第5 章微机的存储器 学习目标 存储器是微机的重要组成部分之一,它的种类很多,各种存储器存储信息的媒体、 存储原理和方法也各不相同。本章主要以在微机中广泛应用的半导体存储器为对象, 在讨论存储器及其基本电路、基本知识的基础上,着重研究存储芯片及其与CPU 之间 的连接与扩充问题。此外,简要介绍了内存条技术的发展、外存储器和存储器系统分 层结构等。 学习要求 ● 了解存储器的分类、组成及功能。着重理解行选与列选对1位信息的读出。 ● 重点掌握位数扩充与地址扩充技术。 ● 熟练掌握存储器与CPU 的连接方法。 ● 了解内存条技术的发展现状。 ● 了解两种不同接口类型的硬盘。 ● 着重理解存储器系统的分层结构。 5.1 存储器的分类与组成 存储器用来存储计算机的指令、数据和各种信息。按存储器和CPU 的连接方式不 同,它可分为内存储器(主要由半导体存储器构成)和外存储器(主要由磁、光存储材料构 成)。通过CPU 的外部总线直接与CPU 相连的存储器称为内存储器(简称内存或主 存)。CPU 要通过I/O 接口电路才能访问的存储器称为外存储器(简称外存)。 5.1.1 半导体存储器的分类 半导体存储器按使用的功能可分为两大类:随机存取存储器(random access memory,RAM)和只读存储器(readonlymemory,ROM)。 RAM 在程序执行过程中,每个存储单元的内容根据程序的要求既可随时读出,又可 随时写入,故可称读/写存储器。RAM 所存储的信息在断开电源时会立即消失,是一种 易失性存储器。RAM 主要用来存放用户程序、原始数据、中间结果,也用来与外存交换 信息和用于堆栈等。 ROM 在程序执行过程中,对每个存储单元的原存信息,只能读出,不能写入。ROM 在断开电源时,所存储的信息不会丢失。ROM 常用来存储固定的程序,如监控程序、汇 编程序以及BIOS 程序等。 RAM 按工艺又可分为双极型RAM 和MOSRAM 两类,而MOSRAM 又可分为静 态(static)和动态(dynamic)RAM 两种。 只读存储器ROM 按工艺也可分为双极型ROM 和MOS 型ROM,但一般根据信息 写入的方式不同,而分为掩膜式ROM 、可编程PROM 和可擦除、可再编程EPROM 以及 FlashROM(快擦除ROM 或闪速存储器)等几种。其中,FlashROM 是一种新型的非易 失性存储器,它可以用软件在较高电压下进行改写或在线写入,一旦写入即相对固定。由 于FlashROM 的单片容量大,易于修改,所以目前广泛用于主板的ROMBIOS 及其他 ROM 中。 1.半导体存储器的组成 5.2 1. 存储体 存储体是存储1或0信息的电路实体,它由许多个存储单元组成,对每个存储单元要 赋予一个编号,称为地址单元号。而每个存储单元由若干相同的位组成,每个位需要一个 存储元件。 存储器的地址用一组二进制数表示,其地址线的位数 n 与存储单元的数量 N 之间的 关系是:2n = N 。 2. 地址选择电路 地址选择电路包括地址码缓冲器、地址译码器等。 地址译码器用来对地址码译码。设其输入端的地址线根数为n,输出线数为 N ,则 N 分别对应2n 个不同的地址码,作为对存储体地址单元的选择线。这些输出的选择线又 称字线。 地址译码方式有单译码方式和双译码方式两种。 1)单译码方式(或称字结构) 单译码方式的全部地址码只用一个地址译码器电路译码,译码输出的字选择线直接 选中与输入地址码对应的存储单元。单译码方式需要的选择线数较多,只适用于容量较 小的存储器。 2)双译码方式(或称重合译码) 双译码方式是将地址码分为X与Y两部分,用两个译码电路分别译码。X向译码又 第 5 章微机的存储器 称为行译码,其输出线称行选择线,它选中存储矩阵中一行的所有存储单元。Y向译码又 称为列译码,其输出线称列选择线,它选中一列的所有单元。只有X向和Y向的选择线 同时选中的那一位存储单元,才能进行读或写操作。由于双译码方式所需要的选择线数 目较少,也简化了存储器的结构,故它适用于大容量的存储器。 3. 读/写电路与控制电路 读/写电路包括读/写放大器、数据缓冲器(三态双向缓冲器)等。它是数据信息输入 和输出的通道。 