第五章微型计算机存储器接口技术课件

第五章 微型计算机存储器接口技术,5.1 存储器概述,存储器是微型计算机系统中用来存放程序和数据的基本单元或设备。,一、存储器的分类,按存储介质分：半导体存储器、磁介质存储器和光存储器。 按存储器与cpu的耦合程度分：内存和外存,1.半导体存储器的分类 a. 双极型存储器; b. MOS型存储器 2.按存取方式分类 （1）随机存取存储器RAM a. 静态RAM b. 动态RAM,(一) 半导体存储器的分类及特点,（2）只读存储器ROM,a. 掩模式ROM； b. 熔炼式可编程的PROM， c. 可用紫外线擦除、可编程的EPROM; d. 可用电擦除、可编程的E2PROM等。 e. 闪速存储器（Flash Memory）：简称闪存,闪存：Flash Memory,特点：非易失性存储器， 可在系统电可擦除和可重复编程,闪速存储器的技术分类：全球闪速存储器的主要供应商有AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。,NOR技术,NAND,AND技术,由EEPROM派生的闪速存储器,3.按在微机系统中位置分类,1.存储容量 存储容量是指存储器所能存储二进制数码的数量， 存储容量=存储字数(存储单元数) 存储字长(每单元的比特数) 例如，某存储芯片的容量为10244，即该芯片有1024个存储单元，每个单元4位代码。 2.存取速度 存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，也称为访问时间。 存取速度也可用存取周期或数据传输速率来描述.,二、存储器的主要性能指标 衡量半导体存储器性能的主要指标有存储容量、存取速度、功耗和可靠性。,3.功耗和体积 功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小，单位为微瓦/位（W/位）或者毫瓦/位（mW/位） 体积和功耗越小越好. 4.可靠性 可靠性一般是指对电磁场及温度变化等的抗干扰能力，一般平均无故障时间为数千小时以上。,三、内存的基本组成, 地址译码器： 接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。 控制逻辑电路： 接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号，控制数据的读出和写入。 数据缓冲器： 寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。, 存储体： 是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。,一、静态RAM,RAM 通常用来存储当前运行的程序和在程序运行过程中需要改动的数据。相对于DRAM, SRAM具有速度快，接口简单、读写操作简便等特点，但其存储容量小，价格也偏高，故通常在多级存储系统中被用于构成cache存储器。,5.2 随机存储器,常用的SRAM芯片有: Intel公司生产的2114、2128、6116、6264、62256等。 如HY6116，HM62256，HM628128,等等 容量:1K4, 1K8, 2K8, K8,512K8 现以2114芯片为例对SRAM的芯片特性和接口方法进行介绍。,1.芯片特性 Intel 2114是一种存储容量为1K4位，存取时间最大为450ns的SRAM芯片。如下图：,GND,2. 内部结构,片选及读写控制电路：用于实现对芯片的选择及读写控制,存储矩阵：Intel 2114内部共有4096个存储电路，排成6464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IO电路，用于对信息的输入输出进行缓 冲和控制；,二、DRAM 1.芯片特性 Intel 2164是一种存储容量为64K1位、最大存取时间为200ns、刷新时间间隔为2ms的DRAM芯片。,2. Intel 2164的内部结构,2.接口方法 DRAM控制器一般由如下部分组成： 地址多路开关： 由于要向DRAM芯片分时送出行地址和列地址，所以必须具有多路开关，把来自CPU的地址变成行地址和列地址分两次送出。 刷新定时器： 用来定时提供刷新请求。 刷新地址计数器： 提供刷新的地址，每刷新一行，计数器自动加1，全部行刷新一遍后自动归零，重复刷新过程。, 仲裁电路： 当来自CPU的访问存储器请求和来自刷新定时器的刷新请求同时产生时，对二者的优先权进行裁定。 时序发生器： 提供行地址选通信号RAS、列地址选通信号CAS和写允许信号WE，以满足对存储器进行访问及对芯片进行刷新的要求。,DRAM控制的逻辑框图,三、存储器扩展技术,对于存储体中存储单元的排列方式，通常分为字结构方式和位结构方式两种。,字结构方式：指芯片上所有的存储元排列成不同的存储单元，每个单元一个字，每个字的各位在同一芯片内。如：1K*8,位结构方式：指芯片上所有的存储元排列成不同的存储单元，每个单元一位，即所有存储元排列成不同字的同一位。如：8K*1,例1 用1K4的2114芯片构成lKB的存储器系统,分析： 由于每个芯片的容量为1K，故满足存储器系统的容量要求。但由于每个芯片只能提供4位数据，故需用2片这样的芯片，它们分别提供4位数据至系统的数据总线，以满足存储器系统的字长要求。,当存储器工作时，系统根据高位地址的译码同时选中两个芯片，而地址码的低位也同时到达每一个芯片，从而选中它们的同一个单元。在读/写信号的作用下，两个芯片的数据同时读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者同时将来自数据总线上的字节数据写入存储器。,目前广泛使用的典型EPROM芯片有Intel公司生产的2716、2732、2764、27128、27256、27512等; 其容量分别为2K8位至64K8,512K8 位; 封装形式:前两种为24脚双列可直插式封装，后几种为28脚双列直插式封装。,5.3 只读存储器,一、可擦除可编程的ROM,Intel 2716芯片引脚排列图,1.