第2章 半導體存儲器及I/O接口基礎

微型計算機是由CPU、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口電路組成的，計算機的工作依賴于存儲器中的程序和數據；各種外設通過I/O接口（Interface）與系統相連，各種方式下的數據傳送都是在接口的支持下實現的。存儲器和I/O接口電路是微型計算機的重要組成部分。

本章主要讓學生了解半導體存儲器的工作原理、分類、主要性能指標及各類存儲器的特點；了解I/O接口電路的基本概念、基本功能、數據傳輸方式、串行通信的基本概念、中斷的基本概念、定時器/計數器的基本概念。本章是微型計算機存儲器及I/O接口的基礎部分。

2.1 存儲器概述

存儲器（Memory）是計算機的重要組成部分，是用來存儲程序和數據的部件。正是因為有了存儲器，計算機才有信息記憶功能，并把計算機要執行的程序、所要處理的數據以及處理的結果存儲在計算機中，使計算機能自動工作。存儲器系統是微機系統中重要的子系統。隨著CPU速度的不斷提高和軟件規模的不斷擴大，人們當然希望存儲器能同時滿足速度快、容量大、價格低的要求。實際上這一點很難辦到，解決這一問題的較好辦法是：設計一個快慢搭配、具有層次結構的存儲系統。圖2-1顯示了新型計算機系統中的存儲器組織，它呈金字塔形結構。越往上，存儲器的速度越快，CPU的訪問頻率越高，每位的造價越高，系統的容量越小；越往下，容量越大，每位的造價越低，速度也較低。

從圖2-1中可以看出，CPU中的寄存器位于頂端，它的存取速度最快，但數量有限。向下依次為CPU內部的Cache（高速緩沖存儲器）、主板上的Cache（也稱外部Cache，由高速SRAM組成）、主存儲器（由半導體存儲器組成）、輔助存儲器（半導體盤、軟盤、硬盤）和大容量輔助存儲器（光盤、磁帶）。

本章主要介紹構成微型機主存的半導體存儲器的有關問題。

2.1.1 存儲器的基本組成與操作

1．存儲器的基本組成

存儲器由一些能夠表示二進制數0和1狀態的物理器件組成，這些器件本身具有記憶的功能，如電容、雙穩態電路等。這些具有記憶功能的物理器件或者電路就構成了一個基本存儲單元。每個基本存儲單元可以保存1位二進制信息，若干基本存儲器單元構成一個存儲單元，通常一個存儲單元由8個基本存儲單元構成，即一個存儲單元可以存儲8位二進制信息，許多存儲單元組織在一起便構成了存儲器。形象地說，如果把學校的一棟宿舍樓比做存儲器的話，那么宿舍樓中的各個宿舍就是存儲單元，各個宿舍中的每張床就是基本存儲單元。存儲器組成之間的關系如圖2-2所示。

2．存儲器的基本操作

存儲器的操作有兩種：讀操作和寫操作。

讀操作是指從存儲器中讀出信息，不破壞原有存儲器單元中的信息，屬于非破壞性操作。寫操作是把信息寫入（存入）存儲器，寫入的信息將會覆蓋存儲單元中的原有信息，屬于破壞性操作。CPU實現對存儲器的讀/寫，其步驟是首先通過地址選中存儲器單元，然后再對選中的存儲單元進行讀/寫操作。

2.1.2 存儲器的分類及主要指標

1．存儲器的分類

存儲器可以按不同的方法進行分類。

（1）按用途分

按存儲器用途分，可以分成內部存儲器和外部存儲器。

① 內部存儲器：內部存儲器也稱為內存，是主存儲器，位于計算機主機的內部。它用來存放當前正在使用的或經常使用的程序和數據，它由半導體集成電路芯片組成。內存工作速度快，可以直接與CPU交換數據、參與運算。但內存的容量有限，通常為幾十到幾百KB（1K=1024）。

