1、第第3章章 存储器存储器 3.1 存储器基本知识存储器基本知识 3.2 随机存取存储器随机存取存储器RAM 3.3 只读存储器只读存储器ROM 3.4 存储器与存储器与CPU的连接的连接3.1 存储器的基本知识 3.1.1 存储器的概述 存储体（或称存储矩阵）是由许多存储单元组成，而存储单元（Location）是由8个存储基元组成，存储基元（Cell）是能够存储一位二进制信息的最小物理基体。存储基元是指可存储二进制信息的物理载体。存储器分类存储器分类按存储介质，可分为半导体存储器、磁介质存储器和光存储器按照存储器与CPU的耦合程度，可分为内存和外存按存储器的读写功能，分为读写存储器（RAM：）
2、和只读存储器（ROM)按掉电后存储的信息可否永久保持，分为易失性（挥发性）存储器和非易失性（不挥发）存储器一般把易失性半导体存储器统称为RAM，把非易失性半导体存储器都称为ROM存储器分类存储器分类 按照数据存取的随机性，分为随机存取存储器、顺序存取存储器（如磁带存储器）和直接存取存储器（如磁盘）按照访问的串行/并行存取特性，分为并行存取存储器和串行存取存储器 按照半导体存储器的信息存储方法，分为静态存储器和动态存储器 按存储器的功能，分为系统存储器、显示存储器、控制存储器半导体半导体存储器存储器磁介质存储器（外存）磁介质存储器（外存）光存储器光存储器双极型：存取速度快，但集成度低，功耗大、成
3、本双极型：存取速度快，但集成度低，功耗大、成本 高，一般用于大型计算机或高速微机中；高，一般用于大型计算机或高速微机中；MOS型型掩膜掩膜ROM 一次性可编程一次性可编程PROM紫外线可擦除紫外线可擦除EPROM 电可擦除电可擦除E2PROM 可编程只读存储器可编程只读存储器FLASH读写读写存储器存储器RAM只读只读存储器存储器ROM（按读写（按读写功能分类功能分类)（内存）（内存）（按器件（按器件原理分类）原理分类）静态静态SRAM动态动态DRAM：集成度高但存取速度较低，集成度高但存取速度较低，一般用于需要较一般用于需要较大大容量的场合。容量的场合。集成集成IRAM：将刷新电路集成在将刷
4、新电路集成在DRAM内内速度较快，集成度较低，功耗较速度较快，集成度较低，功耗较高，一般用于对速度要求高、而高，一般用于对速度要求高、而容量不大的场合。容量不大的场合。(按存储按存储原理分类原理分类)按按存存储储介介质质分分类类3.1.2 半导体存储器的分类 3.1.3 半导体存储器主要技术指标半导体存储器主要技术指标存储器的职能就相当于计算机中各部分的存储器的职能就相当于计算机中各部分的“信息交换中信息交换中心心”和和“数据仓库数据仓库”。因此存储器的。因此存储器的“速度速度”和和“容量容量”便成为计算机系统性能的两项重要指标，也是推动存储便成为计算机系统性能的两项重要指标，也是推动存储器不
5、断发展的两个主要因素。器不断发展的两个主要因素。1、存储容量存储容量 存储容量存储容量=单元数单元数数据位数数据位数 即字数即字数字长字长 通常以通常以KB（210B）、）、MB（220B）、GB（230B）、）、TB（240B）为单位。）为单位。2、存取时间、存取周期存取时间、存取周期 存取时间：存取时间：CPU访问一次存储器所需的时间访问一次存储器所需的时间 存取周期：连续两次访问存储器所需最小间隔时间存取周期：连续两次访问存储器所需最小间隔时间 3、可靠性可靠性 4、功耗功耗 5、价格价格存储器的存储容量表示与计算方法存储器的存储容量表示与计算方法存储器的存储容量等于：存储器的存储容量等
6、于：单元数单元数每单元的位数每单元的位数 =字数字数字长字长例如例如 6264:8K 8 6116:2K 8 2164:64K 1 888864)(KKN芯片容量系统容量芯片数量例例3-13-1 某微型计算机系统的存储容量是64K 8bit，构成这样一个存储器系统，需要几片8K 8 bit的芯片。解：解：由公式 芯片容量系统容量芯片数量)(N3.1.4 半导体存储器的结构3.2 随机读写存储器（随机读写存储器（RAM）3.2.1 静态静态RAM3.2.2 动态动态RAM3.2.3 存储器时序存储器时序3.2.1 静态静态RAM1基本存储电路单元（六管静态存储电路）基本存储电路单元（六管静态存储
7、电路）T5T6T3T1T4T2VC CI/OI/O选择线AB图图3-4 六管基本存储电路单元六管基本存储电路单元基本存储电路简化图基本存储电路简化图SEDoDi它可存储一位信息它可存储一位信息由若干个基本电路采用同一根选择线，可以组成一个由若干个基本电路采用同一根选择线，可以组成一个基本存储单元基本存储单元Do2Di2Do1Di1SEDo0Di0Do7Di7每次可以存储或读出每次可以存储或读出8 8位信息位信息由若干个存储单元可以组成一个芯片由若干个存储单元可以组成一个芯片A0Ak片内译码电路存储单元存储单元存储单元SE0SE1 SEiD0D7R/W由若干个芯片可扩展内存（存储体）NblBL芯
