微机原理与接口技术 第5章 半导体存储器及其接口

第5章半导体存储器及其接口存储器是计算机系统中的记忆装置，用于存放程序和数据。在“存储程序”结构的计算机中，存储器是必不可少的、最重要的组成部件之一。本章介绍微型计算机的主存储器，包括主存储器（半导体存储器）的存储原理、芯片结构、存储容量扩展方法、与CPU的接口技术及PC系列微型计算机的主存储器组织方法。2020年1月19日第1页主要内容:5.1存储器概述5.2半导体存储器基本知识5.3微型计算机系统主存储器组织2020年1月19日第2页5.1存储器概述5.1.1存储器的分类1．按存储介质分类–磁表面存储器：用作辅助存储器；–半导体存储器：用作微型计算机系统的主存储器；–光介质存储器：用作辅助存储器；2020年1月19日第3页半导体存储器的分类存取方式内部结构或者工作方式特点用途随机读/写存储器SRAM存取速度很快，不掉电数据不会自动消随机地对任意一个存储单元进行访问，主要用作计算机系统的主存储器。DRAM定期刷新，否则信息会在一定的时间内自动消失。只读存储器PROM程序写入PROM后，就不可以再修改。永久保存数据，只能读不能写入。EROM紫外光照射擦除ROM中的内容，可重新写入新的程序。EEPROM使用电信号擦除内容，重新写入FM快速擦除2020年1月19日第4页按照信息的存取方式分类：半导体存储器的分类2020年1月19日第5页按存储器件的原理分类：单极型存储器：特点是集成度高，功耗低，价格便宜。双极型存储器：特点是速度快，功耗较大，但集成度较低，价格高。5.1存储器概述5.1.1存储器的分类2．按信息的可保存性分类–易失性存储器：断电后信息将消失的存储器，如RAM。–非易失性存储器：断电后仍然能够保持信息的存储器，如辅助存储器，ROM等。2020年1月19日第6页5.1存储器概述5.1.1存储器的分类3．按在计算机系统中的作用分类–主存储器：主存储器又称为内部存储器，主要用来存放当前正在使用或者经常使用的程序和数据–辅助存储器。辅助存储器又称为外部存储器，主要用来存放当前暂时不参加运算的程序和数据。–高速缓冲存储器（Cache）。主要由双极型半导体存储器构成，速度快。为了弥合主存和CPU的速度上的较大差别而设置。2020年1月19日第7页计算机系统的存储器的分类2020年1月19日第8页图5-1计算机系统中的存储器分类5.1存储器概述5.1.2存储器的主要性能指标1.存储容量存储容量是存储器能够存储的二进制信息的数量。2.存储器存取时间和存取速度存储器存取时间又称为存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，也可以称为读/写时间，对于内存和外存其具体定义有很大的差异。3.价格/位常用每字节成本或每兆字节成本表示，即C＝价格/容量。2020年1月19日第9页5.1存储器概述5.1.3存储系统的概念由n（n≥2）个速度、容量、价格各不相同的存储器组成由硬件或软件进行辅助管理的系统称为存储系统。2020年1月19日第10页5.1存储器概述5.1.3存储系统的概念图中，Mi（i=1，2，…，n）代表存储体i；Ti（i=2，…，n）代表存储体i的速度，用访问时间来表示；Si（i=1，2，…，n）代表存储体i的容量，用MB或GB表示；Ci（i=1，2，…，n）代表存储体i的价格，用每位的价格来表示。2020年1月19日第11页M1（T1,S1,C1）M2（T2,S2,C2）Mn（Tn,Sn,Cn）从外部看Tmin(T1,T2,…,Tn)，用访问时间表示Smax(S1,S2,…,Sn)，用MB或GB表示Cmin(C1,C2,…,Cn)，用单位容量的价格表示5.1存储器概述5.1.3存储系统的概念2020年1月19日第12页Cache主存辅存图5-3微型计算机存储器的三级结构5.2半导体存储器的基本知识5.2.1半导体存储器的特点速度快，存取时间可达到纳秒（ns）级。高度集成化，不仅存储单元所占的空间小，而且译码电路和数据缓冲寄存器以及存储单元都集成在一个芯片中，体积特别小。功耗低，一般为几十毫瓦（mW）。2020年1月19日第13页5.2半导体存储器的基本知识5.2.2半导体存储器的工作原理1.SRAM的存储原理SRAM的基本存储电路是六管组成的双稳态电路。2020年1月19日第14页WVT3VT5VT1AVCCZVT4BVT2VT6W图5-4六管组成的双稳态电路5.2半导体存储器的基本知识5.2.2半导体存储器的工作原理2.DRAM的存储原理2020年1月19日第15页VT1VT2行选择信号刷新放大器列选择信号数据I/O线C图5-5单管动态存储器的基本存储电路5.2半导体存储器的基本知识5.2.2半导体存储器的工作原理3.掩模ROM的存储原理2020年1月19日第16页A0A1A2译码器R0R1R2R3R4R5R6R7RRRRD3D2D1D0E图5-68×4MROM集成电路芯片的内部电路原理图5.2半导体存储器的基本知识5.2.2半导体存储器的工作原理4.PROM的存储原理2020年1月19日第17页字选线VCC位线熔丝图5-7熔丝式PROM存储器的基本存储电路5.2半导体存储器的基本知识5.2.2半导体存储器的工作原理5.EPROM的存储原理2020年1月19日第18页浮栅行线位线输出SSiO2S+++P+P+N衬底浮栅管D位线VCC图5-8EPROM的基本电路5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构2020年1月19日第19页AB地址锁存器地址译码和驱动电路存储体读/写操作控制逻辑数据输入/输出控制电路CB图5-9半导体存储器芯片的基本结构5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构1.存储体存储体是存储单元的集合，而存储单元又由若干有序排列的存储元组成，每一个存储元存储一位二进制信息，它是构成存储器的最小单位。根据存储体的结构特点，可以把存储器芯片分为位片结构和字片结构两种类型。2020年1月19日第20页5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构2.