[計算機硬件及網絡]第4章存儲器系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 CPU的讀數操作就失效。 2022/3/13 66 ? ⑵ 寫周期 ? 要使數據總線上的信息能夠可靠地寫入存儲器，必須要求片選 CS 和寫命令 WE 信號都為低。其相 “ 與 ” 的寬度至少應為 tW ? 寫數時間 tW：片選 CS 和寫命令 WE 信號均為低的時間。 ? 滯后時間 tAW：在有效寫入數據出現前， RAM的數據線上存在著前一時刻的數據 DOUT，故在地址線發生變化后， CS 、 WE 均需滯后 tAW才能有效，以避免將無效數據寫入到 RAM中。 ? 寫恢復時間 tWR： WE 變為高電平后，需再經過 tWR時間，地址信號才允許改變。 ? 為了保證有效數據的可靠地寫入，地址有效的時間至少應為 tAW＋ tW＋ tWR。 CS WECS WECS WEWE2022/3/13 67 ? 寫周期 tWC：對芯片進行連續兩次寫操作的最小間隔時間。 tWC＝ tAW＋ tW＋ tWR ? 為保證數據可靠寫入， CPU送至 RAM的寫入數據 DIN必須在 CS 、 WE 失效前的 tDW時刻出現，并延續一段時間 tDH（此刻地址線仍有效， tWR＞ tDH）。 CS WE 2022/3/13 68 ? 例： SRAM的寫入時序圖。其中 R/W是讀 /寫命令控制線，當 R/W線為低電平時，存儲器按給定地址把數據線上的數據寫入存儲器。請指出圖中寫入時序中的錯誤，并畫出正確的寫入時序圖。 ? ? 2022/3/13 69 ? 解：寫入存儲器的時序信號必須同步。通常，當 R/W線加負脈沖時，地址線和數據線的電平必須是穩定的。當 R/W線達到低電平時，數據立即被存儲。因此，當R/W線處于低電平時，如果數據線改變了數值，那么存儲器將存儲新的數據⑤。同樣，當 R/W線處于低電平時地址線如果發生了變化，那么同樣數據將存儲到新的地址②或③。 2022/3/13 70 2） TMS4116芯片 ? TMS4116是由單管動態 MOS存儲單元電路構成的隨機存取存儲器芯片。 ? 容量為 16k 1位。 ? 16k的存儲器應有 14根地址線，為了節省引腳，該芯片只使用 7根地址線 A6～ A0，采用分時復用技術，分兩次把 14位地址送入芯片。 ? 行地址選通信號 RAS ：用于將低 7位地址 A6～A0打入行地址緩沖器鎖存。 ? 列地址選通信號 CAS ：用于將高 7位地址 A13～A7，打入列地址緩沖器鎖存。 RASCAS2022/3/13 71 2022/3/13 72 ? 16k 1位共 16384個單管 MOS存儲單元電路，排列成 128 128的陣列，并將其分為兩組，每組為 64行 128列。 ? 每根行選擇線控制 128個存儲電路的字線。列選擇線控制讀出再生放大器與 I/O緩沖器的接通，控制數據的讀出或寫入。 ? 每一根列選擇線控制一個讀出再生放大器，128列共有 128個讀生再生放大器，一列中的128個存儲電路分為兩組，每 64個存儲電路為一組，兩組存儲電路的位線分別接入讀出再生放大器的兩端。 2022/3/13 73 2022/3/13 74 ? 存儲器的讀出 ? 行地址經行地址譯碼選中某一根行線有效，接通此行上的 128個存儲電路中的 MOS管，使電容所存信息分別送到 128個讀出再生放大器放大。同時，經放大后的信息又回送到原電路進行重寫，使信息再生。 ? 列地址經列地址譯碼選中某根列線有效，接通相應的列控制門，將該列上讀出放大器輸出的信息送入 I/O緩沖器，經數據輸出寄存器輸出到數據總線上。 ? 存儲器的寫入 ? 首先將要寫入的信息由數據輸入寄存器經 I/O緩沖器送入被選列的讀出再生放大器中，然后再寫入行、列同時被選中的存儲單元。 2022/3/13 75 2022/3/13 76 TMS4116的刷新 ? 當某個存儲單元被選中進行讀 /寫操作時，該單元所在行的其余 127個存儲電路也將自動進行一次讀出再生操作，即完成一次刷新操作。 ? TMS4116的刷新是按行進行的，每次只加行地址，不加列地址，即可實現被選行上的所有存儲電路的刷新。