外界对存储器的控制信号有读信号(RD )、写信号(WR)和片选信号(CS)等,通过控 制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。只有片选信号处于有效状态,存储器才能 与外界交换信息。 5.随机存取存储器 2 2.静态随机存取存储器 5.1 1. 静态RAM 基本存储电路 静态RAM 的基本存储电路,是由6个MOS 管组成的RS 触发器。每一个触发器就 构成存储体的一位。 2. 静态RAM 的组成 静态RAM 的结构一般由存储体、译码电路和控制电路组成。 存储体由存储矩阵构成。在存储矩阵中,只有行、列均被选中的某个单元存储电路 (即1位), 在其X向选通门与Y向选通门同时被打开时,才能进行读出信息和写入信息 的操作。 存储体中的每一位,仅有一个I/O电路用于存取各存储单元中的1位信息。如果要 组成字长为4位或8位的存储器,则I/O电路也应有4个或8个。这样,当存储体的某个 存储单元在一次存取操作中被地址译码器输出端的有效输出电平选中时,则该单元内的 4位或8位信息将被一次读/写完毕。 通常,一个RAM 芯片的存储容量是有限的,需要用若干片才能构成一个实用的存储 器。这样,地址不同的存储单元,可能处于不同的芯片中,因此,在选中地址时,应先选择 其所属的芯片。对于每块芯片,都有一个片选控制端(CS), 只有当片选端加上有效信号 时,才能对该芯片进行读或写操作。一般地,片选信号由地址码的高位译码(通过译码器 输出端)产生。 67 新编16/32 位微型计算机原理及应用教学指导与习题详解(第 6 版) 3. 静态RAM 的读/写过程 1)读出过程 (1)地址码A0~A11 加到RAM 芯片的地址输入端,经X与Y地址译码器译码,产生 行选与列选信号,选中某一存储单元,该单元中存储的代码,经一定时间,出现在I/O电 路的输入端。I/O电路对读出的信号进行放大、整形,送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器 一般具有三态控制功能,没有开门控制信号,所存数据还不能送到数据总线DB 上。 (2)在送上地址码的同时,还要送上读/写控制信号(R/W或RD 、WR)和片选信号 (CS )。读出时,使R/W=1,CS=0,这时,输出缓冲寄存器的三态门将被打开,所存信息 送至DB 上。于是,存储单元中的信息被读出。 2)写入过程 (1)同上述读出过程(1), 先选中相应的存储单元,使其可以进行写操作。 (2)将要写入的数据放在DB 上。 (3)加上片选信号CS=0及写入信号R/W=0。这两个有效控制信号打开三态门使 DB 上的数据进入输入电路,送到存储单元的位线上,从而写入该存储单元。 需要着重理解,无论是存储器读还是存储器写,都必须保证能从存储器中读到或写入 到存储器中一个稳定的数据。在读/写信号有效期间,数据线和地址线也必须是稳定的。 4. 静态RAM 芯片举例 常用的静态RAM 即SRAM 芯片有2114 、2142 、6116 、6264 等。 本课程选用了Intel6116 和6264 。6116 芯片是一个2K×8 位的CMOSSRAM 芯 片,属双列直插式、24 引脚封装,它的存储容量为2K×8 位。6264 芯片的结构及工作原 理与6116 相似,它是一个存储容量为8K×8 位的CMOSSRAM 芯片,其引脚有28 条。 2.动态随机存取存储器 5.2 动态RAM 芯片是以MOS 管栅极电容是否充有电荷来存储信息的,其基本单元电 路一般由四管、三管和单管组成,以三管和单管较为常用。由于它所需要的管子较少,故 可以扩大每片存储器芯片的容量,并且其功耗较低,所以在微机系统中,大多采用DRAM 芯片。 1. 动态基本存储电路 这里重点介绍常用的三管和单管这两种基本存储电路。 1)三管动态基本存储电路 三管动态基本存储电路由T1、T2、T33个管子和两条字选择线(读、写选择线)以及 两条数据线(读、写数据线)组成。T1 是写数控制管;T2 是存储管,用它的栅极电容Cg 存 储信息;T3 是读数控制管;T4 管是一列基本存储电路上共同的预充电管,以控制对输出 电容CD的预充电。 