组成原理课件 - 存储器

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1、l 了解存储器的分类及性能指标； l 掌握静态RAM和动态RAM的组成、工作原理 及动态RAM的刷新； l 掌握存储器容量扩展的方法及其与CPU的连 接； l 会根据给定要求进行存储容量的扩展并画 出与CPU的连接图。 第6章 存储器 7 1 存储器的概述 一、存储器的分类 存储器 内存储器外存储器 磁芯存储器半导体存储器 RAMROM 静态 RAM 动态 RAM 掩膜 ROM PROM EPROM 磁鼓、磁带 光 盘 磁 盘 二、存储器的主要技术指标 1、存储容量 存储容量是指存储器所能存放二进制信息的数量。 单位为B。 存储容量=存储单元个数存储字长 例1： （1）如有一台计算机的存储器为

2、256K字，若首地址为00000H，那 么末地址的16进制表示是多少？ （2）某计算机字长是32位，它的存储容量是256KB，若按字节和字 编址，它的寻址范围分别是多少？MDR和MAR各位多少位？ 2、存储周期 存储周期它是从一次启动存储器操作到操作完成后可 启动下一次操作的时间。 练习：设有一个1MB容量的存储器，字长为32位，问： （1）按字节编址，地址寄存器、数据寄存器各为几 位？编址范围为多大？ （2）按半字编址，地址寄存器、数据寄存器各为几 位？编址范围为多大？ （3）按字编址，地址寄存器、数据寄存器各为几位？ 编址范围为多大？ 7 2 半导体存储器 一、概述 1、半导体存储器芯片的

3、组成 译码驱动电路 存 储 体 读写电路 地址线 片选线 数据线线 读/写 控制线 译码驱动电路：把AB送来的地址信号翻译成对应存储单 元的选择信号，再经过驱动电路和读写 电路完成对选中存储单元的读写操作。 存储体：由大量的存储单元构成的阵列组成，用于存储 信息。 读写电路：完成对存储单元的读写操作。 2、半导体存储器的译码驱动方式 （1）线选法：用一个译码器，将所有的地址信号转换成行（字线） 选通信号，每一条行选线选择一个字对应的存储单元。 （161字节）P76图4.9 0 ， 10 ， 7 15 ， 015 ， 7 读/写 控制器 地址译码器 A0 A1 A2 A3 读/写 选通 字线 0

4、 15 07位线 D0 D7 例2：一个10位地址的存储器芯片用单译码方式需用多少条选通线？ 采用两个译码器，输入的地址信号分成两部分送到两个译码 器，分别产行选通信号和列选通信号。可减少选通线的条数， 适合于容量较大的存储器芯片。( 1K1位）图4.10 例3：一个10位地址的存储器芯片用双译码方式需用多少条选通线？ 例4：一个64K存储容量的芯片用单译码方式和双译码方式各需多少 条选通线？ I/O 0 ， 0 3232 A5A6A7A9A8 X0 X31 X地址译码器 A0 A1 A2 A4 A3 0 ， 31 31 ， 031 ， 31 Y地址译码器 （2）重合法（双译码方式） 二、静态

5、 RAM 1、静态 RAM 的 基本单元电路图4.11 （1）读出过程 （2）写入过程 （3）芯片结构和引脚 （P77页图4.12和图4.13） 列地址选择 T2 T5T6 T3T4 T1 T7T8 BA Vcc 行地址选择 写选择 写入Din 读选择 输出Dout 由T1T6六个MOS 管构成双稳态触发 电路。T1、T2为工 作管、T3、T4为负 载管、T5、T6为行 地址选择控制管。 两个稳定的状态： T1通、T2止为“1”态 T1止、T2通为“0”态 特点： （1）用MOS管构成的双稳态触发电路来存储信息“0”和“1”。 （2）集成度低，功耗大，价格贵，速度快。 三、动态RAM 1、动态

