大家好，又是我，沉迷学习无法自拔的小笨蛋康sir。

这个文集(点我)将会同步更新我观看吴宁老师的《微机原理与接口技术》教学视频写的笔记，学习笔记，大概每周一章。

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                                                                ——@正能量的康sir

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第八周 半导体存储器

主要内容：

 半导体存储器基本概念

 微机中的存储器系统

 半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接

 存储器接口设计（存储器扩展技术）

 高速缓存

第41讲 半导体存储器概述

1. 半导体存储器

 半导体存储器由能够表示二进制数“0”和“1”的、具有记忆功能的半导体器件组成。

 能存放一位二进制数的半导体器件称为一个存储元

 若干存储元构成一个存储单元

每个存储单元由8个存储元构成

2. 半导体存储器的分类

内存储器：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）

随机存取存储器（RAM）

(RAM掉电数据就丢了)

分类

静态存储器（SRAM）：存储元为双稳态电路。例如cache

动态存储器（DRAM）存储元为电容

双稳态电路示意图：

只读存储器（ROM）

分类：

掩模ROM

一次性可写ROM

EPROM

EEPROM

(EPROM、EEPROM是可读写ROM)

3. 半导体存储器的主要技术指标

存储容量:存储单元个数×每单元的二进制数位数. 1M×1bit=1Mb  1MX8bit=1MB

存取时间:实现一次读/写所需要的时间

存取周期:连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间

可靠性，功耗

微型机中的存储器系统

1. 微机中的存储器

微型机中的存储器总体上包括：

 内存和外存

(例如内存和硬盘)

内存储器：主内存、高速缓冲存储器Cache

外存储器：联机外存、脱机外存

虚拟存储器

内存和外存在工作速度、容量、价格、制造材料等各方面都不相同。

2. 微机中的存储器系统

 存储器系统：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连接起来，使整个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，价格接近于最便宜的存储器。

 微型计算机中的存储系统主要有：

Cache存储器系统

虚拟存储器系统

Cache存储系统

 Cache存储系统由高速缓冲存储器（Cache）和主内存构成，由硬件系统负责管理。

   对程序员透明（透明: 对原本存在的事物，从某个角度看上去不存在）

主要设计目标：提高CPU访问内存的存取速度。

高速缓冲存储器（Cache）

当命中率足够高时，整个Cache存储系统的：

1）访问速度接近与Cache的存取速度；

2）存储容量接近与主存的容量；

3）价格接近与主存的价格。

系统存取时间=命中率*Cache存取时间+不命中率*主存存取时间

T=H*T1+（1-H）*T2

虚拟存储器系统

 虚拟存储器系统由主内存和部分硬磁盘构成，主要由操作系统管理。

 对应用程序员是透明的

 主要设计目标：扩大存储容量

3. 微机中的存储器

我们学习的重点是 内存储器部分

第42讲 存储单元编址

随机存取存储器

 特点：

 可以随机读或写操作

 掉电后存储内容即丢失

 类型：

 静态随机存取存储器（SRAM）

 动态随机存取存储器（DRAM）

存储单元的编址

8088总线信号：

IO/#M=0

#RD=0——>#MEMR=0

#WR=0——>#MEMW=0

存储器编址

片选地址:用于选择芯片（高位地址）

片内地址:用于选择芯片上的单元（地位地址）

片选信号 该信号有效时表示选中芯片。这门课里一般都是低电平有效(除了一个特殊的)

译码电路

 将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。

 将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号。

第43讲 随机存取存储器RAM

随机存取存储器（RAM）

静态存储器（SRAM）存储元为双稳态电路

动态存储器（DRAM）存储元为电容

DRAM的特点

 存储元主要由电容构成；

 主要特点：

 需要定时刷新(定时为存储元进行读或写操作（电容充电、放电）)