② 外部存儲器：外部存儲器也稱為外存，是輔助存儲器。外存的特點是大容量，所存儲的信息既可以修改，也可以保存，存取速度較慢，要由專用的設備來管理。如磁帶、磁盤、光盤等，一盤磁帶可存儲150KB的信息，一片硬磁盤可存儲數十兆字節的信息。磁帶、磁盤的數量可隨意增加。從這個意義上說，外存儲器的容量無限，但外存的工作速度低，它們不能直接參與計算機的運算，一般情況下外存只與內存成批交換信息。也就是說，外存儲器僅起到擴大計算機存儲容量的作用。在計算機中，外存儲器是外設的組成部分。

本書涉及的存儲器系統設計主要是內存儲器系統設計。

（2）按存儲器性質分

內部存儲器按存儲器性質分類通常分為隨機存取存儲器（RAM，Random Access Memory）和只讀存儲器（ROM，Read Only Memory）兩類。

① RAM：RAM又稱讀寫存儲器，它的數據讀取、存入時間都很短，因此計算機運行時，既可以從RAM中讀數據，又可以將數據寫入RAM。但掉電后RAM中存放的信息將丟失。RAM適宜存放輸入數據、中間結果及最后的運算結果，因此又被稱為數據存儲器。

隨機存儲器有靜態RAM和動態RAM兩種。靜態RAM用觸發器存儲信息，只要不斷電，信息就不會丟失。動態RAM依靠電容存儲信息，充電后為“1”，放電后為“0”。由于集成電路中電容的容量很小，且存在泄漏電流的放電作用，高電平的保持時間只有幾毫秒。為了保存信息，每隔1～2ms必須對高電平的電容重新充電，這稱為動態RAM的定時刷新。動態RAM的集成度高；靜態RAM的集成度低、功耗大，優點是省去了刷新電路。在設計專用的微型計算機系統時，一般只用靜態RAM就可以滿足要求。

② ROM：ROM讀出一個數據的時間為數百納秒，有時也可改寫，但寫入一個數據的時間長達數十毫秒。因此在計算機運行時只能執行讀操作。掉電后ROM中存放的數據不會丟失。ROM適宜存放程序、常數、表格等，因此又稱為程序存儲器。只讀存儲器有以下五類：

掩模ROM：在半導體工廠生產時，已經用掩模技術將程序做入芯片，用戶只能讀出內容而不能改寫。掩模ROM只能應用于有固定程序且批量很大的產品中。

一次可編程只讀存儲器（PROM，Programmable ROM）：用戶可將程序寫入PROM，但程序一經寫入就不能改寫。

紫外線擦除可編程只讀存儲器（EPROM，Erasable PROM）：用戶可將程序寫入EPROM芯片。如果要改寫程序，先用EPROM擦除器，擦去原先的程序，然后寫入新程序。與PROM芯片一樣，寫入的速度很慢，且要用到高壓，所以必須用特定的EPROM編程器寫入信息。在計算機運行時只能執行讀操作。

電擦除可編程只讀存儲器（EEPROM，Electrically Erasable PROM）：由于采用電擦除方式，而且擦除、寫入、讀出的電源都用+5V，故能在應用系統中在線改寫。但目前寫入時間較長，約需10ms，讀出時間約為幾百納秒。

閃爍存儲器（Flash Memory）：快速擦寫存儲器（Flash Memory，簡稱Flash）是20世紀80年代中期推出的新型器件。它可以在聯機條件下，在計算機內進行擦除、改寫，因而稱為快擦寫型存儲器或閃爍存儲器。它具有芯片整體或分區電擦除和可再編程功能，從而使它成為性價比和可靠性最高的可讀寫、非易失性存儲器。主要性能特點如下：