6、RAM的基本单元电路 读选择线 写选择线读数据线 写数据线 T2 T1 T3Cg T4 Vdd 预充电信号 数据线 字线 （读写控制线） T Cg 三管MOS动态RAM基本单元电路 图4.17 单管MOS动态RAM基本单元电路 图4.18 特点： （1）用动态元件电容存储信息“0”和“1”。 （2）集成度高，功耗低，价格低，需动态刷新电路，速度慢。 2、动态RAM的刷新 动态RAM是用靠电容存储电荷（有电荷为“1”、无电荷为“0”） 来寄存信息的。电容上的电荷只能维持12ms，所以存储的信息 会自动消失，必须在2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态。 其刷新过程就是先将原存信息读出，再利用刷新

7、放大器形成原 信息并重新写入原单元。 读选择线 写选择线 读数据线写数据线 T2 T1 T3Cg T4 Vdd 预充电信号 VddP TC TBTA 控制端刷新放大器 A 3、刷新方法 动态RAM必须采用定时刷新，即在规定的时间里对全部存储 单 元电路作一次刷新，一般刷新时间为2毫秒。在刷新周期内由专 用 的刷新电路来完成对基本单元电路的逐行刷新。 （1）集中刷新 在刷新周期内对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新， 此时必须停止读/写操作。 例：动态RAM芯片内3232矩阵，读写周期为0.5s，连续刷新 32行需16 s占32个读/写周期。在刷新周期2ms内含4000个读/ 写 周期，实际在

8、前3968个周期用于读/写操作或维持，后32个周期 用 于刷新。 特点：访存出现32/4000即8%的死区。 读/写或保持刷新 TC TC TC （2）分散方式 分散刷新是将对每行存储单元的刷新分散到每个读/写周期 内 完成。将存取周期分成两段，一段用于读/写或维持，另一段用来 刷 新。 特点：虽然克服了死区的现象，但使机器的存取周期由0.5s变 成 1s，使整机的工作效率下降。 （3）集中与分散结合方式（异步） 先用要刷新的行数对2ms进行分割，再将每行的时间分为 两 段，前段用于读/写或保持，后段时间即0.5s用于刷新。 特点：即克服了死区现象，又提高了整机的工作效率。 例：128 128

9、芯片，每行刷新时间为2ms/128=15.6 s TC TC TC R/W 刷新R/W R/W 刷新 刷新 读/写 刷新 读/写 读/写 刷新 15.6 s15.6 s15.6 s 四、只读存储器ROM 根据制造工艺只读存储器ROM可为ROM、PROM、EPROM 、 E2PROM、Flash Memory等。P8891 1、掩膜ROM（只读存储器） 通过元件的“有”表示信息“1”，元件的“无”来表示信息“0”。 2、PROM（一次性可编程只读存储器） 熔丝未断表示信息“1”，熔丝烧断表示信息“0” 3、EPROM（可擦可编程序的只读存储器） 通过紫外线照射，可实现信息的擦除，外加+25的编程

10、电压及 宽 50ms的编程脉冲可对指定的单元写入信息“1”和“0”。 4、 E2PROM（可电擦可编程的只读存储器） 通过给定的擦除电压可对位或字节的信息进行擦除。（10万 次） 5、 Flash Memory（快擦除读写存储器） 通过给定的擦除实现对原有信息的擦除，并可实现在线编程 。 五、只读存储器芯片的结构与引脚 （P207 图7-29） 五、多体交叉存储器 由多个存储模块构成，每个模块有相同的容量和存取速度， 各 模块有各自独立的地址寄存器、数据寄存器、地址译码器、驱动 和 读写电路，它们能并行、交叉工作。各自以等同的方式与CPU传 递 信息。CPU在一个周期内分时访问每个存储体。若多

11、体交叉存储 器 由n个存储模块构成，存储器的工作速度可提高n倍。 它是在多总 线结构的计算机中，提高系统的吞吐率的最有效方法。 例：问读0、5、10、15存储单元中的数据和读1、3、5、 7存储 单 元中的数据各需多少周期？ 多体交叉存储器按选择不同存储模块所用地址位是高位地址 还 是低位地址可分为高位交叉编址的多体存储器和低位交叉编址的 多 体存储器 0123 4567 891011 12131415 16171819 20212223 1#2#3#4# 1、高位交叉编址的多体存储器 1#2#3#4# 地址译码器 体号体内地址 地址译码器 CSCSCSCS 体号：地址线的高位部分经译码后用于

