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存储器与存储器系统
第五章存储器与存储器系统
内容提要:
1.存储器的分类、性能指标,存储器系统的多层结构;
2.半导体存储器的基本结构、工作原理;
3.半导体存储器容量的形成与寻址及其与8086CPU的连接;
4.内存条的选择与安装;
5.EPROM编程实践。
学习目标:
1.掌握存储器的分类、性能指标,存储器系统的多层结构;
2.掌握存储器芯片RAM、EPROM的基本结构、地址形成方法;
3.重点掌握8086CPU与存储器的连接技术;
4.掌握EPROM编程技术;
5.了解DRAM刷新,内存条选择与安装。
难点:
CPU与存储器的连接。
学时:
6
实验学时:
作业:
1、由2K×1bit的芯片组成容量为4K×8bit的存储器需要个存储芯片。
A)2B)8C)32D)16
2、由2732芯片组成64KB的存储器,则需要块芯片和根片内地址线。
A)12B)24C)16D)14
3、安排2764芯片内第一个单元的地址是1000H,则该芯片的最末单元的地址是。
A)1FFFHB)17FFHC)27FFH4)2FFFH
将存储器与系统相连的译码片选方式有法和法。
4、若存储空间的首地址为1000H,存储容量为1K×8、2K×8、4K×8H和8K×8的存储器所对应的末地址分别为、、和。
5、对6116进行读操作,6116引脚
=,
=,
=。
6、 试用4K×8位的EPROM2732和2K×8位的静态RAM6116以及LS138译码器,构成一个8KB.的ROM、4KB的RAM存储器系统(8086工作于最小模式),ROM地址范围为:
FE000H~FFFFFH,RAM地址范围为:
00000H~00FFFH。
一、概述
1.存储器分类
1)按存储介质分:
半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器;
2)按读写功能分:
ROM和RAM;
3)按信息的可保存性分类:
非永久性记忆存储器(断电后信息消失):
RAM
永久性记忆存储器(断电后信息仍保存):
ROM、磁表面或光表面存储器;
4)按在计算机系统中的作用分类:
主存储器(内存)、辅助存储器(外存)、高速缓冲存储器。
2.存储器的性能指标
1)存储容量:
是指存储器可以存储的二进制信息量。
表示方法为:
存储容量=存储单元数*每单元二进制位数
2)存取时间和存取周期:
说明存储器工作速度。
存取时间:
从存储器接收到寻址地址开始,到完成取出或存入数据为止所需的时间;
存取周期:
连续两次独立的存储器存取操作所需的最小时间间隔;一般略大于存取时间。
3)可靠性:
指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。
4)其它指标:
体积、功耗、工作温度范围、成本等。
3.存储器系统的多层结构
对存储器系统的要求:
容量大、速度快、成本低;
存储器系统多层结构:
高速缓冲存储器(cache)、主存储器、外存储器;
主存:
用来存放计算机运行期间的大量程序和数据,CPU可直接访问,一般由MOS型半导体存储器组成;
高速缓冲存储器(cache):
是计算机系统中的一个高速但容量小的存储器,在中高档微机中用来临时存放CPU正在使用和可能就要使用的局部指令和数据。
通常用双极型半导体存储器组成;
外存:
用来存放系统程序和大型数据文件及数据库等。
外存储器中的数据和程序必须调到内存中CPU才能执行或调用,所以其特点是:
存储器容量大、成本低但存取速度慢,目前主要有磁盘、光盘、磁带存储器。
二、半导体存储器
1.半导体存储器的分类:
可分为RAM和ROM。
RAM:
随机读写存储器,非永久性记忆存储器,用来存放需改变的程序、数据、中间结果及作为堆栈等;
ROM:
只读存储器,属永久性记忆存储器,用来存放固化系统的设备驱动程序、不变的常数和表格等。
2.随机存储器RAM
按制造工艺可分为双极型和MOS型。
双极型:
用晶体管组成基本存储电路,特点是存取速度快,但与MOS型相比,集成度低、功耗大、成本高,常用来制造cache;
MOS型:
用MOS管组成基本存储电路,存取速度低于双极型,但集成度高、功耗低、成本低、应用广泛。
可分为静态和动态两类。