第 5 章微机的存储器 77 写入操作时,信息被保存在电容Cg 上。 读出操作时,在读数据线上可以读出与原存储相反的信息。若再经过读出放大器反 相后,就可以得到原存储信息了。 对于三管动态基本存储电路,必须每隔1~3ms 定时对Cg 充电,以保持原存信息不 变,此即动态存储器的刷新(或称再生)。 刷新要由刷新电路来实现。 2)单管动态基本存储电路 单管动态基本存储电路仅由一个T1 管和寄生电容CS组成。 写入时,使字选线上为高电平,T1 管导通,待写入的信息由位线D(数据线)存入CS。 读出时,存储在CS上的信息通过T1 管送到D线上,再通过放大,即可得到存储信息。由 于单管动态基本存储电路使用的管子少,4KB 以上容量较大的RAM,大多采用单管 电路。 2. 动态RAM 芯片举例 Intel2116 是单管动态RAM 芯片。它的存储容量为16K×1 位。本来这需用14 条 地址输入线,但由于受封装引线的限制,2116 只有16 条引脚,其中只有7条地址输入线。 为了解决用7条地址输入线传送14 位地址码的矛盾,2116 采用地址线分时复用 技术。 2116 芯片没有片选信号CS,它的行地址选通信号RAS 兼作片选信号,且在整个读、写 周期中均处于有效状态,这是与其他芯片的不同之处。 此外,地址输入线A0~A6 还用作刷新地址的输入端,刷新地址由CPU 内部的刷新 寄存器R提供。 与Intel2116 芯片类似的还有2164 、3764 、4164 等DRAM 芯片。 5.只读存储器 3 3.只读存储器存储信息的原理和组成 5.1 ROM 的存储元件可以看作一个单向导通的开关电路。 ROM 的组成结构与RAM 相似,一般也是由地址译码电路、存储矩阵、读出电路及控 制电路等部分组成。 3.只读存储器的分类 5.2 1. 不可编程掩膜式MOS 只读存储器 不可编程掩膜式MOSROM 又称为固定存储器。它是由器件制造厂家根据用户事 新编16/32 位微型计算机原理及应用教学指导与习题详解(第 6 版) 先编好的机器码程序,把0、1信息存储在掩膜图形中而制成的ROM 芯片。这种芯片制 成以后,它的存储矩阵中每个MOS 管所存储的信息0或1被固定下来,不能再改变,而 只能读出。如果要修改其内容,只有重新制作。 2. 可编程只读存储器 为了克服上述掩膜式MOSROM 芯片不能修改内容的缺点,设计了一种可编程序的 只读存储器(programmableROM,PROM), 用户在使用前可以根据自己的需要编制 ROM 中的程序。 3. 可擦除、可再编程的只读存储器 PROM 芯片虽然可供用户进行一次修改程序,但仍有局限。为了便于研究工作,试 验各种ROM 程序方案,研制出了一种可擦除、可再编程的ROM,即EPROM(erasable PROM )。在EPROM 芯片出厂时,它是未编程的。若EPROM 中写入的信息有错或不 需要时,可利用专用的紫外线灯对准芯片上的石英窗口照射15~20min,即可擦除原写入 的信息。 近几年来,采用金属—氮—氧化物—硅(MNOS)工艺生产的MNOS 型PROM,是一 种利用电来改写的可编程只读存储器,即EEPROM(或称E2PROM )。用这种方法改写 数万次,只需要0.0.s,信息存储时间可达十余年之久,这给需要经常修改程序和参数 1~6 的应用领域带来极大的方便。但是,EEPROM 有存取时间较慢、完成改写程序需要较复 杂的设备等缺点,现在正在迅速发展高密度、高存取速度的EEPROM 技术和Flash Memory(闪存)技术。 5.3 EPROM/E2PROM 常用芯片举例 3. 1.Intel2716 芯片 2716EPROM 芯片的容量为2K×8 位,采用NMOS 工艺和双列直插式封装,有24 条引脚。 2716 芯片的工作方式有:读出方式,未选中、待机、编程输入、校验编程内容与禁止 编程。 与2716 芯片属于同一类的常用EPROM 芯片还有2732 、2764 、27128 、27256 、27512 及271024 等,它们的内部结构与外部引脚分配基本相同,主要是存储容量逐次成倍递增 为4K×8 位、8K×8 位、16K×8 位、32K×8 位、64K×8 位及128K×8 位等。 