微机原理与接口课件-第5章第6章存储器IO接口.ppt
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1、第五章 存储器及其与CPU接口 存储器分类及性能指标 随机读写存储器 只读存储器 存储器与CPU接口的基本技术 存储器是微型计算机系统中的重要组成部分。任何存储器是微型计算机系统中的重要组成部分。任何存储器是微型计算机系统中的重要组成部分。任何存储器是微型计算机系统中的重要组成部分。任何CPUCPU构成的微机系统必须配备一定存储容量的存储器。存储器的构成的微机系统必须配备一定存储容量的存储器。存储器的构成的微机系统必须配备一定存储容量的存储器。存储器的构成的微机系统必须配备一定存储容量的存储器。存储器的主要功能是用来存放主要功能是用来存放主要功能是用来存放主要功能是用来存放系统工作时的信息,即
2、程序和数据。系统工作时的信息,即程序和数据。系统工作时的信息,即程序和数据。系统工作时的信息,即程序和数据。存存存存储器容量愈大,能存放的信息就愈多,计算机的能力就愈强。储器容量愈大,能存放的信息就愈多,计算机的能力就愈强。储器容量愈大,能存放的信息就愈多,计算机的能力就愈强。储器容量愈大,能存放的信息就愈多,计算机的能力就愈强。存储器作为计算机系统的重要组成部分,随着更好的存存储器作为计算机系统的重要组成部分,随着更好的存存储器作为计算机系统的重要组成部分,随着更好的存存储器作为计算机系统的重要组成部分,随着更好的存储载体材料的发现及生产工艺的不断改进,储载体材料的发现及生产工艺的不断改进,
3、储载体材料的发现及生产工艺的不断改进,储载体材料的发现及生产工艺的不断改进,争取更大的存储争取更大的存储争取更大的存储争取更大的存储容量、获得更快的存取速度、减小存储器载体的体积以及降容量、获得更快的存取速度、减小存储器载体的体积以及降容量、获得更快的存取速度、减小存储器载体的体积以及降容量、获得更快的存取速度、减小存储器载体的体积以及降低单位存储容量性价比等低单位存储容量性价比等低单位存储容量性价比等低单位存储容量性价比等方面都获得快速的发展。方面都获得快速的发展。方面都获得快速的发展。方面都获得快速的发展。5.1 存储器分类及性能指标5.1.1 半导体存储器的分类简单的二级结构简单的二级结
4、构简单的二级结构简单的二级结构 主存主存主存主存+辅存辅存辅存辅存 一般为半导体存一般为半导体存一般为半导体存一般为半导体存储器,也称为短储器,也称为短储器,也称为短储器,也称为短期存储器。解决期存储器。解决期存储器。解决期存储器。解决读写速度问题。读写速度问题。读写速度问题。读写速度问题。包括磁盘(中期包括磁盘(中期包括磁盘(中期包括磁盘(中期存储器)、磁带、存储器)、磁带、存储器)、磁带、存储器)、磁带、光盘(长期存储)光盘(长期存储)光盘(长期存储)光盘(长期存储)等。解决存储容等。解决存储容等。解决存储容等。解决存储容量问题。量问题。量问题。量问题。一、按存储器制造工艺分类双极型存储器
5、双极型存储器双极型存储器双极型存储器 TTLTTL型、型、型、型、ECLECL型、型、型、型、I I2 2L L型等。存取速率高,型等。存取速率高,型等。存取速率高,型等。存取速率高,但集成度低,功耗大,成本高。主要用于高速的微型计算机但集成度低,功耗大,成本高。主要用于高速的微型计算机但集成度低,功耗大,成本高。主要用于高速的微型计算机但集成度低,功耗大,成本高。主要用于高速的微型计算机和大型计算机中。和大型计算机中。和大型计算机中。和大型计算机中。MOSMOS型存储器型存储器型存储器型存储器 CMOS CMOS型、型、型、型、NMOSNMOS型、型、型、型、HMOSHMOS型等。制型等。制
6、型等。制型等。制造工艺简单,集成度高,功耗低,价格便宜。但在速率上比造工艺简单,集成度高,功耗低,价格便宜。但在速率上比造工艺简单,集成度高,功耗低,价格便宜。但在速率上比造工艺简单,集成度高,功耗低,价格便宜。但在速率上比TTLTTL型存储器要低。型存储器要低。型存储器要低。型存储器要低。二、按存储器的读写功能分类只读存储器只读存储器只读存储器只读存储器ROMROM随机存取(读写)存储器随机存取(读写)存储器随机存取(读写)存储器随机存取(读写)存储器RAMRAM三、随机存储器RAM存储器中的信息既能随时读出,也能随时写入,存储器中的信息既能随时读出,也能随时写入,存储器中的信息既能随时读出
