5存儲器擴展詳解

1、第5章 存儲器擴展,,,,外部存儲接口,外部存儲設備,,,,,本章主要內容,微型機的存儲系統(tǒng)、分類、性能指標及層次結構 半導體存儲器分類、結構及常見芯片 存儲器擴展技術 存儲器與微處理器的連接,5.1 概述—存儲器的分類,按存儲器在系統(tǒng)中的地位分類：主存儲器（主存），輔存儲器（輔存）,兩大類——內存、外存,內存/主存——存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)。特點：存取速度快、容量小、隨機存取、CPU可直接訪問。材料

2、：通常由半導體存儲器構成。分類：RAM、ROM。外存/輔存——存放非當前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點：存取速度慢、容量大、順序存取/塊存取、需調入內存后 CPU才能訪問。材料：通常由磁、光存儲器構成，也可以由半導體存儲器構成。分類：磁盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤、U盤。,5.1 概述—存儲器的分類,按存儲媒質分類：磁存儲器，半導體存儲器，光盤存儲器 通常用半導體存儲器作為內存儲器，用硬磁盤、軟磁盤

3、、光盤、U盤和磁帶作為外存儲器。按信息存取方式分類：RAM，ROM,5.1概述—存儲器的主要性能指標,存儲容量：一個存儲器可以容納的二進制信息量，以存儲單元的總位數(shù)表示，即： 容量=字數(shù)×字長最大存取時間：訪問一次存儲器（對指定單元寫入或讀出）所需要的時間。幾納秒至幾十納秒。存儲器功耗：正常工作時所消耗的電功率?？煽啃院凸ぷ鲏勖簩χ車姶艌?、溫度和濕度等的抗干擾能力。,5.1概述--存儲器

4、的層次結構,微機擁有不同類型的存儲部件(多層/多級結構)，由上至下容量越來越大，但速度越來越慢。,寄存器堆,高速緩存,主存儲器,聯(lián)機外存儲器,脫機外存儲器,,快,慢,,小,大,容量,速度,CPU內核,現(xiàn)代微機系統(tǒng)的存儲器層次結構,存儲器的三級結構:Cache容量小(幾百KB~6M），速度與CPU相當主存容量大（128MB~4G) ，速度比Cache慢外存容量大(40~2048GB），速度慢,,5.2半導體存儲器—分類,半導體存儲

5、器優(yōu)點：速度快，存取時間可達到ns級；高度集成化，存儲單元，譯碼電路和緩沖寄存器都制作在同一芯片中，體積小。功耗低，一般只需幾十毫瓦。半導體存儲器按信息存取方式分為RAM和ROM,隨機存取存儲器（RAM）特點及分類,RAM,靜態(tài)存儲器Static RAM(SRAM) 組成：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器存儲1/0信息 特點: 存取較快\功耗較小\價格較便宜動態(tài)存儲器Dynamic RAM (DRAM) 組成：電容

6、充放電存儲1/0信息 特點: 集成度高\功耗低\價格便宜,,,雙極型RAM,MOS型RAM,特點: 存取快\驅動強\集成度低\功耗大\價格高,,SDRAMDDRRAMBUS….,只讀存儲器（ROM）分類,只讀存儲器,ROM (固定或掩模ROM)PROM (一次性可編程ROM)EPROM (可擦除可編程ROM)EEP

7、ROM 或 E2PROM (可電擦除可編程ROM 字節(jié)、頁 )Flash ROM (閃存ROM 整片、塊 ),,5.2半導體存儲器—結構,地址譯碼器,A0A1...An-1,,,,,讀寫控制邏輯,存儲 矩陣,,,,,,雙向三態(tài)緩沖器,,,,,,,,,,D0D1...Dn-1,,,,,,,,,,R/W,CE,OE,,,單譯碼方式雙譯碼方式,地址譯碼電路的譯碼

8、方式-以6根地址線為例,選擇線16條,選擇線64條,5.2半導體存儲器--靜態(tài)存儲器（SRAM）,材料：用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器存儲信息。特點：速度快（<5ns）、不需刷新、外圍電路比較 簡單、但集成度低(存儲容量小，約1Mbit/片)、 功耗大。應用：在PC機中，SRAM被廣泛地用作高速緩沖存儲器Cache。容量與地址線數(shù)關系： 對容量=M*N的SRAM芯片，