12、选择不同存储器 芯片，各不同的存储器片选信号相连。 体内地址：即存储器芯片的片内地址。 特点： （1）程序和数 据按存储体存 放，一个存满后 再存下一个存储 体。 （2）一个用于执 行程序，另一个 用于与I/O设备 DMA传送。 例：已知RAM芯片的容量为1K8，现要构成按字节寻 址 的2体交叉的容量为2K8存储器，若采用高位交叉编址 画出存储器的结构图。 1#2# CSCS WEWE A9A0A9A0D7D0D7D0 D7D0 A9A0 W/R A10 2、低位交叉编址的多体存储器 1#2#3#4# 体内地址体号 地址译码器 CSCSCSCS 体号：地址线的高位部分经译码后用于选择不同存储器

13、 芯片，各不同的存储器片选信号相连。 体内地址：即存储器芯片的片内地址。 地址译码器 特点： （1）程序和数 连续存放在相 邻存储体内。 （2）可加大存 储器的带宽。 例：已知RAM芯片的容量为1K8，现要构成按字节寻 址 的2体交叉的容量为2K8存储器，若采用低位交叉编址 画出存储器的结构图。 1#2# CSCS WEWE A9A0A9A0D7D0D7D0 D7D0 A10A1 W/R A0 8K8 a 8K8 b8K8 c8K8 d A12A0 D15 D8 D7 D0 A1 3 某字长16位的机器，已知有一个存储器结构如图所示，看图回答： a、 存储器存储容量是多少？ b、 分别写出a、

14、b片，c、d片的地址范围空间（按字寻址）？ c、 采用多体交叉编址技术可提高存储器的读写速度，说明你 的理解？对该存储器如何改造方能实现4体交叉编址存储 器的编址（按字节寻址）？ 六、CPU与存储器的连接 1、位扩展 是指只进行位数据扩展（加大字长），达到存储器字长的要求 。 连接方式：将各存储芯片的地址线、片选线和读写线相应地并 联起来，而将和芯片的数据线单独列出。如用8片的16K 1的 存储芯片扩充为16K 8的存储器。地址线条数为 log 2 16K=14 CS * WE* D7 A13A0 CS* WE* D6 A13A0 CS* WE* D5 A13A0 CS* WE* D4 A13

15、A0 CS* WE* D3 A13A0 CS* WE* D2 A13A0 CS* WE* D1 A13A0 CS* WE* D0 A13A0 练习：用4K 4 的芯片构成4K 16的存储器，画出连接图。 R/W D7 D0 A13A0 MREQ 2、字扩展：仅在字向扩展，而位数不变。 连接方式：将芯片的地址线、数据线、读写线并联，由片选信 号来区分各个芯片。 例：用16K 8的芯片扩展成64K8的存储器，画出连接图。 MREQ A15 A14 R/W D7D0 A13A0 WE * 4# CS D7D0 A13A0 WE * 3# CS D7D0 A13A0 WE * 2# CS D7D0 A13A0 WE * 1# CS D7D0 A13A0 2:4 译码器 练习：用4K 8的芯片扩展成8K8的存储器，画出连接图。 3、字位扩展法：先扩展位，再扩展字。是上述两种方式的结合 。 例：用2K 4的RAM 芯片组成4K 8的存储器，画出连接图。 1、某一RAM芯片，其容量为512K 8位，除电源端和接地端外， 该芯片引出线的最小数目为多少？ 5、某存储器采用多模块结构，其容量为256K16，分四个模块构 成，试计算： (1)各模块的存储容量是多少？(2)模块内址寄存器多少位？ (3)模块内数据寄存器多少位？(4)连接主机的地址总线是多少条？ A11 R/W* D7D4 D3D0 A