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1,微型计算机原理与接口技术,Principles of Microcomputers and Interface Techniques,内蒙古大学理工学院自动化系,2,第五章 存储器系统,5.1 概述 5.2 随机存取存储器 5.3 只读存储器 5.4 译码电路 5.5 存储器扩展技术 5.6 8086系统存储器的连接 5.7 8086的16位存储器的接口 5.8 高速缓存(cache),3,主要内容,存储器的分类及特点 存储器芯片的结构及特点 存储器的工作原理 CPU与存储器的连接 高速缓存的工作原理 8086与16位存储器系统的接口,4,重点内容 了解存储器分类:RAM、ROM、 高速缓存等特点 了解存储器芯片结构特点 掌握存储器地址译码 了解微机系统存储器结构 掌握CPU与存储器连接 了解存储器新技术,5,5.1 概述,内容: 微型机的存储系统 半导体存储器的基本概念 存储器的分类及其特点 两类半导体存储器的主要区别,CPU,CACHE,主存(内存),辅存(外存),6,5.1.1 微型机的存储系统,将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法组织起来 这样就构成了计算机的存储系统。 系统的存储速度接近最快的存储器,容量接近最大的存储器。,7,Cache存储系统 提高速度 虚拟存储系统 扩大容量,高速缓冲存储器 主存储器,主存储器 磁盘存储器,8,存储器分为内存、外存,内存:存放当前运行的程序和数据。 特点:容量小,速度快,CPU可直接访问。 通常由半导体存储器构成 RAM、ROM等 外存:存放非当前使用的程序和数据。 特点:容量大,速度慢,顺序存取/块存取。需调入内存后CPU才能访问。 通常由磁、光存储器构成,也可以由半导体存储器构成 磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘,9,5.1.2 半导体存储器的分类,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 按使用属性 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,10,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),11,读写存储器RAM,12,SDRAM,SDRAM是英文Synchronous DRAM的缩写, 同步动态存储器 。 SDRAM内存技术 它在1个CPU时钟周期内可完成数据的访问和刷新,即可与CPU的时钟同步工作。SDRAM的工作频率目前最大可达150MHz,存取时间约为510ns,最大数据率为150MB/s,是当前微机中流行的标准内存类型。它类似常规的DRAM(且需刷新)。 SDRAM是一种经改善后的增强型DRAM。,13,DDR,DDR ( Double Data Rate)是 PC133 之后的新标准,双倍的数据输出量,效能是 PC133 的二倍。DDR 利用Clock 的上升沿、下降沿均输出数据,PC100PC133 只在上升沿输出数据,PC100PC133 的 SDRAM 也称为 SDR (Singal Data Rate)。 DDR DIMMs与SDRAM DIMMs的物理元数相同,线数不同,DDR(184pins),SDRAM(168pins),DDR内存不向后兼容SDRAM。,14,DDR 内存模块分为DDR1600、DDR2100两种: DDR1600 (又称PC1600DDR200) 是指符合DDR1600标准的内存在100MHZ频率下运行可以得到200MHZ总线的频宽。该标准的内存只有64Bit,对于目前的PC系统而言,其传输速度最大能达到1600MBS的频宽。DDR2100 (又称PC2100DDR266) 是指在符合DDR2100准的内存在133MHZ频率下运行可以到266MHZ总线的频宽,其传输速度最大能达到2100MBS的频宽。 DDR 内存模块分为DDR4000 :DDR4000 (又称PC4000DDR500) 是指在符合DDR4000标准的内存在250MHZ频率下运行可以到500MHZ总线的频宽,其传输速度最大能达到4000MBS的频宽。,15,只读存储器ROM,掩膜ROM:信息制作在芯片中,不可更改 PROM:允许编程一次,不可更改 EPROM:紫外光擦除,擦除后可编程;允许用户多次擦除和编程 EEPROM(E2PROM):用加电方法在线进行擦除和编程,可多次擦写 Flash Memory(闪存):能够快速擦写的EEPROM,只能按块(Block)擦除,16,5.1.3 半导体存储器芯片的结构,存储体 存储器芯片的主要部分,用来存储信息 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 片选和读写控制逻辑 选中存储芯片,控制读写操作,17,1、存储体,每个存储单元具有唯一的地址,可存储1位 或多位二进制数 存储容量 存储容量2MN M: 地址线条数 N: 数据线条数,18,2、地址译码结构,译码器,A5 A4 A3 A2 A1 A0,63,0,1,存储单元,64个单元,行译码,A2 A1 A0,7,1,0,列译码,A3A4A5,0,1,7,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,19,3、片选与读写控制,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,20,1、容量: 即存储容量=字数字长。 