程序代码（机器指令、常数）固化到EPROM中；②编程校验方式：读出EPROM中的内容，检验编程操作的正确性；③读出方式：CPU从EPROM中读取指令或常数；④维持方式：数据端呈高阻；⑤编程禁止方式：适用于多片EPROM并行编程不同数据。

3. EPROM编程EPROM编程就是将调试好的程序代码固化到（即写入）EPROM中。

常用的编程方法有常规的慢速编程和快速智能编程两种。

四、存储器与微处理器的连接1. 主存储器的组织1）系统内存配置是最基本的一步。

主要是指内存容量的确定、内存区域的地址分配。

①确定内存容量的因素首先应考虑计算机运行环境的需要，其中应包括：系统软件所需占用的存储量、应用软件所需占用的存储量和数据所需占用的存储量；另一个应考虑的因素是直接寻址的范围。

当系统的处理机选定以后，它的数据线的数目就确定了，也就规定了以该处理机为中心组织的系统内存的最大容量。

②内存区域的地址分配（特别应关心那些对硬件连接有直接影响的地址段）首先应考虑ROM区的设置：ROM区应设置在处理机的起始地址上；其次要考虑特殊用途规定的固定寻址地址：既可设在ROM区，亦可设在RAM区，若在RAM，则使程序设计更加灵活；最后是RAM区域内的各地址基本上都是由程序操作的，即它们的工作情况主要受软件控制。

2）字节寻址与字寻址①在8086系统中，当要作一个整字存取时，只要是地址相邻的两个字节就可以了，且规定以地址较高的那个字节作为这个字的高位字节，而以低地址字节作为低位字节。

②在8086系统中存储器物理结构上采用奇偶分体的方法，即偶数地址集成在一片存储芯片上，组成低位字节存储体；奇数地址集成在另一片存储芯片中，组成高位字节存储体。

用A0=0作低位字节存储体的选通信号，用=0作高位字节存储体的选通信号。

③读写一个字，且从偶地址开始，CPU输出的A0和低两个字节，只需一个总线周期；读写一个字，若从奇地址开始，这时分两次读写，即需要两个总线周期。

若读写一个字节，无论是从偶地址还是从奇地址读写，读只需一个总线周期。

3）存储器芯片的选用应注意芯片读写周期与CPU提供的总线周期的关系。

例：8086CPU的时钟为5MHz，即时钟周期为200ns，总线周期为800ns，由于地址与数据线分时复用的缘故，实际完成读写操作的时间主要在两个时钟周期内，也即约400ns，这就要求选用的存储器芯片的读写周期不能大于400ns。

2. 8086系统中存储器的连接举例设在8086最小模式下，系统要求16KB的ROM和16KB的RAM。

RAM区的地址为00000H～03FFFH，ROM区的地址为FC000H～FFFFFH。

1）74LS138三—八译码器三个门控信号G1、、，只有当G1=1、=0、=0同时有效时，译码器才工作。

三个选通引脚A2、A1、A0，当这三个引脚取不同的值时，将选通不同的通道。

参见表5.9。

2）8086最小模式系统与存储器读写操作有关的引脚有：地址线：A0～A19；数据总线：D0～D19；，、和。