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1、广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮第第5章章 存储器存储器一、一、概述概述二、二、典型芯片举例典型芯片举例三、三、主存储器设计主存储器设计作业作业2024/8/211微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮一、概述一、概述 存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算存储器是计算机的重要组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息机系统工作时所用的信息 程序和数据。程序和数据。1、 内存和外存内存和外存2、 存储器的分类存储器的分类3、 存储器的性能指标存储器的性能指标4、 存储器的基本
2、结构存储器的基本结构2024/8/212微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮1、内存和外存、内存和外存 （1）内内存存(或主存），用于存放当前正在使用的程序和或主存），用于存放当前正在使用的程序和数据，数据，CPU可以对它直接访问，存取速度快，但容量较小。可以对它直接访问，存取速度快，但容量较小。 （2）外存外存（或辅存），用于存放一些（或辅存），用于存放一些CPU暂时不处理的暂时不处理的程序和数据。当程序和数据。当CPU么处理这些信息时，必须先将其调入内么处理这些信息时，必须先将其调入内存。存。外存外存包括软盘，硬盘，光盘
3、等等。包括软盘，硬盘，光盘等等。外存外存容量大，相对内存来说，存取速度较慢。容量大，相对内存来说，存取速度较慢。2024/8/213微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮2、存储器的分类、存储器的分类(应用应用)(1)只读存储器只读存储器ROM(2)随机存取存储器随机存取存储器RAM2024/8/214微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(1)只读存储器只读存储器ROM 只读存储器只读存储器(Read Only Memory ROM) 用户在使用时只能读出其
4、中信息，不能修改或写入新用户在使用时只能读出其中信息，不能修改或写入新的信息，断电后，其信息不会消失。的信息，断电后，其信息不会消失。 存储单元中的信息由存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时一制造厂在生产时一次性写入，称为次性写入，称为掩膜掩膜ROM（Masked ROM）；）； PROM(Programmable ROM 可编程可编程ROM) PROM中的程序和数据是由用户自行写入的，中的程序和数据是由用户自行写入的，但一经写入，就无法更改，是一次性的但一经写入，就无法更改，是一次性的ROM；2024/8/215微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自
5、动控制系自动控制系 陈玮陈玮(1)只读存储器只读存储器ROM EPROM(Eraseble Programmable ROM 可可擦除可编程擦除可编程ROM) 可由用户自行写入程序和数据可由用户自行写入程序和数据，写入后的内容可用紫外线灯照射擦除，然后可以重，写入后的内容可用紫外线灯照射擦除，然后可以重新写入新的内容，可以多次擦除，多次使用。新写入新的内容，可以多次擦除，多次使用。 E2PROM(Electrically Eraseble Programmable ROM 电可擦除可编程电可擦除可编程ROM) 可用电信号进行可用电信号进行清除和改写的存储器，使用方便。清除和改写的存储器，使用方
6、便。2024/8/216微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(2)随机存取存储器随机存取存储器RAM 随机存取存储器随机存取存储器(Random Access Memory) RAM的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储的特点是存储器中的信息能读能写，且对存储器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样器中任一单元的读或写操作所需要的时间基本是一样的。断电后，的。断电后，RAM中的信息即消失。中的信息即消失。分为两类：分为两类： SRAM (Static RAM 静态静态RAM) SRAM是利用半导体触发器的两个稳定状态
7、表示是利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和和“0”。只要电源不撤除，信息不会消失，不需要刷。只要电源不撤除，信息不会消失，不需要刷新电路。新电路。2024/8/217微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(2)随机存取存储器随机存取存储器RAM DRAM (Dynamic RAM 动态动态RAM) DRAM是利用电容端电压的高低来表示是利用电容端电压的高低来表示“1”和和“0”，为了弥补漏电需要定时刷新。一般微机系统中的内，为了弥补漏电需要定时刷新。一般微机系统中的内存采用存采用DRAM，配有刷新电路，每隔配有刷新电路，