8、片容量存储体容量N所需芯片个数为了减小体积，芯片内部通常采用矩阵式结构为了减小体积，芯片内部通常采用矩阵式结构2SRAM芯片实例芯片实例典型的典型的SRAM芯片有芯片有6116、6264、62256等。等。A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND VCC A8 A9 WE OE A10 CS D7 D6 D5 D4 D3 1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 图3-6 6116引脚二、二、SRAM的典型芯片的典型芯片n存储容量为8K8n28个引脚：n13根地址线A12A0n8
9、根数据线D7D0n片选CS1、CS2n读写WE、OE+5VWECS2A8A9A11OEA10CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1234567891011121314282726252423222120191817161562643.2.2 动态RAM 1动态动态RAM的存储单元（单管动态存储电路）的存储单元（单管动态存储电路）图3-8 单管动态存储电路 列 选 择 信 号行 选 择 信 号刷新电路数据输入/输出线CNCDINWERASA0A2A1VDDNCCASDOUTA6A3A4A5VCC12345678161514131211109n存储
10、容量为存储容量为16K1n16个个引脚：引脚：n7根地址线根地址线A6A0n1根数据输入线根数据输入线DINn1根数据输出线根数据输出线DOUTn行地址选通行地址选通RASn列地址选通列地址选通CASn读写控制读写控制WEDRAM芯片21162、DRAM的典型芯片的典型芯片典型典型DRAM芯片芯片2116 2116A：16K1 采用采用行地址和和列地址来确定一个单元；来确定一个单元；行列地址行列地址分时传送，传送，共用一组地址线；共用一组地址线；地址线的数量仅地址线的数量仅 为同等容量为同等容量SRAM 芯片的一半。芯片的一半。行地址10001 0 0 0列地址主要引线主要引线RAS：行地址选
11、通信号，用于锁存行地址；：行地址选通信号，用于锁存行地址；CAS：列地址选通信号。：列地址选通信号。地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在在RAS和和CAS有效期间被锁存在地址锁存器中。有效期间被锁存在地址锁存器中。DIN：数据输入数据输入DOUT：数据输出数据输出WE=0 数据写入数据写入WE=1 数据读出数据读出WE：写允许信号：写允许信号 三种操作：数据读出、数据写入、刷新。三种操作：数据读出、数据写入、刷新。3.2.3 存储器访问周期的时序存储器访问周期的时序DRAM 2164的数据读出时序图 RAS：行地址选通信号，用：行地址选
12、通信号，用于锁存行地址；于锁存行地址；CAS：列地址选通信号。：列地址选通信号。3.3 只读存储器（只读存储器（ROM）3.3.1 掩掩膜膜ROM3.3.2 可编程只读可编程只读ROM3.3.3 可擦除可可擦除可编程的编程的ROM（EPROM）3.3.4 电可擦可编程电可擦可编程ROM(EEROM)返回本章首页返回本章首页3.3.1 掩膜掩膜ROM1MOS ROM电路电路图3-11 单译码结构电路 VDD 字线0 字线1 字线2 字线3 位线3 位线2 位线1 位线0 D3 D2 D1 D0A0 A1 字 线 地 址 译 码 器 掩膜掩膜ROM是靠是靠MOS管是否跨接来决定管是否跨接来决定0
13、0、1 1的，当的，当跨接时对应位信息就是跨接时对应位信息就是0 0，当没有跨接时对应信息就是，当没有跨接时对应信息就是1 1。3.3.2可编程只读ROM 允许一次编程，此后不可更改允许一次编程，此后不可更改D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0Vcc地址选通地址选通1 PROM是靠存储单元中的熔丝是否熔断决定信息0、1的，当熔丝烧断时对应位信息就是0，当没有烧断时对应信息就1。3.3.3 可擦除可编程的可擦除可编程的ROM（EPROM）1基本存储电路基本存储电路图3-13 EPROM的结构示意图 S D 位线 字线 浮空 2EPROM实例实例图3-14 2716引脚 A7 A6 A5