1)SRAM和DRAM的共同点:
①断电后内容会丢失;
②既可读亦可写。
2)区别:
①从存放一位信息的基本存储电路来看,SRAM由六管结构的双稳态电路组成,而DRAM是由单管组成,是靠分布电容来记忆信息的。
②SRAM的内容不会丢失,除非对其改写,DRAM除了对其进行改写或掉电,若隔相当长时间时,其中的内容回丢失,因此,DRAM每隔一段时间就需刷新一次,在700C情况下,典型的刷新时间间隔为2ms。
③DRAM集成度高,而SRAM的集成度低。
3)DRAM的刷新
① 基本存储电路见图5.1。
图5.1基本存储电路
DRAM刷新:
定时重复地DRAM进行读出和再写入,以使电容泄放的电荷得到补充。
② 专门安排的动态刷新操作特点:
保证在2ms内DRAM所有行都能遍访一次;
刷新地址通常由刷新地址计数器产生,而不是由AB提供;
刷新地址只需行地址;
刷新操作时,存储器芯片的数据线呈高阻状态。
③ 实际的DRAM刷新方法:
一种是利用专门DRAM控制器来实现刷新控制,如Intel8203就是专门为了2117、2118、2164DRAM刷新DRAM控制器;
另一种是在每一个DRAM芯片上集成逻辑电路,使存储器件自身完成刷新,这种器件叫综合型DRAM,对用户而言,工作起来如同静态RAM,如Intel2186/2187。
④ DRAM特点:
需刷新,且刷新操作时,不能进行正常读写操作,和SRAM比较,具有集成度高、功耗低、价格便宜、应用普遍等优点。
3.只读存储器ROM
分为掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM。
1)掩膜ROM:
厂家采用光刻掩膜技术,将程序制入其中,用户使用时,只能进行读操作,不能再改写存储器中的信息;
2)PROM:
用户买来可按照自己的需要,进行一次且只能进行一次编程(写操作),一经编程就只能执行读出操作了;
3)EPROM:
用户借助特殊手段可写入信息(编程)且能用紫外线擦除信息并可重复编程的ROM;
4)EEPROM:
在线电擦除的EPROM。
三、常用半导体存储器芯片
1.静态RAM存储器(SRAM)
1)静态RAM的结构和特性
常用的静态RAM电路有6116、6264、62256等,它们的引脚排列见图5.2。
① A0~Ai:
地址输入线,i=10(6116),12(6264),14(62256);
② O0~O7:
双向数据线,有时用D0~D7表示;
③
:
选片信号输入线,低电平有效;(CS高电平有效)
④
:
读选通信号输入线,低电平有效;
⑤
:
写选通信号输入线,低电平有效;
⑥ Vcc:
工作电源+5V;
⑦ GND:
线路地。
图5.2常用静态RAM电路引脚图
2)静态RAM的工作方式
静态RAM存储器有读出、写入、维持三种工作方式,工作方式的操作控制见表5.1。
表5.16116,6264,62256的操作控制
信号
方式
O0~O7
读
VIL
VIL
VIH
数据输出
写
VIL
VIH
VIL
数据输入
维持*
VIH
任意
任意
高阻抗
*对CMOS的静态RAM电路,
为高电平时电路处于降耗状态,此时Vcc电压可降至3V左右,内部的存储数据也不会丢失。
2.EPROM电路
1)EPROM的结构和特性
常用的EPROM电路有:
2716,2732,2764,27128,27256,27512等。
①A0~Ai:
地址输入线,i=10~15;
②O0~O7:
三态数据总线,读或编程校验时为数据输出线,编程时为数据输入线。
维持或编程禁止时,O0~O7呈高阻抗;
③
:
选片信号输入线,“0”(即TTL低电平)有效;
④
:
编程脉冲输入线;
⑤
:
读选通信号输入线,“0”有效;
⑥Vpp:
编程电源输入线,Vpp的值因芯片型号和制造厂商而异;
⑦Vcc:
主电源输入线,Vcc一般为+5V;
⑧ GND:
线路地。
2)EPROM的操作方式
EPROM的主要操作方式有:
① 编程方式:
把程序代码(机器指令、常数)固化到EPROM中;
② 编程校验方式:
读出EPROM中的内容,检验编程操作的正确性;
③ 读出方式:
CPU从EPROM中读取指令或常数;
④ 维持方式:
数据端呈高阻;
⑤ 编程禁止方式:
适用于多片EPROM并行编程不同数据。
3.EPROM编程