7、,也能随时写入,存储器中的信息既能随时读出,也能随时写入,RAMRAM中信中信中信中信息在关机后消失。息在关机后消失。息在关机后消失。息在关机后消失。SRAMSRAM:静态静态静态静态RAMRAM。利用。利用。利用。利用半导体触发器半导体触发器半导体触发器半导体触发器的两个稳定状态表的两个稳定状态表的两个稳定状态表的两个稳定状态表示示示示“1”1”和和和和“0”0”。电源不关掉,。电源不关掉,。电源不关掉,。电源不关掉,SRAMSRAM的信息不会消失,不的信息不会消失,不的信息不会消失,不的信息不会消失,不需动态刷新电路。需动态刷新电路。需动态刷新电路。需动态刷新电路。DRAMDRAM:动态动
8、态动态动态RAMRAM。利用。利用。利用。利用MOSMOS管的栅极对其衬底间的管的栅极对其衬底间的管的栅极对其衬底间的管的栅极对其衬底间的分布分布分布分布电容电容电容电容保存信息,保存信息,保存信息,保存信息,DRAMDRAM的每个存储单元所需的每个存储单元所需的每个存储单元所需的每个存储单元所需MOSMOS管较少,因管较少,因管较少,因管较少,因此集成度高,功耗小,价格便宜。此集成度高,功耗小,价格便宜。此集成度高,功耗小,价格便宜。此集成度高,功耗小,价格便宜。DRAMDRAM中的信息会因电容中的信息会因电容中的信息会因电容中的信息会因电容漏电而逐渐消失,漏电而逐渐消失,漏电而逐渐消失,漏
9、电而逐渐消失,需配置专门的动态刷新电路需配置专门的动态刷新电路需配置专门的动态刷新电路需配置专门的动态刷新电路。四、只读存储器ROM使用使只能读出,不能写入。使用使只能读出,不能写入。使用使只能读出,不能写入。使用使只能读出,不能写入。ROMROM中信息关机后不消失。中信息关机后不消失。中信息关机后不消失。中信息关机后不消失。掩膜掩膜掩膜掩膜ROMROM(Masked ROMMasked ROM):生产时已将程序、数据写入):生产时已将程序、数据写入):生产时已将程序、数据写入):生产时已将程序、数据写入其中,用户只能读出,不能修改。其中,用户只能读出,不能修改。其中,用户只能读出,不能修改。
10、其中,用户只能读出,不能修改。PROMPROM(Programmable ROMProgrammable ROM):可编程的只读存储器。):可编程的只读存储器。):可编程的只读存储器。):可编程的只读存储器。PROMPROM中的程序是由用户自行写入的,但一经写入就无法更中的程序是由用户自行写入的,但一经写入就无法更中的程序是由用户自行写入的,但一经写入就无法更中的程序是由用户自行写入的,但一经写入就无法更改了,是一种一次性写入的改了,是一种一次性写入的改了,是一种一次性写入的改了,是一种一次性写入的ROMROM。EPROMEPROM(Erasable Programmable ROMErasa
11、ble Programmable ROM ):可擦除可编):可擦除可编):可擦除可编):可擦除可编程存储器。程存储器。程存储器。程存储器。EPROMEPROM可由用户自行写入程序,写入后的内容可由用户自行写入程序,写入后的内容可由用户自行写入程序,写入后的内容可由用户自行写入程序,写入后的内容可用紫外线灯照射来擦除,然后可重新写入内容。可用紫外线灯照射来擦除,然后可重新写入内容。可用紫外线灯照射来擦除,然后可重新写入内容。可用紫外线灯照射来擦除,然后可重新写入内容。EPROMEPROM可多次改写。可多次改写。可多次改写。可多次改写。E E2 2PROMPROM(Electrically Era
12、sable Programmable ROMElectrically Erasable Programmable ROM ):):):):电可擦除可编程电可擦除可编程电可擦除可编程电可擦除可编程ROMROM。可用电信号进行清除和重写的存储器。可用电信号进行清除和重写的存储器。可用电信号进行清除和重写的存储器。可用电信号进行清除和重写的存储器。E E2 2PROMPROM使用方便,但存取速度较慢,价格较贵。使用方便,但存取速度较慢,价格较贵。使用方便,但存取速度较慢,价格较贵。使用方便,但存取速度较慢,价格较贵。半导体半导体存储器存储器磁介质存储器磁介质存储器光存储器光存储器Multi-SRAM
13、NV-SRAMFIFOCache双极型:存取速度快,但集成度低,一般用于大双极型:存取速度快,但集成度低,一般用于大 型计算机或高速微机中;型计算机或高速微机中;MOS型型掩膜掩膜ROM一次性可编程一次性可编程PROM紫外线可擦除紫外线可擦除EPROM电可擦除电可擦除E2PROM可编程只读存储器可编程只读存储器FLASH读写读写存储器存储器RAM只读只读存储器存储器ROM(按读(按读写功能写功能分类分类)静态静态SRAM动态动态DRAM:集成度高但存取速度较低集成度高但存取速度较低 一般用于需要较大容量的场合。一般用于需要较大容量的场合。速度较快,集成速度较快,集成度较低,一般用度较低,一般用
