微、汇与接第五章-存储器(朱定华)文华

微机原理 汇编与接口技术 第五章存储器 5 1 1存储器的类型从不同角度出发 存储器有不同的分类方式 存储器通常按照制造工艺和存取方法进行分类 1 按工作时与CPU联系密切程度分类可分为主存和辅存 或称为内存和外存 主存直接和CPU交换信息 且按存储单元进行读写数据 辅存则是作为主存的辅助存储 存放暂时不执行的程序和数据 它只是在需要时与主存进行批量数据交换 因此辅存通常容量大 但存取速度慢 2 按存储元件材料分类可分为半导体存储器 磁存储器及光存储器 半导体存储器主要用来做主存 而磁和光材料主要作为大容量辅存 如磁盘 磁带 光盘等 半导体存储器 5 1存储器概述存储器是计算机系统中的记忆装置 用来存放程序和数据 准确地说 存储器是存放二进制编码信息的硬件装置 3 按存储器读写工作方式分类可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM RAM是一种既可读又可写的易失性存储器 关闭电源后所存信息将全部丢失 通常用来暂存运行的程序和数据 存取操作与时间 存储单元的物理位置顺序无关 ROM是一种在工作过程中只能读不能写的非易失性存储器 掉电后所存信息不会丢失 通常用来存放固定不变的程序和数据 如引导程序 基本输入输出系统 BIOS 程序等 主存储器一般由RAM和ROM两类存储器构成 根据存储电路的性质 RAM又可进一步分为 静态RAM 采用双稳电路存储信息 动态RAM 是以电容上的电荷存储信息 ROM按其性能的不同又可分为 掩模式ROM 熔练式可编程的PROM 可用紫外线擦除 可编程的EPROM和可用电擦除 可编程的E2PROM 4 按存储器读写数据的方式分类可分为并行存储器与串行存储器 串行存储器的体积小 引线少 连接容易 适用于89C2051和89C105l等单片机 5 1 2存储器的性能指标与分级结构1 存储器的性能指标衡量半导体存储器的主要性能指标有4项 存储容量存取速度功耗可靠性存储容量是存储器的一个重要指标 存储容量存储容量是指存储器所能存储二进制数码的数量 即含存储元的总数 通常用多少存储单元 每个单元多少位代码表示 即用其存储单元数与存储单元字长乘积表示 即 容量 字数 字长例如 容量为16K字节 即16K 8 它表示存储器有16 1024 16384个存储单元 每个存储单元字长为8位 若容量为4K 16 则表示存储器有4096 4 1024 个存储单元 每个存储单元字长为16位 存取时间存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 有时又称为读写周期 功耗功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小 单位为微瓦 位或者毫瓦 位 可靠性可靠性一般是指对电磁场及温度变化等的抗干扰能力 一般平均无故障时间为数千小时以上 2 存储器的分级系统对存储器的要求是容量大 速度快 成本低 但这三者在同一存储器中不可兼得 为了解决这一矛盾 采用了分级存储器结构 通常将存储器分为高速缓冲存储器和主存储器和外存储器三级 中央处理器CPU能直接访问的存储器有高速缓存和内存 CPU不能直接访问辅存 辅存中的信息必须先调入内存才能由CPU进行处理 如图所示 高速缓存简称快存 是一高速小容量存储器 在中高档计算机中 用快存临时存放指令和数据 以提高处理速度 目前快存多由双极性静态随机存储器 SRAM 组成 和内存相比 它存取速度快 但容量小 内存用来存放计算机运行期间的大量程序和数据 它和快存交换指令和数据 快存再和CPU打交道 目前内存多由MOS动态随机存储器 DRAM 组成 辅存目前主要使用的是磁盘存储器 磁带存储器和光盘存储器 5 2常用的存储器芯片5 2 1半导体存储器芯片的结构半导体存储器芯片通常由存储矩阵 地址译码器 控制逻辑和三态数据缓冲寄存器组成 如图5 2所示 图5 2存储器芯片的组成 地址译码器 接收来自CPU的n位地址 