内存容量64K8位,存储容量为640K8或1M8位。32位微机内存储容量为8M,16M,32M,64M以及128M字节即8M8,16M8,32M8,64M8,128M8等。 2、存取时间:从存取命令发出到操作完成所经历的时 间。 存取周期:指两次存储器访问所允许的最小时间间隔。 8086 - 120 ns 80386 - 70 ns 奔腾 - 60 ns MMX,PII - 10 60 ns,5.1.4 半导体存储器的主要技术指标,21,3、可靠性:指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰性。 平均无故障时间为几千小时以上。 4、 制作工艺:决定了存取速度、功耗、集成度等指标。 集成度:位片 功耗:mW/位(NMOS工艺) 或 uW/位(CMOS工艺),22,5.2 随机存取存储器,静态RAM SRAM 2114 SRAM 6264,动态RAM DRAM 4116 DRAM 2164,23,5.2.1 静态存储器SRAM,特点: 用双稳态触发器存储信息。 速度快(5ns),不需刷新,外围电路比较简单,但集成度低(存储容量小,约1Mbit/片),功耗大。 在PC机中,SRAM被广泛地用作高速缓冲存储器Cache。 对容量为M*N的SRAM芯片,其地址线数=2M;数据线数=N。反之,若SRAM芯片的地址线数为K,则可以推断其单元数为2K个。,24,六管基本存储电路,25,静态RAM的结构,26,SRAM芯片2114,存储容量为10244 地址线A9A0 数据线I/O4I/O1 片选CS* 读写WE*,A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS* GND,27,2114功能,28,SRAM 2114的读周期,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,29,SRAM 2114的写周期,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,30,SRAM芯片6264,存储容量为8K8 地址线A12A0 数据线D7D0 片选CS1*、CS2 读写WE*、OE*,+5V WE* CS2 A8 A9 A11 OE* A10 CS1* D7 D6 D5 D4 D3,NC A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14,28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15,31,6264功能,32,5.2.2 动态随机存储器DRAM,特点: DRAM是利用MOS电路中的栅极电容来存储信息的,由于电容上的电荷会逐渐泄漏,需要定时充电以维持存储内容不变(称为动态刷新),DRAM需要设置刷新电路,相应外围电路就较为复杂。 刷新定时间隔一般为几微秒几毫秒 集成度高(存储容量大,可达1Gbit/片以上),功耗低,但速度慢(10ns左右),需要刷新。 应用非常广泛,如微机中的内存条(主存)、显卡上的显示存储器大多都采用DRAM 。,33,单管动态RAM存储电路 也可以简化成和SRAM相同的基本形式(存储单元的基本型)。,34,DRAM芯片4116,存储容量为16K1 地址线A6A0 数据输入线DIN 数据输出线DOUT 行地址选通RAS* 列地址选通CAS* 读写控制WE*,VBB DIN WE* RAS* A0 A2 A1 VDD,VSS CAS* DOUT A6 A3 A4 A5 VCC,1 2 3 4 5 6 7 8,16 15 14 13 12 11 10 9,35,TRAH,DRAM 4116的读周期,DOUT,地址,TCAC,TRAC,TCAH,TASC,TASR,TCAS,TRCD,TRAS,TRC,行地址,列地址,WE,CAS,RAS,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 数据从DOUT引脚输出,36,DRAM 4116的写周期,TWCS,TDS,列地址,行地址,地址,TDH,TWR,TCAH,TASC,TASR,TRAH,TCAS,TRCD,TRC,TRAS,DIN,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 数据从DIN引脚进入存储单元,37,DRAM 4116的刷新,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 没有数据从输入输出 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,38,DRAM芯片2164,存储容量为64K1 地址线A7A0 数据输入线DIN 数据输出线DOUT 行地址选通RAS* 列地址选通CAS* 读写控制WE*,NC DIN WE* RAS* A0 A2 A1 GND,VSS CAS* DOUT A6 A3 A4 A5 A7,1 2 3 4 5 6 7 8,16 15 14 13 12 11 10 9,39,DRAM芯片2164A,2164A:64K1 采用行地址和列地址来确定一个单元; 行列地址分时传送, 共用一组地址线; 地址线的数量仅 为同等容量SRAM 芯片的一半。,行地址,40,主要引线,RAS:行地址选通信号,用于锁存行地址; CAS:列地址选通信号。 地址总线上先送上行地址,后送上列地址,它们
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