04.微机接口_第四章

解决方法：
将多个同字数的存储器芯片的地址、片选、
读/写端相并联，而数据端各自连到不同的总
线上。
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A11～A0 两片同时选中
片选
数据分别提供 D7～D4 D3～D0
A11～A0 CE 4K 4
A11～A0 CE 4K4
D7～D4
D3～D0
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2.字扩展
适用条件： 存储器芯片的容量不能满足系统需要。
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(二) 存储器容量的扩充
存储器的总容量通常比单个芯片容量大得多， 要用多个芯片组合，进行扩充才能满足存储系统 容量的要求，扩展方法有：
1. 位扩展 2. 字扩展
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1.位扩展
适用条件：
若芯片的数据线不足 8 根，则一次不能 从一个芯片中访问到 8 位数据，利用多个芯 片扩充数据位（数据宽度），这种扩充方式称 “位扩展”。
3. 存取周期
存取周期是连续启动两次独立的存储 器 操 作 所 需 的 最 小 的 时 间 间 隔 TC ， 一 般 TC≥tA 。
存取周期=存取时间+恢复时间
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4. 可靠性 可靠性指存储器对电磁场及温度等变
化的抗干扰能力。
5. 其他指标 体积、重量、功耗。
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4.2 随机存取存储器RAM
本章内容
• 存储器概述 • 存储器的工作原理 • 半导体存储器 • 存储器与CPU的连接
4.1 存储器概述
存储器是计算机系统中用来存储信息的 部件，它是计算机中的重要硬件资源。
从存储程序式的冯诺依曼经典结构而言， 没有存储器，就无法构成现代计算机。
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一、存储器分类
1. 内存储器(内存或主存)
WE CE1 CE2 OE × 1 ××
方式 未选中
I/O1~ I/O8 高阻
× × 0 × 未选中
高阻
1 0 1 1 输出禁止
高阻
1 01 0
读
OUT
0 01 1
写
IN
0 01 0
写
IN
图4.8 SRAM 6264引脚图
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二、动态随机存储器DRAM
DRAM的基本存储电路(存储单元)有单 管和四管等结构，这里仅介绍单管存储单元 的结构及存储原理。
图4.14 复合译码的MOS ROM电路
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3.双极型ROM电路（略）
A0 A1 A2 A3 A4
AAA567
双 极 型 ROM 的 速 度 比 MOS ROM 快 ， 它 的 取 数时间约为几十 ns ， 可 用 于 速 度 要求较高的微机 系 统 中 。 图 4.15 是一种双极型 ROM 的 结 构 图 ， 容 量 为 256×4 位 。
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4.3 只读存储器(ROM)
D7
D0
···
输出电路
地
址
X
码
译
码
Y 译码 控
制
存储矩阵
逻 辑
图4.11 ROM组成框图
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一、掩膜ROM
特点：
(1) 器件制造厂在制造时编制程序,用 户不能修改。
(2) 用于产品批量生产。 (3) 可由二极管和三极管电路组成。
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1.字译码结构
图 4.12 为 二 极 管 构 成 VCC 的 4×4 位 的 存 储 矩 阵 ， 地址译码采用单译码
VCC
图4.16 熔丝式PROM的 基本存储结构
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特点：
(1) 出厂时里面没有信息。 (2) 用户根据自己需要对其进行设置(编程)。 (3) 只能使用一次，一旦进行了编程不能擦
除片内信息。
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三、可擦除、可编程ROM（EPROM）
在实际工作中，一个新设计的程序往往需要经历 调试、修改过程，如果将这个程序写在ROM和PROM 中，就很不方便了。EPROM是一种可以多次进行擦 除和重写的ROM。
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典型的静态RAM芯片
不同的静态RAM的内部结构基本相同，只是在不同 容量时其存储体的矩阵排列结构不同。典型的静态RAM 芯 片 如 Intel 6116 （ 2K×8 位 ） ， 6264 （ 8K×8 位 ） ， 62128（16K×8位）和62256（32K×8位）等。
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表4.1 6264的操作方式
8287总线收发器实现驱动。