EPROM编程就是将调试好的程序代码固化到(即写入)EPROM中。
常用的编程方法有常规的慢速编程和快速智能编程两种。
四、存储器与微处理器的连接
1.主存储器的组织
1)系统内存配置是最基本的一步。
主要是指内存容量的确定、内存区域的地址分配。
① 确定内存容量的因素
首先应考虑计算机运行环境的需要,其中应包括:
系统软件所需占用的存储量、应用软件所需占用的存储量和数据所需占用的存储量;
另一个应考虑的因素是直接寻址的范围。
当系统的处理机选定以后,它的数据线的数目就确定了,也就规定了以该处理机为中心组织的系统内存的最大容量。
② 内存区域的地址分配(特别应关心那些对硬件连接有直接影响的地址段)
首先应考虑ROM区的设置:
ROM区应设置在处理机的起始地址上;
其次要考虑特殊用途规定的固定寻址地址:
既可设在ROM区,亦可设在RAM区,若在RAM,则使程序设计更加灵活;
最后是RAM区域内的各地址基本上都是由程序操作的,即它们的工作情况主要受软件控制。
2)字节寻址与字寻址
①在8086系统中,当要作一个整字存取时,只要是地址相邻的两个字节就可以了,且规定以地址较高的那个字节作为这个字的高位字节,而以低地址字节作为低位字节。
②在8086系统中存储器物理结构上采用奇偶分体的方法,即偶数地址集成在一片存储芯片上,组成低位字节存储体;奇数地址集成在另一片存储芯片中,组成高位字节存储体。
用A0=0作低位字节存储体的选通信号,用
=0作高位字节存储体的选通信号。
③读写一个字,且从偶地址开始,CPU输出的A0和
都有效(为0),使读写高低两个字节,只需一个总线周期;读写一个字,若从奇地址开始,这时分两次读写,即需要两个总线周期。
若读写一个字节,无论是从偶地址还是从奇地址读写,读只需一个总线周期。
3)存储器芯片的选用
应注意芯片读写周期与CPU提供的总线周期的关系。
例:
8086CPU的时钟为5MHz,即时钟周期为200ns,总线周期为800ns,由于地址与数据线分时复用的缘故,实际完成读写操作的时间主要在两个时钟周期内,也即约400ns,这就要求选用的存储器芯片的读写周期不能大于400ns。
2.8086系统中存储器的连接举例
设在8086最小模式下,系统要求16KB的ROM和16KB的RAM。
RAM区的地址为00000H~03FFFH,ROM区的地址为FC000H~FFFFFH。
1) 74LS138三—八译码器
三个门控信号G1、
、
,只有当G1=1、
=0、
=0同时有效时,译码器才工作。
三个选通引脚A2、A1、A0,当这三个引脚取不同的值时,将选通不同的通道。
参见表5.9。
2) 8086最小模式系统与存储器读写操作有关的引脚有:
地址线:
A0~A19;
数据总线:
D0~D19;
控制信号线:
M/
,
、
和
。
3) 读图参见图5.8。
①根据ROM、RAM范围确定使用的芯片;
②确定哪些地址线应作为门控信号,哪些地址线作为译码信号;
硬件连接。
③硬件连接。
五、内存条的选择与安装
1.内存芯片和内存条
微机系统中CPU、内存、显示卡、声卡、硬盘、软驱等部分均是通过电缆线和主板连接的。
早期,内存芯片直接插在主板的芯片插座上,或者直接焊接在电路上。
后来,出现了各种形式的内存电路板,极大地方便了存储器的安装。
从安装形式划分,常用的内存储器有如下几种。
(1)DIP型内存
DIP(DualIn-LinePackage,双列直插式封装)内存就是将内存芯片封装在标准的双列直插式的管壳内。
芯片的引脚线被接到两列平行的插脚上。
外壳一角有圆形凹痕,标识1#引脚。
386SX以前的微机中多采用DIP型内存。
(2)SIP型内存
SIP(SingleIn-LinePackage,单列直插式封装)型内存为一小型电路板,板上焊接有紧密排列的存储芯片。
该电路板一侧有一排针状插脚,用来插入到主板的SIP插座中。
安装较DIP方便,容量也大。
(3)SIMM型内存条
SIMM是SingleIn-LineMemoryModule的简写,即单边接触内存条。
它将内存芯片焊接在一定规格的印刷电路板上,板的一侧有一排插脚。
SIMM内存条有30线和72线之分,在486以前,多采用30线的SIMM内存条,而在Pentium中,应用更多的则是72线的SIMM内存条,或者是与DIMM内存条并存。