8、每隔12ms刷新一刷新一次。次。2024/8/218微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮3、存储器的性能指标、存储器的性能指标(1)存储容量存储容量(2)存储速度存储速度(3)可靠性可靠性2024/8/219微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(1)存储容量存储容量 存储容量存储容量 是指是指一块存储芯片上所能一块存储芯片上所能存储的二进制位数。存储的二进制位数。 假设存储芯片的假设存储芯片的存储单元数是存储单元数是M， 一个存储单元所存储一个存储单元所存
9、储的信息的位数是的信息的位数是N，则其存储容量为则其存储容量为MN。D7 D1D0例题例题2024/8/2110微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮例题例题1、已知单片、已知单片6116芯片的地址线是芯片的地址线是11位，位， 每个存储每个存储单元是单元是8位，求其存储容量位，求其存储容量?解解: 因为可编址范围因为可编址范围211 ，即，即M 211 ， 每个存储单元可存每个存储单元可存8位，即位，即N 8， 所以，所以， 6116的存储容量的存储容量 = 2118 = 210248 = 2K8 2KB2024/8/211
10、1微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮例题例题2、若要组成若要组成64K字节的存储器，以下芯片各需几片字节的存储器，以下芯片各需几片?6116(2K8)4416(16K4)解解: (64K8) ( 2K8)=32(片片) (64K8) ( 16K4)= 8 (片片)2024/8/2112微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮区别：芯片的存储容量和微机的存储容量区别：芯片的存储容量和微机的存储容量 微机的存储容量微机的存储容量 由多片存储芯片组成的由多片存储芯
11、片组成的总存储容量。总存储容量。 微机的最大内存容量微机的最大内存容量 由由CPU的地址总的地址总线决定。线决定。 如：如：PC486，地址总线是地址总线是32位，位，则，内存容许最大容量是则，内存容许最大容量是232=4G； 实际的装机容量实际的装机容量 由实际使用的若干片由实际使用的若干片存储芯片组成的总存储容量。存储芯片组成的总存储容量。2024/8/2113微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(2)存储速度存储速度 存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主存储器的存取速度是影响计算机运算速度的主要因素，用两个参数来衡
12、量：要因素，用两个参数来衡量： 存取时间存取时间TA （Access Time） 定义为启定义为启动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经动一次存储器操作（读或写），到完成该操作所经历的时间。历的时间。 存储周期存储周期TMC（Memory Cycle） 定义启定义启动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间动两次读（或写）存储器操作之间所需的最小时间间隔。间隔。2024/8/2114微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮(3)(3)可靠性可靠性 存储器的可靠性用存储器的可靠性用MTBF来衡量。来衡量。 MTBF即即Me
13、an Time Between Failures 平平均故障间隔时间，均故障间隔时间，MBTF越长，表示可靠性越高。越长，表示可靠性越高。2024/8/2115微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮4、存储器的基本结构、存储器的基本结构1、存储体存储体 由多个基本存由多个基本存储单元组成，容量即为储单元组成，容量即为MN；2、地址寄存器地址寄存器（地址锁存（地址锁存器）器） 锁存锁存CPU送来的地址送来的地址信号；信号；3、地址译码器地址译码器 对地址信对地址信号进行译码，选择存储体中号进行译码，选择存储体中要访问的存储单元；
14、要访问的存储单元；4、读读/写驱动电路写驱动电路 包括包括读出放大和写入电路；读出放大和写入电路；5、数据缓冲器数据缓冲器 芯片数据芯片数据信号经双向三态门挂在数据信号经双向三态门挂在数据总线上，未选中该片，呈高总线上，未选中该片，呈高阻状态；阻状态；6、读读/写控制电路写控制电路 接受来接受来自自CPU的片选信号、读的片选信号、读/写写信号。（对信号。（对ROM只读；只读；对对DRAM刷新信号）刷新信号）2024/8/2116微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮“读读”操作工作过程操作工作过程（1）送地址送地址 CPU通通