静态随机存取存储器SRAM

存储元由双稳电路构成，存储信息稳定。

示例芯片: SRAM 6264

SRAM 6264

容量 8KX8b

主要引脚

地址线A0-A12  （2的13次方=8192=8K）

数据线D0-D7

输出允许信号#OE

写允许信号#WE

选片信号#CS1,CS2

6264的工作过程

读操作时序

写操作时序

2. 6264芯片与系统的连接

 存储器芯片与系统的连接分为两部分：

 确定要访问的存储芯片。系统中可能存在多片存储器芯片，要访问的单元只能存在于某一片芯片上。

 找到芯片后，寻找该芯片上要访问的单元。

6264芯片上有8K个单元，每个单元在该芯片上有惟一的13位地址码

每片6264芯片上第一个单元在该芯片上的地址：0

每片6264芯片上最后一个单元在该芯片上的地址：8191

用芯片的13位地址码A0-A12寻址片内的每个单元

6264与系统的连接框架图

存储器编址

逻辑上，段基地址(16)x16+偏移地址(16)

物理上，高位地址(7位)+低位地址(13)

都对应物理地址20位

6264芯片的编址

芯片上所有的单元具有相同的高位地址（片选地址）

从片首地址到片尾地址，构成芯片在内存空间中占有的地址范围

3. 译码电路设计

 译码：

 将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的输出信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定了该存储器芯片在内存中的地址范围。

将输入的一组二进制编码变换为一个特定的输出信号

译码方式

 全地址译码

 部分地址译码

全地址译码

用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址。

（或非门 与非门）

该6264芯片的地址范围 = F0000H~F1FFFH

全地址译码例

 例：

 已知某SRAM 6264芯片在内存中的地址为：3E000H～3FFFFH。试画出将该芯片连接到系统的译码电路。

 设计步骤：

 写出地址范围的二进制表示；

 确定各高位地址状态；

 设计译码器。

部分地址译码

用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中存储器芯片占有几组不同的地址范围。

高位地址： A18可以是任意状态，1×11000 ——1011000，1111000

两组地址： B0000H —— B1FFFH、F0000H —— F1FFFH

优点：少了一根线，节省空间。缺点：浪费地址资源

(接口设计中多采用部分地址译码。内存系统中全部采用全部地址译码)

补充知识：译码器74LS138

在计算机系统中．常常需要将不同的地址信号通过定的控制电路转换为对某一芯片的片选信号这个控制电路称为译码电路，它所对应的逻辑部件就称为译码器。也可以说，译码器的作用就是将一组输入信号转换为在某一时刻有一个确定的输出信号

译码器的种类很多，这里仅介绍 种常用的 3-8 线译码器 74LS138。

74LS138 的引脚如图 1-15 所示。图中G1、G2A、G2B为译码器的3个使能输入端，它们共同决定了译码器当前是否被允许工作：当 G1=l,G2A＝G2B=0时，译码器处于使能状态 (Enable) ，否则就被禁止 (Disable)

C、B、A为译码器的3条输入线（输入的3位二进制代码分别代表了8种不同的状态）,它们的不同的状态组合决定了8个输出端Y0~Y7的状态。

74LS138 的功能表（也叫真值表）如表 1-8 所示．表中电平为正逻辑．即高电平表示逻辑1,低电平表示逻辑 0, X表示不定,#表示该信号低电平有效（与上横线标注含义相同）

第44讲 只读存储器ROM

只读存储器（Read only Memory）

1 EPROM

2 EEPROM

3 Flash

一、EPROM

1. 特点

 可多次编程写入；

 掉电后内容不丢失；

 内容的擦除需用紫外线擦除器。

EPROM芯片因其较高的稳定性，使用时常用作程序存储器，存放相应的控制程序。

RAM芯片则因其便利性，常用作数据存储器，存放操作的数据。

2. EPROM 2764

  8K×8bit芯片

 地址信号：A0 —— A12

 数据信号：D0 —— D7

 输出信号：#OE

 片选信号：#CE

 编程脉冲输入：#PGM（50毫秒写入一个字节，效率很低）

 其引脚与SRAM 6264完全兼容.

2764的工作方式

 数据读出

 可在线随机读取

 编程写入

 不可在线写操作；

 需专用编程写操作环境。在编程写脉冲控制下完成写操作（每一个写脉冲写入1字节数据）

 擦除

 紫外光擦除

EPROM 2764的应用

2764与系统的连接

(接入系统后只用到读，所以和MEMR连接，而PGM和高电压直接和能源连接使其无效)

