《微机接口存储器》ppt课件

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第7章半导体存储器及其接口教学重点SRAM、ROM与CPU的连接除采用磁、光原理的辅存外，其它存储器主要都是采用半导体存储器本章介绍采用半导体存储器及其组成主存的方法 半导体存储器概述存储系统的层次结构1、存储系统的层次结构是指把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中2、常用的存储系统的层次结构主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图所示CPUCACHE主存（内存）辅存（外存） 存储器的分类1、按存储介质分类半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器2、按存储器的读写功能分类随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失只读存储器ROM：正常只读、断电不丢失3、按用途分类内存储器、外存储器4、按在微机系统中的作用分类主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器5、按制造工艺双极型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低 半导体存储器的分类半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM） 只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）擦除 随机读写存储器RAM分类组成单元速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统 存储器的基本性能指标1、存储容量与地址线位数有关（1）存储容量=存储器单元数×每单元二进制位数（2）换算关系：与数据线位数有关1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB2、存取速度（1）存取时间（2）存取周期3、可靠性，功耗，价格等 随机读写存储器：静态RAM（SRAM）基本存储电路 动态RAM（DRAM）动态RAM的刷新为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM不断进行读出和再写入 动态RAM举例 只读存储器——ROM只读存储器（ROM）是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。只要一接通电源，这些程序就能自动地运行 掩膜只读存储器 可编程只读存储器—PROM 光可擦除可编程只读存储器—EPROM 电可擦除可编程只读存储器—E2PROM一种可以用电擦除和编程的只读存储器闪存——FlashMemory 存储器与微处理器的连接存储器的工作时序 存储器读周期数据地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECS TA读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 存储器写周期TWCTWRTAW数据地址TDTWTWDOUTDINTDWTDHWECS TW写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间TWC写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 8086存储器结构分为偶地址存储体和奇地址存储器偶地址存储体与D7~D0连接，A0=0奇地址存储体与D15~D8连接,BHE*=0如果低字节在偶地址存储体，高字节在奇地址存储体时，一个总线周期即可完成16位数据传送。 补充：半导体存储器芯片的结构地址寄存地址译码存储体控制电路AB数据寄存读写电路DBOEWECS ①存储体存储器芯片的主要部分，用来存储信息②地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元③片选和读写控制逻辑选中存储芯片，控制读写操作 ①存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量＝2M×N＝存储单元数×存储单元的位数M：芯片的地址线根数N：芯片的数据线根数 ②地址译码电路译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A3A4A501764个单元单译码双译码 单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构 ③片选和读写控制逻辑片选端CS*或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线 典型芯片举例：随机存取存储器静态RAMSRAM2114SRAM6116动态RAMDRAM4116DRAM2164 静态RAMSRAM的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用“字结构”存储矩阵：每个存储单元存放多位（4、8、16等）每个存储单元具有一个地址 SRAM芯片2114存储容量为1024×418个引脚：10根地址线A9～A04根数据线I/O4～I/O1片选CS*读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND功能 Intel2114静态存储器芯片的内部结构框图 •存储矩阵：Intel2114内部共有4096个存储电路，排成64×64的短阵形式；•地址译码器：输入为10根线，采用两级译码方式，其中6根用于行译码，4根用于列译码；•I/O控制电路：分为输入数据控制电路和列I／O电路，用于对信息的输入／输出进行缓冲和控制；•片选及读／写控制电路：用于实现对芯片的选择及读／写控制。 各引脚的功能如下：•A0-A9：10根地址信号输入引脚。•WE*：读／写控制信号输入引脚，当为低电平时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元；反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线。•I/O1~I/O4：4根数据输入／输出信号引脚.•CS*：低电平有效，通常接地址译码器的输出端。•+5V：电源。•GND：地。 