第5章内存储器系统

1张向东计算机科学与技术系第5章内存储器与接口25.1存储器概述存储器是计算机系统中具有记忆功能的部件，它是由大量的记忆单元(或称基本的存储电路)组成的,用来存放用二进制数表示的程序和数据。3记忆单元是一种能表示二进制“0”和“1”的状态并具有记忆功能的物理器件，如电容、双稳态电路等。一个记忆单元能够存储二进制的一位。由若干记忆单元组成一个存储单元、一个存储单元能存储一个字，字有4位、8位、16位等称之为字长，字长为8时，称一个字节。4存储器操作：读操作，非破坏性。写操作，破坏性。存储器的职能：信息交换中心。数据仓库。55.1.1存储器分类1.内存储器(内存或主存)功能：存储当前运行所需的程序和数据。特点：CPU可以直接访问并与其交换信息，容量小，存取速度快。62.外存储器(外存)功能：存储当前不参加运行的程序和数据。特点：CPU不能直接访问，配备专门设备才能进行交换信息，容量大，存取速度慢。7目前，存储器使用的存储介质有半导体器件，磁性材料，光盘等。一般把半导体存储器芯片作为内存。由于半导体存储器具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，在此我们只讨论半导体存储器。8半导体存储器静态随机SRAM动态随机DRAM一次性编程PROM可擦除EPROM紫外光擦除UREPROM电擦除EEPROM读写存储器RAM只读存储器ROM双极型MOS掩膜ROM可编程ROM图5.2半导体存储器分类95.1.2半导体存储器的组成半导体存储器由地址寄存器，译码电路、存储体、读/写控制电路、数据寄存器、控制逻辑等6个部分组成。AB地址寄存器MAR地址译码器存储体M读写驱动器数据寄存器MDRDB……控制逻辑启动片选读/写图5.3存储器的基本组成101.存储体基本存储电路是组成存储器的基础和核心，它用于存放一位二进制信息“0”或“1”。若干记忆单元（或称基本存储电路）组成一个存储单元，一个存储单元一般存储一个字节，即存放8位二进制信息，存储体是存储单元的集合体。2.译码驱动电路该电路实际上包含译码器和驱动器两部分。译码器的功能是实现多选1，即对于某一个输入的地址码，N个输出线上有唯一一个高电平（或低电平）与之对应。11常用的地址译码有两种方式，即单译码和双译码方式。(1)单译码方式单译码方式是一个“N中取1”的译码器，如图5.4所示。译码器输出驱动N根字线中的一根，每根字线由M位组成。若某根字线被选中，则对应此线上的M位信号便同时被读出或写入，经输出缓冲放大器输出或输入一个M位的字。12Ap-1Ap-2A1A0N取1译码器基本存储电路p个输入M位位线D0D1DM－1N根字线N=2p个地址W0W1…………选中的字线输出M位Wn-1输出缓冲放大器图5.4单译码寻址示意图13(2)双译码方式双译码方式采用的是两级译码电路。当字选择线的根数N很大时，N=2p中的p必然也大，这时可将p分成两部分，如：N=2p=2q+r=2q×2r=X×Y，这样便将对N的译码分别由X译码和Y译码两部分完成。14A0A1A2A3A4X0X31...W0,0W31,0W0,31Y0Y31基本存储电路R/W控制Y(列)地址译码及I/O控制数据输入数据输出A5A6A7A8A9…X(行)地址译码器图5.5双译码结构示意图W31,3115单译码方式主要用于容量小的存储器，双译码方式可大大减少译码输出选择线的数目，适用于大容量的存储器。163.地址寄存器用于存放CPU访问存储单元的地址，经译码驱动后指向相应的存储单元。4.读/写电路包括读出放大器、写入电路和读/写控制电路，用以完成对被选中单元中各位的读出或写入操作。175.数据寄存器用于暂时存放从存储单元读出的数据，或从CPU或I/O端口送出的要写入存储器的数据。6.控制逻辑接收来自CPU的启动、片选、读/写及清除命令，经控制电路综合和处理后，产生一组时序信号来控制存储器的读/写操作。185.1.3半导体存储器芯片的主要技术指标1.