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1、第第第第6 6章章章章 存储器及其扩展技术存储器及其扩展技术存储器及其扩展技术存储器及其扩展技术陆尧胜陆尧胜陆尧胜陆尧胜 谢军谢军谢军谢军 主讲主讲主讲主讲暨南大学信息科学技术学院电子工程系暨南大学信息科学技术学院电子工程系暨南大学信息科学技术学院电子工程系暨南大学信息科学技术学院电子工程系微机系统与接口微机系统与接口2/5/20231 存储器及其扩展技术存储器及其扩展技术n存储器分类存储器分类n存储器接口存储器接口n寻址技术：地址译码寻址技术：地址译码n存储器扩展存储器扩展2/5/20232计算机的基本概念计算机的基本概念生物反射弧生物反射弧：感应器、传入神经、感应器、传入神经、神经中枢、神
2、经中枢、传出神经、效应器传出神经、效应器2/5/20233系统流程系统流程2/5/20234微机系统的结构2/5/202358086/80888086/8088微处理器微处理器n2/5/20236 微型计算机存储器微型计算机存储器n微型机的存储器分为内存储器和外存储器。微型机的存储器分为内存储器和外存储器。n内内存存储储器器与与CPU以以及及各各种种接接口口电电路路组组成成微微型型机机的的主主机机。内内存存储储器器在在主主机机内内部部，CPU通通过过其其3总线（地址、数据、控制）直接对它进行访问。总线（地址、数据、控制）直接对它进行访问。2/5/20237 微型计算机存储器微型计算机存储器-内
3、存储器内存储器n内内存存储储器器存存放放CPU当当时时正正要要处处理理的的程程序序和和数数据据，因因此此，它它的的存存取取速速度度要要求求和和CPU的的处处理理速速度度相相匹匹配配，但但存存储储容容量量相相对对于于外外存存储储器器可可以以小小一一些。些。n常常用用的的内内存存储储器器：磁磁芯芯存存储储器器和和半半导导体体存存储储器器，目目前前微微型机都用半导体存储器型机都用半导体存储器.2/5/20238微型计算机微型计算机存储器存储器-外存储器外存储器n外存储器属于计算机的外部设备外存储器属于计算机的外部设备(I/O)，它存，它存储的信息要通过接口电路输入到内存储器后才储的信息要通过接口电路
4、输入到内存储器后才能供能供CPU处理。处理。n通常用来存储通常用来存储CPU当前操作暂时用不着的信息当前操作暂时用不着的信息因此，它的速度可以要求低一些，但存储容量因此，它的速度可以要求低一些，但存储容量相对于内存储器要大得多，所以又称它为相对于内存储器要大得多，所以又称它为海量海量存储器存储器，或称为虚拟存储（，或称为虚拟存储（VirtualMemory）。）。n外存储器有磁带、磁盘（硬盘和软盘），光盘，外存储器有磁带、磁盘（硬盘和软盘），光盘，Flash存储器（优盘）等。存储器（优盘）等。2/5/20239 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 nn双极型双极型RAMn随机存储器随机存储器
5、RAMnMOS型型静态静态RAMn半导体半导体RAM动态动态RAMn存储器存储器n掩膜式掩膜式ROMn可编程可编程PROMn只读存储器只读存储器ROM可擦式可擦式EPROMn电可擦式电可擦式EEPROM2/5/202310习习 题题为为8086 CPU8086 CPU扩展：扩展：程序存储区程序存储区 A000A000：0000H07FFH.0000H07FFH.数据存储区数据存储区 A000A000：0800H 0FFFH0800H 0FFFH 可用可用EPROM 2716:2K 8EPROM 2716:2K 8，RAM:2K 8,RAM:2K 8,译码器可选译码器可选74LS13874LS1
6、38。0000,0111,1111,1111B07FFH-0000H+1 =1000,0000,0000B=2K0FFFH-0800H+1=2k16位位RAM与与ROM的特点比较的特点比较RAMCPU对其可进行读写操对其可进行读写操 作。作。失电后内容丢失。失电后内容丢失。用于存放当前执行的程用于存放当前执行的程序、数据、堆栈、序、数据、堆栈、I/O缓缓冲和系统参数。冲和系统参数。SRAM用作用作Cache,DRAM用作主存。用作主存。ROMCPU只能对其进行读出操作只能对其进行读出操作而不能进行写入。而不能进行写入。失电后内容不丢失。失电后内容不丢失。用于存放固定不变的程序，用于存放固定不变
7、的程序，如如:各种系统软件、监管程序、各种系统软件、监管程序、汇编程序、常数和函数表。汇编程序、常数和函数表。ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash Memory2/5/202311半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n（1）容量）容量n（2）存存取取时时间间:是是指指存存数数的的写写操操作作和和取取数数的的读读操操作作所所占占用用的的时时间间，一一般般以以ns为为单单位位。存存储储器器芯芯片片的的手手册册中中一一般般要要给给出出典典型型的的存存取取时时间间或或最最大大存存取取时时间间。在在芯芯片片外外壳壳上上标标注注的的型型号号后后往往往往也也给给出出了了时时间间参参