经译码后产生2n个地址选择信号 实现对片内存储单元的选址 控制逻辑电路 接收片选信号CS及来自CPU的读 写控制信号 形成芯片内部控制信号 控制数据的读出和写入 数据缓冲器 寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据 存储体 是存储芯片的主体 由基本存储元按照一定的排列规律构成 排列方式通常可分为 字结构 位结构 5 2常用的存储器芯片5 2 1半导体存储器芯片的结构半导体存储器芯片通常由存储矩阵 地址译码器 控制逻辑和三态数据缓冲寄存器组成 如图5 2所示 图5 2存储器芯片的组成 存储矩阵也称为存储体 是大量存储元件的有机组合 存储元件则是由能存储一位二进制代码 1或0 的物理器件构成的 在CPU及其接口电路送来的芯片选择信号CS和读写控制信号R W的配合下 单方向打开三态缓冲器 将该存储单元中的N位代码进行读或写操作 在不进行读或写操作时 芯片选择信号无效 控制逻辑使三态缓冲器处于高阻状态 存储矩阵与数据线脱开 N个存储元件构成可并行存取 记忆N位代码的存储单元 犹如N个触发器构成一个N位数据寄存器一样 将存储矩阵中的全部存储单元赋予单元地址 由芯片内部的地址译码器实现按地址选择对应的存储单元 容量为2n个存储单元的存储矩阵 须有n条地址线选通对应的存储单元 若每个存储单元有N位代码 字长为N 则有N条数据线 该存储体由2n N个存储元件组成 所谓字结构方式 是指将芯片上所有存储元排列成不同的存储单元 每个单元一个字 每个字的各位在同一个芯片内 例如 1K 16位的芯片 所谓位结构方式 是指将芯片上所有存储元排列成不同的存储单元 每个单元一位 即将所有存储元排列成不同字的同一位 例如 8K 1位的芯片 大量芯片采用两种方式相结合 例如2K 4位的芯片 显然 存储单元的数量与地址多少有关 而每个单元的位数与数据线多少相关 5 2 2随机读写存储器RAM随机读写存储器简称随机存储器 随机存储器RAM可分为 双极型 MOS型目前双极型RAM主要用在高速微型计算机中 而在微型计算机中广泛使用均是MOS型RAM MOS型RAM分为 静态RAM staticRAM 动态RAM dynamic RAM 静态RAM的存储元件是6管MOS型触发器 每个存储元件中包括的MOS管很多 存储容量有限 动态RAM的存储元件由一只MOS管和一只电容组成 依靠MOS管栅极电容的电荷记忆信息 为了不丢失信息 须在电容放电丢失电荷信息之前 把数据读出来再写进去 相当于再次给电容充电 以维持所记忆的信息 这就是所谓的 刷新 常用的静态RAM SRAM 芯片有6116 6264 62128 62256等 它们分别与下面将要介绍的2716 2764 2712和27256的引线兼容 6116芯片的引线和功能如图5 3所示 它与EPROM2716的引线兼容 这在使用上是很有利的 它的存储容量为2K字节 即一片6116芯片包含有16384个存储元件 这16384个存储元件以128 128的矩阵排列 用A10 A011根地址线对其进行行 列地址译码 以便对2048个存储单元进行选择 选中的存储单元的8个存储元件的二进制信息同时出入 所以6116有8根数据线 数据是读出还是写入 由芯片允许信号CE 写允许信号WE及输出允许信号OE一起控制 当CE WE有效 即 CE WE为低电平 时 数据线上的信号写入被选中的存储单元 一次写入8位二进制信息 图5 36116芯片的引线及功能 若CE OE有效 即CE OE为低电平 且WE为高电平时 则被选中的存储单元中的8位二进制信息送往数据线D7 D0 5 2 3只读存储器ROM只读存储器 readonlymemory 的特点是信息一经写入 存储单元里的内容就不能改变 即使在断电后也不会丢失 但只能读出 ROM依写入情况可分为 掩模ROM 可编程ROM 紫外线擦除PROM 电擦除EPROMPROM的内容由用户自行写入 写入后就不可更改了 1 EPROM常用的 EPROM芯片以1片2716为最基本容量 即2K 8 2732 