即一次可以刷新 128個存儲單元電路。 2022/3/13 77 讀出再生放大器電路 2022/3/13 78 ? 放大器由 T T T T4組成， T T7與 Cs是兩個預選單元，由 XW1與 XW2控制。 ? 讀寫前 ，先使兩個預選單元中的電容 Cs預充電到 0與 1電平的中間值，并使控制信號 φ 1＝ 0， φ 2＝ 1，使 T T4截止， T5導通，使讀出放大器兩端 Wl、 W2處于相同電位。 2022/3/13 79 ? 讀出時 ，先使 φ 2＝ 0， T5截止。放大器處于不穩定平衡狀態。這時使 φ 1＝ 1， T T4導通， T T T T4構成雙穩態觸發器，其穩定狀態取決于 W W2兩點電位。 ? 設選中的行選擇線處于讀出放大器右側（如行 65），同時使處于讀出放大器另一側的預選單元選擇線有效（如 XW1＝ 1）。這樣，在放大器兩側的位線 W1和 W2上將有不同電位： ? 預選單元側具有 0與 1電平的中間值 ? 被選行側具有所存信息的電平值 0或 1。 2022/3/13 80 ? 若選中存儲電路原存 “ 1”，則 W2電位高于 W1的電位。使 T1導通， T2截止，因而 W2端輸出高電平，經 I/O緩沖器輸出 “ 1”信息，并且 W2的高電平使被選存儲電路的電容充電，實現信息再生。 ? 若選中存儲電路原存 “ 0”，則 W2電位低于 W1的電位。使 T1截止， T2導通，因而 W2端輸出低電平，經 I/O緩沖器輸出 “ 0”信息，并回送到原電路，使信息再生。 2022/3/13 81 ? 寫入時 ，在 T T4開始導通的同時，將待寫信息加到 W2上。 ? 寫 1： W2加高平，將被選電路的存儲電容充電為有電荷，實現寫 1。 ? 寫 0： W2為低電平，使被選電路的存儲電容放電為無電荷，實現寫 0。 2022/3/13 82 4116芯片的讀、寫周期時序 ? 在讀周期中，行地址必須在 RAS有效前有效，列地址必須在 CAS有效前有效，并且在 CAS到來之前， WE必須為高電平，并保持到 CAS結束之后。 ? 在寫周期中，當 WE有效之后，所加的 DIN信號必須保持到 CAS變為低電平之后，RAS、 CAS和 WE全部有效時，將 DIN數據寫入被選的存儲單元。 2022/3/13 83 讀周期（列選通下降沿觸發） 2022/3/13 84 寫周期（列選通下降沿觸發） 2022/3/13 85 典型 RAM芯片實例 2022/3/13 86 半導體存儲器的組成 ? 由于一塊存儲器芯片的容量總是有限的，因此一個存儲器總是由一定數量的存儲器芯片構成。 ? 要組成一個主存儲器，需要考慮的問題： ? ① 如何選擇芯片 ? 根據存取速度、存儲容量、電源 電壓、功耗及成本等方面的要求進行芯片的選擇。 ? ② 所需的芯片數量： ? 2022/3/13 87 ? 例：用 2114芯片組成 32K 8位的存儲器，所需2114芯片數為： ? ③ 如何把許多芯片連接起來。 ? 通常存儲器芯片在單元數和位數方面都與實際存儲器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個方面進行擴展。 2022/3/13 88 1．位擴展 ? 當芯片的單元數滿足存儲器單元數的要求，但單元中的位數不滿足要求時，需要進行位擴展。 ? 位擴展 ： 只進行位數擴展（加大字長）。 ? 采用 位擴展時， 芯片的單元數（字數）與存儲器的單元數是一致的。 ? 位擴展的連接方式 ： ? ① 將所有存儲器芯片的地址線、片選信號線和讀/寫控制線均對應的并接在一起，連接到地址和控制總線的對應位上。 ? ② 將各芯片的數據線單獨列出，分別接到數據總線的對應位。 2022/3/13 89 ? 例：用 2114存儲器芯片構成 1K 8位的存儲器。 ? 2114為 1K 4位的芯片，現存儲器要求容量為1K 8位，單元數滿足，位數不滿足，需要1K 8/1K 4＝ 2片 2114來構成存儲器。 ? 1K 8位的存儲器共需 8根數據線 D7～ D0，兩片 2114各自的 4根數據線分別用于連接 D7～ D4和 D3～ D0。 ? 2114本身具有 10根地址線，稱為片內地址線，與存儲器要求的 10根地址線一致，所以只要將他們并接起來即可。 ? 電路中 CPU的讀 /寫控制線（ R/W）與 2114的 WE 信號并接。 MREQ 為 CPU的訪存請求信號，作為 2114的片選信號連接到 CS 上。 2022/3/13 90 2022/3/13 91 2．字擴展 ? 當芯片單元中的的位數滿足存儲器位數的要求，但芯片的單元數不滿足存儲器單元數要求時，需要進行字擴展。 ? 字擴展 ：僅是單元數（字數）擴展，而位數不變。 ? 采用 字擴展時， 芯片單元中的位數與存儲器的數據位數是一致的。 ? 字擴展的連接方式 ： ? ① 將所有芯片的地址線、數據線、讀 /寫控制線均對應地并接在一起，連接到地址、數據、控制總線的對應位上。 ? ② 由片選信號區分被選芯片。 ? 片選信號 ：通常由高位地址經譯碼進行控制。 ? 高位地址 ：存儲器總地址減去芯片內部尋址的地址得到的地址。 2022/3/13 92 ? 例：用 16K 8位的存儲器芯片構成 64K 8位的存儲器。 ? 16K 8位的芯片，可以滿足 64K 8位的存儲器數據位的要求，但不滿足單元數的要求。需要 4片 16K 8位的芯片采用字擴充方式來構成存儲器。 ? 64K 8位的存儲器需要 16位地址線 A15～ A0，而 16K 8位的芯片的片內地址線為 14根，所以用 16位地址線中的低 14位A13～ A0進行片內尋址，高兩位地址 A1 A14用于選擇芯片，即選片尋址。 ? 設存儲器從 0000H開始連續編址，則四塊芯片的地址分配： ? 第一片地址范圍為： 0000H～ 3FFFH ? 第二片地址范圍為： 4000H～ 7FFFH ? 第三片地址范圍為： 8000H～ BFFFH ? 第四片地址范圍為： C000H～ FFFFH 2022/3/13 93 A15A14 A13A12……… A2A1A0 00 00000000000000 00 11111111111111 0000H～ 3FFFH 第一片 01 00000000000000 01 11111111111111 4000H～ 7FFFH 第二片 10 00000000000000 10 11111111111111 8000H～ BFFFH 第三片 11 00000000000000 11 11111111111111 C000H～ FFFFH 第四片 片內地址 片選地址 2022/3/13 94 2022/3/13 95 3．字和位同時擴展 ? 當芯片的單元數和單元的數據位均不滿足存儲器的要求時需要進行字和位的同時擴展。 ? 字和位同時擴展 ：按位擴展和字擴展的方法分別在位方向和字方向進行擴展。 ? 字和位同時擴展的連接方式 ： ? ① 所有芯片的片內地址線、 讀 /寫控制線均對應地并接在一起，連接到地址和控制總線的對應位上。 ? ② 同一地址區域內，不同芯片的片選信號連在一起，接到片選譯碼器的同一輸出端；不同地址區域內的芯片的片選信號分別接到片選譯碼器的不同輸出端。 2022/3/13 96 ? ③ 不同地址區域內，同一位芯片的數據線對應地并接在一起，連接到數據總線的對應位上。不同位芯片的數據線分別連接到數據總線的不同位上。 2022/3/13 97 ? 例 1：用 2114芯片組成 8K 8位存儲器 ? 需用 16片 2114芯片構成 8K 8位存儲器。 ? 16片芯片排成 8行 2列，每行按位擴展方法連接，每列按字擴展方法連接。 ? 存儲器地址線 A12～ A0，芯片 片內地址 A9～ A0，高三位地址 A1 A1 A10用于選片尋址。 ? 存儲器數據線 D7～ D0，芯片 數據線 I/O3～ I/O0，兩片芯片的數據線一同構成存儲器的 8位數據線。 （片）＝位位 1641K 88K ??2022/3/13 98 A12A11A10 A9……… A2A1A0 000 0000000000 000 1111111111 0000H～ 03FFH 第一組 001 0000000000 001 1111111111 0400H～ 07FFH 第二組 010 0