芯片特性 Intel 2716: 容量为16K（2K8位); 存取时间: 约450ns; 单一的+5V电源。,各引脚的功能如下： Al0A0：地址信号输入引脚，可寻址芯片的2K个存储单元； O7O0： 双向数据信号输入输出引脚； CE：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚转入低电平时，才能对相应的芯片进行操作； OE ：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输出； Vcc：+5v电源，用于在线的读操作； VPP：+25v电源，用于在专用装置上进行写操作； GND：地。,2. 内部结构,存储阵列：Intel2716存储器芯片的存储阵列由2K8个带有浮动栅的MOS管构成，共可保存2K8位二进制信息； X译码器：又称为行译码器，可对7位行地址进行译码； Y译码器：又称为列译码器，可对4位列地址进行译码； 输出允许、片选和编程逻辑：实现片选及控制信息的读/写； 数据输出缓冲器：实现对输出数据的缓冲。,为什么只需要11根地址线进行片内地址译码？,3.接口方法 Intel2716芯片与8位CPU的连接方法如下： 低位地址线、数据线直接相连； 工作电源VCC直接与+5V电源相连，编程电源通常由开关控制； CE-和OE-信号分别由CPU高位地址总线和控制总线译码后产生，通常采用图5.12所示的3种方法。,Intel 2716芯片与CPU的连接方法,（b）,RD,4.接口举例 （1）要求 用2716 EPROM芯片为某8位微处理器设计一个16KB的ROM存储器。已知该微处理器地址线为A0A15，数据线为D0D7， “允许访存”控制信号为M，读出控制信号为RD。画出EPROM与CPU的连接框图。,（2）分析,由于每个芯片的字长为8位，故满足存储器系统的字长要求。但由于每个芯片只能提供2K个存储单元，故需用8片这样的芯片，以满足存储器系统的容量要求。,(3) 设计要点,先将每个芯片的11位地址线按引脚名称一一并联，然后按次序逐根接至系统地址总线的低11位。 将每个芯片的8位数据线依次接至系统数据总线的D0-D7。 8个芯片的OE端并在一起后接至系统控制总线的存储器读信号 它们的片选引脚分别接至地址译码器的不同输出，地址译码器的输入则由系统地址总线的高位来承担。,+5V,图5.13 EPROM与CPU连接框图,当存储器工作时，根据高位地址的不同，系统通过译码器分别选中不同的芯片，低位地址码则同时到达每一个芯片，选中它们的相应单元。在读信号的作用下，选中芯片的数据被读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出。,EEPROM的读写操作与SRAM, EPROM基本相同，不过变成写入的时间较长，写入一个字节需1-5ms。在大量的内容需要修改时，花费时间较多。 因EEPROM是非易失存储器，而且可以在线擦除和写入，因而非常适合在嵌入式系统中用于一些偶尔需要修改的少量的参数。,二、电可擦除可编程的ROM,三、 闪速存储器,1、闪存的组织结构,闪存有两种组织结构：按页面组织和按区块组织。,按页面组织：按页面组织的闪存，其内部有一页缓存。闪存的存储体按页面组织，页缓存的大小与存储体的页大小一致，速度快。 按区块组织：按区块组织的闪存，提供字节、区块和芯片擦除能力，编程较灵活。,在微机系统中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括： 地址线的连接； 数据线的连接； 控制线的连接； 在连接中要考虑的问题有以下几个方面：,5.4 存储器与CPU的连接,一、存储器接口应考虑的几个问题 1. 存储器与CPU之间的时序配合,CPU在取址和存储器读或写操作时，是有固定时序的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求，或在存储器已经确定的情况下，考虑是否需要Tw周期，以及如何实现。,2. CPU总线负载能力;,在设计CPU芯片时，一般考虑其输出线的直流负载能力，为带一个TTL负载。 现在的存储器一般都为MOS电路，直流负载很小，主要的负载是电容负载. 故在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相连的，而较大的系统中，若CPU的负载能力不能满足要求，可以（就要考虑CPU能否带得动，需要时就要加上缓冲器，）由缓冲器的输出再带负载。,3. 存储芯片的选用：包括存储器容量及存储器空间的安排,内存通常分为RAM和ROM两大部分，而RAM又分为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域)和用户区，用户区又要分成数据区和程序区，ROM的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，目前生产的存储器芯片，单片的容量仍然是有限的，通常总是要由许多片才能组成一个存储器，这里就有一个如何产生片选信号的问题。,芯片类型的选用 芯片型号的选用,4 数据总线宽度,数据总线宽度也是存储器结构的决定因素。 如：对8位数据总线的系统，其存储空间是一个存储体，每个存储单元存放1个字节，存储芯片内存储器地址是连续的； 对16位数据总线的系统，存储空间被分为两个存储体，偶存储体占用偶存储空间，奇存储体占用奇存储空间，而每个存储体地址空间是不连续的。,二、存储器地址译码方法,1.片选控制的译码方法 常用的片选控制译码方法有线选法、全译码法、部分译码法和混合译码法等。,存储器的地址译码是任何存储系统设计的核心，目的是保证CPU能对所有存储单元实现正确寻址。,存储器的地址译码被分为片选控制译码和片内地址译码两部分。,（1）线选法 当存储器容量不大，所使用的存储芯片数量不多，而CPU寻址空间远远大于存储器容量时，可用高位地址线直接作为存储芯片的片选信号，每一根地址线选通一块芯片，这种方法称为线选法。,优点：连线简单，片选控制无需专门的译码电路。,缺点：（1）当存在空闲地址线时，由于空闲地址线可随意取值1或0，故将导致地址重叠。