2764 27128和27256的存储容量则逐次成倍递增为4K 8 8K 8 16K 8和32K 8 它们的引线排列如图5 5所示 EPROM的结构要比RAM简单得多 但由于EPROM的写入 编程 需要20 25V的编程脉冲 故其芯片与RAM相比少了一条写允许线WE 却多了一条编程控制线PGM和一条编程电压电源线Vpp EPROM的擦除和写入 编程 需要将芯片从电路板上拔下来在专用的擦除器和编程器进行 而在CPU运行期间即EPROM的读方式下 PGM和Vpp都接Vcc 再没有其他特殊的要求 2 EEPROMEEPROM的使用简单方便 具有在线编程的独特功能 擦除和写人次数为1万次 信息保持时间为10年 芯片内部有电压提升电路 无论读出还是写入 擦除后再写入 都是只需在单一的 5V电压下进行 常用的EEPROM芯片有2816 2K 8 2817 2K 8 和2864 8K 8 2816和2864的引线排列也与相同容量的SRAM6116和6264兼容 2817和2864A的引线排列如图5 6所示 图5 62817和2864的引线排列 CE WE和OE分别为芯片允许信号 写允许信号和输出允许信号 当CE WE为低电平且OE为高电平时 进行擦写操作 当CE OE为低电平且WE为高电平时 进行读操作 RDY BUSY为2817和2864A的擦写状态信号线 当2817和2864A进行擦除和写入操作时 将RDY BUSY置为高电平 写入操作完成后 再将RDY BUSY置为低电平 CPU可以通过检测RDY BUSY的状态 来控制2817和2864A的擦写操作 2816 2817和2864的主要性能指标基本相同 读取时间250ns 写入时间10ns 2816为15ns 字节擦除时间10ns 2816为15ns 读操作电压5V 擦写操作电压5V 操作电流110mA 3 闪速存储器闪速存储器与一般EEPROM不同之处在于 闪速存储器芯片为整体电擦除并需要为其提供12V编程电压 但它的擦除和编程速度高 集成度高 可靠性高 功耗低 价格低 其整体性能优于一般EEPROM ATMEL公司生产 容量为32K 8 64K 8 128K 8和256K 8的芯片分别是AT29C 256 AT29C512 A F29C010和AT29C020 AMI 公司生产的芯片命名为AM28F 容量为256K 8芯片的引线排列如图5 7所示 这些闪速存储器芯片的引线都为32条 其差别在地址线的条数 如容量为32K 8芯片的 为NC 内部无连接 图5 7256K 8的引线排列 5 3存储器与CPU的接口在介绍了存储器芯片的结构及具体芯片的使用后 进一步了解如何在微型计算机系统中实现存储器与CPU总线的接口 连接时具体考虑的问题是 根据系统要求的存储容量选择相应的存储器芯片 存储器芯片与微型计算机系统的地址总线 数据总线和控制总线的具体连接方法以及如何对存储器的存储单元进行地址分配等 在微型计算机中 CPU对存储器进行读 写操作 首先要由地址总线给出地址信号 然后要发出存储器读或写控制信号 最后才能在数据总线上进行信息交换 存储器与CPU总线的连接 主要是 地址线的连接 数据线的连接 存储器读或写控制线的连接 5 3 1存储器芯片与地址总线的连接计算机应用系统的存储器通常都是由多片存储器芯片组成的 芯片内部都自带有地址译码电路 芯片内部的存储单元由芯片内部的译码电路对芯片的地址线输入的地址进行译码来选择 这称为字选 字选只要从地址总线的最低位A 开始 把它们与存储器芯片的地址线依次相连即可完成 而存储器芯片则由地址总线中剩余的高位线来选择 这就是片选 地址线数与存储单元数间的关系为 存储单元 2x x为地址线数 即每增加1根地址线 其中所含的存储单元数就在原基础上翻一倍 如表5 1所示 1 存储器芯片的地址线与地址总线的连接存储器芯片的地址线与地址总线的连接 即字选原则是从地址总线的最低位A0开始 把它们与存储器芯片的地址线依次相连 2 存储器芯片的片选线与地址总线的连接存储器芯片的片选线与地址总线的连接 即片选有如下2种方法