第五章 导体存储器

1第五章主存储器2本章主要内容存储器分类、性能指标及分级结构半导体读写存储器只读存储器主存储器的设计35.1存储器概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存储程序和数据。存储元存储单元存储器一个二进制代码位，是最小的存储单位由若干个存储元组成4存储器的分类根据存储元件的性能和使用方法不同，存储器有不同的分类方法。1、按存储介质分类半导体存储器磁表面存储器例：磁盘存储器，磁带存储器52、按存取方式分类随机存储器顺序存储器半顺序存储器半导体存储器，磁芯存储器磁带存储器3、按存储器的读写功能分类只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）4、按信息的可保存性分类永久性存储器非永久性存储器磁盘存储器，ROMRAM即：直接存取存储器（DAM）,访问时读/写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。磁盘存储器6半导体存储器的分类1、按制造工艺分类半导体存储器通常按照制造工艺和存取方式进行分类。半导体存储器双极型半导体存储器MOS半导体存储器双极型半导体存储器：读写速度快，集成度低，功耗大。MOS型半导体存储器：读写速度慢，集成度高，功耗小。7静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）闪速存储器（FlashMemory）半导体存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）２、按存取方式分类8存储器的性能指标存储容量一个存储器中可以容纳的存储单元总数，称为该存储器的存储容量。常用字节数（B-8个二进制位）表示，如64KB，128MB，20GB，30TB等。1KB=210B1GB=230B1MB=220B1TB=240B存储容量反映了存储空间的大小9存取时间是指启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。如，对于读操作，即从一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出数据缓冲寄存器为止所经历的时间，即为存储器的存取时间。存取周期两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。通常略大于存取时间，其时间单位为ns。存取时间和存储周期反映了主存的速度指标10存储系统的分级结构微机拥有不同类型的存储部件由上至下容量越来越大，但速度越来越慢寄存器堆高速缓存主存储器联机外存储器脱机外存储器快慢小大容量速度CPU内核11三级存储器结构：高速缓冲存储器：存储速度快，存储容量小，成本高。外存储器：存取速度慢，存储容量大，成本低。主存储器：存取速度，存储容量，成本均介于高速缓冲存储器和外存储器之间。CPU主存储器外存储器CACHE12半导体存储器的特点在RAM中，又可以分为双极型（Bipolar）和MOSRAM两大类。1．双极型RAM的特点（1）存取速度高。（2）以晶体管的触发器（F-F——Flip-Flop）作为基本存储电路，故管子较多。（3）集成度较低（与MOS相比）。（4）功耗大。（5）成本高。所以，双极型RAM主要用在速度要求较高的微型机中或作为cache。132．MOSRAM用MOS器件构成的RAM，又可分为静态（Static）RAM（有时用SRAM表示）和动态（Dynamic）RAM（有时用DRAM表示）、不挥发型RAM三种。（1）静态RAM的特点①6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。14④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。15（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。⑤价格比静态便宜。⑥因动态存储器靠电容来存储信息，由于总是存在着泄漏电流，故需要定时刷新。典型的是要求每隔1ms刷新一遍。16ROM的特点ROM只读存储器的存储单元中的信息可一次写入多次读出1．掩模ROM早期的ROM由半导体厂按照某种固定线路制造的，制造好以后就只能读不能改变。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。173．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，也希望能把已写上去的内容擦去，然后再写，能改写多次。EPROM就是这样的一种存储器。EPROM的写入速度较慢，而且需要一些额外条件，故使用时仍作为只读存储器来用。只读存储器电路比RAM简单，故而集成度更高，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。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及新一代可擦除ROM（闪烁存储器）等。185.2半导体随机读写存储器随机读写存储器RAM是指在工作时可以随时读出或写入信息的存储器。随机读写存储器主要用来存放当前运行的程序、各种输入输出数据、中间运算结果及堆栈等。随机读写存储器按照芯片内部基本存储电路结构的不同，分为：静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。19一、基本结构及组成地址译码器存储矩阵存储器控制逻辑三态双向缓冲器……………………A0A1AP-1D0D1DW-1……R/WCEOE随机读写存储器的结构框图201、存储矩阵存储体：存储器芯片的主要部分，用来存储信息。存储矩阵：存储体中的基本存储电路配置成一定的阵列，并进行编址，因此存储体又称为存储矩阵。