14、于对速度要求高、于对速度要求高、而容量不大的场而容量不大的场合。合。按按按按存存存存储储储储介介介介质质质质分分分分类类类类5.1.2 半导体存储器的主要技术指标1.1.容量容量容量容量:指一个存储器芯片能存储的二进制信息。存储器芯片容量存储器芯片容量存储器芯片容量存储器芯片容量=存储单元数存储单元数存储单元数存储单元数 每单元的数据位数每单元的数据位数每单元的数据位数每单元的数据位数 例:例:6264 8KB=8K 8bitbit 6116 2KB=2K 8bitbit 1字节=8 bit;1KB=210字节=1024字节;1MB=210KB=1024KB;1GB=210MB=1024MB;
15、1TB=210GB=1024GB。2.2.存取时间存取时间存取时间存取时间:存取时间是:存取时间是:存取时间是:存取时间是指向存储器单元写入数据及从存储器单指向存储器单元写入数据及从存储器单指向存储器单元写入数据及从存储器单指向存储器单元写入数据及从存储器单元读出数据所需的时间元读出数据所需的时间元读出数据所需的时间元读出数据所需的时间,有时又称为有时又称为有时又称为有时又称为读写周期读写周期读写周期读写周期。3.3.功耗功耗功耗功耗:功耗是存储器的重要指标,不仅表示存储器芯片的功耗,:功耗是存储器的重要指标,不仅表示存储器芯片的功耗,:功耗是存储器的重要指标,不仅表示存储器芯片的功耗,:功耗
16、是存储器的重要指标,不仅表示存储器芯片的功耗,还确定了计算机系统中的散热问题。功耗通常是指每个存储元消还确定了计算机系统中的散热问题。功耗通常是指每个存储元消还确定了计算机系统中的散热问题。功耗通常是指每个存储元消还确定了计算机系统中的散热问题。功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小,单位为微瓦耗功率的大小,单位为微瓦耗功率的大小,单位为微瓦耗功率的大小,单位为微瓦/位(位(位(位(W/W/位)或者毫瓦位)或者毫瓦位)或者毫瓦位)或者毫瓦/位(位(位(位(mW/mW/位)。位)。位)。位)。4.4.可靠性可靠性可靠性可靠性:可靠性要求是指对电磁场及温度变化的抗干扰性。:可靠性要求是指对电磁场及温
17、度变化的抗干扰性。:可靠性要求是指对电磁场及温度变化的抗干扰性。:可靠性要求是指对电磁场及温度变化的抗干扰性。存储器的可靠性用平均无故障时间存储器的可靠性用平均无故障时间存储器的可靠性用平均无故障时间存储器的可靠性用平均无故障时间MTBFMTBF(Mean Time Mean Time Between FailuresBetween Failures)来表征。)来表征。)来表征。)来表征。MTBFMTBF表示两次故障之间的平均表示两次故障之间的平均表示两次故障之间的平均表示两次故障之间的平均时间间隔。时间间隔。时间间隔。时间间隔。MTBFMTBF越长,意味着存储器可靠性越高,保持正越长,意味着
18、存储器可靠性越高,保持正越长,意味着存储器可靠性越高,保持正越长,意味着存储器可靠性越高,保持正确运行的能力越强。确运行的能力越强。确运行的能力越强。确运行的能力越强。5.5.性能性能性能性能/价格比价格比价格比价格比:“性能性能性能性能”主要包括存储容量、存取周期和可主要包括存储容量、存取周期和可主要包括存储容量、存取周期和可主要包括存储容量、存取周期和可靠性等。性能价格比是一项综合性指标,对不同用途的存储靠性等。性能价格比是一项综合性指标,对不同用途的存储靠性等。性能价格比是一项综合性指标,对不同用途的存储靠性等。性能价格比是一项综合性指标,对不同用途的存储器有不同的要求。选用芯片时,在满
19、足性能要求的条件下,器有不同的要求。选用芯片时,在满足性能要求的条件下,器有不同的要求。选用芯片时,在满足性能要求的条件下,器有不同的要求。选用芯片时,在满足性能要求的条件下,尽量选择价格便宜的芯片。尽量选择价格便宜的芯片。尽量选择价格便宜的芯片。尽量选择价格便宜的芯片。5.2 随机读写存储器5.2.1 静态读写存储器SRAM1.T1和和T2组成一个组成一个双稳态双稳态触发器触发器,用于保存数据。,用于保存数据。T3和和T4为负载管。为负载管。2.如如A点为数据点为数据D,则,则B点点为数据为数据/D。T1T2ABT3T4+5VT5T63.行选择行选择线有效(高电线有效(高电 平)平)时,时,