二、EEPROM

1. 特点

 可在线编程写入；

 掉电后内容不丢失；

 电可擦除。

2. 工作方式

 数据读出

 编程写入

字节写入：每次写入一个字节

自动页写入：每次写入一页（1~ 32字节）

 擦除

字节擦除：一次擦除一个字节

片擦除：一次擦除整片

3. 典型EEPROM芯片98C64A

 8K×8bit芯片；

 13根地址线（A0 —— A12）；

 8位数据线（D0 —— D7）；

 输出允许信号（#OE）；

 写允许信号（#WE）；

 选片信号（#CE）；

 状态输出端（READY / #BUSY）。(通过接口)(READY端是高电平才可以写)

98C64A工作时序

4. EEPROM的应用

 可通过程序实现对芯片的读写；

 仅当READY / BUSY=1时才能进行“写”操作



“写”操作的方法：

① 根据参数定时写入(周期多长写一次)

② 通过判断READY / #BUSY端的状态进行写入(查询工作方式，后面会讲)

 仅当该端为高电平时才可写入下一个字节。

③ 中断控制方式

 当READY / #BUSY端为高电平时，该高电平可作为中断请求信号

例：

 将一片98C64A接到系统总线上，使其地址范围在3E000H～3FFFFH之间。

并编程序将芯片的所有存储单元写入66H。

题目分析：

 硬件设计：实现存储器芯片与系统的连接

 软件设计：通过定时方式循环向各单元写入66H(根据芯片参数：每100us写入1字节数)

硬件设计

地址范围：

0011 1110 0000 0000 0000

0011 1111 1111 1111 1111

(注意这里#MEMW、#MEMR作为译码器的输入信号 与非门 只有当读或写时 为1 ，不读不写为0。)（没有同时既读又写的状态，cpu的工作时序保证的)

软件设计

通过定时方式进行写操作：

START：MOV AX，3E00H

MOV DS，AX

MOV SI，0000H

MOV CX，8192;8Kb=8*1024=2的13次方

AGAIN：MOV AL，66H

MOV [SI]，AL

CALL TDELAY120μs；按参数至少100，工程角度的话多设置一点

INC SI

LOOP AGAIN

HLT

*三、闪速存储器Flash

1. Flash的特点

 通过向内部控制寄存器写入命令的方法来控制芯片的工作方式。

 通过读状态寄存器的值，获取芯片当前工作状态

 与SRAM的区别：在进行写入和擦除操作时需要12V编程电压

 与普通EEPROM的区别：

通过读状态寄存器的内容确定是否可继续写入

提高写命令字的方式控制其处于何种工作方式。

2. 工作方式

数据读出

读单元内容

读内部状态寄存器内容

读芯片的厂家及器件标记

编程写入：

数据写入，写软件保护

擦 除

字节擦除，块擦除，片擦除

擦除挂起

第45讲 半导体存储器扩展技术

学习用已有的存储器芯片构 造一个需要的存储空间

存储器扩展

存储器芯片的存储容量等于：单元数×每单元的位数

 用多片存储芯片构成一个需要的内存空间；

 各存储器芯片在整个内存中占据不同的地址范围；

 任一时刻仅有一片（或一组）被选中。

存储器扩展方法

位扩展 扩展字长

字扩展 扩展单元数

字位扩展 既扩展字长也扩展单元数

1. 位扩展

 构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元要求的字长时——需进行位扩展。

 位扩展：每单元字长的扩展。

位扩展例

 实例芯片：DRAM 2164A：

A0~A7: 地址输入线。

DIN~DOUT：芯片的数据输入、输出线。其中DIN为数据输入线，当 CPU 写芯片的某一单元时，要写入的数据由DIN送到芯片内部;同样DOUT数据输出线 当CPU读芯片的某一单元时，数据由此线输出。

#RAS：行地址锁存信号。该信号将行地址锁存在芯片内部的行地址锁存器中。

#RAS：列地址锁存信号。该信号将列地址锁存在芯片内部的列地址锁存器中。

#WE：写允许信号。当它为低电平时,允许将数据写入；反之,当#WE=1时．可以从芯片读出数据。

64K×1bit(2164A芯片每单元仅 1位二进制码，故1片芯片不能构成独立存储器。)

