微机原理与接口技术学习笔记 存储器接口的基本

在微机系统中，存储器系统是必不可少的，下面以一个8位微机系统中的存储器子系统为例，说明半导体存储器芯片与CPU的连接方法，以及在连接时必须注意的问题。

    图3-15是一个8位微机系统中的存储器子系统。该子系统中有4片2732 EPROM组成16KB的 ROM区，4片6116 SRAM组成8KB的RAM区。该存储器子系统共占有24KB的内存空间（图中CPU为8088，8088的存储器/IO控制信号为IO/M）。

    从图3-15可见，在内存芯片选定后，内存芯片同CPU的连接是构筑存储器子系统的主要工作，有三部分内容：

    （1）地址线的连接——可以根据所选用的半导体存储器芯片地址线的多少，把CPU的地址线分为芯片外（指存储器芯片）地址和芯片内的地址，片外地址经地址译码器译码后输出，作为存储器芯片的片选信号，用来选中CPU所要访问的存储器芯片。片内地址线直接接到所要访问的存储器芯片的地址引脚，用来直接选中该芯片中的一个存储单元。图3-15中，对2732而言，片外地址线为A19～A12。片内地址线为All～AO；对6116而言，片外地址线为A19～A11，片内地址线为A1O～AO。

    （2）数据线的连接——图3-15中，2732为4K*8位芯片，6116为2K*8位芯片，两者都有8条数据线，可直接同8088 CPCPU的8位数据线相连。如果采用Intel2164芯片，因该

芯片为64K*1位芯片，内部只有一位数据线，必须由8片2164芯片才能构成64K字节的内存，因此8片2164的数据线必须分别同8088CPU的8条数据线相连。

    （3）控制线的连接——即如何用CPU的存储器读写信号同存储器芯片的控制信号线连接，以实现对存储器的读写操作。

    3.3.1 集成译码器及其应用

    CPU要对存储单元进行读写，首先要选择存储器芯片，即进行“片选”，然后在被选中的芯片中选择所要读写的存储单元，即进行“字选”——选择存储字。片选是通过地址译码方法来实现的。

    1.74LS138译码器

    在微机系统中，常采用中规模集成电路芯片74LS138作为地址译码器，其引脚及逻辑电路如图3-16所示。

    74LS138是3-8线译码器/分配器，有三个“选择输入端” C、B、A，三个“使能输入端”（又称为“允许端”或“控制端”）G1、G2a、G2b，以及8个输出端Y0～Y7。其功能表见表3-3。

    2．74LS138的应用

    以图3-15的存储器子系统为例，地址译码器74LS138的“使能输入端”G2a经与非门同系统的地址总线A15、A16、A17和A18相连，G2b同IO/M相连，G1与 A19相连，而三个选择输入端C、B、A分别与A14、A13、A12相连。这样，74LS138译码器能工作的必要条件是：（1）存储器操作——包括存储器读或写；（2）A19A18A17A16A15为‘11111’。而A14A13A12的8种不同的地址组合（从‘000’到’ill’），分别对应于与Y0～Y7 8个输出端相连的8

  表3-3   74LS138的功能表

 个半导体存储器芯片的地址范围。

据此分析，4片2732芯片的编号为EPROM1、EPROM2、EPROM3和EPROM4，4片6116芯片的编号为SRAM1、SRAM2、SRAM3和SRAM4，其地址范围的计算如下：

    可得8片存储器芯片的地址范围为：

    EPROM1：F8000H～F8FFFH

    EPROM2：F9000H～F9FFFH

    EPROM3：FA000H～FAFFFH

    EPROM4：FB000H～FBFFFH

    SRAM1：FC000H～FC7FFH

    SRAM2：FC800H～FCFFFH

    SRAM3：FD000H～FD7FFH

    SRAM4：FD800H～FDFFFH

    在上述计算中，注意片内地址与片外地址的划分。对2732EPROM而言，其存储容量为4K*8位，有12条地址线，因此CPU的20条地址线中低12位All～AO作为存储器芯片的片内地址，直接与2732芯片的12条地址线相连，而高8位A19～A12为片外地址，同译码器的选择输入端C、B、A以及使能输入端相连。对6116SRAM而言，其存储容量为2K*8位，有11条地址线，则片内地址为11位，同CPU的A10～AO相连，而A19～A11为片内地址，参与译码器译码。在图3-15中，Y4和Y5两个译码输出端同地址线A11或A11（A11取反）经或门后作为6116的片选信号。

     3.3.2 采用基本门电路实现内存储器的片选

    在一些内存芯片较少的存储系统中，内存芯片的片选可以采用一些基本的逻辑门电路——逻辑与门、逻辑或门和逻辑非门来实现。

    仍以图3-15所示的存储系统为例，如果该系统是采用基本逻辑门电路作为各内存芯片的片选电路，则EPROM1和EPROM2的片选电路可如图3-17或图3-18所示。

    从图3-17和3-18可见，当高位地址A19～A12为11111000，且IO/M=“L”时，门电路1，输出“L”，选中EPROM1（即CE=L，有效），而当A19～A12=11111001；且IO/M=“L”时，门电路2输出“L”，选中EPROM2（即CE=L，有效）。由此实现了内存芯片的片选。
    若在图3-15所示的存储系统中，全部采用基本的逻辑门电路作为各内存芯片的片选电路，则需要6个这样的门电路组合。