存储容量（存放二进制信息的总位数）存储容量=存储单元个数×每个存储单元的位数常用单位：KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB其中：1kB=210B1M=210kB=220B1GB=210MB=230B1TB=210GB=240B1PB=TB=B1EB=PB=B1ZB=EB=B1YB=ZB=B10210210250260270210280219内存中的字节202.存取时间存取时间又称存储器访问时间。指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间tA。3.存取周期存取周期是连续启动两次独立的存储器操作所需的最小的时间间隔TC，一般TC≥tA。214.可靠性可靠性指存储器对电磁场及温度等变化的抗干扰能力。5.其他指标体积、重量、功耗(包括维持功耗和操作功耗)。225.2随机存取存储器RAM5.2.1静态随机存储器SRAM图5.6为6个MOS管组成的双稳态电路。23图5.6六管静态RAM基本存储电路Y地址译码VccV7I/OV8I/OV3V4V5V2V6AV1BDiDiX地址译码图中V1V2是工作管，V3V4是负载管，V5V6是控制管，V7V8也是控制管，它们为同一列线上的存储单元共用。24特点：(1)不需要刷新，简化外围电路。(2)内部管子较多，功耗大，集成度低。25DRAM的基本存储电路(存储单元)有单管和四管等结构，这里仅介绍单管存储单元的结构及存储原理。5.2.2动态随机存储器DRAM26刷新放大器数据I/O线T1CS行选择信号图5.9单管DRAM基本存储元电路T2列选择信号图5.9为单管动态RAM的基本存储电路，由MOS晶体管和一个电容CS组成。27特点：(1)每次读出后，内容被破坏，要采取恢复措施，即需要刷新，外围电路复杂。(2)集成度高，功耗低。28典型的动态RAM芯片一种典型的DRAM如Intel2164。2164是64K×1位的DRAM芯片，片内含有64K个存储单元，所以，需要16位地址线寻址。为了减少地址线引脚数目，采用行和列两部分地址线各8条，内部设有行、列地址锁存器。利用外接多路开关，先由行选通信号RAS选通8位行地址并锁存。随后由列选通信号CAS选通8位列地址并锁存，16位地址可选中64K存储单元中的任何一个单元。29图5.10(a)Intel2164DRAM芯片引脚图GNDDinA7A5A4A3A6DoutVCCA0A1A2NC216411689WERASCASA0~A7：地址输入CAS：列地址选通RAS：行地址选通WE：写允许Din：数据输入Dout：数据输出Vcc：电源GND：地30图5.10(b)Intel2164DRAM内部结构框图DoutWEDinCASRASA7…A1A08位地址锁存器128×128矩阵128个读出放大器1/2列译码128个读出放大器128×128矩阵128×128矩阵128个读出放大器1/2列译码128个读出放大器128×128矩阵4选1I/O门控输出缓冲器行时钟缓冲器列时钟缓冲器写允许时钟缓冲器数据输入缓冲器31包含：(1)存储体(2)外围电路①地址译码器②读/写控制及I/O电路③片选控制CS5.2.3RAM的组成32课堂练习与思考：1．在下列存储器中，允许随机访问的存储器是（）。（A）磁带（B）磁盘（C）磁鼓（D）半导体存储器2．在下列存储器中，（）存取时间长短与信息所在的位置有关。（A）主存（B）高速缓存（C）磁带（D）固存3．静态RAM的特点是（）。（A）写入的信息静止不变（B）在你停电的情况下,信息能长期保持不变（C）只读不写，因而信息不再变化（D）停电后，信息仍能长久保持不变DCA4.CPU可直接访问的存储器是（）。（A）主存（B）辅存（C）磁盘（D）磁带A335．在存储系统的层次结构中，CPU可直接访问的存储器是()和()。6.六管静态MOS存储单元是依靠()存储信息。7、RAM是一种()性的存储器，其中的信息断电以后将()。8．若地址码8位，按字节编址则访问空间可达()。