微機原理與系統設計筆記6 | 存盤器系統設計

• 打算整理匯編語言與介面微機這方面的學習記錄，本部分介紹存盤器及其擴展方法，

• 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《匯編語言與介面技術》王讓定
  • 小甲魚《匯編語言》

1. 存盤器的分類

• 外存：磁盤、U盤、光碟等，外存嚴格來說屬于IO設備，

  順序存盤器和隨機存盤器：讀寫資料的方式不同，

• 記憶體：本文主要講記憶體，

  • 只讀存盤器：存放系統管理程式，比如計算機主板ROM里的BIOS程式，

    • ROM：一次性寫，只讀，

    • PROM：一次性可編程、只讀；

      每個新的芯片為空片：如果以位元組為單位，則為FFH，

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

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

      后兩者目前常用，

    • E²PROM：電可擦除ROM，可以反復寫入，先擦除干凈后寫，且掉電后資訊不丟失

      常用是28系列，

  • 隨機讀寫存盤器RAM：能讀能寫，但是掉電后資訊丟失，

    • 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并成一個位元組--位擴展）

    • DRAM：動態，像電容，存1相當于給電容充電，所以需要反復給DRAM上電重繪（讀出來再寫入，重繪周期要滿足一定條件，太長就不能讓系統辨認原有資料了），

      應用DRAM需要設計地址重繪電路，而這個重繪電路很復雜，所以自己設計系統一般使用SRAM，

      DRAM集成度更高（雖然較于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/微機系統中存盤器的層次結構：

  

2. 存盤器主要技術指標

1. 容量

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

   這里盡量選擇接近的芯片來做，比如2114的話占用面積大且對電源要求高，

2. 速度

   • 存取時間：啟動一次存盤器操作到完成此次操作的時間

   • 存盤周期：兩次獨立的存盤器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讀寫周期需要4個clk周期這一點）

     下面的公式應該不會考，了解吧：

     • 存盤器芯片的最小讀出時間：\(t_{cyc}(R)<4T-t_{da}-t_D-T\)

       • T：8086時鐘周期
       • tda：8086的地址總線延時時間
       • tD：各種因素引起的總線附加延時，總線長度、附加邏輯電路、總線驅動器等之和、

       減去一個T是因為工程上的要求，

     • 存盤器芯片的最小寫入時間：\(t_{cyc}(W)<4T-t_{da}-t_D-T\)

3. 存盤帶寬：單位時間傳輸資料容量的大小，

   帶寬（B，MB/s）==存盤器時鐘頻率（F，MHZ）*存盤器資料總線位數（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. 幾種常用存盤器芯片介紹

3.1 SRAM 6264

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

6264有兩個片選信號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根資料線呈現高阻態，與系統總線隔離，
• 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的地址總線結合起來來看，則8086的低13位地址線A12_{A0直接尋址6264內部，這叫片內尋址；而高位地址線A19}A13，片外尋址，也就是決定是1MB的哪一個8KB，引出譯碼作為控制信號，作為片選信號，這一點比較好理解，

注意這里8088沒有奇偶地址的概念，比較簡單，

8086CPU的地址總線，則A1_{A13來片內尋址，A0決定是奇還是偶地址，高位A14}A19片外尋址，

• 如果A0=0，則取出A13~A0的16KB位元組的8K偶位元組，與系統資料總線的低8位相連，
• A0=1，則取出A13~A0的16KB位元組的8K奇位元組，與系統資料總線的高8位相連，

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，資料線也對聯，
• 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片選信號，地址線的高位（接入譯碼電路產生控制信號，再接過來片選，

上述思路是位元組擴展，P198 6.4.2

注意譯碼電路不僅是地址，還有控制信號，比如8088最小方式中有IO/Mfei，表示對存盤器操作，

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

3.2 SRAM：Intel 2114

1K×4bit，有10根地址線，4位資料線，

• CSfei，低電平選中
• WEfei，管理讀寫，低電平寫入存盤器，高電平輸出，

使用2114給8088系統擴充4KB存盤系統：

• 需要8片

• 先兩兩相并位擴展，再串聯位元組擴展，

  

3.4 EPROM 2764

8K×8，所以13根地址線，8根資料線

• CEfei：片選信號
• OEfei：片選有效且低電平，讀出資料（也就是只讀狀態）
• VCC：作業電壓
• VPP：編程電壓輸入，需要查公司型號手冊
• PGMfei：低電平（負脈沖），編程允許引腳

要對2764先擦除后寫入資料：

1. 擦除，

2. OEfei無效，CEfei有效，

3. 不是直接接到地址線和資料線，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加負脈沖，在這個負脈沖期間，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，學了這個可以做編程器了...

2764的正常作業/只讀模式：

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

4. 存盤器擴展設計

4.1 存盤器地址譯碼方法

• 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存盤單元的地址，
• 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系統存盤器擴展

P205 例6.5

• 第一題，簡單，16KB為2的14次方，16進制是4000H，地址范圍就是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）：

     • 需要加入控制信號，表明是對存盤器操作，

     整體設計如下圖所示：

  

  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：用到一點點匯編知識，這里55H和AAH資料圖案檢測，給要檢測的RAM存盤區每個地址單元分別寫入55H(0101_0101)和AAH(1010_1010)，并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: ...
  

  • 資料線粘連故障：檢測思路就是55H和AAH
  • 地址線鏈橋故障：先把存盤器刷成00H，然后向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系統存盤器擴展

擴展原理基本相同，相較于8088，多的是奇偶地址的片選：

• 上圖沒有體現出來的是，A0和BHEfei還要跟相應控制信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的芯片上還應有CE和OE，分別是
  • CEfei：片選信號，
  • OEfei：讀允許
  • WEfei：寫允許

P208 例6.6：

• 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：

• 

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