    3．3．3 实现片选控制的三种方法

    在存储器系统中，实现片选控制的方法有三种，即全译码、部分译码和线选。

    1．全译码法

    图3-15所示的存储器译码电路中，CPU的全部地址总线A19～AO都参与地址译码，因此对应于存储器芯片中的任意单元都有惟一的确定的地址，这种片选控制方法称为“全译码”。

    2．部分译码法

    如果在图3-15的存储器译码电路中，A19不参加译码，即74LS138的G1端接+5V，则A19不论是“0”还是“1”。只要A18～A12满足1111000都能选中FPROM1，则EPROM1的地址范围为78000H～78FFFH和F8000H～F8FFFH，那么一个存储单元可以由两个地址码来选中，这种片选控制方式称为“部分译码”。

    3．线选法

    如果在一个微机应用系统中，所要求的存储器容量较小，而且以后也不要求扩充系统的存储容量，例如，只要求4KB的EPROM区和4KB的SRAM区，则可不采用译码器芯片74LS138，而采用如图3-19所示的片选控制电路。

图3-19 片选控制电路

    该电路中采用1片2732EPROM、2片6116SRAM构成总计8KB的存储器系统。图中A11～AO直接同2732的地址线相连，A1O～AO直接同6116的地址线相连、片选控制电路由几片小规模集成控制电路芯片组成，系统的地址总线中的A11用来区分两片6116芯片的地址范围，地址总线的最高位A19用来划分4KB EPROM区和4KB SRAM区的地址范围，这样，凡是A19为“0”的地址信号都选中SRAM区，A19为“1”的地址信号都选中EPROM。4KB的EPROM区和4KB的SRAM区分别对应于512K个地址，这样一个存储单元可以有128个地址来选中，凡是A19，A11～A0这13位地址固定，A18～A12这7位地址为任意值的128种地址码都能选中同一存储单元，称为“地址重叠”。

    显然，部分译码也存在地址重叠的问题。

    3.3.4 控制信号的连接

    在存储器系统中，SRAM通常有三条控制信号线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE，这些控制信号的连接如图3-15所示，CE接地址译码器输出，OE接读信号线RD，WE接写信号线WR。EPROM芯片常采用双线控制，片选信号CE用来选择芯片、输出允许信号OE用来允许数据输出。只有这两条控制线同时有效时，才能从输出端得到要读出的数据。当CE为高电平时，EPROM处于待用状态（静止等待状态），输出呈现高阻抗，芯片处于低功耗状态且不受OE的影响。建议在同地址译码器输出相连，以控制对各器件的选择，而OE同系统控制总线中的读信号RD相连，这样可以保证所有未被选中的器件处于低功耗状态。

    最后还要特别指出的是，在存储器芯片同CPU连接时要注意：（1）CPU总线的负载能力问题。通常CPU的总线负载能力为一个TTL器件或20个MOS器件，当总线上挂接的器件超过上述负载时，应考虑总线的驱动问题。在总线上加接缓冲器和驱动器，以增加CPU的负载能力。常用的驱动器和缓冲器有单向的74LS244、74LS367以及Intel的8282等，用于单向传输的地址总线和控制总线的驱动；对双向传输的数据总线通常采用数据收发器74LS245或Intel的8286、8287等。（2）CPU的时序同存储器芯片的存取速度的配合问题。存储器芯片同CPU连接时，要保证CPU对存储器的正确、可靠的存取，必须考虑存储器的工作速度是否能同CPU速度的匹配问题。如果存储器的速度跟不上CPU的速度，就必须在正常的CPU总线周期中插入等待周期Tw。

    3.3.5  动态存储器的连接

    根据DRAM芯片的特点，在DRAM芯片与CPU的连接中着重注意下由几个问题。

    1.行地址和列地址的形成

    以IBM——PC/XT机的RAM子系统为例，其RAM芯片的行地址和列地址形成电路如图3-20所示。

    PC/XT机中RAM子系统采用4164DRAM芯片，有4组芯片，每组9片，其中8片构成64KB容量的存储器，1片用于奇偶校验位，4组DRAM芯片构成XT机系统板上256KB容量的内存。送到每个组中的行、列地址由两片74LS158（二选一选择器）组成的地址多路器提供。74LS158的真值表如表3-4所示。

          表3-4 74LS158真值表

在PC/XT机中控制端S接信号ADDRSEL，当XMEMR或XMEMW有效时（存储器读或写），ADDRSEL信号先为低电平，过60ns为高电平；则74LS158先输出A路信号——XA0～XA7，即行地址；后输出B路信号——XA8—XA15，即列地址，先后在RAS（行地址选通）和CAS（列地址选通）的有效信号作用下，送到DRAM芯片组的8条地址线。