20、A、B处的处的数据信数据信息通过门控管息通过门控管T5和和T6送送至至C、D点。点。行选择线行选择线CD列选择线列选择线T7T8I/OI/O4.列选择列选择线有效(高电线有效(高电 平)平)时,时,C、D处的处的数据信数据信息通过门控管息通过门控管T7和和T8送送至芯片的数据引脚至芯片的数据引脚I/O。一、静态RAM基本存储电路 二、典型的静态RAM芯片 不不不不同同同同的的的的静静静静态态态态RAMRAM的的的的内内内内部部部部结结结结构构构构基基基基本本本本相相相相同同同同,只只只只是是是是在在在在不不不不同同同同容容容容量量量量时时时时其其其其存存存存储储储储体体体体的的的的矩矩矩矩阵阵
21、阵阵排排排排列列列列结结结结构构构构不不不不同同同同。典典典典型型型型的的的的静静静静态态态态RAMRAM芯芯芯芯片片片片如如如如Intel Intel 61166116(2K82K8位位位位),62646264(8K88K8位位位位),6212862128(16K816K8位)和位)和位)和位)和6225662256(32K832K8位)等。位)等。位)等。位)等。图为图为图为图为SRAM 6264SRAM 6264芯片的引脚图,其容量为芯片的引脚图,其容量为芯片的引脚图,其容量为芯片的引脚图,其容量为8K88K8位,即位,即位,即位,即共有共有共有共有8K8K(2 21313)个单元,每单
22、元)个单元,每单元)个单元,每单元)个单元,每单元8 8位。因此,共需地址线位。因此,共需地址线位。因此,共需地址线位。因此,共需地址线1313条,条,条,条,即即即即A A1212AA0 0;数据线;数据线;数据线;数据线8 8条即条即条即条即I/OI/O8 8I/OI/O1 1、WEWE、OEOE、CECE1 1、CECE2 2的的的的共同作用决定了共同作用决定了共同作用决定了共同作用决定了SRAM 6264SRAM 6264的操作方式。的操作方式。的操作方式。的操作方式。123456789101112131428272625242322212019181716156264 NC A4 A
23、5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12I/O1I/O2I/O3GNDVCCWECE2A3A2A1OEA0CE1I/O8I/O7I/O6I/O5I/O46264的操作方式的操作方式I/O1 I/O8ININ写写0 01 10 00 0ININ写写1 11 10 00 0OUTOUT读读0 01 10 01 1高阻高阻输出禁止输出禁止1 11 10 01 1高阻高阻未选中未选中 0 0 高阻高阻未选中未选中 1 1 I/OI/O1 1 I/O I/O8 8方式方式WECE1CE2OE SRAM 6264引脚图 三、SRAM存储器与CPU连接8086CPU8086CPU WR WR RD
24、 RD62646264WE WE OE OE (一)6225662256是32K*8的CMOS静态RAM 补充:典型存储器芯片和译码器芯片补充:典型存储器芯片和译码器芯片62256工作表(二)3-8译码器74LS13874LS138引脚功能(1)片选信号:G1G2AG2B(2)CBA译码Y0到Y7有效5.2.2 动态读写存储器DRAM 一、基本存储元素行选择线行选择线T1B存储存储电容电容CA列选列选择线择线T2I/O1 1.设设 T1导通时(行选线导通时(行选线1),将),将 A1 写入,则写入,则C上有电荷。上有电荷。2.行选择线有效时,数据通过行选择线有效时,数据通过T1送送至至B处;处
25、;3.列选择线有效时,数据通过列选择线有效时,数据通过T2送送至芯片的数据引脚至芯片的数据引脚I/O;4.为防止存储电容为防止存储电容C放电导致数据放电导致数据丢失,必须定时进行刷新;丢失,必须定时进行刷新;5.动态刷新时行选择线有效,而列动态刷新时行选择线有效,而列选择线无效。(刷新是逐行进行选择线无效。(刷新是逐行进行的。)的。)刷新放大器刷新放大器 二、动态RAM集成芯片2164 一一一一种种种种典典典典型型型型的的的的DRAMDRAM如如如如Intel Intel 21642164。21642164是是是是64K164K1位位位位的的的的DRAMDRAM芯芯芯芯片片片片,片片片片内内内
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