技術文章 » 微機原理與系統設計筆記6 | 記憶體系統設計

微機原理與系統設計筆記6 | 記憶體系統設計

2023-02-20 18:00:34

  • 打算整理組合語言與介面微機這方面的學習記錄。本部分介紹記憶體及其擴充套件方法。

  • 參考資料

    • 西電《微機原理與系統設計》周佳社
    • 西交《微機原理與介面技術》
    • 課本《組合語言與介面技術》王讓定
    • 小甲魚《組合語言》

1. 記憶體的分類

  • 外存：磁碟、U盤、光碟等，外存嚴格來說屬於IO裝置。

    順序記憶體和隨機記憶體：讀寫資料的方式不同。

  • 記憶體：本文主要講記憶體。

    • 唯讀記憶體：存放系統管理程式，比如計算機主機板ROM裡的BIOS程式。

      • ROM：一次性寫，唯讀。

      • PROM：一次性可程式化、唯讀；

        每個新的晶片為空片：如果以位元組為單位，則為FFH。

      • EPROM：常用，紫外線可擦除ROM，藉助專用寫入器可以將程式寫入（寫入的時候要先擦乾淨）。

        目前常用型號：2716（2K乘8位元組==2KB），2732，2764，27128。

        後兩者目前常用。

      • E2PROM：電可擦除ROM。可以反覆寫入，先擦除乾淨後寫，且掉電後資訊不丟失

        常用是28系列。

    • 隨機讀寫記憶體RAM：能讀能寫，但是掉電後資訊丟失。

      • SRAM：靜態，像暫存器/鎖存器。

        常用型號6264（8k×8bit==8KB）、62128、62256、2114（1K乘半位元組，需要用兩個2114併成一個位元組--位擴充套件）

      • DRAM：動態，像電容，存1相當於給電容充電，所以需要反覆給DRAM上電重新整理（讀出來再寫入，重新整理週期要滿足一定條件，太長就不能讓系統辨認原有資料了）。

        應用DRAM需要設計地址重新整理電路，而這個重新整理電路很複雜，所以自己設計系統一般使用SRAM。

        DRAM整合度更高（雖然較於SRAM速度慢一點點），而計算機使用的都是DRAM。

        本章主要是記憶體中ROM和SRAM的設計。

  • 從結構角度的分類/微機系統中記憶體的層次結構：

2. 記憶體主要技術指標

  1. 容量

    如果要設計32KB，62256（32K乘8bit==32KB）需要1片，2114需要64片

    這裡儘量選擇接近的晶片來做，比如2114的話佔用面積大且對電源要求高。

  2. 速度

    • 存取時間：啟動一次記憶體操作到完成此次操作的時間

    • 儲存週期：兩次獨立的記憶體單元操作的最小時間間隔

      可以從半導體公司手冊查到。

    • 要求：（針對8086讀寫週期需要4個clk週期這一點）

      下面的公式應該不會考，瞭解吧：

      • 記憶體晶片的最小讀出時間：\(t_{cyc}(R)<4T-t_{da}-t_D-T\)

        • T：8086時鐘週期
        • tda：8086的地址匯流排延時時間
        • tD：各種因素引起的匯流排附加延時。匯流排長度、附加邏輯電路、匯流排驅動器等之和、

        減去一個T是因為工程上的要求。

      • 記憶體晶片的最小寫入時間：\(t_{cyc}(W)<4T-t_{da}-t_D-T\)

  3. 儲存頻寬：單位時間傳輸資料容量的大小。

    頻寬（B，MB/s）==記憶體時脈頻率（F，MHZ）*記憶體資料匯流排位數（D）/8

    \(B=F\times D/8\)

  4. 非易失性：是選擇ROM還是RAM。

  5. 可靠性：平均故障時間間隔。

  6. 功耗、成本等

3. 幾種常用記憶體晶片介紹

3.1 SRAM 6264

8K×8bit，有13根地址線（編碼8k），資料引腳8根（引腳8bit），此外還需要片選訊號。

6264有兩個片選訊號CS1fei和CS2：

  • CS2高電平，CS1fei低電平則為選中。根據13根地址線選中的單元進行寫或讀操作
  • 未選中則8根傳輸線呈現高阻態，與系統匯流排隔離。
  • 也可以將CS1常接+5V來改造為單片選。

還有一個輸出允許腳OEfei，片選有效且輸出允許有效時，可以輸出資料。一個寫允許腳WEfei，與片選結合可以寫入資料。

注意不能同時寫或讀。OE和WE只能一個有效。

與8088CPU的地址匯流排結合起來來看，則8086的低13位地址線A12A0直接定址6264內部，這叫片內定址；而高位地址線A19A13，片外定址，也就是決定是1MB的哪一個8KB，引出譯碼作為控制訊號，作為片選訊號。這一點比較好理解。

注意這裡8088沒有奇偶地址的概念，比較簡單。

8086CPU的地址匯流排。則A1A13來片內定址，A0決定是奇還是偶地址，高位A14A19片外定址。

  • 如果A0=0，則取出A13~A0的16KB位元組的8K偶位元組，與系統資料匯流排的低8位元相連。
  • A0=1，則取出A13~A0的16KB位元組的8K奇位元組，與系統資料匯流排的高8位元相連。

