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1、黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,第6章 存儲器系統(tǒng),本章主要知識點：1、存儲器的工作原理、讀/寫操作的基本過程；2、地址譯碼電路設(shè)計；3、8086存儲器的擴展設(shè)計方法本章學(xué)習的重點：1、存儲器的工作原理、讀/寫操作的基本過程2、RAM、ROM芯片的組成特點、工作過程、典型芯片的引腳信號、基本概念。3、8086與存儲器硬件電路的奇偶設(shè)計基本原理。4、存儲器的擴展電路設(shè)計原理,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.1 存儲器概述問題的提出:CPU可以實現(xiàn)二進制算術(shù)運算,如要滿足更復(fù)雜的運算,參與運算的數(shù)據(jù)和運算的結(jié)果放到什么地方?完成運算的指令(程序),放到什么地方?某些數(shù)據(jù)需隨時存放或取出

2、，某些數(shù)據(jù)又要求不能由于計算機的運行而改變，如何實現(xiàn)這個要求?解決的方法:給CPU配備必要的信息存儲設(shè)備存儲器。存儲器就是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的電子器件。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.1.1存儲器的分類1.按存儲介質(zhì)分類：半導(dǎo)體、磁表面和光表面存儲器。2.按讀/寫功能分類：只讀存儲器和隨機存取存儲器。3.按在微機系統(tǒng)中的作用分類：主存儲器（又稱內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存）、輔助存儲器（又稱外存儲器，簡稱外存）和高速緩沖存儲器（Cache）。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,存儲器工作原理,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.1.2存儲器的常用性能指標 1. 存儲容量 存儲器芯片因為要

3、適用于1位、4位、8位計算機的需要，其數(shù)據(jù)線也有1位、4位、8位之不同。例如，Intel 2116為1位， 2114為4位， 6264為8位，所以在標定存儲器容量時，經(jīng)常同時標出存儲單元的數(shù)目和位數(shù)，因此有存儲器芯片容量=單元數(shù)數(shù)據(jù)線位數(shù)如Intel 2114芯片容量為1 K4位/片，Intel 6264為8 K8位/片。 雖然微型計算機的字長已經(jīng)達到16位、32位甚至64位，但其內(nèi)存仍以一個字節(jié)為一個單元，不過在這種微機中，一次可同時對2、4、8個單元進行訪問。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,2. 存取速度 存儲器的存取速度可用存取時間和存取周期來衡量。（1）存取時間：指啟動一次存儲器

4、操作到完成該操作所用的時間。具體來說是指從存儲器接收到地址到取出或存入數(shù)據(jù)為止所需的時間。（2）存取周期：指連續(xù)兩次獨立的存儲器操作最小時間間隔。存取周期略大于存取時間，其差別與存儲器的物理實現(xiàn)有關(guān)。 3. 價格 存儲器價格常用位價格來衡量。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.1.3 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),存儲器的層次結(jié)構(gòu)問題的提出：目前的計算機系統(tǒng)，為什么要采用多種類型的存儲器？為什么存儲結(jié)構(gòu)要采用分級體系結(jié)構(gòu)？,原因：目前存儲器的特點是：速度快的存儲器價格貴，容量??；而價格低的存儲器速度慢，容量大。而我們對計算機中的存儲裝置提出的要求是：速度快、容量大并且價格盡量低。所以，在計算機存儲

5、器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當在存儲器容量，速度和價格方面的因素作折中考慮，建立了分層次的存儲器體系結(jié)構(gòu)。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6-1存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.1.4半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu),現(xiàn)代微機的主存儲器普遍采用半導(dǎo)體存儲器，其特點是容量大、存取速度快、體積小、功耗低、集成度高以及價格便宜。,圖6-2半導(dǎo)體存儲器的分類,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,半導(dǎo)體存儲器一般由地址譯碼器、存儲矩陣、讀/寫控制邏輯和輸入/輸出控制電路等部分組成。1.地址譯碼器 接收CPU發(fā)出的地址信號，產(chǎn)生地址譯碼信號，以便選中存儲矩陣中的某個存儲單元。（1）單譯碼（2）