9、其地址線數(shù)=㏒2M；數(shù)據(jù)線數(shù)=N。 反之，若SRAM芯片的地址線數(shù)為K，則可以推斷其單元數(shù)為2K個。,典型SRAM芯片,Intel CMOS RAM芯片 2114\6116\6232\6264\62128\62256\62512 (1K ?4 2KB 4KB 8KB 16KB 32KB 64KB) 其中 6116容量=2KB=2K?8=211 ? 8=（27 ? 24 ）?

10、 8 說明：11根地址線(7根X向，4根Y向)， 8根數(shù)據(jù)線， 還需片選線、讀寫線和電源線。,5.2半導體存儲器— 動態(tài)隨機存儲器DRAM,材料：DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來存儲信息的。由于電容上的電荷會逐漸泄漏，需要定時充電以維持存儲內容不丟失(稱為動態(tài)刷新)，所以DRAM需要設置刷新電路，相應外圍電路就較為復雜。

11、 刷新定時間隔：一般為幾ms 特點：是集成度高（存儲容量大，可達1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。 應用：非常廣泛，如微機中的內存條、顯卡上的顯存幾乎都是用DRAM制造的。 注意：DRAM與SRAM的異同,常見DRAM的種類：(1) SDRAM——它在1個CPU時鐘周期內可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新，即可與CPU的時鐘同步工作。SDRAM的工作頻率目前最大可達15

12、0MHz，存取時間約為5～10ns，最大數(shù)據(jù)率為150MB/s。(2) RDRAM——由Rambus公司所開發(fā)的高速DRAM。其最大數(shù)據(jù)率可達1.6GB/s。(3) DDR DRAM——是對SDRAM的改進，它在時鐘的上升沿和下降沿都可以傳送數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)率可達200~800 MB/s。RAM的3個特性：(1) 可讀可寫 非破壞性讀出，寫入時覆蓋原內容。(2) 隨機存取 存取任一單元所需的時間相同。(3) 易失性（揮發(fā)性）

13、 當斷電后，存儲器中的內容立即消失。,典型DRAM芯片2164A,常見DRAM有4116(16K×1)和2164(64K×1)等容量=64K×1位=216×1 =(28×28)×1 =(256×256)×1采用行地址X和列地址Y 雙方向譯碼來確定一個單元；行地址、列地址分時傳送，共用一組地址線A0~A7；地址線的數(shù)量僅為同等容量SRAM芯片的一

14、半。,5.3只讀存儲器（ROM）,掩模 ROM一次性可寫 PROM可讀寫ROM,分 類,EPROM（紫外線擦除）EEPROM（電擦除）Flash ROM (快速閃存),,,5.3只讀存儲器--EPROM,特點：可多次編程寫入；掉電后內容不丟失；內容的擦除需用紫外線擦除器。,典型的EPROM芯片有：2716(2K×8)、 2732 (4K×8) 、

15、 2764 (8K×8)、 27128 (16K×8)、 27256 (32K×8) 、27512 (64K×8)等,EPROM2764芯片引腳及內部結構,EPROM 2764的主要引腳,8K×8bit芯片，其引腳與SRAM 6264完全兼容主

16、要引腳: 地址信號：A0 ~ A12 數(shù)據(jù)信號：D0 ~ D7 輸出信號：OE 片選信號：CE 編程脈沖輸入：PGM 編程電壓: VPP,,,,,2764的工作方式,數(shù)據(jù)讀出

17、 -- 在正常工作電路中編程寫入 -- 在專門的寫入器中擦除 -- 在專門的擦除器中,標準編程方式快速編程方式,,,其中編程寫入的特點: 每出現(xiàn)一個編程負脈沖PGM就寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù),工作方式,,2764A的工

18、作方式選擇表,5.3只讀存儲器--EEPROM（ E2PROM ）,特點：可在線編程寫入；掉電后內容不丟失；電可擦除。,典型E2PROM芯片有：2816/2817（2K×8）、 2864/98C64A （8K×8）等,5.3只讀存儲器--閃速 flash E2PROM,特點： 通過向內部