若地址码10位，则访存空间可达()。若地址码14位，则访存空间可达()。若地址码20位，则访存空间可达()。Cache主存双稳态触发器256B1024B16KB1MB填空题易失丢失345.3只读存储器(ROM)ROM主要由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和输出电路四部分组成（如图4.11所示），与RAM不同之处是ROM在使用时只能读出，不能随机写入。35输出电路Y译码存储矩阵X译码控制逻辑地址码···D7D0它包含有(1)地址译码器(2)存储矩阵(3)控制逻辑(4)输出电路图5.11ROM组成框图365.3.1掩膜ROM特点：(1)器件制造厂在制造时编制程序,用户不能修改。(2)用于产品批量生产。(3)可由二极管和三极管电路组成。371.字译码结构图5.12为二极管构成的4×4位的存储矩阵，地址译码采用单译码方式，它通过对所选定的某字线置成低电平来选择读取的字。位于矩阵交叉点并与位线和被选字线相连的二极管导通，使该位线上输出电位为低电平，结果输出为“0”，否则为“1”。38RRRRVCC1234字线位4位3位2位1输出数据位图5.12二极管ROM二极管ROM阵列4321位字1234000000110101101039用MOS三极管取代二极管便构成了MOSROM阵列字线1字线2字线3字线4字地址译码器VDDD4D3D2D1A1A000011011位线1位线2位线3位线44321位字12340010110111100100D4D3D2D1图5.13MOS管ROM阵列40从二极管ROM和MOSROM的介绍可知，这种存储矩阵的内容完全取决于芯片制造过程，而一旦制造好以后，用户是无法变更的。412.双极型ROM电路双极型ROM的速度比MOSROM快，它的取数时间约为几十ns，可用于速度要求较高的微机系统中。图4.15是一种双极型ROM的结构图，容量为256×4位。42图5.15一种双极型ROM的结构图X地址译码器Y译码Y译码Y译码Y译码四位寄存器DQCLK32线32×32矩阵读取脉冲三态门基本ROM部分读取控制部分D3D2D1D043存储单元的工作原理仍为当某一行被选中时，连到存储管子的基极信号为“1”，各列若有管子与此选择线相连，则管子导通，输出为“0”，在输出电路中经过反相，实际输出为“1”；若没有管子与此选择线相连，则存储矩阵输出为“1”，经过输出电路反相，输出为“0”。445.3.2可编程ROM(PROM)可编程ROM（PROM）是一种允许用户编程一次的ROM，其存储单元通常用二极管或三极管实现。图4.16所示存储单元的双极型三极管的发射极串接了一个可熔金属丝，出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断，不可能再恢复，故只能进行一次编程。45图5.16熔丝式PROM的基本存储结构字选线位线～46特点：(1)出厂时里面没有信息。(2)用户根据自己需要对其进行设置(编程)。(3)只能使用一次，一旦进行了编程不能擦除片内信息。475.3.3可擦除、可编程ROM（EPROM）在实际工作中，一个新设计的程序往往需要经历调试、修改过程，如果将这个程序写在ROM和PROM中，就很不方便了。EPROM是一种可以多次进行擦除和重写的ROM。48图5.17EPROM的基本存储电路和FAMOS结构PPSDSIO2SIO2+++N基底源极漏极多晶硅浮置栅(a)EPROM的基本存储结构(b)浮置栅雪崩注入型场效应管结构49特点：(1)可以多次修改擦除。(2)EPROM通过紫外线光源擦除(编程后，窗口应贴上不透光胶纸)。(3)E2PROM电可擦除。50典型的EPROM芯片常用的典型EPROM芯片有：2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。51Intel-2764芯片是一块8K×8bit的EPROM芯片，如图所示：数据输出...