  采用行地址和列地址来确定一个单元；

  行列地址分时传送，共用一组地址信号线；(地址信号线的数量仅为同等容量SRAM芯片的一半)_

（256 行和 256 列，共同决定 64K 个单元）

用8片2164A构成64KB存储体

8片2164A必须具有完全相同的地址，必须同时被选中或同时不被选中

系统通过高、低位地址分时传送行和列地址

位扩展例

用8片2164A芯片构成64KB存储器。

位扩展方法：

 位扩展的连线特点：

 将每片的地址线、控制线并联，数据线分别引出。

 效果：

 存储器的单元数不变，位数增加。

位扩展：确保所有芯片具有完全相同的地址范围

对需要位扩展的存储芯片，单独1片没有意义

2. 字扩展

 地址空间的扩展

地址空间的扩展

芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。

(买内存条进行内存扩充 就属于字扩展)

字扩展：确保所有芯片具有完全不同的地址范围

扩展原则：

 每个芯片的地址线、数据线、控制线并联。

 片选端分别引出，以使每个芯片有不同的地址范围。

字扩展示意图

字扩展例

例：

用SRAM 6264芯片构成容量为32KB的存储器

存储器的地址范围为：20000H～27FFFH

 设计：

 由地址范围得：需4片6264芯片

 存储器地址范围：00100000000000000000～00100111111111111111

对多片芯片构成存储器，电路设计时应考虑使用专用译码器设计

74LS138译码器

 73LS138：3输入8输出的专用译码器(3:8译码器)

 可以同时控制8片芯片；

 在任一时刻，其所连接的8片芯片只有1片被选中。

根据输入的不同编码组合，确保其控制的各电路(芯片)在任一时刻只有一路(1个芯片)处于工作状态

字扩展例

高位地址：

首：0010 000

尾：0010 011

利用74LS138译码器设计译码电路。

首地址和尾地址的高位地址有两位状态不同，须将其接入到138的输入端。

应确保读/写信号作为译码器输入信号

3. 字位扩展

 单元数及每单元字长均不满足要求

 设计过程：

 根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；

 进行位扩展以满足字长要求；

 进行字扩展以满足容量要求。

字位扩展例

 例：

  用32Kb芯片构成256KB的内存。

 解：

 首先进行位扩展：

 用8片芯片构成32KB存储体

 利用A0~A14寻址存储体内32K个单元

 所有控制信号线和地址信号线并联引出

 再进行字扩展：

 用8个32KB存储体构成256KB存储器

 寻址8个存储体，至少需要3位高位地址信号

半导体存储器系统设计练习

利用如图所示的SRAM和ROM芯片构成32KB的程序存储器和16KB的数据存储器，要求程序存储器的地址范围为F0000H～F7FFFH，数据存储器的地址范围为E0000H～E3FFFH。请设计完成该存储器系统。

题目分析

 由图得：

 两种存储器芯片(译码地址为高7位地址)容量均为8KB

 需4片ROM，2片RAM

 由题目得：

 程序存储器高位地址：

 1111000 ---- 1111011

 数据存储器高位地址：

 1110000 ---- 1110001

半导体存储器小结

本章主要应掌握的知识点

 基本概念：

 不同半导体存储器的特点及应用场合

 微机中的存储器系统：Cache存储器系统、虚拟存储器系统

 半导体存储器系统设计

 存储器芯片与系统的连接

 译码电路及其他控制信号

 存储器扩展技术

存储器接口设计注意点：

 片内地址用于寻址芯片上的单元，高位地址用于选择芯片（片选）

 #MEMW和#MEMR用于确保只有在对存储器芯片进行读或写操作时，译码电路才可工作。所以，它们须作为译码器输入信号。

 74LS138译码器的使能端及输入端均不能悬空。

 对全地址译码，要求全部高位地址都需作为译码器输入。

SRAM存储器接口设计例

 将 SRAM 6264 芯片与系统连接 ， 使其地址范围为：38000H~39FFFH。

 使用74LS138译码器构成译码电路。

由题知地址范围：

（8K的单片芯片 没必要用138译码器）

半导体存储器接口设计例

用容量为32Kb的存储器芯片构造256KB的存储器。其地址范围：

 00000～07FFFH

 08000～0FFFFH

 10000～17FFFH

 18000～1FFFFH

 20000～27FFFH

 28000～2FFFFH

 30000～37FFFH

 38000～3FFFFH

分析

① 用8片32Kb芯片构成32KB存储体

② 8个存储体构成256KB存储器

③ 寻址32KB存储体需要15位片内地址

片选地址为高5位地址：A19—A15  00000～00111