6、雙譯碼2.存儲矩陣 是能夠存儲二進制信息的基本存儲單元的集合。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,3.讀/寫控制邏輯（CS/,OE,WE/等）4.輸入/輸出控制電路 一般為三態(tài)雙向緩沖器結(jié)構(gòu)，以便使系統(tǒng)中各存儲器芯片的數(shù)據(jù)輸入/輸出端能方便地掛接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線中。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.2隨機存取存儲器,隨機存取是指通過指令可隨機地對每個存儲單元進行訪問。 隨機存取存儲器根據(jù)存儲原理分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。靜態(tài)RAM存放的信息在不斷電的情況下能長時間保留，狀態(tài)穩(wěn)定。動態(tài)RAM電路簡單，集成度高，但其保存內(nèi)容即使在不斷電的情況下隔一定時間也會自動消失，因此，要定時進行刷新

7、。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6.3 六個MOS管組成的靜態(tài)RAM存儲電路,6.2.1靜態(tài)RAM（SRAM)1.基本存儲電路,B,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,優(yōu)點：（1）工作穩(wěn)定，不需外加刷新電路。 （2）訪問速度快。缺點：（1）由于基本存儲電路中所含晶體管 較多，故集成度較低。 （2）功耗較大。 （3）斷電即失。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,2. SRAM的結(jié)構(gòu),利用基本存儲電路排成陣列，再加上地址譯碼電路和讀/寫控制電路可構(gòu)成隨機存取存儲器。 參考教材P-149圖6-6 161SRAM原理圖 常用典型SRAM芯片有6116、6264、62256、628128等。

8、,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,SRAM基本讀寫電路,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6-4 6116引腳,RAM引腳功能:A0-A10: 地址線D0-D7: 數(shù)據(jù)線CS:片選,=0時該片被選中,與WE和OE組合,可以對地址線指定的地址單元進行讀/寫操作WE: 寫允許.=0時,數(shù)據(jù)由總線寫入存儲器OE: 讀允許. =0時, 從存儲器讀出數(shù)據(jù),黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6.5 單管動態(tài)存儲器電路,6.2.2動態(tài)RAM（DRAM）,1.基本存儲電路,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,2.DRAM的刷新,DRAM利用電容存儲電荷原理來保存信息，但由于任何電容都存在漏電現(xiàn)象，

9、因此，一段時間后會由于電容的漏電導(dǎo)致電荷流失，使保存的信息丟失。解決的辦法是“刷新”，即每隔一定時間（一般為2ms）就必須對DRAM進行讀出和再寫入操作，使原來處于邏輯電平“1”的電容上所釋放的電荷得到補充，而原來處于電平“0”的電容仍保持“0”，這個過程稱為DRAM的刷新。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,刷新的特點：（1）刷新的地址通常是由刷新地址計數(shù)器產(chǎn)生，而不是由地址總線提供。（2）DRAM以行為單位進行刷新，不需要列地址。（3）刷新時片內(nèi)數(shù)據(jù)線和片外數(shù)據(jù)線完全隔離。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,缺點：（1）工作不穩(wěn)定，需外加刷新電路 （2）因要放大，所以影響訪問速度優(yōu)點：

10、（1）由于基本存儲電路中所含晶體管 較少，故集成度較高。 （2）功耗較小。 （3）斷電即失,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,3.DRAM舉例,參考教材P-151圖6-9 Intel 2164A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 Intel 2164A 64K存儲體由4個128128存儲矩陣組成，每個128128存儲矩陣由7條行地址線和7條列地址線進行選擇，為了減少地址線引腳數(shù)目，DRAM地址線采用行地址和列地址分時工作，這樣對Intel 2164A來說外部只需引出8條地址線即可。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.3 只讀存儲器（ROM）,只讀存儲器（失電后存儲的內(nèi)容不會丟失），常見的有五種類型：1）掩膜

11、ROM：制造商可將用戶的程序在制造時生產(chǎn)在芯片里，數(shù)量較大時價格低。2）可編程PROM：由用戶在使用前一次性寫入信息，寫入后只能讀出，不能修改。3）光可擦除EPROM：可以在紫外燈的照射下將固化在芯片里的數(shù)據(jù)整體抹掉，在給定的電壓和設(shè)備下可重新將數(shù)據(jù)固化在芯片里。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,4）電可擦除EEPROM：在給定的端口上加上電壓后可以任意修改存儲器某個單元和全部的內(nèi)容。5）閃速存儲器：,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,只讀存儲器，CPU只能將存儲器中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線讀到CPU中，不能將數(shù)據(jù)寫入到存儲器中。工作原理和RAM基本相同，區(qū)別是不能把數(shù)據(jù)隨機寫入，寫入時需專門的