19、控制寄存器寫入命令的方法來控制芯片的工作方式，而非用引腳的信號來控制芯片的工作。應用 BIOS 便攜式閃存硬盤（U盤）,典型的芯片：28F040（512K×8）等,5.4存儲器與微處理器的連接--需考慮的問題,1. CPU總線時序與M的讀寫時序 高速CPU與低速M間的速度若不匹配，應在CPU訪問M的周期內插入等待脈沖TW。下面僅考慮兩者匹配。2. CPU總線的負載能力

20、 系統(tǒng)總線一般能帶1~幾個TTL負載。系統(tǒng)總線需驅動隔離時，DB要雙向驅動，AB與CB則單向驅動，驅動器的輸出連至M或其他電路。下面僅考慮不需驅動。 3．存儲器的組織、地址分配和譯碼 由于M芯片的容量是有限的，微機中M的總容量一般遠大于M芯片的容量，因此，M往往由多片M芯片組成，在CPU與M芯片之間必須設有片選擇譯碼電路，一般由CPU的高位地址譯碼產生片選，而低位地址送給存儲器芯片的地址輸入端，以提

21、供存儲芯片內部的行、列地址。,,6264芯片與系統(tǒng)的連接--類比居民小區(qū)尋找10- 508,,,A0,A12,?,?,?,WE,OE,CS1,CS2,,,,?,?,?,,,,,,A0,A12,MEMW,MEMR,,,譯碼電路,,,,,,D0~D7,? ? ?,? ??,低位地址信號,A13,? ??,6264(1),8088系統(tǒng),A19,D0~D7,+5V,,8086/8088,最大模式/最小模式,,,系統(tǒng)總線,存儲總線

22、,6264(n),,Y0,Yn,,,? ? ?,? ? ?,內存,,片外地址,片內地址,片內地址,片外地址,高位地址信號,譯碼電路,作用: 將輸入的一組二進制編碼變換為一個特定的控制信號，即：將輸入的一組高位地址信號通過變換，產生一個有效的控制信號，用于選中某一個存儲器芯片，從而確定該存儲器芯片在內存中的地址范圍。組成: 它可用普通的邏輯芯片或專門的譯碼器實現(xiàn)。存儲器地址譯碼方法: 根據(jù)存儲器的片選信號譯碼（1）線選法:

23、 從高位選擇幾條地址線（2）全譯碼法: 高位全部參加譯碼（3）部分譯碼: 高位地址線部分參加譯碼,（1）全譯碼法 片內尋址未用的全部高位地址線都參加譯碼，譯碼輸出作為片選信號。 全譯碼的優(yōu)點是每個芯片的地址范圍是唯一確定，而且各片之間是連續(xù)的。缺點是譯碼電路比較復雜。 （2）部分譯碼 用片內尋址外的高位地址的一部分譯碼產生片選信號。 部分譯碼優(yōu)點是較全譯碼簡單，但缺點是存在地址重疊

24、區(qū)。 （3）線選法 高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接（或經(jīng)反相器）分別接各存儲器芯片的片選端來區(qū)別各芯片的地址。 它的優(yōu)點是電路最簡單, 但缺點是也會造成地址重疊，且各芯片地址不連續(xù)。,三種譯碼方式特點,全地址譯碼,用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得存儲器芯片的每一個單元都占據(jù)一個唯一的內存地址。,,,存儲器芯片,譯碼器,,,低位地址,全部高位地址,全部地址,,,片選信號,A0,Ax,存儲器芯片,

25、,,,優(yōu)點是每個芯片的地址范圍是唯一確定，而且各片之間是連續(xù)的。缺點是譯碼電路比較復雜。,…,…,,全地址譯碼例,6264芯片的地址范圍： A19~A13 A12~A0 A19~A13 A12~A0111100000……0 ~ 111100011……1 = F0000 H ~ F1FFF H,,,,,,,,,A19,A18,A17,A16,A15,A14,A13,&,≥1,,,,,A12～A0,,