地址锁存地址锁存器的作用是保存CPU输入的地址信息，以等待译码电路选择存储单元。2020年1月19日第21页5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构3.地址译码驱动电路地址译码驱动电路包括译码器和驱动器两部分。译码器将地址锁存器输入的地址码转换成译码器输出线上相应的有效电平，表示选中了某一存储单元，并由驱动器提供驱动电流去驱动相应的读/写电路，完成被选中单元的读/写操作。译码驱动方式分为一维地址译码和二维地址译码两种。2020年1月19日第22页5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构4.数据输入/输出电路数据输入/输出电路包括读出放大器、写入电路和读/写控制电路，用以完成被选中存储单元中各位的读出和写入操作。2020年1月19日第23页5.2半导体存储器的基本知识5.2.3半导体存储器芯片的基本结构5.读/写操作控制逻辑控制逻辑接收CPU送来的启动、读、写及清除命令，经控制电路处理后，由控制逻辑产生一组时序信号来控制存储器的读出和写入操作。2020年1月19日第24页5.2半导体存储器的基本知识5.2.4典型芯片1.SRAM存储芯片——Intel2114Intel2114是一种1K×4bit的SRAM存储器芯片，其最基本的存储元是六管存储电路；该存储芯片有1024个存储单元，每单元4位，也就是字长为4位。采用三态控制。2020年1月19日第25页2020年1月19日第26页SRAM存储芯片—Intel2114VCCGNDA3A4A5A6A7A8I/O1I/O2I/O3I/O4输入数据控制行选择6464存储矩阵列I/O电路列选择A0A2A1A9A6A5A4A3A0A1A2GNDVccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4123456789181716151413121110引脚图（b）Intel2114的外部引脚（a）Intel2114的内部结构图5-10Intel2114的内部结构和外部引脚5.2半导体存储器的基本知识5.2.4典型芯片2.SRAM存储芯片——Intel62646264是容量为8K×8bit的低功耗CMOSSRAM。采用单一+5V电源供电，输入/输出电平与TTL电平兼容，最大存取时间为200ns。2020年1月19日第27页2020年1月19日第28页6264芯片A0A1A2A10Y译码存储体存储体控制逻辑X译码A3A9A11A12……I/O缓冲D0～D7VCCCS2A8A9A10A112728262524232221201918171615D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND21345678910111213146264…WE1CSOE（b）外部引脚图（a）内部结构图5-116264的内部结构和外部引脚5.2半导体存储器的基本知识5.2.4典型芯片3.DRAM存储芯片——Intel4164芯片Intel4164是一种64K×1bit的DRAM存储器芯片，它的基本存储元采用单管存储电路。2020年1月19日第29页2020年1月19日第30页DRAM存储芯片—Intel4164芯片（a）Intel4164的内部结构（b）Intel4164的外部引脚图5-12Intel4164的内部结构和外部引脚5.2半导体存储器的基本知识5.2.4典型芯片4.EPROM存储芯片——Intel2716芯片Intel2716是2K×8bit的EPROM存储器芯片，采用双列直插式封装，共有24个外部引脚，其最基本的存储元，采用HMOS管。2020年1月19日第31页2020年1月19日第32页EPROM存储芯片——Intel2716芯片OECEOEGNDVCCGMDVPPO0～O7数据输出输出缓冲Y门16Kbit存储矩阵输出允许片选和编程逻辑Y译码X译码……A0～A10地址输入O2O1O0A0A1A2A3A4A5A6A7111098765432112141516171819202122232413O4O5O6O7A10VPPA9A8VCCO3图5-13Intel2716存储器芯片的内部结构框图及外部引脚5.3微型计算机的主存储器组织5.3.1存储器的扩展技术1.存储器容量的扩展根据存储器所要求的容量和我们选定的存储芯片的容量，就可以计算出总的芯片数，即：总片数=总容量/单个芯片容量例如:存储器容量为8K×8bit，若选用2114芯片(1K×4bit)，则需要(8K×8bit)/(1K×4bit)=16(片)存储器扩展技术有位扩展、字扩展和位字同时扩展三种。2020年1月19日第33页位扩展位扩展指只在位数方向扩展（加大字长），而芯片的字数和存储器的字数是一致的。位扩展的连接方式是将各存储芯片的地址线、片选线和读/写线相应地并联起来，而将各芯片的数据线单独列出。例如：用64K×1bit的DRAM芯片组成64K×8bit的存储器，所需芯片数为:(64K×8bit)/(64K×1bit)=8(片)2020年1月19日第34页位扩展2020年1月19日第35页CSWECSWEWECSA08A07A06A05A04A03A02A01A15I/O64K×1bitI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OA15～A0D7～D0等效为64K×8bit芯片组D0D7数据总线地址总线A0A15图5-14位扩展连接举例字扩展字扩展是指仅在字数方向扩展，而位数不变。字扩展将芯片的地址线、数据线、读/写线并联。由片选信号来区分各个芯片。如用l6K×8bit的SRAM组成64K×8bit的存储器，所需芯片数为：(64K×8bit)/(l6K×8bit)=4(片)2020年1月19日第36页字扩展2020年1月19日第37页WE图5-15字扩展连接举例字扩展举例的芯片地址分配2020年1月19日第38页芯片A15～A14A13～A0地址范围（