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2. CPU的时序和存储器芯片存取速度的配合
选择存储器芯片要尽可能满足CPU取 指令和读写存储器的时序要求。一般选高 速存储器，避免需要在CPU有关时序中插 入TW而降低CPU运行效率。
从存储器芯片上的标记可以识别芯 片的速度。例如：2732A-30，其存取速 度 为 300ns ； 2732-25 ， 其 存 取 速 度 为 250ns。
一、静态随机存储器SRAM
X地址译码
V3 V5 A
V1
Vcc
V4 B V6
V2
Di V7
Di V8
I/O
Y地址译码
I/O
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图4.6 六管静态存储单元
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静态RAM结构原理图
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特点：
(1) 不需要刷新，简化外围电路。存 取速度快，常用作微型计算机系统 中的高速缓存（Cache）。
(2) 内部管子较多，功耗大，集成度低。
特点：
(1) 可以多次修改擦除。 (2) EPROM通过紫外线光源擦除(编程后，窗口应
贴上不透光胶纸)。
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典型的EPROM芯片
常 用 的 典 型 EPROM 芯 片 有 ： 2716 （ 2K×8 ） 、 2732 （ 4K×8 ） 、 2764 （ 8K×8 ） 、 27128 （ 16K×8 ） 、 27256 （32K×8）、27512（64K×8）等。
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NC Din WE
RAS A0 A1 A2
GND
2164
1 16
8
9
VCC
CAS Dout A6 A3 A4 A5
A7
A0~A7：地址输入 CAS：列地址选通
RAS：行地址选通
WE：写允许
Din：数据输入 Dout：数据输出 Vcc：电源 GND：地
图4.10(a) Intel 2164 DRAM芯片引脚图 20
图4.15 一种双极型ROM的结构图
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二、可编程ROM (PROM)
可 编 程 ROM （ PROM ） 是 一 种 允许用户编程一次的ROM，其存储 单元通常用二极管或三极管实现。 图4.16所示存储单元的三极管的发 射极串接了一个可熔金属丝，出厂 时，所有存储单元的熔丝都是完好 的。编程时，通过字线选中某个晶 体管。若准备写入1，则向位线送高 电平，此时管子截止，熔丝将被保 留；若准备写入0，则向位线送低电 平，此时管子导通，控制电流使熔 丝烧断，不可能再恢复，故只能进 行一次编程。
电 平3 ， 0结 1果 输0 出1 为
输出数据位
“0”4，否0则1为“1 1”0。
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图4.12 二极管ROM
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用MOS三极管取代二极管便构成了MOS ROM阵列 （略）
VDD
字 00 A1 地
址 01 译 A0 码 10 器
11
字选择信号 为高电平
位 位位位 线 线线线 1 234
D4 D3 D2 D1
存储容量=存储单元个数×每个存储单元的位数
存储容量常以字节或字为单位，微型机中均以 字节B（byte）为单位。
常用单位：MB、GB、TB
其中：1kB=210B
1M=210kB=220B
1GB=210MB=230B 1TB=210GB=240B
8
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2. 存取时间
存取时间是指从CPU给出有效地存储 器地址启动一次存储器读/写操作，到完成 该操作所经历的时间 tA。
内部Cache
外部Cache
主存储器
辅助存储器
大容量辅助存储器
速度慢 容量大
图4.1 微机存储系统的层次结构
5
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二、半导体存储器的分类
随机存取存储器
半
RAM
导
体
存
储
器
只读存储器
ROM
静态随机SRAM
动态随机DRAM
掩膜ROM 可编程PROM
可擦除 EPROM
电擦除 EEPROM
6
6
二、半导体存储器的组成
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4.4 存储器与CPU的接口技术
一、存储器与CPU的连接
地址总线
存
CPU
数据总线
储
器
控制总线
图4.19 CPU与存储器连接示意图 33 33
(一) 存储器与CPU连接时应注意问题
1. CPU总线的负载能力。
a. 小系统中，CPU与存储器可直连， b. 大系统常加驱动器, 在8086系统中,常用8286、
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四、电可擦除可编程ROM（EEPROM）
E2PROM是一种在线（即不用拔下来）可编 程只读存储器，它能像RAM那样随机地进行改写， 又能像ROM那样在掉电的情况下所保存的信息 不丢失，即E2PROM兼有RAM和ROM的双重功 能特点。
E2PROM的另一个优点是擦除可以按字节 分别进行（不像EPROM擦除时把整个片子的内