14、 A4 A3 A2 A1 A0 O0 O1 O2 GND VCC A8 A9 VPP OE A10 CE O7 O6 O5 O4 O3 1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 返回本节返回本节3.3.4 电可擦可编程ROM(EEROM)1Intel 2817的引脚的引脚 R/BNC A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND VCC WE NC A8 A9 NC OE A10 CE D7 D6 D5 D4 D3 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22
15、 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 3.3.5 FLASH存储器（存储器（Flash Memory）原理上，FLASH属于ROM型，但可随时改写信息功能上，FLASH相当于RAM特点：可按字节、区块（Sector）或页面（Page）进行擦除和编程操作 快速页面写入：先将页数据写入页缓存，再在内部逻辑的控制下，将整页数据写入相应页面 由内部逻辑控制写入操作，提供编程结束状态 具有在线系统编程能力 具有软件和硬件保护能力内部设有命令寄存器和状态寄存器内部设有命令寄存器和状态寄存器内部可以自行产生编程电压（内部可以自行产生编程电压（VPP），所以只用），
16、所以只用VCC供电供电特点特点1、使内部存储信息在不加电的情况下保持、使内部存储信息在不加电的情况下保持10年左右年左右2、可以用比较快的速度将信息擦除以后重写，反复擦、可以用比较快的速度将信息擦除以后重写，反复擦写达几十万次，可以实现分块擦除和重写，也可以按字节写达几十万次，可以实现分块擦除和重写，也可以按字节擦除与重写。还具有非易失性，可靠性能好，速度快以及擦除与重写。还具有非易失性，可靠性能好，速度快以及容量大等许多优点容量大等许多优点存储器系统的扩展存储芯片存储芯片存储模块存储模块存储体存储体 进行进行位扩展位扩展 以实现按字节编以实现按字节编址的结构址的结构 进行进行字扩展字扩展 以
17、满足总容量以满足总容量的要求的要求位扩展：因每个字的位数不够而扩展数据输出线的数目；位扩展：因每个字的位数不够而扩展数据输出线的数目；字扩展：因总的字数不够而扩展地址输入线的数目，所以也称为字扩展：因总的字数不够而扩展地址输入线的数目，所以也称为地址扩展；地址扩展；3.4.1 CPU与存储器的连接时应与存储器的连接时应注意的问题注意的问题1CPU总线的带负载能力总线的带负载能力2存储器的组织、地址分配与片选问题存储器的组织、地址分配与片选问题3CPU的时序与存储器的存取速度之间的配合的时序与存储器的存取速度之间的配合返回本节返回本节3.4.2 存储器片选信号的产生方式和存储器片选信号的产生方式
18、和译码电路译码电路 1片选信号的产生方式片选信号的产生方式（1）线选方式（线选法）线选方式（线选法）（2）局部译码选择方式（部分译码法）局部译码选择方式（部分译码法）（3）全局译码选择方式（全译码法）全局译码选择方式（全译码法）2存储地址译码电路存储地址译码电路74LS138经常用来作为存储器的译码电路。经常用来作为存储器的译码电路。Y0 G1 Y 1G2 A Y2G2 B Y 3Y4C Y 5B Y 6A Y 7片选信号输出译码允许信号地址信号（接到不同的存储体上）74LS138逻辑图：74LS138的真值表：（注意：输出低电平有效）可以看出，当译码允许信号有效时，Yi是输入C、B、A的函数
19、，即 Y=f(C,B,A)1 11 11 11 11 11 11 11 1X X X X X X 其其 他他 值值01 11 11 11 11 11 11 11 1 1 1 1 1 1 0 01 0 01 101 11 11 11 11 11 11 1 0 1 1 0 1 0 01 0 01 11 101 11 11 11 11 11 0 1 1 0 1 1 0 01 0 01 11 11 101 11 11 11 11 0 0 1 0 0 1 0 01 0 01 11 11 11 101 11 11 10 1 1 0 1 1 1 0 01 0 01 11 11 11 11 101 11 10
20、 1 0 0 1 0 1 0 01 0 01 11 11 11 11 11 101 10 0 1 0 0 1 1 0 01 0 01 11 11 11 11 11 11 100 0 0 0 0 0 1 0 01 0 0Y7Y7Y6Y6Y5Y5Y4Y4Y3Y3Y2Y2Y1Y1Y0Y0C B AC B AG G1 1 G G2A2A G G2B2B位扩展位扩展扩展每个存储单元的位数扩展每个存储单元的位数字扩展字扩展扩展存储单元的个数扩展存储单元的个数字位扩展字位扩展二者的综合二者的综合 用多片存储芯片构成一个需要的内存空用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围间，它