每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址线、数据线根数有关：芯片的存储容量＝2M×N＝存储单元数×存储单元的位数M：芯片的地址线根数N：芯片的数据线根数21例：存储芯片容量为：1024K×4地址线：20根（1024K＝220）数据线：4根例：存储芯片容量为：1024K×8地址线：20根（1024K＝220）数据线：8根222K×1：芯片容量地址线数据线1112082641411024K×8：64M×4：16K×1：例：分别写出下列各存储芯片的地址线根数与数据线根数。23单译码结构双译码结构–双译码可简化芯片设计–主要采用的译码结构2、地址译码器地址译码器接收来自CPU的地址信号，并产生地址译码信号，以便选中存储矩阵中某一个或某几个基本存储电路，使其在控制逻辑的控制下进行读写操作。24译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A3A4A501764个单元单译码双译码25X地址译码器A0A1A2A30，015，00，1515，15Y地址译码器I/OX0X15……A4A5A6A7DDY0Y15DINDOUT存储容量：256×1位存储矩阵16行×16列行选信号列选信号如8位地址输入信号为10000100,译码信号X4及Y8共同作用选中(4，8)号基本存储电路如8位地址输入信号为00000000,译码信号X0及Y0共同作用选中(0，0)号基本存储电路双译码器示例263、存储器控制逻辑存储器控制逻辑通过存储器的控制信号引线端，接收来自CPU或外部电路的控制信号，经过组合变换后，对存储矩阵、地址译码器以及三态双向缓冲器进行控制。常用控制引线端有OD,,CECS低电平有效CE，CS，OD高电平有效芯片允许引线端CSCEODOEWR/WE或芯片开放引线端输出禁止引线端或输出开放引线端读写控制引线端或写开放引线端选择应访问的存储器芯片控制输出三态缓冲器控制被选中芯片是进行读操作还是写操作27SRAM的基本存储单元是双稳态触发器电路速度快（5ns），不需刷新，外围电路比较简单，但集成度低（存储容量小，约1Mbit/片），功耗大。SRAM一般采用“字结构”存储矩阵：–每个存储单元存放多位（4、8、16等）–每个存储单元具有一个地址二、典型存储器芯片举例1、静态RAM•在PC机中，SRAM被广泛地用作高速缓冲存储器Cache。28SRAM芯片6264存储容量为8K×828个引脚：–13根地址线A12～A0–8根数据线D7～D0–片选CS1*、CS2–读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1234567891011121314282726252423222120191817161529控制真值表WECE1CE2OE方式I/O0～I/O7XHXX未选中高阻XXLX未选中高阻HLHH输出禁止高阻HLHL读OUTLLHX写IN302、动态RAMDRAM的基本存储单元是单个场效应管及极间电容由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新），所以动态RAM需要设置刷新电路，相应外围电路就较为复杂。DRAM的特点是集成度高（存储容量大，可达1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。DRAM一般采用“位结构”存储体：–每个存储单元存放一位–需要8个存储芯片构成一个字节单元–每个字节存储单元具有一个地址•DRAM在微机中应用非常广泛，如微机中的内存条（主存）、显卡上的显示存储器几乎都是用DRAM制造的。312164动态RAM2164结构框图行地址选通信号RAS有效，把输入的8位地址送至行地址锁存器；列地址选通信号CAS有效，把输入的8位地址送至列地址锁存器DIN行八位地址锁存列八位地址锁存存储矩阵及译码电路IO控制行列时钟缓冲CASRASA0A7…WEDOUT2164的容量为64K×1位，有65536个单元，每个单元1位。寻址65536个单元，65536＝216，需16根地址线。2164A内部将16根地址线分为行、列地址线，各8根，且分时工作，因此外部只需引出8根地址线。322164引脚排列及功能216412345678NCDINWERASA0A2A1VDDVssCASDOUTA6A3A4A5A7161514131211109WE为低，进行写操作：WE为高，进行读操作。没有片选信号，实际中可用行选RAS和列选CAS作为片选信号。A0～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VDD，Vss：电源，地335.3半导体只读存储器只读存储器ROM是指在机器运行期间，只能读出事先写入的信息，而不能将信息写入其中的存储器。只读存储器主要用来保存固定的程序和数据。如监控程序、启动程序、BIOS等。对于可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程称为“编程”；对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原信息擦除，以便再次编程。34一、只读存储器的结构及分类DW-1地址译码器存储矩阵N×W输出缓冲器A0A1AP-1D0D1ROM结构框图………………三态门或开路门结构单向导通的选择开关阵列N×4或N×8结构1、只读存储器ROM的结构35掩膜编程的ROM（MaskProgrammedROM）现场编程ROM（ProgrammableROM）可改写的PROM（ErasableProgrammableROM）简称ROM，用掩膜工艺来控制基本存储电路的晶体管能否工作，以便达到预先写入信息的目的。结构简单，集成度高，容易接口，价钱便宜。主要用作微型机标准程序存储器，也可用于存储数学用表产品出厂时，没有存储任何信息，使用时由用户根据需要自行写入信息，一旦写入，不可更改。速度高，功耗大，典型应用是作为高速计算机的微程序存储器简称EPROM，用户既可以采用某种方法自行写入信息，也可采用某种方法擦去并重新写入。紫外线擦洗的EPROM（UVEPROM）电擦洗的EPROM（E2PROM）作为微型机的标准程序或专用程序存储器可作为非易失性RAM使用2、只读存储器ROM的分类36二、可擦除EPROM1.光擦除EPROM2732存储容量为4K×82