26、D7～D0,,,,高位地址線全部參加譯碼,,,,6264,A12~A0,D7~D0,,,,,,,,,0,1,1,1,1,1,0,0,0,,部分地址譯碼,用部分高位地址信號（而不是全部）作為譯碼信號，使得被選中的存儲器芯片占有幾組不同的地址范圍。,,,存儲器芯片,譯碼器,,,低位地址,部分高位地址,全部地址,,,片選信號,A0,Ax,存儲器芯片,,,,部分譯碼較全譯碼簡單，但存在地址重疊區(qū)。,…,…,部分地址譯碼例,同一物理存

27、儲器占用兩組地址： F0000H~F1FFFH B0000H~B1FFFH A18不參與譯碼（ A18=1/0=x）,,,,,,,,,,A19,A17,A16,A15,A14,A13,&,≥1,,,,到6264CS1,,0,0,0,1,1,1,1,0,A19A18 A17~A13 A12~A0 1 1/0 1 1 0 0 0 0 ~ 0

28、 1 ~ 1,= F0000H~F1FFFH 或 B0000H~B1FFFH,此例使用高5位地址作為譯碼信號，從而使被選中芯片的每個單元都占有兩個地址，即這兩個地址都指向同一個單元。,使用譯碼器的應用舉例,將SRAM 6264芯片與系統(tǒng)連接，使其地址范圍為：38000H~39FFFH和78000H~79FFFH。選擇使用74LS138譯碼器構成譯碼電路,Y0G1 Y1G2A Y2

29、G2B Y3Y4A Y5B Y6C Y7,,,,,,,,,,,,,,,,,,片選信號輸出,譯碼允許信號,地址信號,（接到不同的存儲體上）,74LS138邏輯圖：,,,,,,,,,,,74LS138的真值表（注意：輸出低電平有效） 可以看出，當譯碼允許信號有效時，Yi是輸入A、B、C的函數(shù)，即 Y=f(A,B,C),1,1,1,1,1,1,1,1,X X X,其 他 值,0,1,

30、1,1,1,1,1,1,1 1 1,1 0 0,1,0,1,1,1,1,1,1,1 1 0,1 0 0,1,1,0,1,1,1,1,1,1 0 1,1 0 0,1,1,1,0,1,1,1,1,1 0 0,1 0 0,1,1,1,1,0,1,1,1,0 1 1,1 0 0,1,1,1,1,1,0,1,1,0 1 0,1 0 0,1,1,1,1,

31、1,1,0,1,0 0 1,1 0 0,1,1,1,1,1,1,1,0,0 0 0,1 0 0,Y7,Y6,Y5,Y4,Y3,Y2,Y1,Y0,C B A,G1 G2A G2B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,應用舉例(續(xù)):,,,D0~D7,A0,A12,?,?,?,WE,OE,CS1,CS2,,,,?,?,?,,,,,,A0,A12,MEMW,MEMR,

32、,,,,D0~D7,,G1,G2A,G2B,C,B,A,,&,,,,,,,,,,,,&,A19,A14,A13,,,,,A17,A16,A15,,,+5V,,,Y0,,,,下圖中A18不參與譯碼，故6264的地址范圍為：,,=38000H~39FFFH或78000H~79FFFH,6264,,138,CPU系統(tǒng),1,0,0,0,0,0,1,1,1,0/1,1/0,0,Y7,,,? ? ?,可接其它存儲芯片,A19A18

33、 A17~A13 A12~A00 0/1 1 1 1 0 0 0 ~ 0 1 ~ 1,線選地址譯碼,,高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接（或經(jīng)反相器）分別接各存儲器芯片的片選端來區(qū)別各芯片的地址。,,,存儲器芯片,,,低位地址,高位地址,全部地址,,,片選信號,A0,Ax,存儲器芯片,,,,也會造成地址重疊，且各芯片地址不連續(xù)