12、電路才能實現(xiàn)把數(shù)據(jù)寫入。,微處理器8086,存儲器RAM,存儲器ROM,I/O接口,外圍設(shè)備,地址總線AB,控制總線CB,數(shù)據(jù)總線DB,讀出的方向,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,典型的只讀存儲器-EPROM,圖6-6 2716引腳,12716的引線 2716是2K8bit的EPROM芯片。A0A10為11條地址線，芯片的容量為2K單元。D0D7為8條數(shù)據(jù)，每個存貯單元存放一個字節(jié)。 CS 為片選控制信號。 OE 讀輸出允許信號。PGM 為編程脈沖輸入端。Vpp 編程電源,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6-7 2764引線圖,2764的引線 2764是8K8的EPROM芯片。A0A

13、12為13條地址線，芯片的容量為8K個單元。D0D7為8條數(shù)據(jù)，每個存貯單元存放一個字節(jié)。CS 為輸入信號。OE 輸出允許信號。PGM 為編程脈沖輸入端。Vpp 編程電源(+25V),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,14,13,12,V,PP,A,12,GND,28,27,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,V,CC,(+5V),PGM,NC,OE,CS,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,A,10,A,11,A,9,A,8,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技

14、術(shù)教研室,各種不同類型ROM的特點 ROM在使用時，僅用于將其存貯的內(nèi)容讀出。其過程與RAM的讀出類似,即CPU送出要讀出的地址，然后通過地址譯碼使該電路的CS 被選中，通過指令的類型使OE 有效(低電平)，則在芯片的數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的數(shù)據(jù)。注意:RAM和ROM 在設(shè)計是的區(qū)別是:ROM只使用讀出控制線,不用寫入控制。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.4存儲器的擴展與尋址,存儲器的擴展目前生產(chǎn)的存儲芯片的容量有限，另外，在字長和位長與實際的存儲器都有一定的差距。存儲器芯片的外引線可分為：片選線數(shù)據(jù)線片內(nèi)地址線讀寫控制線,所有的擴充方法連接情況一樣,不同的擴充方法，連接情況不一樣

15、,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,假設(shè)存儲器芯片的容量為LK；所需存儲器的總?cè)萘繛镸N；擴充時所需存儲器芯片數(shù)目為：,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.4.1位擴展,原因：芯片中每個單元的位數(shù)不能滿足系統(tǒng)需求，需要在位向上進行擴展。方法：片選線合并，數(shù)據(jù)線分開例如：用2114（1K4）組成10248位的 RAM,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,兩片2114組成1K容量的電路,圖6-8 位擴展示意圖,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,CS/,CS/,A0,A9,A9,D0D4,D0D4,D0D7,A0,A9,CS/,圖6-9 位擴展簡化示意圖,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,

16、6.4.2字擴展,原因：芯片中每個單元的位數(shù)能滿足系統(tǒng)需求，但存儲容量不夠，需要在字向上進行擴展。方法：片選線分開，數(shù)據(jù)線合并例如：用16K8的芯片組成64K8的存儲器,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6-10 字擴展示意圖,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.4.3字位擴展,原因：芯片單元數(shù)和位數(shù)不能滿足存儲器的要求，要在字、位兩個方向上進行擴展。方法：先進行位擴展，再進行字擴展例如：用2114（1K4）組成4K8位的 RAM,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,圖6-11 字位擴展示意圖,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,6.4.4存儲器的尋址,問題的提出：計算機如何找到所需的工作單元？地址是唯一的，在多個存儲器芯片時，如何找到所需的地址芯片和唯一單元？解決的方法：利用地址譯碼電路來尋找指定的地址芯片和尋址的唯一地址。由上述存儲器電路引腳知:各種存儲器都有一個片選控制信號CS，該信號都為低電平有效。（微機中各種節(jié)電路也有片選信號，而且都是低電平有效。,黃河科技學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)教研室,CPU給存儲器芯片編址的原則：以字節(jié)為單位，低選片（組）內(nèi)，高選片（組）片選的方法：