21、们在整个内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。位扩展位扩展 存储器的存储容量等于：存储器的存储容量等于：单元数单元数每单元的位数每单元的位数 当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长时，就要进行的字长时，就要进行位扩展位扩展，使每个单元的字，使每个单元的字长满足要求。长满足要求。字节数字节数字长字长位扩展例位扩展例 用用8片片2164A芯片构成芯片构成64KB存储器。存储器。2164A:64K 1，需8片构成64K 8（64KB）LS138A8A192164A2164A2164ADBABD0
22、D1D7A0A7译码输出读写信号A0A19D0D7A0A7A0A7图4-17 用10241位的芯片组成1KB RAM的方框图 A0 A9 D0 D7 8 I/O 7 I/O 6 I/O 5 I/O 4 I/O 3 I/O 2 I/O 1 10241 I/O 地址线 数据线 位扩展方法（总结）：位扩展方法（总结）：将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出。位扩展特点：位扩展特点：存储器的单元数不变，位数增加。存储器的单元数不变，位数增加。字扩展字扩展 地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。但
23、单元数不满足。扩展原则：扩展原则：每个芯片的地址线、数据线、控制线并每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。不同的地址范围。二、片选信号可以采用二、片选信号可以采用线译码、部分译码和全译码线译码、部分译码和全译码等三种方等三种方式（或三种方式的组合）来实现。式（或三种方式的组合）来实现。u 线译码线译码u 部分译码部分译码u 全译码全译码每组芯片使用一根地址线作片选；每组芯片使用一根地址线作片选；只有部分高位地址线参与译码形成片选信号；只有部分高位地址线参与译码形成片选信号；全部高位地址线都参与译码形成片
24、选信号；全部高位地址线都参与译码形成片选信号；地址信号不完全确地址信号不完全确定，所以存在地址定，所以存在地址重叠问题，浪费寻重叠问题，浪费寻址空间，并可能导址空间，并可能导致误操作；致误操作；字扩展例字扩展例 用两片用两片8K8位的位的SRAM芯片芯片6264构成容量为构成容量为16KB的存储器的存储器,要求地址从要求地址从80000H开始。开始。计算需要几片芯片，每片的地址范围，做出连计算需要几片芯片，每片的地址范围，做出连接图。接图。D8D15A13A1RDWR “1”D0D7WEOEA12A0CS26264CS11D0D7A13A1RDWR “1”D0D7WEOEA12A0CS2626
25、4CS11A18A17A15A16IO/MA19GG2AG2BCABA14Y0Y1174LS138AoBHE3.4.3 CPU（8086系列）与存系列）与存储器的连接储器的连接 RAM与与CPU的连接方法的连接方法：（1）计算出所需的芯片数。）计算出所需的芯片数。（2）构成数据总线所需的位数和系统所需的）构成数据总线所需的位数和系统所需的容量。容量。（3）计算每片芯片的地址范围。）计算每片芯片的地址范围。（4）控制线，数据线，地址线控制线，数据线，地址线对应相连。对应相连。第一片第一片 A19A13=1000 000，地址范围是，地址范围是 80000H81FFFH第二片第二片 A19A13=
26、1000 001，地址范围是，地址范围是 82000H83FFFH第三片第三片 A19A13=1000 010，地址范围是，地址范围是 84000H85FFFH第四片第四片 A19A13=1000 011，地址范围是，地址范围是 86000H87FFFH第一片第一片 A19A14=1000 00，地址范围是，地址范围是 80000H83FFEH，A0=0第二片第二片 A19A14=1000 00，地址范围是，地址范围是 80001H83FFFH，A0=1第三片第三片 A19A14=1000 01，地址范围是，地址范围是 84000H87FFEH，A0=0第四片第四片 A19A14=1000 0