SRAM2114的读周期数据地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECS TA读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 SRAM2114的写周期TWCTWRTAW数据地址TDTWTWDOUTDINTDWTDHWECS TW写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间TWC写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 6116(2K8=16KBIT)工作方式真值表SRAM6116 动态RAMDRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备“读出再生放大电路”进行刷新每次同时对一行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放一位需要8个存储芯片构成一个字节单元每个字节存储单元具有一个地址 动态RAM举例 存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址，CAS*相当于片选信号读写信号WE*读有效（高电平）数据从DOUT引脚输出 DRAM芯片4116（与书2118同）存储容量为16K×116个引脚：7根地址线A6～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通RAS*列地址选通CAS*读写控制WE*VBBDINWE*RAS*A0A2A1VDDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5VCC12345678161514131211109 DRAM4116的读周期DOUT地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址列地址WECASRAS DRAM4116的写周期TWCSTDS列地址行地址地址TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWECASRAS 存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址读写信号WE*写有效（低电平）数据从DIN引脚进入存储单元 DRAM4116的刷新TRCTCRPTRAS高阻TASRTRAH行地址地址DINCASRAS 采用“仅行地址有效”方法刷新行地址选通RAS*有效，传送行地址列地址选通CAS*无效，没有列地址芯片内部实现一行存储单元的刷新没有数据输入输出存储系统中所有芯片同时进行刷新DRAM必须每隔固定时间就刷新 DRAM芯片2164（同书4164）存储容量为64K×116个引脚：8根地址线A7～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通RAS*列地址选通CAS*读写控制WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A712345678161514131211109 只读存储器在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器 9.3只读存储器EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A EPROM顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程编程后，应该贴上不透光封条出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1编程就是将某些单元写入信息0 EPROM芯片27322732工作方式真值表注：VPP为编程脉冲，可以为+5V,+12.5v,+21V,+25V等 EPROM芯片2716存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE*/PGM读（写）OE*编程电压VPP功能VDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss EPROM芯片2764存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CE*编程PGM*读写OE*编程电压VPP功能VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615 EPROM芯片2725612345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14Vcc27256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256逻辑图 EEPROM用加电方法，进行在线（无需拔下，直接在电路中）擦写（擦除和编程一次完成）有字节擦写、块擦写和整片擦写方法并行EEPROM：多位同时进行串行EEPROM：只有一位数据线 EEPROM芯片2817A存储容量为2K×828个引脚：11根地址线A10～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE*读写OE*、WE*状态输出RDY/BUSY*功能NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GNDVccWE*NCA8A9NCOE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O312345678910111213142827262524232221201918171615 EEPROM芯片2864A存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE*读写OE*、WE*功能VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615 半导体存储器与CPU的连接这是本章的重点内容SRAM、EPROM与CPU的连接译码方法同样适合I/O端口 存储芯片与CPU的连接存储芯片的数据线存储芯片的地址线存储芯片的片选端存储芯片的读写控制线 存储器容量的形成与寻址（1）用2114组成1K×8位RAM （2）用2114组成2K×8位RAM 微处理器与存储器的连接（1）CPU总线的带负载能力（2）存储器与CPU之间的速度匹配（3）数据线、地址分配和译码 1.存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩充数据位这个扩充方式简称“位扩充” 位扩充2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE 多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为“芯片组” 2.存储芯片地址线的连接芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为“片内译码” 片内译码A9～A0存储芯片000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全100…0000…0100…10…11…0111…1011…11范围（16进制）A9～A0 3.