第6章主存储器.

第6章主存储器本章讲述：6.1半导体存储器的分类6.2读写存储器（RAM）6.3现代RAM6.4只读存储器（ROM）存储器是信息存放的载体，是计算机系统的重要组成部分。有了存储器计算机才有记忆功能，才能把要计算和处理的数据以及程序存入计算机，使计算机能够脱离人的直接干预，自动地工作。显然，存储器的容量越大，存放的信息就越多，计算机系统的功能也就越强。在计算机中，大量的操作是CPU与存储器交换信息。但是，存储器的工作速度相对于CPU总是要低1至2个数量级。因此，存储器的工作速度又是影响计算机系统数据处理速度的主要因素。计算机系统对存储器的要求是容量要大、存取速度要快，但容量大、速度快与成本低是矛盾的，容量大、速度快必然使成本增加。为了使容量、速度与成本适当折衷，现代计算机系统都是采用多级存储体系结构：主存储器(内存储器)、辅助(外)存储器以及网络存储器，如图6-1所示。越靠近CPU的存储器速度越快(存取时间短)而容量也越小。为了使主存储器的速度能与CPU的速度匹配，目前在CPU与主存储器之间还有一层称为高速缓冲存储器(Cache)。Cache容量较小，目前一般为几百千字节(KB)，其工作速度几乎与CPU相当。主存储器（内存条）容量较大，目前一般为128MB或256MB，工作速度比Cache慢。但目前所用的SDRAM、DDRSDRAM和RDRAM性能已有了极大的提高。外存储器容量大，目前一般为几十吉字节(GB)，但工作速度慢。这种多级存储器体系结构，较好地解决了存储容量要大，速度要快而成本又比较合理的矛盾。前两种存储器也称为内存储器，目前主要采用的是半导体存储器。随着大规模集成电路技术的发展，半导体存储器的集成度大大提高，体积急剧减小，成本迅速降低。外部存储器，目前主要是磁介质存储器，其容量迅速提高，现在的主流是几十GB的硬盘；其速度提高很快，成本也急剧下降，使磁介质存储器成为微型计算机的主流外存储器。另外，移动硬盘、只读光盘、可擦除的光盘也迅速发展。6.1半导体存储器的分类半导体存储器从使用功能上划分，可分为两类：读写存储器RAM(RandomAccessMemory)又称为随机存取存储器；只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。RAM主要用来存放各种现场的输入输出数据、中间计算结果、与外存交换的信息以及作为堆栈使用。它的存储单元的内容按照需要既可以读出，也可以写入或改写。而ROM的信息在使用时是不能改变的，也就是不可写入的，它只能读出，故一般用来存放固定的程序，如微型计算机的管理、监控程序，汇编程序等，以及存放各种常数、函数表等。半导体存储器的分类，可用图6-2来表示。6.1.1RAM的种类在RAM中，又可以分为双极型(Bipolar)和MOSRAM两大类。1.双极型RAM的特点存取速度高；集成度较低(与MOS相比)；功耗大；成本高。所以，双极型RAM主要用在速度要求较高的微型计算机中或作为Cache。2.MOSRAM用MOS器件构成的RAM，又可分为静态（Static)RAM(用SRAM表示)和动态(Dynamic)RAM(用DRAM表示)两种。(1)静态RAM的特点①用由6管构成的触发器作为基本存储电路；②集成度高于双极型但低于动态RAM；③不需要刷新，故可省去刷新电路；④功耗比双极型的低，但比动态RAM高；⑤易于用电池作为后备电源(RAM的一个重大问题是当电源去掉后，RAM中的信息就会丢失，为了解决这个问题，就要求当交流电源掉电时，能自动地转换到一个用电池供电的低压后备电源，以保持RAM中的信息)。⑥存取速度较动态RAM快。(2)动态RAM的特点①基本存储电路用单管线路组成(靠电容存储电荷)；②集成度高；③比静态RAM的功耗更低；④价格比静态便宜；⑤因动态存储器靠电容来存储信息，由于总是存在有泄漏电流，故要求刷新(再生)。典型的是要求每隔1ms刷新一遍。6.1.2ROM的种类1.