15、过地址总线将地址送入过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；地址寄存器，并译码；（2）发出发出“读读”命令命令 CPU通过控制总线将通过控制总线将“存储器读存储器读”信号送入信号送入读读/写控制电路；写控制电路；（3）从存储器读出数据从存储器读出数据 读读/写控制电路根据写控制电路根据 “读读”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，从该单元读出数据，送到数据缓存器。再经过数据从该单元读出数据，送到数据缓存器。再经过数据总线送到总线送到CPU。2024/8/2117微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系
16、自动控制系 陈玮陈玮“写写”操作工作过程操作工作过程（1）送地址送地址 CPU通通过地址总线将地址送入地过地址总线将地址送入地址寄存器，并译码；址寄存器，并译码；（2）发出发出“写写”命令命令 CPU通过控制总线将通过控制总线将“写写”信号送入读信号送入读/写控制电写控制电路；路；（3）写入数据到存储器写入数据到存储器 读读/写控制电路根据写控制电路根据 “写写”信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，将信号和片选信号选中存储体中的某一存储单元，将数据总线上的数据，送到数据缓存器，再写入到选中数据总线上的数据，送到数据缓存器，再写入到选中的存储单元。的存储单元。2024/8/2118微机原理
17、及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮二、典型芯片举例二、典型芯片举例 1、SRAM芯片芯片HM 6116(简称简称6116） 静态静态随机存取存储器，随机存取存储器，11条地址线，条地址线，8位数据线，位数据线，3条控条控制线，两条电源线，单片存储容量制线，两条电源线，单片存储容量2K8 。 常用的常用的SRAM还有还有6232，6264、62256，适用于，适用于较小系统。较小系统。2024/8/2119微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮二、典型芯片举例二、典
18、型芯片举例 2、DRAM芯片芯片Intel 2164A 动态随机存取存动态随机存取存储器，储器，8条地址线，条地址线，2位数据线位数据线(输出和输入）输出和输入），3条条控制线，两条电源线，单片存储容量控制线，两条电源线，单片存储容量64K1 。 地址线采用分时复用，由地址线采用分时复用，由CAS（列选通）和列选通）和RAS（行选通），从而实现行选通），从而实现16位地址线，位地址线，M216 64K。2024/8/2120微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮三、主存储器设计三、主存储器设计1、芯片选择芯片选择2、存储器芯片
19、的基本地址存储器芯片的基本地址3、 存储器芯片的容量扩充存储器芯片的容量扩充4、存储器芯片与存储器芯片与CPU连接连接2024/8/2121微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮1、芯片选择芯片选择 SRAM与与CPU连接，不需要外围电路，连接连接，不需要外围电路，连接简单，用于小型控制系统。简单，用于小型控制系统。 DRAM常用于大型系统，因为需要刷新电路，常用于大型系统，因为需要刷新电路，比如比如PC机的内存条。机的内存条。 ROM通常用于存放固定的系统程序。通常用于存放固定的系统程序。2024/8/2122微机原理及应用
20、微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮2、存储器芯片的基本地址存储器芯片的基本地址6116的基本地址：的基本地址：000H7FFHD7 D1D02024/8/2123微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮2、存储器芯片的基本地址存储器芯片的基本地址6264的基本地址的基本地址:0000H1FFFHD7 D1D02024/8/2124微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮2、存储器芯片的基本地址存储器芯片的基
21、本地址2114的基本地址是的基本地址是000H3FFHD3 D2 D1D02024/8/2125微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮2、存储器芯片的基本地址存储器芯片的基本地址EPROM 27218基本地址是基本地址是0000H3FFFHD7 D1D02024/8/2126微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮3、存储器芯片的容量扩充、存储器芯片的容量扩充对对1#来说其地址范围来说其地址范围00 0000 0000 000000 0111 1111 1111