存储芯片片选端的译码存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量也就是扩充了存储器地址范围进行“地址扩充”，需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充” 地址扩充（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE译码器00000000010000000000 片选端常有效A19～A15A14～A0全0～全1D7～D027256(32k*8)EPROMA14～A0CE 令芯片（组）的片选端常有效不与系统的高位地址线发生联系芯片（组）总处在被选中的状态虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现“地址重复” 地址重复一个存储单元具有多个存储地址的现象原因：有些高位地址线没有用、可任意使用地址：出现地址重复时，常选取其中既好用、又不冲突的一个“可用地址”例如：00000H～07FFFH选取的原则：高位地址全为0的地址高位地址译码才更好 译码和译码器译码：将某个特定的“编码输入”翻译为唯一“有效输出”的过程译码电路可以使用门电路组合逻辑译码电路更多的是采用集成译码器常用的2:4译码器：74LS139常用的3:8译码器：74LS138常用的4:16译码器：74LS154 线选译码只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）虽构成简单，但地址空间严重浪费必然会出现地址重复一个存储地址会对应多个存储单元多个存储单元共用的存储地址不应使用 线选译码示例A14A12～A0A13(1)2764(2)2764CECE切记：A14A13＝00的情况不能出现00000H～01FFFH的地址不可使用 A19～A15A14A13A12～A0一个可用地址12××××××××××1001全0～全1全0～全104000H～05FFFH02000H～03FFFH 部分译码只有部分（高位）地址线参与对存储芯片的译码每个存储单元将对应多个地址（地址重复），需要选取一个可用地址可简化译码电路的设计但系统的部分地址空间将被浪费 部分译码示例138A17A16A11～A0A14A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3 A19～A15A14～A12A11～A0一个可用地址1234××10×××10×××10×××10×000001010011全0～全1全0～全1全0～全1全0～全120000H～20FFFH21000H～21FFFH22000H～22FFFH23000H～23FFFH 全译码所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址包括低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址（片内译码），高位地址线对存储芯片的译码寻址（片选译码）采用全译码，每个存储单元的地址都是唯一的，不存在地址重复译码电路可能比较复杂、连线也较多 全译码示例A15A14A13A16CBAE31382764A19A18A17A12～A0CEY6E2E1IO/M 1C000H1DFFFH全0全100011100001110地址范围A12～A0A19A18A17A16A15A14A13 片选端译码小结存储芯片的片选控制端可以被看作是一根最高位地址线在系统中，主要与地址发生联系：包括地址空间的选择（接系统的IO/M*信号）和高位地址的译码选择（与系统的高位地址线相关联）对一些存储芯片通过片选无效可关闭内部的输出驱动机制，起到降低功耗的作用 4.存储芯片的读写控制芯片OE*与系统的读命令线相连当芯片被选中、且读命令有效时，存储芯片将开放并驱动数据到总线芯片WE*与系统的写命令线相连当芯片被选中、且写命令有效时，允许总线数据写入存储芯片 存储芯片与CPU的配合存储芯片与CPU总线的连接，还有两个很重要的问题：CPU的总线负载能力CPU能否带动总线上包括存储器在内的连接器件存储芯片与CPU总线时序的配合CPU能否与存储器的存取速度相配合 1.总线驱动CPU的总线驱动能力有限单向传送的地址和控制总线，可采用三态锁存器和三态单向驱动器等来加以锁存和驱动双向传送的数据总线，可以采用三态双向驱动器来加以驱动 2.时序配合分析存储器的存取速度是否满足CPU总线时序的要求如果不能满足：考虑更换芯片总线周期中插入等待状态TW切记：时序配合是连接中的难点 教学要求1.了解各类半导体存储器的应用特点；2.熟悉半导体存储器芯片的结构；3.掌握典型芯片的引脚功能；4.理解SRAM读写原理、DRAM读写和刷新原理、EPROM和EEPROM工作方式 第9章教学要求（续）5.掌握存储芯片与CPU连接的方法，特别是片选端的处理；6.了解存储芯片与CPU连接的总线驱动和时序配合问题。习题 实验SRAM实验参考实验指导书提示 32K×8的SRAM芯片6225612345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVcc62256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D062256逻辑图 SRAM2114的功能工作方式CS*WE*I/O4～I/O1未选中读操作写操作100×10高阻输出输入 SRAM6264的功能工作方式CS1*CS2WE*OE*D7～D0未选中未选中读操作写操作1×00×011××10××01高阻高阻输出输入 EPROM2716的功能工作方式CE*/PGMOE*VCCVPPDO7～DO0待用1×＋5V＋5V高阻读出00＋5V＋5V输出读出禁止01＋5V＋5V高阻编程写入正脉冲1＋5V＋25V输入编程校验00＋5V＋25V输出编程禁止01＋5V＋25V高阻 EPROM2764的功能工作方式CE*OE*PGM*A9VPPDO7～DO0读出001×＋5V输出读出禁止011×＋5V高阻待用1×××＋5V高阻Intel标识00＋12V1＋5V输出编码标准编程01负脉冲×＋25V输入Intel编程01负脉冲×＋25V输入编程校验001×＋25V输出编程禁止1×××＋25V高阻 EEPROM2817A的功能工作方式CE*OE*WE*RDY/BUSY*I/O7～I/O0读出维持字节写入0100×11×0高阻高阻0输出高阻输入 EEPROM2864A的功能工作方式CE*OE*WE*I/O7～I/O0读出维持写入数据查询01000×101×负脉冲1输出高阻输入输出 门电路译码A1A0F0F1F2F3A19A18A17A16A15（b）（a）A0Y0Y1Y 译码器74LS13812345678910111213141516ABCE1E2E3Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0Vcc74LS138引脚图Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E3E2E1CBA74LS138原理图功能连接 74LS138连接示例E3E2E1CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138＋5VA19A18A17A16A15 74LS138功能表片选输入编码输入输出E3E2*E1*CBAY7*~Y0*10000011111110（仅Y0*有效）00111111101（仅Y1*有效）01011111011（仅Y2*有效）01111110111（仅Y3*有效）10011101111（仅Y4*有效）10111011111（仅Y5*有效）11010111111（仅Y6*有效）11101111111（仅Y7*有效）非上述情况×××11111111（全无效）