掩模ROM早期的ROM由半导体厂商按照某种固定线路制造的，制造好以后就只能读不能改变。这种ROM适用于批量生产的产品中，成本较低，但不适用于研究工作。2.可编程序的只读存储器PROM(ProgrammableROM)为了便于用户根据自己的需要来写ROM，就发展了一种PROM，可由用户对它进行编程，但这种ROM用户只能写一次，目前已不常用。3.可擦去的可编程只读存储器EPROM(ErasablePROM)为了适应科研工作的需要，希望ROM能根据需要写，也希望能把已经写上去的内容擦去，然后再写，且能改写多次，于是就生产了这种EPROM。只读存储器电路比RAM电路简单，故集成度更高，成本更低。而且有一重大优点就是当电源去掉以后，它的信息是不丢失的。所以，在计算机中尽可能地把一些管理、监控程序(Monitor)，操作系统的基本输入输出程序(BIOS)，汇编程序，以及各种典型的程序(如调试、诊断程序等)放在ROM中。随着应用的发展，ROM也在不断发展，目前常用的还有电可擦除的可编程ROM以及新一代可擦除ROM(如闪烁存储器)等。6.2读写存储器（RAM）6.2.1基本存储电路基本存储电路是组成存储器的基础和核心，它用来存储一位二进制信息：“0”或“1”。在MOS存储器中，基本存储电路分为静态存储电路和动态存储电路两大类。1.六管静态存储电路静态存储电路是由两个增强型的NMOS反相器交叉耦合而成的触发器，如图6-3(a)所示。其中T1、T2为控制管，T3、T4为负载管。这个电路具有两个不同的稳定状态：若T1截止则A=“1”(高电平)，它使T2开启，于是B=“0”(低电平)而B=“0”又保证了T1截止。所以，这种状态是稳定的。同样，T1导电，T2截止的状态也是互相保证而稳定的。因此，可以用这两种不同状态分别表示“1”或“0”。当把触发器作为存储电路时，就要能控制是否被选中。这样，就形成了图6-3(b)所示的六管基本存储电路。当X的译码输出线为高电平时，则T5、T6管导通，A、B端就与位线D0和D0#相连；当这个电路被选中时，相应的Y译码输出也是高电平，故T7、T8管(它们是一列公用的)也是导通的，于是D0和D0#(这是存储器内部的位线)就与输入输出电路I/O及I/O#(这是指存储器外部的数据线)相通。当写入时，写入信号自I/O和I/O#线输入，如要写“1”则I/O线为“1”，而I/O#线为“0”。它们通过T7、T8管以及T5、T6管分别与A端和B端相连，使A=“1”，B=“0”，就强迫T2管导通，T1管截止，相当于把输入电荷存储于T1和T2管的栅极。当输入信号以及地址选择信号消失后，T5、T6、T7、T8都截止，由于存储单元有电源和两负载管，可以不断地向栅极补充电荷，所以靠两个反相器的交叉控制，只要不掉电就能保持写入的信号“1”，而不用再生(刷新)。若要写入“0”，则I/O线为“0”，而I/O#线为“1”，使T1导通，而T2截止，同样写入的“0”信号也可以保持住，一直到写入新的信号为止。在读出时，只要某一电路被选中，相应的T5、T6导通，A点和B点与位线D0和D0#相通，且T7、T8也导通，故存储电路的信号被送至I/O与I/O#线上。读出时可以把I/O与I/O#线接到一个差动放大器，由其电流方向即可判定存储单元的信息是“1”还是“0”；也可以只有一个输出端接到外部，以其有无电流通过而判定所存储的信息。这种存储电路，它的读出是非破坏性的，即信息在读出后仍保留在存储电路内。2.单管存储电路单管存储电路如图6-4所示。它是由一个管子T1和一个电容C构成。写入时，字选择线为“1”，T1管导通，写入信号由位线(数据线)存入电容C中；在读出时，选择线为“1”，存储在电容C上的电荷，通过T1输出到数据线上，通过读出放大器即可得到存储信息。为了节省面积，这种单管存储电路的电容不可能做得很大，一般都比数据线上的分布电容Cd小，因此，每次读出后，存储内容就被破坏，要保存原先的信息必须采取恢复措施。