2.Intel2732 芯片 2732EPROM 芯片的容量为4K×8 位,采用HNMOS-E(高速NMOS 硅栅)工艺制 造和双列直插式封装。 第 5 章微机的存储器 2732EPROM 芯片也是24 条引脚,与2716 芯片相似,只是将其21 引脚由VPP 改为 A11,20 引脚由CS 改为OE 与VPP 共用,而将18 引脚由PD/PGM 改为CE,其他引脚功能 不变。 2732EPROM 的工作方式也有读出、输出禁止、待机、编程输入、编程禁止和读标识 码等多种。 与2732 芯片属于同一类的常用EPROM 芯片还有2764 、27128 、27256 、27512 及 271024 等,它们的内部结构与外部引脚分配基本相同,主要是存储容量逐次成倍递增为 4K×8 位、8K×8 位、16K×8 位、32K×8 位、64K×8 位及128K×8 位等。 3.E2PROM 芯片 常用的E2PROM 芯片有2816/2816A 、2817/2817A/2864A 等。其中,以2864A 的 8K×8 位的容量为最大,它与6264 兼容。其主要特点是能像SRAM 芯片一样在写之前 自动擦除原内容。但它并不能像RAM 芯片那样随机读写,而只能有条件地写入,即只有 当一个字节或一页数据编程写入结束后,方可以写入下一个字节或下一页数据。在 E2PROM 的应用中,若需读某一个单元的内容,只要执行一条存储器读指令,即可读出; 若需对其内容重新编程,可在线直接用字节写入或页写入方式写入。 5.存储器的连接 4 存储器的连接主要解决两个问题:一是如何用容量较小、字长较短的芯片,组成微机 系统所需的存储器;二是存储器与CPU 的连接方法与应注意的问题。 4.存储器芯片的扩充 5.1 1. 位数的扩充 一块实际的存储芯片,其存储单元的位数(即字长)通常与实际内存单元的字长并不 相等。例如,SRAM 芯片2114 为1K×4 位,DRAM 芯片2164 为64K×1 位。显然,要用 这些芯片来构成实际上按字节组织的内存空间,就需要进行位的扩充,以满足字长的 要求。 用1位或4位的存储器芯片构成8位字长的存储器,可采用位并联的方法。例如,可 以用两片4K×4 位的存储器芯片经过位扩充构成4KB 的存储器。 2. 地址的扩充 地址的扩充即存储容量的扩充(又称字扩充)。当扩充存储容量时,采用地址串联的 方法。这时,要用到地址译码电路,以其输入的地址码来区分高位地址,而以其输出端的 控制线来对具有相同低位地址的几片存储器芯片进行片选。 新编16/32 位微型计算机原理及应用教学指导与习题详解(第 6 版) 地址译码电路是一种可以将地址码翻译成相应控制信号的电路。有2-4译码器、3-8 译码器等。 当需要同时位扩充与字扩充时,可以将上述两种方法结合起来使用。例如,当用 16K×1 位的芯片组成64K×8 位的存储器时,共需用32 片16K×1 位的芯片。先用位线 并联方法将每8片组成一组16K×8 位存储器,再用字扩充方法,选用2-4译码器组成的 译码电路,组成4组16K×8 位共64K×8 位存储器。 5.2 存储器与CPU 的连接 4. 1. 只读存储器与8086CPU 的连接 ROM 、PROM 或EPROM 芯片都可以与8086 系统总线连接,以组成程序存储器。 例如,ne2732 、由于它们属于以1字节宽度 Itl2716 、2764 和27128 这一类EPROM 芯片, 输出组织的,因此,在连接到8086 系统时,为了存储16 位指令字,要使用两片这类芯片并 联组成一组。 注意:在由两片2732 组成的4KB 程序存储器中,两片的片选端CE 一起连到译码器 的片选信号CS 。 2. 静态RAM 与8086CPU 的连接 一般当微机系统的存储器容量少于16KB 时,宜采用静态RAM 芯片,因为大多数动 态RAM 芯片都是以16K×1 位或64K×1 位来组织的,并且动态RAM 芯片还要求动态 刷新电路,这种附加的支持电路会增加存储器的成本。 8086CPU 无论是在最小模式或最大模式下,都可以寻址1MB 的存储单元,存储器 均按字节编址。 