5存储器及其接口

1微型计算机原理及其应用——第五章：存储器及其接口合肥工业大学计算机与信息学院2第五章：存储器及其接口1.概述2.只读存储器ROM3.随机存储器RAM4.存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接5.典型的半导体芯片举例3第五章：存储器及其接口1.概述2.只读存储器ROM3.随机存储器RAM4.存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接5.典型的半导体芯片举例4第五章：存储器及其接口——概述存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。5第五章：存储器及其接口——概述6第五章：存储器及其接口——概述存储器的分类按存储介质分类——磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类——随机存储器(内存和硬盘)、顺序存储器(磁带)。按存储器的读写功能分类——只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)。按信息的可保存性分类——非永久记忆的存储器、永久性记忆的存储器。按在计算机系统中的作用分类——主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。7第五章：存储器及其接口——概述存储器的性能指标存储器系统的三项主要性能指标是【容量】、【速度】和【可靠性】。存储容量：是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存取速度：直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器可靠性：也是存储器系统的重要性能指标。通常用平均故障间隔时间来衡量。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。8第五章：存储器及其接口——概述微机系统存储体结构9第五章：存储器及其接口——概述存储器的分类10第五章：存储器及其接口——概述半导体存储器什么叫半导体？导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体．例如：锗、硅、砷化镓等．半导体在科学技术，工农业生产和生活中有着广泛的应用．（例如：电视、半导体收音机、电子计算机等）半导体的一些电学特性：①压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化．用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化．②热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小．用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化．11第五章：存储器及其接口——概述半导体存储器的分类半导体存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlashROM12第五章：存储器及其接口1.概述2.只读存储器ROM3.随机存储器RAM4.存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接5.典型的半导体芯片举例13第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM只读存储器(ReadOnlyMemory,ROM)：内容只可读出不可写入，最大优点是所存信息可长期保存，断电时，ROM中的信息不会消失。主要用于存放固定的程序和数据，通常用它存放引导装入程序。半导体存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlashROM14第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM掩膜ROM在出厂前由芯片厂家将程序写到rom里，以后永远不能修改。如图是一个简单的4×4位的MOSROM存储阵列，两位地址输入，经译码后，输出四条字选择线，每条字选择线选中一个字，此时位线的输出即为这个字的每一位。此时，若有管子与其相连（如位线1和位线4），则相应的MOS管就导通，输出低电平，表示逻辑“0”；否则（如位线2和位线3）输出高电平，表示逻辑“1”。(0110、0101、1010、0000)15第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM可编程的ROM(Programmable-ROM，PROM)掩模ROM的存储单元在生产完成之后，其所保存的信息就已经固定下来了，这给使用者带来了不便。为了解决这个矛盾，设计制造了一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件，即可编程的ROM，又称为PROM。PROM的类型有多种，如二极管破坏型PROM存储器，在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结，字线与位线之间不导通，此时，意味着该存储器中所有的存储内容均为“1”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位就意味着写入了“1”。读出的操作同掩模ROM。除此之外，还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入电路产生脉冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。对PROM来讲，这个写入的过程称之为固化程序。由于击穿的二极管不能再正常工作，烧断后的熔丝不能再接上，所以这种ROM器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。16第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM可擦除可编程ROM(ErasableProgrammableROM,EPROM)EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。一般擦除信息需用紫外线照射l5~20分钟。17第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM电可擦除可编程ROM(ElectronicErasibleProgrammableROM,EEPROM)EEPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压(12—24V，随不同的芯片型号而定)。EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。借助于EPROM芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至“OFF”的位置，防止病毒对BIOS芯片的非法修改。18第五章：存储器及其接口——只读存储器ROM快擦型存储器(FlashMemory)快擦型存储器是不用电池供电的、高速耐用的非易失性半导体存储器，它以性能好、功耗低、体积小、重量轻等特点活跃于便携机存储器市场。快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。快擦型存储器有5V或12V两种供电方式。对于便携机来讲，用5V电源更为合适。快擦型存储器操作简便，编程、擦除、校验等工作均已编成程序，可由配有快擦型存储器系统的中央处理机予以控制。快擦型存储器可替代EEPROM，在某些应用场合还可取代SRAM，尤其是对于需要配备电池后援的SRAM系统，使用快擦型存储器后可省去电池。快擦型存储器的非易失性和快速读取的特点，能满足固态盘驱动器的要求，同时，可替代便携机中的ROM，以便随时写入最新版本的操作系统。快擦型存储器还可应用于激光打印机、条形码阅读器、各种仪器设备以及计算机的外部设备中。19第五章：存储器及其接口1.概述2.只读存储器ROM3.随机存储器RAM4.存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接5.典型的半导体芯片举例20第五章：存储器及其接口——随机存储器RAM随机存储器(RandomAccessMemory,RAM)：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读／写操作。半导体存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlashROM21第五章：存储器及其接口——随机存储器RAM静态随机存储器(StaticRAM,SRAM)SRAM其存储电路是以双稳态触发器为基础，只要不掉电，信息永不会丢失，不需要刷新电路。SRAM的主要性能是：存取速度快、功耗较大、容量较小。它一般适用于构成高速缓冲存储器（Cache）。VCC(+5V)T3T2T1T4VCCT3T1T4T2X地址译码线ABD0D0T5T6T7T8(I/O)I/O接Y地址译码器AB22第五章：存储器及其接口——随机存储器RAM动态随机存储器(DynamicRAM,DRAM)DRAM是依靠电容来存储信息，电路简单集成度高，但电容漏电，信息会丢失，故需要专用电路定期进行刷新。DRAM的主要性能是：容量大、功耗较小、速度较慢。它被广泛地用作内存贮器的芯片。23第五章：存储器及其接口1.概述2.只读存储器ROM3.随机存储器RAM4.存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接5.典型的半导体芯片举例24第五章：存储器及其接口——存储器芯片的扩展与连接存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。1.基本存储单元：一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。2.存储体：一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。3.地址译码器：由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读/写操作。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。单译码：单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。双译码：双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号，行列选择线交叉处即为所选中的单元。25第五章：存储器及其接口——存储器芯片的扩展与连接存储器的系统结构4.片选与读/写控制电路：片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读/写操作。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。5.I/O电路：I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。6.集电极开路或三态输出缓冲器：为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。7.其它外围电路：对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。26第五章：存储器及其接口——存储器芯片的扩展与连接存储器的系统结构CPU时序/控制控制信号存储体MB读写驱动器MDR地址译码器MARN位数据总线M位地址总线27第五章：存储器及其接口——存储器芯片的扩展与连接存储器的系统结构32×32=1024存储单元驱动器X译码器地址反向器I/O电路Y译码器地址反向器控制电路输出驱动12321232输入输出321231读/写选片1A0A2A3A4A5A6A7A8A9A32123128第五章：存储器及其接口——存储器芯片的扩展与连接基本存储器芯片模型在微型系统中，CPU对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读/写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括(1