72线的SIMM内存条的数据线有32条,常见的单SIMM容量有4MB、8MB、16MB和32MB。
(4)DIMM内存条
DIMM是DualIn-LineMemoryModule的简写,即双边接触内存条,也就是说这种内存条插板的两边都有数据接口触片,每边为84线,一共有84X2=168线,故而人们经常把这种内存称为168线内存,而把72线的SIMM类型内存条直接称为72线内存。
DRAM内存通常为72线,EDO-RAM内存既有72线,也有168线,而SDRAM(同步动态RAM)内存通常为168线的。
2.内存条的选择
在选配内存条时,人们首先关心的是内存条的各种技术指标,一般包括引脚数、容量、速度、奇偶校验等。
引脚数可以归纳如前面所讲的各种内存条,这里不再赘述。
容量这一指标将直接制约系统的性能。
内存条通常有8MB、16MB、32MB、64MB等容量级别,其中32MB、64MB内存已成为当前的主流配置,而用于诸如图形工作站的内存容量已高达128MB或512MB,甚至更高。
内存条芯片的存取时间是内存的另一个重要指标,常见的有60ns、70ns、80ns、120ns等几种,相应在内存条上标为—6、—7、—8、—12等字样。
这个数值越小,存取速度越快,但价格也随之上升。
在选配时,应尽量挑选与CPU时钟周期相匹配的内存条,这将有利于最大限度地发挥系统的效率。
内存慢而主板快,会影响CPU的速度,还有可能导致系统崩溃;内存快而主板慢,结果是大材小用。
由于存储器制造技术的进步,存储器的稳定性得到保证,一般商用机器的内存条无须加奇偶校验位。
带奇偶校验的存储芯片只用在必须保证数据正确读写的关键地方,比如服务器中。
标准型内存条有的有校验位,有的没有;非标准的内存条通常有奇偶校验位。
需注意的是,在CMOS的SETUP中关于奇偶校验位的OFF/ON的设置必须与实际的内存条情况相一致。
这就要求一台计算机中内存条的配置要么都带奇偶校验位,要么都不带,决不可混用。
内存条上是否有奇偶校验位,可以从外观上判断:
每根内存条上有9或3个芯片的含有奇偶校验位,而有8或2个芯片的内存条没有奇偶校验位。
3.内存条的安装
现在微机普遍采用72线SIMM型内存条和168线DIMM型内存条。
因为72线SIMM内存条的数据线有32根,所以对486主板安装一条SIMM就可以了。
关于Pentium型CPU,其数据线为64位,要一次能存取64位数据,就必须同时安装两个72线的内存条,所以586级微机的主机板,一般必须按偶数安装72线内存条。
事实上一般奔腾主板提供了4个SIMM内存插槽,分别标识为SIMM1~SIMM4,其中,SIMM1和SIMM2称为BANK0(0号存储体),SIMM3和SIMM4称为BANK1(1号存储体),如果主板上的内存插座是168线的,由于168线的内存条一次就可以提供64位有效数据,所以只安装一条就能正常工作。
安装内存条应该注意以下几点:
(1)一般PC机可安装不同容量的SIMM条,但是同一个BANK内的两个SIMM条必须具有相同的规格。
(2)对于很多PC机来说,若把不同速度的SIMM条混插在一起,即使它们的容量相同,也会带来麻烦。
例如,计算机中已有运行速度为60ns的16MB内存,如果在主板的空置内存槽中再插入速度为70ns的SIMM条,系统就有可能会拒绝引导或在启动后不久就陷于崩溃。
对于某些微机来说,若把速度低的SIMM条放至第一组,则可解决速度混合问题,计算机会按最低的速度存取。
(3)在一组插槽中不能只插一部分内存条,必须全部插满或者全部置空,当然第一组插槽不可置空。
(4)虽然有不少主板支持SDRAM与EDO内存混合安装,但是最好不要混用。
原因是SDRAM工作电压为3.3V,而EDO内存则多数在5V电压下工作。
虽然主板上对DIMM和SIMM分别供电,但它们的数据线有时要连在一起的,如果SIMM(72线内存)与DIMM(168线SDRAM)混用,尽管开始系统可以正常工作,但在使用一段时间后,可能会造成SDRAM的数据输入端被损坏。
当然,如果SDRAM是适合宽电压(3V~5V)工作的产品,则不会出现这种损坏情况。
(5)内存条具体安装和拆卸时动作要小心谨慎,操作要规范,这一点可参考产品说明书。
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