8、数数，例例如如：2732A20，表示该芯片的存取时间为表示该芯片的存取时间为200ns。n（3）功耗功耗n（4）电源）电源2/5/202312 存储器地址分配及译码器存储器地址分配及译码器n首首先先要要确确定定内内存存容容量量(存存储储区区大大小小，寻寻址址范范围围）、并选择存储器芯片的容量大小。并选择存储器芯片的容量大小。n在在设设计计微微机机内内存存时时，要要选选择择若若干干存存储储器器芯芯片片才才能能达达到到内内存存容容量量的的要要求求。这这些些选选择择好好的的存存储储器器芯芯片片如如何何同同CPU有有效效地地连连接接并并能能有有效效地地寻寻址址，就就存存在在一个一个存储器的地址分配存储
9、器的地址分配问题问题.n在在进进行行地地址址分分配配时时，一一定定要要将将ROM和和RAM分分区区域安排。域安排。nIBMPCXT将将ROM安安排排在在高高端端，而而把把RAM安安排在低端排在低端。2/5/202313 存储器地址分配及译码器存储器地址分配及译码器n存存储储器器系系统统设设计计是是将将所所选选芯芯片片与与所所确确定定的的地地址址空空间间联联系系起起来来，即即将将芯芯片片中中的的存存储储单单元元与与实实际际地地址址一一一一对对应应，这这样才能通过寻址对存储单元进行读写。样才能通过寻址对存储单元进行读写。n每每一一个个存存储储器器芯芯片片都都有有一一定定数数量量的的地地址址输输入入
10、端端（AB，信信息输入息输入），用来接收），用来接收CPU的地址输出信号。的地址输出信号。nCPU的的地地址址输输出出信信号号，原原则则上上每每次次只只能能寻寻址址到到一一个个存存储储单元单元。n到到底底一一个个地地址址信信号号实实际际上上能能够够寻寻址址到到哪哪个个芯芯片片（或或几几个个芯芯片片共共同同组组成成一一个个8位位/的的单单元元或或16位位的的字字）上上的的哪哪一一个个单元，这就要由地址译码器来确定。单元，这就要由地址译码器来确定。2/5/202314存储器芯片与存储器芯片与CPU的连接的连接nCPU对对存存储储器器的的读读写写操操作作过过程程：首首先先是是向向其其地地址址线线发发
11、地地址址信信号号，然然后后向向控控制制线线发发读读写写控控制制信信号号，最最后后再再在在数数据据线线上上传传送送数数据据信信息息。每每一一块块存存储储器器芯芯片片，其其地地址址线线、数数据据线线和和控控制制线线都都必必须须和和CPU建建立立正正确确的的连连接接，才才能能进进行行正确的读写操作。（正确的读写操作。（P50图图2-18；2-18）nCPU与与存存储储器器的的连连接接就就是是指指地地址址线线的的连连接接、数数据据线线的的连连接和控制线的连接。连接时，应考虑以以下几个问题接和控制线的连接。连接时，应考虑以以下几个问题：n1CPU总线的负载能力总线的负载能力n2存储器与存储器与CPU的速
12、度匹配问题的速度匹配问题n3存储器的寻址方法存储器的寻址方法2/5/202315存储器的寻址方法存储器的寻址方法n存储器芯片与CPU地址总线的连接方式，必须满足对这些芯片所分配的地址范围的要求。n片片选选：CPU发出的地址信号必须实现两种选择：首先对存储器芯片的选择，使相关芯片的片选端CS为有效。n字字选选：在选中的芯片内部再选择某一存储单元。片选信号和字选信号均由CPU发出的地址信号经译码产生。n片选信号由存储器芯片的外部译码电路产生，这需要自行设计；而字选信号由存储器芯片的内部译码电路产生，不需要用户设计。外部译码电路的两种译码方法：n（1）线性选择法n（2）全地址译码法 2/5/2023
13、161）线性选择法）线性选择法n线线选选法法：直接用CPU地址总线中某一高位线作为存储器芯片的片选信号。n线选法的优点是连接简单，片选信号的产生不需要复杂的逻辑电路，只用一条地址线与MREQ的简单组合就可产生有效的CS。n缺点：n1）地址的不连续性和多义性当采用线选法时，若低位地址线用于字选，高位地址线用作线选，当高位地址未全部用完、而又没有对其控制 n2）即使所有高位地址线都用作线选，其能寻址的存储空间十分有限。2/5/2023172）全译码法）全译码法n全译码法将高位地址线全部作为译码器的输入，用译码器的输出作片选信号；低位地址线用作字选，与芯片的地址输入端直接相连。n所有的地址线均参与片
14、内或片外的所有的地址线均参与片内或片外的地址译码，不会产生地址的多义性地址译码，不会产生地址的多义性和不连续性。和不连续性。n在全译码方式中，译码电路的核心常用一块译码器充当，例如前面介绍的74LS138等。2/5/202318所需芯片数：EPROM:片 RAM:片 程序存储器的地址范围：程序存储器的地址范围：1010,0000,0000,0000,00001010,0000,0111,1111,1111数据存储器的地址范围：数据存储器的地址范围：1010,0000,1000,0000,00001010,0000,1111,1111,11112K=211 0 x xx 1 xx x 1x x