    2．RAS和CAS的产生

    PC/XT机的RAS和CAS信号产生电路如图3-21所示。

    该电路产生4组DRAM存储器的RAS0～RAS3和CAS0～CAS3，由两级地址译码器组成。第二级译码器有两片74LS138组成，U56产生行地址选通信号RAS0～RAS3；U42产生列地址选通信号CAS0～CAS3。第二级译码器工作的条件有三：（1）第一级译码器的输出QO=“H”；（2）非刷新操作，DACK0BRD=“H”（无效电平）；（3）有存储器读或写信号XMEMR、XMEMW。CAS译码器工作条件还需加上满足下面三个条件中的一个：（1）AEN=“L”（有效），即DMA操作；（2）MEMR=“L”（有效）即存储器读；（3）MWTC=“L”（有效），即存储器写。图中延迟线TD1使U42滞后U56工作，以满足CAS比RAS滞后有效。

第一级译码器由24S10（U44）组成，这是一个256*4位的ROM，在256个4位存储单元中，预先写入适当数值，地址线A7～A0用来选中其中一个存储字（4位数据

Q3Q2Q1Q0），S2，S1为输出控制端，当S2S1=“LL”时，24S10的端Q3～Q0有输出。Q3～Q0的输出值随A7～AO的地址信号而异。AO～A3接系统地址线高4位A16～A19；A4、A5接系统板上配置开关位3和位4--SW3、SW4（SW3和SW4的状态，反映系统板上RAM的配置情况，见注①）；A6、A7恒为“H”，根据第二级译码要求，24S10芯片中有关单元应写入数据如表3-5所示。
          表3-5 第一级译码器24S10中有关存储字内写入微据

   从表3-5可见，在系统板上RAM容量固定的情况下（即SW4、SW3固定），A19～A16为0000、0001、0010、0011时，Q2Q1分别对应为00、01、10、11，同时加到第二级译码器的选择输入端B和A，经译码后，分别输出RAS0/CAS0、RAS1/CAS1、RAS2/CAS2和RAS3/CAS3，用以选中4组RAM中的一组。在分析第一级译码时还需注意的是，第二级译码要求 24S10的Q0必须输出“H”才能正常工作，在表3-5中也应满足这一要求。例如，当系统板上只配置有128KB RAM，则SW4、SW3=01。当A19～16=0000时，Q2Q1Q0=001，Q0=1满足第二级译码要求，Q2Q1=00，使第二级译码输出RAS0=L，CAS0=L，选中第1组RAM；当A19～A16=0001时，Q2Q1Q0＝011，Q0=1，Q2Q1=01输出RAS1=L，CAS1=L，选中第2组RAM；而当A19～A16=0010和0011时，Q2Q1Q0=000、000，Q0=0，第二级译码不工作，无RAS，CAS的有效信号输出，第3、4组RAM不被选中，这是符合实际情况的，因为此时系统板上根本未装上这二组RAM。

    当DRAM芯片组进行动态刷新时，图3-21中DACK0BRD=“L”，经U24与非门后输出“H”使U42的G2a无效，同时又使U56的G2b亦无效，则第二级译码器不工作，无RAS、CAS有效信号输出。而DACK0BRD又经与非门U71反向为“H”，送到与非门U69，U69的另一输入端来自延迟线TD1的输入端，当XMEMW或XMEMR有效时，TD1输入为“H”，经U69与非后输出低电平信号加到U55的4个负或门，同时输出4组RAM芯片的RAS0～RAS3，这正是DRAM芯片刷新所要求的。

    3．刷新电路

    PC/XT机中刷新逻辑的原理图如图3-22所示。

    这是一个以DMA（直接存储器存取）控制方式进行DRAM刷新的例子。
    4164DRAM容量为64K*1位，有64K个存储单元，分成4个128*128的存储矩阵，每当RAS=“L”（有效）时，将根据地址线A6～AO的值对每个矩阵中相应的行进行一次刷

新，共刷新4*128个存储单元。要求2ms内对全部存储单元刷新一遍，则每一行刷新的时间间隔为2ms/128＝15625us。在PC/XT机中采用15us。

    在图3-22中，15us的时间间隔由定时器（采用8253可编程间隔定时器芯片）发出，作为DMA（DMA控制器采用8237芯片）的请求信号DREQO，DMAC向CPU发出HOLD（总线请求信号），经CPU允许（发出总线响应信号HLDA）开始一次刷新操作，送出DACK0（即图3-21中的DACK0BRD）经非门1、与非门2、与门3后产生4组DRAM芯片所需的RAS0～RAS3有效信号，同时；DMAC发出刷新地址A6～AO送到DRAM各组芯片。在RAS有效信号作用下，对指定行（4*128个存储单元）进行刷新。完成一次刷新后，DMA内部将地址自动加1，等待下一次刷新请求。DMA完成一行刷新的时间为4T=840ns。占整个刷新周期15us的1/18。