6.2.2RAM的结构一个基本存储电路表示一个二进制位，目前微型计算机的通常容量为128MB或256MB，故需要128M×8或256M×8个基本存储电路，因而存储器是由大量的存储电路组成的。这些存储电路必须有规则地组合起来，这就是存储体。为了区别不同的存储单元，就给它们各起一个号——地址。所以，我们是以地址号来选择不同的存储单元的。于是，在电路中就要有地址寄存器和地址译码器用来选择所需要的单元。另外，选择时往往还要有驱动电路，读出的信息还要有放大等。总之，在存储器中除了存储体外，还要有相应的外围电路。一个典型的RAM的示意图如图6-5所示。1.存储体在较大容量的存储器中，往往把各个字的同一位组织在一个片中。例如图6-5中的1024×1位，它是1024个字的同一位；4096×1位，则是4096个字的同一位。由这样的8个芯片则可组成1024×8位或4096×8位存储体。同一位的这些字通常排成矩阵的形式。如32×32=1024，或64×64=4096。由X选择线——行线和Y选择线——列线的重叠来选择所需要的存储单元。这样做可以节省译码和驱动电路。就拿1024×1位来说，若不采用矩阵的办法，则译码输出线就需要有1024条；在采用X、Y译码驱动时，则只需要32+32=64条。如果存储容量较小，也可把RAM芯片的单元阵列直接排成所需要位数的形式。这时每一条X选择线代表一个字，而每一条Y线代表字中的一位，所以习惯上就把X选择线称为字线，而Y选择线称为位线。2.外围电路一个存储器除了由基本存储电路构成的存储体外，还有许多外围电路，通常有：(1)地址译码器存储单元是按地址来选择的，如内存为64KB，则地址信息为16位(216=64K)，CPU要选择某一单元就在地址总线上输出此单元的地址信号给存储器，存储器就必须对地址信号经过译码，用以选择需要访问的单元。(2)I/O电路它处于数据总线和被选用的单元之间，用以控制被选中的单元的读出或写入，并具有放大信息的作用。(3)片选控制端CS#(ChipSelect)目前每一片的存储容量终究还是有限的，所以，一个存储体总还是要由一定数量的芯片组成。在地址选择时，首先要选片，用地址译码器输出和一些控制信号(如IO/M#)形成选片信号，只有当CS#有效选中某一片时，此片所连的地址线才有效，才能对这一片上的存储单元进行读或写的操作。(4)集电极开路或三态输出缓冲器为了扩展存储器的字数，常需将几片RAM的数据线并联使用；或与双向的数据总线相接。这就需要用到集电极开路或三态输出缓冲器。此外，在有些RAM中为了节省功耗，采用浮动电源控制电路，对未选中的单元降低电源电压，使其还能维持信息，这样可降低平均功耗；在动态MOSRAM中，还有预充、刷新等方面的控制电路。3.地址译码的方式地址译码有两种方式：一种是单译码方式或称字结构，适用于小容量存储器中；另一种是双译码，或称复合译码结构。(1)单译码方式在单译码结构中，字线选择某个字的所有位，图6-6是一种单译码结构的存储器，它是一个16字4位的存储器，共有64个基本电路。把它排成16行×4列，每一行对应一个字，每一列对应其中的一位。所以，每一行(四个基本电路)的选择线是公共的；每一列(16个电路)的数据线也是公共的。存储电路可采用上述的六管静态存储电路。数据线通过读、写控制电路与数据输入(即写入)端或数据输出(即输出)端相连，根据读、写控制信号，对被选中的单元进行读出或写入。因是16个字，故地址译码器输入线四根A0、A1、A2、A3，可以给出24=16个状态，分别控制16条字选择线。若地址信息为0000，则选中第一条字线；若地址信息为1111，则选中第16条字线。(2)双译码方式采用双译码方式，可以减少选择线的数目。在双译码结构中，地址译码器分成两个。若每一个有n/2个输入端，它可以有2n/2个输出状态，两个地址译码器就共有2n/2×2n/2=2n个输出状态。而译码输出线却只有2n/2+2n/2=2×2n/2根。若n=10，双译码的输出状态为210=1024个，而译码线却只要2×25=64根。但在单译码结构中却