● 高速芯片整體電擦除：芯片整體擦除時間約1s，而一般的EPROM需要15min以上。

● 高速編程：采用快速脈沖編程方法，編程時間短。

● 最少1萬次擦除/編程周期，通常可達到10萬次擦除/編程周期。

● 早期的Flash采用12V編程電壓，改進后在Flash內部集成了1個DC/DC變換器，可以采用單一的5V電壓供電。

● 高速度的存儲器訪問：最大讀出時間不超過200μs。高速Flash的讀出時間達到60μs。

● 低功耗：最大工作電流為30mA，備用狀態下的最大電流為100μA。

● 密度大，價格低，性價比高。

由于Flash的突出性能，因而其發展迅速。Intel公司已決定由Flash來替代EEPROM，不再生產EEPROM。由于它的非易失性和可以長期地反復使用，目前已經廣泛應用于IC卡、單片機系統和其他電子設備中。大容量的Flash也可以“固態盤”的形式代替軟盤或硬盤作為海量存儲器使用。

圖2-3歸納了存儲器的分類情況。

2．存儲器的主要性能指標

衡量半導體存儲器性能的主要指標有存儲容量、存取速度、存儲器周期、功耗、可靠性、價格、電源種類等，其中主要的技術指標是存儲容量和存取速度。

（1）存儲容量

存儲容量是存儲器的一個重要指標。存儲器芯片的存儲容量用“存儲單元個數×每個單元的存儲位數”來表示。如存儲器有256個單元，每個單元存放8位二進制數，那么該存儲器的容量為256×8位。存儲器容量1K=1024=210。對于以字節編址的微型計算機，可以以字節表示容量，如某微型計算機的容量為64KB。

在表示存儲器的容量時，一般是以某一空間范圍來表示的，而空間范圍是由地址線來決定的，即存儲器的容量和存儲器的地址線的寬度（數量）有關。地址的二進制位數N與容量的關系是Q=2N。

如某存儲器芯片有13 條地址線A12～A0，則存儲器容量為8KB，空間表示范圍為0000H～1FFFH。

（2）存取速度

該項指標一般用以下兩個參數中的一個來描述。

① 存取時間（Access Time，TA）：是指從CPU給出有效的存儲地址啟動一次存儲器讀/寫操作，到操作完成所經歷的時間。

具體地說，對一次讀操作的存取時間就是讀出時間，即從地址有效到數據輸出有效之間的時間；對于一次寫操作，存取時間就是寫入時間。

② 存取周期（Access Cycle，TAC）：是指連續兩次存儲器讀/寫操作之間所需要的最小時間間隔。對于讀操作，就是讀周期時間；對于寫操作，就是寫周期時間。因為在一次數據訪問后，芯片不可能無間歇地進入下一次訪問，所以存取周期TAC要略大于存取時間TA。表示上，該參數常表示為讀周期TRC或寫周期TWC，存取時間TAC是其統稱。

（3）功耗

功耗反映了存儲器耗電的多少，同時也相應地反映了它的發熱程度（溫度會限制集成度的提高）。通常要求是功耗小，這對存儲器件的工作穩定性有利。雙極型半導體存儲器功耗高于MOS型存儲器，相應的MOS型存儲器芯片的集成度高于雙極型的。

（4）可靠性

可靠性通常以平均無故障時間（MTBF）來衡量。平均無故障時間可以理解為兩次故障之間的平均時間間隔，即平均無故障時間越長，則可靠性越高。集成存儲芯片一般在出廠時需經過測試，以保證它有很高的可靠性。

（5）性價比

性價比用于衡量存儲器的經濟性能，它是存儲容量、存取速度、可靠性、價格等的一個綜合指標，其中的價格還應包括系統中使用存儲器時而附加的線路的價格。用戶選用存儲器時，應針對具體的用途，側重考慮要滿足某種性能，以利于降低整個系統的價格。例如選用外存儲器要求它有大的存儲容量，但對于存取是否高速則不做要求；Cache要求高的存取速度，但對于其存儲容量則不做過高要求。