27、1，地址范围是，地址范围是 84001H87FFFH，A0=1第一片第一片A18=0，A19A13=1000 000，地址范围是，地址范围是 80000H81FFFH第一片第一片A18=1，A19A13=1100 000，地址范围是，地址范围是 C0000HC1FFFH第二片第二片A18=0，A19A13=1000 001，地址范围是，地址范围是 82000H83FFFH第二片第二片A18=1，A19A13=1100 001，地址范围是，地址范围是 C2000HC3FFFH第三片第三片A18=0，A19A13=1000 010，地址范围是，地址范围是 84000H85FFFH第三片第三片A18
28、=1，A19A13=1100 010，地址范围是，地址范围是 C4000HC5FFFH第四片第四片A18=0，A19A13=1000 011，地址范围是，地址范围是 86000H87FFFH第四片第四片A18=1，A19A13=1100 011，地址范围是，地址范围是 C6000HC7FFFH 线选法地址线可以不用完，也无需专门的译码电路。但由线选法地址线可以不用完，也无需专门的译码电路。但由于高位地址线可随意取值于高位地址线可随意取值0 0或或1 1。所以，存在地址重叠，并且造。所以，存在地址重叠，并且造成存储器地址不能连续分布。成存储器地址不能连续分布。字位扩展字位扩展 根据内存容量及芯片
29、容量确定所需存储芯片数；根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；进行位扩展以满足字长要求；进行位扩展以满足字长要求；进行字扩展以满足容量要求。进行字扩展以满足容量要求。若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为LK，要构成容量为，要构成容量为M N的存储器，需要的芯片数为：的存储器，需要的芯片数为：（M/L）（N/K）字位扩展例字位扩展例 用16K1位的芯片组成64KB的存储器。扩成16KB 8片 再扩成64KB 4*8=32片 地址线需16根（A0-A15），其中14根（A0-A13）用于片内寻址，2根（A14，A15）用于片选译码。连接图。注意：以上的例子中所需的地址线数并未从系统整体
30、上考虑。在实际注意：以上的例子中所需的地址线数并未从系统整体上考虑。在实际系统中，总线中的地址线数往往要多于所需的地址线数，这时除片内系统中，总线中的地址线数往往要多于所需的地址线数，这时除片内寻址的低位地址线寻址的低位地址线(即片内地址线即片内地址线)外，剩余的高位地址线一般都要用外，剩余的高位地址线一般都要用于片选译码。于片选译码。IBM PC/XT的内存空间分配的内存空间分配00000H9FFFFHBFFFFHFFFFFHRAM区 640KB保留区 128KBROM区 256KB3.5.1 存储空间的分配存储空间的分配图3-22 IBM PC/XT存储空间的分配 RAM 640KB 保留
31、 128KB ROM 256KB 00000H 9FFFFH A0000H BFFFFH C0000H EFFFFH F6000H FFFFFH 系统板上 RAM 256KB I/O 通道中的 扩展 RAM 384KB 保留的 RAM 128KB 扩展 ROM 198BK 16KB 基本 ROM40KB 返回本节返回本节SRAM 6264芯片芯片6264外部引线图外部引线图逻辑符号：逻辑符号：6264D7-D0A12-A0OEWECS1CS26264芯片与系统的连接芯片与系统的连接D0D7A0A12WEOECS1CS2A1A13WRRD译码译码电路电路高位地址信号D0D15 D8D15A0CS
32、2CS1OEWEA12 图3-4 8086系统的存储器系统图3.12某8086系统的存储器系统如图3-4所示，完成下列任务。1）已知存储器（3）的地址范围为81000H81FFEH；存储器（4）的地址范围为81000H81FFFH，图3-4中完成未连的其余所有连线。2）根据图中的连线写出存储器（1）、存储器（2）的地址范围。3.13 某8086微机系统中用6264（8K8位）及一个74LS138译码器组成存储系统，要求地址范围为B0000HB3FFFH。1）系统的存储容量为多少？2）需几片6264芯片？3）画出系统连接图。3.14 使用6116、2732和74LS138译码器构成一个存储容量为12KB ROM（00000H02FFFH）、8KB RAM（03000H04FFFH）的存储系统。系统地址总线为20位，数据总线为8位，试画出存储器与CPU的连接电路图。3.15在8086CPU组成的系统中，用4片2764（8K8 bit）存储芯片组成随机ROM存储系统，其第一片的首地址为（C000H：8000H），试画出存储器与CPU的连接电路图。