字线1 字线2 字线3 字线4
图4.13 MOS管ROM阵列
位 字
4321 D4 D3 D2 D1 1 0110
2 0111
3 1010
4 0100
24
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2.复合译码结构（略）
VCC
……
A0 A1 A2 A3 A4
A5 A6 A7 A8 A9
…
如图是一个 1024×1 位 的 MOS ROM 电 路 。 10 条 地 址信号线分成两组， 分别经过X和Y译码， 各产生32条选择线。 X译码输出选中某一 行，但这一行中，哪 一 个 能 输 出 与 I/O 电 路相连，还取决于Y 译码输出，故每次只 选中一个单元。
解决方法：
将多个存储器芯片的地址、数据、读/写 线相并联，由不同的片选信号来区分各个芯片 所占据的不同地址范围。
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0000000001
A19～A10
译 码
0000000000
片选端
器
高位地址线
CE
CE
低位地址线
（1）
A9～A0 D7～D0
（2）
A9～A0 D7～D0
A9～A0 D7～D0
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容全变为“1”）。
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五、Flash存储器
闪速存储器（Flash Memory）是一种新型的 半导体存储器，它是E2PROM的改进品种。它具有 可靠的非易失性、电擦除性以及低成本的特点。 与E2PROM的区别是它的数据擦除以固定的区块为 单位，区块大小一般为256KB到20MB 。
闪存已经成为了目前最成功、流行的一种固态 内存，与 E2PROM 相比具有读写速度快，而与 SRAM 相比具有非易失、以及价廉等优势。
功能：存储当前运行所需的程序和数据。
特点：CPU可以直接访问并与其交换信 息，容量小，存取速度快。
2. 外存储器( 外存)
功能：存储当前不参加运行的程序和数据。
特点：CPU不能直接访问，配备专门设
备才能进行交换信息，容量大，
存取速度慢。
4
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实际存储系统是快慢搭配，具有层次结构的。
CPU 寄存器
速度快 容量小
(2) 集成度高，功耗低。
(3) DRAM在微机中应用非常广泛，如微机中的内存条 （主存）、显卡上的显示存储器几乎都是用DRAM制造的
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典型的动态RAM芯片
一 种 典 型 的 DRAM 如 Intel 2164 。 2164 是 64K×1位的DRAM芯片，片内含有64K个存储单元，所以， 需要16位地址线寻址。为了减少地址线引脚数目，采用 行和列两部分地址线各8条，内部设有行、列地址锁存器。 利用外接多路开关，先由行选通信号RAS选通8位行地址 并锁存。随后由列选通信号CAS选通8位列地址并锁存， 16位地址可选中64K存储单元中的任何一个单元。
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3. 存储器的地址分配和片选问题。 (1) 确定整机存储容量； (2) 确定选用存储器芯片的类型和数量； (3) 划分RAM、ROM区，画出地址分配图。
4. 控制信号的连接
一般指存储器的WE、OE、CS等与 CPU的RD、WR等相连，不同的存储器 和CPU连接时其使用的控制信号也不完 全相同。
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行选择信号
T1
CS
刷新放大器
列选择 信号
T2 数据I/O线
图4.9 单管DRAM基本存储元电路
17
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特点
(1) 由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存 储内容不丢失（称为动态刷新），另外每次读出后， 内容被破坏，要采取恢复措施，即需要刷新，外围电 路复杂。工作速度比SRAM慢得多，一般用作微型计算 机系统的内存。
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(三) 片选信号的产生
RRRR
方式，它通过对所选
1
定 平 位 位
的某 于来字矩选 线1和
字 择 阵4 被0
交 选读线30位叉 字取置02存点 线的成储并 相字1低1 矩与连。电阵的字 线内容234 完全取决于芯
的 二 极 管 导片制通造，过使程该，而一旦制造好以后，
位 线2上 输0 出用0户电1是位无为0 法低变更的。
位4 位3 位2 位1
半导体存储器由地址寄存器，译码电路、存储体、 读/写控制电路、数据寄存器、控制逻辑等6个部分组成。
地
地
址
寄
址
AB
存
译 码
器
器
MAR
……
读
数
存
写
据
储 体
驱
寄
动
存
DB
M
器
器
MDR
控制逻辑
启动
片选
读/写
Leabharlann Baidu
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图4.3 存储器的基本组成
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三、半导体存储器芯片的主要性能指标
1. 存储容量（存放二进制信息的总位数）