2.1.3 存儲器芯片的一般結構及地址結構形式

1．存儲器芯片的一般結構

常用的存儲器由存儲體、地址譯碼器、控制邏輯電路、數據緩沖器4部分組成，如圖2-4所示。

（1）存儲體

存儲體是存儲芯片的主體，它由若干存儲單元組成，每個存儲單元又由若干基本存儲電路組成，每個存儲電路可存放一位二進制信息。通常，一個存儲單元是一個字節，存放8位二進制信息，即以字節來組織。為了區分不同的存儲單元以便于讀/寫操作，每個存儲單元都有一個地址（稱為存儲單元地址），CPU訪問時按地址訪問。為了減少存儲器芯片的封裝引腳和簡化譯碼器的結構，存儲體總是按照二維矩陣的形式來排列存儲單元電路。存儲體內基本存儲單元的排列結構通常有兩種形式：一種是位結構，即每個存儲單元可存放一位二進制信息，其容量表示成N×1位，如1K×1位、4K×1位。另一種排列是字排列，即每個存儲單元可存放多位二進制信息，其容量表示成N×4位或N×8位，如靜態存儲器6116為2×8位，6264為8K×8位。

（2）地址譯碼器

地址譯碼器接收來自CPU的N位地址，經譯碼后產生2N個地址選擇信號，實現對片內存儲單元的選址，即地址譯碼器完成存儲單元的選擇。

（3）控制邏輯電路

控制邏輯電路接收片選信號CS和來自CPU的讀/寫控制信號，形成芯片內部的控制信號，控制數據的讀出和寫入。

（4）數據緩沖器

數據緩沖器用于暫時存放來自CPU的寫入數據或從存儲體內讀出的數據。暫存的目的是為了協調CPU和存儲器之間在速度上的差異。

2．存儲器地址空間的結構形式

存儲器用于存放程序與數據。半導體存儲器由一個個單元組成，每個單元有一個編號（稱為地址），一個單元存放一個8位二進制數（1個字節）。

計算機的存儲器地址空間有兩種結構形式：普林斯頓結構和哈佛結構。圖2-5所示為具有64KB地址的兩種結構圖。

普林斯頓結構的特點是計算機只有一個地址空間，ROM和RAM被安排在這一地址空間的不同區域，一個地址對應唯一的一個存儲器單元，CPU訪問ROM和訪問RAM使用的是相同的指令。8086、奔騰等計算機采用的是普林斯頓結構。

哈佛結構的特點是計算機的ROM和RAM被安排在兩個不同的地址空間，ROM和RAM可以有相同的地址，CPU訪問ROM和訪問RAM使用的是不同的訪問指令。MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構。

2.1.4 堆棧的概念

眾所周知，堆棧是堆放貨物的倉庫。從地面起自下而上堆放的貨物總是“先進后出”的。微型計算機中的堆棧是在隨機存儲器（RAM）中建立的一個特殊區域，是一組按照“先進后出”的方式工作的、用于暫存信息的存儲單元。也就是說，所謂堆棧，是指在存儲器中開辟的一個區域，用來存放需要暫時保存的數據。

1．堆棧的作用

實用程序中，常有主程序與子程序兩大部分。如果在一個程序中需要多次使用某段程序，就把這段程序獨立出來編成子程序，其他部分稱為主程序。在主程序執行過程中需要使用該子程序時，可用調用子程序指令來調用它，待子程序執行完后再返回繼續執行主程序。過程如圖2-6所示。顯然，這樣做可以減少編制程序時的重復工作量，也縮短了程序的長度。

在調用子程序的過程中，要保留斷點地址，有時還要保護現場。所謂斷點地址，就是調用子程序指令的按順序排列的下一條指令的地址，也就是執行調用子程序指令時的程序計數器（PC）的內容。只有保留了斷點地址，才能在子程序執行后保證返回到主程序的斷點處，繼續執行主程序。所謂現場，就是調用子程序前保存在累加器A、工作寄存器及標志寄存器中的信息，這些信息是主程序執行的中間結果。如果在執行子程序的過程中要使用這些寄存器，將會破壞原來的內容。為此，進入子程序后，首先要轉存這些寄存器的內容，這就是保護現場。斷點地址與現場信息是送入堆棧保存的。