15、xx x xx x x全部为1全部为1全部为11 0 00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 174LS138译码器真值表译码器真值表2/5/202319接线 CPU CPU 数据线数据线地址线地址线M/IORDWR 74LS13874LS138 G端子端子(3个个)输入端子输入端子(ABC)输出端子输出端子(Y0Y7)EPROMEPROM数据线数据线地址线地址线OECERAMRAM数据线数据线地址线地址线OECSWE2/5/202320存储器扩展技术存储器扩展技术n存储芯片名称存储芯片名称RAM、ROMn规格、型号与引脚规格、型号与引脚n存储空间（容量
16、大小）、存储空间（容量大小）、寻址范围寻址范围n“页页”的概念的概念n片选、字选（单元选择）片选、字选（单元选择）nCPU引脚（引脚（P39）n存储器与存储器与CPU接口：存储接口：存储器的扩展技术器的扩展技术2/5/202321IBMPCXT系统板上系统板上RAM n PCXT系统板上共有256KB的RAM，由4个体（BANK0BANK3）组成，每个体内由9片4164组成64KB9的存储空间，第9位用于奇偶校验。图513给出了连接框图。n地址信号:4164需要16条片内地址线（字选线），因此，每片4164均与CPU的地址线A0A15相连，中间加了2个地址锁存器74LS158，分别锁存A0A7
17、和A8A1516位地址。地址线的高端A16A19，均接入了译码系统。译码系统由两片74LS138和部分门电路组成，产生了4组行、列地址选择信号RAS0RAS3和CAS0CAS3，进行行、列地址的选通。(参见P153）2/5/202322IBMPCXT系统板上系统板上RAMn控制信号:所有4164的WE端连在一起，与系统总线上的写控制端XMEMW连接，XMEMW是由CPU的WR控制的，当XMEMW有效时，所有芯片处于等待写入状态；否则，处于读出状态。n刷新:4164是动态RAM芯片。刷新控制由系统板上的82375DMA控制器的通道0来完成。8237送出的DACKOBRQ信号有效时，意味着刷新操作
18、的开始。2/5/202323 8086808680888088的存储器组织的存储器组织存储器的标准结构n8086CPU有20位地址线，可寻址1MB的存储空间。存储器通常按字节组织排列成一个个单元，每个单元用一个惟一的地址码表示，这称为存储器的标准结构。若存放的数据为8位，则将它们按顺序进行存放；若存入的数据为一个16位的字，则将字的最高字节存于高地址单元，低位字节存于低地址单元；若存放的数据为32位的双字，则将地址指针的偏移量（字）存于低地址的字单元中，将地址指针的段基址（字）存于高地址的字单元中。2/5/2023248086CPU存储区的实际结构存储区的实际结构n存储空间实际上被分成两个51
19、2KB的存储体（或称为存储库），分别叫做高位库和低位库。n高位库与8086数据总线中的D15D8相连，库中每个单元的地址均为奇数；低位库与数据总线中的D7D0相连，库中每个单元的地址均为偶数。n地址线A0和控制线BHE用于库的选择，分别接到每个库的选择端SEL，其余地址线A19A1同时接到两个库的存储芯片上，以寻址每个存储单元。存储器高低位库与总线的连接如图514所示。当BHE0时，选中奇数地址的高位库；当A00，选中偶数地址的低位库。2/5/202325CPU8088的内存储器n8088外部数据总线为8位，因此，它所对应的1MB的存储空间是一个不分高位库和低位库的单一存储体。这样，无论是对1
20、6位的字数据，还是对8位的字节数据；也无论是对规则字，还是对非规则字的操作，其每一个总线周期都只能完成一个字节的存取操作。n对16位数据操作所构成的连续两个总线周期是由CPU执行这类指令自动完成的，不需要再用软件进行干预。n这样，8088的存储器和总线连接时，地址线中的A0和其余各位A19A1都具有同样的作用，参与对单元的寻址，而不像在8086中专用它作为低字节库的选择信号SEL。8088存储器与总线的连接。2/5/2023262存储器分段存储器分段n8086用20位地址信号，寻址1MB的内存空间，每个单元的实际地址PA需用5位十六进制数表示。但CPU内部存放地址信息的一些寄存器，如指令指针IP、堆栈指针SP、基指针BP、变址寄存器SI、DI和段寄存器CS、DS、ES、SS等都只有16位，显然不能存放PA而直接寻址1MB空间，为此，在16位或16位以上的微处理器引入存储器分段的概念。n分段就是把1MB空间分为若干逻辑段，每段最多可含64KB的连续存储单元。每个段的首地址是一个能被16整除的数（即最后4位为0），首址是用软件设置的。n运行一个程序所用的具体存储空间可以为一个逻辑段，也可以为多个逻辑段。段和段之间可以是连续的、断开的、部分重叠的或完全重叠的。2/5/202327