而如果用6264給8088微機系統設計32KB的SRAM：

  • 需要4片
  • 地址線對聯8088地址線，傳輸線也對聯。
  • 使CS2常有效
  • OEfei，讀允許。在最大方式下，與MEMRfei相連；最小方式下，與RDfei相連。
  • WEfei，寫允許。最大方式下，與MEMWfei相連。最小方式下，與WRfei相連。
  • CS1fei片選訊號。地址線的高位（接入譯碼電路產生控制訊號，再接過來片選。

上述思路是位元組擴充套件，P198 6.4.2

注意譯碼電路不僅是地址，還有控制訊號。比如8088最小方式中有IO/Mfei，表示對記憶體操作。

這裡實際只需要兩位A13和A14來選擇晶片塊，同時也可以再加上其他不變的高位地址線，參與譯碼

2

3.2 SRAM：Intel 2114

1K×4bit。有10根地址線，4位元傳輸線。

4
  • CSfei，低電平選中
  • WEfei，管理讀寫，低電平寫入記憶體，高電平輸出。

使用2114給8088系統擴充4KB儲存系統：

  • 需要8片

  • 先兩兩相併位擴充套件，再串聯位元組擴充套件。

    4

3.4 EPROM 2764

8K×8，所以13根地址線，8根傳輸線

6
  • CEfei：片選訊號
  • OEfei：片選有效且低電平，讀出資料（也就是唯讀狀態）
  • VCC：工作電壓
  • VPP：程式設計電壓輸入，需要查公司型號手冊
  • PGMfei：低電平（負脈衝），程式設計允許引腳

要對2764先擦除後寫入資料：

  1. 擦除。

  2. OEfei無效，CEfei有效。

  3. 不是直接接到地址線和傳輸線，兩邊各需要一個鎖存。將地址和資料都鎖存起來

  4. 當上層命令來到，VPP電壓加上，PGM加負脈衝，在這個負脈衝期間，鎖存也解除，向選中地址寫入相應資料

  5. CE OE有效，將寫入的資料讀出（無鎖存器的通道），比較是否符合預期，如果符合，則寫入完成。

    如果不相等，可重新操作，如果多次操作不行，可能地址單元損壞。

hhh，學了這個可以做程式設計器了...

2764的正常工作/唯讀模式：

  • 只需要考慮地址（奇偶等等）、資料（單向輸出）、CE片選訊號、OE連線MEMRfei，不考慮VPP和PGM（接+5V即可）

4. 記憶體擴充套件設計

4.1 記憶體地址譯碼方法

  • 全地址譯碼方法：全部地址線來譯碼，浪費硬體設計資源（因為地址線都要引過來），但是可以唯一確定一個儲存單元的地址。
  • 部分地址譯碼方法：譯碼電路簡單，但會發生地址空間重疊。

例題見書P200 6.1

4.2 8088系統記憶體擴充套件

P205 例6.5

6

  • 第一題，簡單，16KB為2的14次方，16進位制是4000H，地址範圍就是80000H~83FFFH

  • 第二題：

    1. 進行地址分析：

      • 需要兩片6264
      • 低13位片內選址，A13選擇兩片之一
      • A19~A14六根線，在此題不變，且為10_0000
      • 這樣就保證了連續地址。

    2. 邏輯電路（不用型號）：

      • 需要加入控制訊號，表明是對記憶體操作。

      整體設計如下圖所示：

    8

    如果使用74LS138來做譯碼器（這個我沒有學，跟上圖原理相同，只不過封裝了一些東西）

  • 第三題：用到一點點組合知識。這裡55H和AAH資料圖案檢測，給要檢測的RAM儲存區每個地址單元分別寫入55H(0101_0101)和AAH(1010_1010)，並讀出比較是否符合預期，如果符合，則讀寫正常。如果不正常，則應作出相應出錯報警提示。

    MOV AX,8000H
MOV DS,AX
MOV SI,0
MOV CX,16*1024
MOV AL,55H
NEXT1: MOV [SI], AL
	   MOV BL, [SI]
	   CMP BL, AL
	   JNE ERROR ;不相等則轉到ERROR
	   INC SI ;地址增加繼續比較
	   LOOP NEXT1
	   MOV SI,0
	   MOV CX,16*1024
	   MOV AL, 0AAH
NEXT2: MOV [SI],AL
	   MOV BL,[SI]
	   CMP BL,AL
	   JNE ERROR
	   INC SI
	   LOOP NEXT2
	   ...
ERROR: ...
    • 傳輸線粘連故障：檢測思路就是55H和AAH
    • 地址線鏈橋故障：先把記憶體刷成00H，然後向00H處寫入01H，檢測其他地址單元是否改變，00H地址單元左移為02H，看其他地址單元內容是否改變......這樣就可以找出地址線粘連發生的不同地址內容的重寫問題。
    • BIOS中自檢就是排除這些故障，程式會更加豐富。

4.3 8086系統記憶體擴充套件

擴充套件原理基本相同，相較於8088，多的是奇偶地址的片選：

9
  • 上圖沒有體現出來的是，A0和BHEfei還要跟相應控制訊號一起進行邏輯運算才行，比如最大方式下MEMRfei、MEMWfei和M/IOfei，最小方式下RDfei、WRfei和M/IOfei
  • 此外512k的晶片上還應有CE和OE，分別是
    • CEfei：片選訊號，
    • OEfei：讀允許
    • WEfei：寫允許

P208 例6.6：

10

  • 上圖改為74LS138，但這個器件我不總結了，我沒學。

  • 設計圖如下圖所示：

  • 11