在返回主程序前，要把保存在堆棧中的現場信息送回對應的寄存器，這稱為恢復現場。

有時在執行一段子程序的過程中還要調用其他子程序，如圖2-7所示，這稱為子程序嵌套。這種情況下，堆棧不僅需要存放多個斷點地址和多批現場信息，而且為了保證逐次正確返回，要求先存入堆棧中的斷點地址、現場信息后取出來，所以堆棧按照“先進后出”的方式工作。

2．堆棧操作

堆棧有兩種操作方式。將數據送入堆棧稱為推入操作，又稱為壓入操作，如壓入指令

            PUSH    A

執行把累加器A的內容壓入堆棧的操作。把堆棧中內容取出來的操作稱為彈出操作，如彈出指令

            POP     A

執行把棧頂內容送回A的操作。

保護現場和恢復現場是由壓入指令和彈出指令實現的。斷點地址壓入堆棧是執行調用子程序指令時由硬件自動實現的，斷點地址自堆棧中彈出是執行返回主程序指令RET時由硬件自動實現的。

3．堆棧指針

堆棧是由堆棧指針來管理的。堆棧指針（SP，Stack Pointer）是一個專用的地址指針寄存器，它指明棧頂的位置，起著管理堆棧工作的作用。

下面以MCS-51單片機為例，說明堆棧工作過程和SP的作用。

MCS-51單片機的堆棧是建立在片內RAM中。MCS-51片內RAM的容量為128B，其地址為8位二進制數，所以SP是一個8位地址寄存器。在使用堆棧前，首先要確定堆棧在RAM中的位置，這稱為建立堆棧。建立堆棧可用一條傳送指令來實現。例如，執行指令：“MOV SP，#60H”后，(SP)=60H，在圖2-8(a)中，用SP指在60H單元來表示。

由于機器規定SP指在堆棧的頂部，也就是指在最后壓入堆棧的信息的所在單元，所以剛建立堆棧時，盡管60H單元中實際上沒有信息，但認為該單元已有信息存放，堆棧將從60H單元開始向上增長（地址依次增大）。此后，如果執行指令PUSH A，A的內容將存放在61H單元中，同時SP的內容自動加1，即(SP)=61H，如圖2-8(b)所示。繼續執行指令PUSH B后，堆棧的情況如圖2-8(c)所示。彈出指令POP則把堆棧頂的內容送回寄存器或累加器，而且每彈出一個數據，SP的內容自動減1，故SP始終指在堆棧的頂部。

4．注意

堆棧可用于中斷及子程序調用，也可用于數據的暫時保存。在進入中斷服務子程序和子程序調用前，原來CPU中的現行信息（指令指針IP及寄存器中的有關內容）都必須保存，在中斷服務子程序和子程序調用結束返回主程序時，又必須恢復原來保存的信息，這些均由堆棧操作來完成，其中指令指針的入棧和出棧由CPU自動管理，而一些寄存器中內容的保存及返回，需要用戶自己利用指令PUSH、POP來完成。由于堆棧操作的“先進后出”的特點，一定要注意兩點：

① 先進入的內容要后彈出，保證返回寄存器的內容不發生錯誤。如：

            PUSH    A
            PUSH    B
            POP     A
            POP     B

可引起寄存器A、B內容的改變，即A和B的內容發生了交換。

② PUSH和POP的指令要成對，若不匹配的話，會造成返回主程序的地址出錯。如：

            PUSH    A
            PUSH    B
            …
            POP     B
            RET

由于少彈出一組數據，會使CPU返回主程序時，返回地址取出的是原來A中的內容，使整個程序執行出錯。