注意:在由两片6116 组成的2KB 数据存储器中,两片的片选端CE 分别连到系统的 A0、BHE 端。 3.EPROM 、静态RAM 与8086CPU 连接的实例 图5.它就是一个实际单板机的电 1给出了8086 单处理器系统典型结构连接的实例, 路图。深入理解本系统的原理和电路,就能综合掌握和灵活运用有关存储器与CPU 的 连接知识。 图5.8086 接成最小工作方式(MN/MX 引脚置逻辑高电平)。当机器复位时, 1中,8086 将执行FFFF0H 单元的指令。 本系统具有32KB 的EPROM 区,使用了8片2732(4K×8 位)EPROM 芯片,分别以 U32~U39 表示。 本系统还具有16KB 的RAM,使用了8片6116(2K×8 位)静态RAM 芯片,分别以 U24~U31 表示。 第 5 章微机的存储器 图5. 18086 单处理器系统典型结构连接实例 5.内存条技术的发展 5 内存历来都是系统中最大的性能瓶颈之一,特别是在PC 技术发展的初期,PC 所使 用的内存是一块块的集成电路芯片(IC), 并且将其焊接在主板上,这给后期维护与维修 都带来许多麻烦。 新编16/32 位微型计算机原理及应用教学指导与习题详解(第 6 版) 随着PC 技术的发展,PC 设计人员首次在80286 主板上推出了模块化的条装内存, 使每一条上集成了多块内存IC,并在主板上也设计了相应的内存插槽,这样的内存条就 大大地方便了安装与拆卸,内存的维修与升级也变得非常简单。此后,内存条从规格、技 术、总线带宽等不断更新换代,内存的性能瓶颈问题得到较大改善。 1.SIMM 内存 最初(1982 年)出现在80286 主板上的内存条,采用的是单边接触内存模组(single inlinememorymodules,SIMM)接口,容量为30 线、256KB,由8片数据位和1片校验位 组成1个存储区块(bank), 因此,一般见到的30 线SIMM 都是4条一起使用。 1988 年到1990 年,PC 技术进入32 位的386 和486 时代,推出了72 线SIMM 内存, 它支持32 位快速页模式内存,内存带宽得以大幅提升。72 线SIMM 内存单条容量一般 为512KB 至2MB,要求两条同时使用。 注意,FPDRAM), 在386 时代很 流行。 72 线的SIMM 内存引进了一个快速页面动态内存( 2.EDODRAM 内存 外扩充数据模式动态存储器(extendeddateoutDRAM,EDODRAM)是1991 年到 1995 年之间盛行的内存条,主要应用在当时的486 以及早期的Pentium 计算机中。 随着EDODRAM 在成本和容量上的突破,加上制作工艺的飞速发展,当时单条 EDODRAM 内存的容量为4MB~16MB 。 3.SDRAM 时代 自IntelCeleron系列、AMDK6 处理器以及相关的主板芯片组推出后,EDODRAM 内存性能再也无法满足需要,于是内存又开始进入SDRAM 时代。 第一代SDRAM 内存为PC66 规范,之后有PC100 、PC133 、PC150 等规范,其频率从 早期的66MHz,发展到100MHz 、133MHz 等。由于SDRAM 的带宽为64 位,正好对应 CPU 的64 位数据总线宽度,因此,它只需要一条内存便可工作,便捷性进一步提高。 4.RambusDRAM 内存 硬件技术竞争的特点是频率竞争,由于CPU 主频的不断提升,ne Itl公司在推出高频 PentiumⅢ 以及Pentium4CPU 的同时,与Rambus联合推出了RambusDRAM 内存(简称 RDRAM 内存)。与SDRAM 不同的是,它采用了新一代高速简单内存架构,基于一种类 RISC(精简指令集计算机)理论,可以减少数据的复杂性,使得整个系统性能得到提高。 5.DDR 时代 双倍速率SDRAM(DoubleDateRateSDRAM,DDRSDRAM)简称DDR,它实际上 是SDRAM 的升级版本,采用在时钟信号的上升沿和下降沿都可以传输数据,因而时钟 率可以加倍提高,传输速率和带宽也相应提高。 DDRSDRAM 内存有184 个引脚,引脚部分有一个缺口,其作用是在安装内存条时 第 5 章微机的存储器