22、（即（即0000H07FFH） 用用两片两片6116芯片芯片（ 2K 8）即可扩展成即可扩展成4K 8位，位，这种扩展方式就称为这种扩展方式就称为字扩展字扩展。对对2#来说其地址范围来说其地址范围00 1000 0000 000000 1111 1111 1111（即（即0800H0FFFH)译码和译码器译码和译码器2024/8/2127微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮3、存储器芯片的容量扩充、存储器芯片的容量扩充 显然，我们可以用显然，我们可以用2片片2114组成组成1K8位的存储器，位的存储器，这种扩展方式称为这种扩
23、展方式称为位扩展位扩展。 对对2114来说，存储容量是来说，存储容量是1K4位，而正常数据位，而正常数据都以字节作为存储单元，显然需要进行扩展。都以字节作为存储单元，显然需要进行扩展。N= (1K8位位)( 1K4位位)= 22024/8/2128微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮译码和译码器译码和译码器 全部全部CPU高位地址参与译码，称之为高位地址参与译码，称之为全译码全译码。全。全译码方式能保证每个存储单元地址唯一。译码方式能保证每个存储单元地址唯一。 若只选择若只选择CPU一部分高位地址参与译码，这称为一部分高位地
24、址参与译码，这称为部分译玛部分译玛。每个存储单元会有多个地址对应，。每个存储单元会有多个地址对应， 地址译码可以选择专用芯片，在微机系统中常用地址译码可以选择专用芯片，在微机系统中常用的有的有74LS138（称称3-8译码器）。译码器）。 真值表真值表2024/8/2129微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮74LS138真值表真值表2024/8/2130微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮4、存储器芯片与、存储器芯片与CPU连接连接1、地址总线地址总线
25、低位直接相连，低位直接相连， 高位通过译码器相连。高位通过译码器相连。地址线的连接方式确定了芯片的地址。地址线的连接方式确定了芯片的地址。2、数据总线数据总线 8位芯片的数据线可以直接与位芯片的数据线可以直接与8088CPU的相连，的相连， 与与8086CPU连接，要分成两个存储体；低连接，要分成两个存储体；低于于8位的要进行位扩充后再与位的要进行位扩充后再与CPU相连。相连。例题例题3、控制信号 系统总线中与存储器有关的控制信号有系统总线中与存储器有关的控制信号有IO/M， RD， WR(针对针对8088) 。2024/8/2131微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化
26、学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮例题例题所以所以27128地址范围：地址范围：0010 0000 0000 0000 0000 0010 0011 1111 1111 1111即即20000H23FFFH1、如图是某一、如图是某一8088系统的存储器连接图，试确定其中各芯片系统的存储器连接图，试确定其中各芯片的地址空间。的地址空间。解解： （1）27128是是ROM ，没有没有WR，Y0 0选中该片；选中该片；该片该片14条地址线，其基本地址条地址线，其基本地址00 0000 0000 0000 11 1111 1111 1111；高高6位：位：A19A18 00；A17 1；A
27、16A15 A14000；2024/8/2132微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮例题例题0011 0000 0000 0000 0000 0011 0001 1111 1111 1111即即30000H31FFFH解：解： （2）6264是是SRAM，13条地址线，用条地址线，用2片，片， 基本地址基本地址0 0000 0000 00001 1111 1111 1111；16264的高的高7位：位： A130 且且Y40有效选中此片，有效选中此片，则则A16A15 A14100；A19A18 0；A17 1；16264地
28、址范围：地址范围：2024/8/2133微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮例题例题26264地址范围：地址范围：0011 0010 0000 0000 0000 0011 0011 1111 1111 1111即即32000H33FFFH解：解： （2）6264是是SRAM，13条地址线，用条地址线，用2片，片， 基本地址基本地址0 0000 0000 00001 1111 1111 1111；A131 且且Y40有效选中此片，有效选中此片，2 6264的高的高7位：位：则则A16A15 A14100； A19A18 00； A17 1；2024/8/2134微机原理及应用微机原理及应用广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系 陈玮陈玮作业：作业：P1444、5、6、72732芯片（单片芯片（单片4KB 8）2164芯片（单片芯片（单片64KB 1）2024/8/2135微机原理及应用微机原理及应用