34、。,…,…,,,,,,,數(shù)據(jù)線的連接：系統(tǒng)的存儲器系統(tǒng)，每個存儲器單元的位數(shù)為8位，而存儲器芯片每個存儲單元的位數(shù)卻有多樣，有1位、4位、8位。,控制線的連接：,5.5存儲器擴展技術,位擴展 —— 擴展每個存儲單元的位數(shù) (擴展寬度)字擴展 —— 擴展存儲單元的個數(shù) (擴展長度)字位擴展—— 兩者的綜合 (擴展寬度和長度),用多片存儲芯片構成一個需要的內存空間，它們在整個

35、內存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時刻僅有1片（或1組）被選中。,,假設擴展同種芯片，則需要的芯片 ： 總片數(shù)＝總容量/（容量/片）,位擴展,存儲器芯片的存儲容量等于M × N ： 單元數(shù)M（=2K） × 每單元的位數(shù)N當構成內存的存儲芯片的字長 < 內存單元的字長時，就要進行位擴展，使每個單元的字長滿足要求。8088/8086的內存單元的字長=8/16。,字節(jié)數(shù),字長,

36、,,,,,,10,4,4,1,,位擴展例: 把兩片SRAM 2114,其容量=1K?4=210 ? 4 擴展為1KB=1K ?8,(1) 多個位擴充的存儲芯片的數(shù)據(jù)線連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的不同位數(shù), 其它連接都一樣; (2) 這些芯片應被看作是一個整體, 常被稱為“芯片組”,它們應同時選中,一起進行讀或寫.,兩個芯片可看作為一個整體的“芯片組”,位擴展方法總結：

37、 位擴展方法： 將每片的地址線、控制線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴展特點： 存儲器的單元數(shù)不變，位數(shù)增加。,字擴展,特點: 地址空間的擴展。芯片每個單元中的字長滿足，但單元數(shù)不滿足。擴展原則： 每個芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線并聯(lián)，僅片選端分別引出，以實現(xiàn)每個芯片占據(jù)不同的地址范圍。,注意：實際上前面講授SRAM擴展時已介紹了,字擴展例,用兩片1K

38、B=1K×8位=210 ×8位的SRAM芯片構成容量為2KB=2K×8位的存儲器,兩芯片不同時選中,不會同時工作,1K?8,1K?8,總容量2K?8,字位擴展,根據(jù)內存容量及芯片容量確定所需存儲芯片數(shù)；進行位擴展以滿足字長要求；進行字擴展以滿足容量要求。若已有存儲芯片的容量為L×K，要構成容量為M ×N的存儲器，需要的芯片數(shù)為： (M ×N) / (L

39、15;K) =（M / L） ×（N / K）,即 總片數(shù)＝總容量/（容量/片）= 字擴展倍數(shù) × 位擴展倍數(shù),字位擴展例,用4K×1位=212×1的芯片組成16KB =214×8的存儲器。擴成4KB —— 8片再擴成16KB —— 4*8=32片 (=16K×8 / 4K×1)地址線需14根（A0-A13），其中12根（A0-A11）用于片內尋址，2根（A1

40、2，A13）用于片選譯碼。注意:以上的例子中所需的地址線數(shù)并未從系統(tǒng)整體上考慮。 在實際系統(tǒng)中，總線中的地址線數(shù)往往要多于所需的地址線數(shù)，這時除片內尋址的低位地址線(即片內地址線)外，剩余的高位地址線一般都要用于片選譯碼。,例: 某半導體存儲器總容量4Kⅹ8。其中固化區(qū)2K字節(jié)，選用EPROM芯片2716（2Kⅹ8）；工作區(qū)2K字節(jié)，選用SRAM芯片2114（1Kⅹ4）。,解： 先確定所需芯片數(shù)：固化區(qū)

41、2Kⅹ8，需2716一塊；工作區(qū)2Kⅹ8，2塊2114拼接為一組容量為1Kⅹ8，需2組，共4塊2114。見下圖。 存儲器總容量為4Kⅹ8，共12條地址線A0～A11，8條數(shù)據(jù)線，各存儲器芯片的地址分配和片選邏輯如下表。,,,,IBM－PC/XT計算機擴展槽上與存儲器連接的總線信號為20根地址線A19～A0，8根數(shù)據(jù)線D7～D0以及存儲器讀寫信號和。使用這些信號擴展1片27256（32K×8 EPROM）和1