微机原理与汇编语言 第6章 半导体存储器

西安邮电学院计算机系系统结构教研室2009.8教材及参考书《微型计算机原理》王忠民王钰王晓婕编著《微型计算机原理》学习与实验指导王钰王劲松刑高峰编著第6章半导体存储器主要内容:存储器及半导体存储器的分类随机读写存储器（RAM）只读存储器（ROM）存储器的扩展6.1存储器及半导体存储器的分类存储器是计算机用来存储信息的部件。6.1.1存储器的分类按存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器和外存储器。内存：把通过系统总线直接与CPU相连的存储器称为内存储器，简称内存。特点：具有一定容量、存取速度快，且掉电数据将丢失。作用：计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入内存后方可被CPU读取并执行。外存：把通过接口电路与系统相连的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。特点：存储容量大而存取速度较慢，且掉电数据不丢失。作用：外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。早期的内存使用磁芯。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，所以在微型计算机中，目前内存一般都使用半导体存储器。6.1.2半导体存储器的分类从应用角度可将半导体存储器分为两大类：随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。RAM是可读、可写的存储器，CPU可以对RAM的内容随机地读写访问，RAM中的信息断电后即丢失。ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失，常用来存放不需要改变的信息(如某些系统程序)，信息一旦写入就固定不变了。根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。MOS型存储器按信息存放方式又可分为静态RAM(StaticRAM，简称SRAM)和动态RAM(DynamicRAM，简称DRAM)。只读存储器ROM在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入存储器。目前常见的有：掩膜式ROM，用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好，不能更改；可编程ROM(ProgrammableROM，简称PROM)，用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；可擦除的PROM(ErasablePROM，简称EPROM)，其内容可用紫外线擦除，用户可对其进行多次编程；电擦除的PROM(ElectricallyErasablePROM，简称EEPROM或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写。静态RAM动态RAMMOS型双极型不可编程掩膜存储器MROM可编程存储器PROM可擦除、可再编程存储器紫外线擦除的EPROM电擦除的E2PROM随机读写存储器RAM只读存储器ROM半导体存储器图6.1半导体存储器的分类6.1.3半导体存储器的主要技术指标1．存储容量(1)用字数位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯片的容量，如1K4位，表示该芯片有1K个单元(1K=1024)，每个存储单元的长度为4位。(2)用字节数表示，以字节为单位，如128B，表示该芯片有128个单元，每个存储单元的长度为8位。现代计算机存储容量很大，常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小。其中，1KB＝210B＝1024B；1MB＝220B＝1024KB；1GB＝230B＝l024MB；1TB＝240B＝1024GB。显然，存储容量越大，所能存储的信息越多，计算机系统的功能便越强。2．存取时间存取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。例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间。显然，存取时间越小，存取速度越快。3．存储周期连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的最短间隔时间称为存储周期。它是衡量主存储器工作速度的重要指标。一般情况下，存储周期略大于存取时间。4．功耗功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。5．可靠性可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures)来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强。6．集成度集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来表示。7．性能/价格比性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。6.1.4半导体存储器芯片的基本结构地址译码器存储矩阵控制逻辑A0A1An……三态数据缓冲器……D0D1DNW/RCS图6.2半导体存储器组成框图地址译码方式单译码方式图6.3单译码方式地址译码器0123…15A0A1A2A3选择线存储体数据缓冲器控制电路4位I/O0～I/O3CSWR…双译码方式三态双向缓冲器32×32＝1024存储矩阵1024×1控制电路Y向译码器CSWRRDA5A6A7A8A9Y0Y1Y31…X0X1X2X31…X向译码器A0A1A2A3A4I/O(1位)图6.4双译码方式6.2随机读写存储器(RAM)6.2.1静态RAMIntel2114SRAM芯片Intel2114SRAM芯片的容量为1K4位，18脚封装，+5V电源，芯片内部结构及芯片引脚图和逻辑符号分别如图6.5和6.6所示。由于1K4＝4096，所以Intel2114SRAM芯片有4096个基本存储电路，将4096个基本存储电路排成64行64列的存储矩阵，每根列选择线同时连接4位列线，对应于并行的4位,从而构成了64行16列=1K个存储单元，每个单元有4位。A3A4A5A6A7A8行地址译码存储矩阵64×64列选择A0A1A2A9…输入数据控制I/O1&1&2I/O2I/O3I/O4CSWE列I/O电路图6.5Intel2114内部结构Intel2114123456789101112131415161718Intel2114A6A5A4A3A0A1A2GNDCSWEI/O4I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCC(a)A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9WECS(b)I/O2I/O3I/O4I/O1图6.6Intel2114引脚及逻辑符号(a)引脚；(b)逻辑符号6.2.2动态RAMIntel2164A动态RAM芯片Intel2164A芯片的存储容量为64K1位，采用单管动态基本存储电路，每个单元只有一位数据，其内部结构如图6.7所示。2164A芯片的存储体本应构成一个256256的存储矩阵，为提高工作速度(需减少行列线上的分布电容)，将存储矩阵分为4个128128矩阵，每个128128矩阵配有128个读出放大器，各有一套I/O控制(读/写控制)电路。8位地址锁存器A0A1A2A3A4A5A6A7128×128存储矩阵128个读出放大器1/2(1/128列译码器)128个读出放大器128×128存储矩阵1/128行译码器1/128行译码器128×128存储矩阵128个读出放大器1/2(1/128列译码器)128个读出放大器128×128存储矩阵1/4I/O门输出缓冲器DOUTVSSVDD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RASCASWEDIN图6.7Intel2164A内部结构示意图64K容量本需16位地址，但芯片引脚(见图6.8)只有8根地址线，A0A7需分时复用。在行地址选通信号RAS控制下先将8位行地址送入行地址锁存器，锁存器提供8位行地址RA7RA0，译码后产生两组行选择线，每组128根。然后在列地址选通信号CAS控制下将8位列地址送入列地址锁存器，锁存器提供8位列地址CA7CA0，译码后产生两组列选择线，每组128根。12345678910111213141516NCDINVSSA0A2A1VDDDOUTA6A3A4A5A7WECASRASDINA7A0…CASRASDOUTWEA7～A0CASRASWEVSSVDD地址输入列地址选通行地址选通写允许＋5地(a)(b)图6.8Intel2164A引脚与逻辑符号(a)引脚；(b)逻辑符号6.3只读存储器(ROM)6.3.1掩膜式只读存储器(MROM)VCC单元0单元1单元2单元3D0D1D2D3地址译码器A0A1图6.9掩膜式ROM示意图6.3.2可编程只读存储器(PROM)字线位线DiVCC图6.10PROM存储电路示意图6.3.3可擦除、可再编程的只读存储器1．EPROM和E2PROMDDSFGCGWVSS(地)(b)(a)N＋3～4mN＋P-SiSiO2SCGFGD图6.11SIMOS型EPROM(a)SIMOS管结构；(b)SIMOSEPROM元件电路2．Intel2716EPROM芯片EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2K8)2732(4K8)2764(8K8)27128(16K8)27256(32K8)等。1)2716的内部结构和外部引脚2716EPROM芯片采用NMOS工艺制造，双列直插式24引脚封装。其引脚、逻辑符号及内部结构如图6.15所示。Intel2716123456789101112131415161718192021222324A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GNDO3O4O5O6O7PD/PGMA10VCCA8A9VPPCS(a)Intel2716石英窗口A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10PD/PGMO0O1O2O3O4O5O6O7CS(b)列译码行译码A10～A0地址输入读出放大2K×8位存储矩阵输出缓冲器数据输出端O7～O0……片选，功率下降和编程逻辑CSPD/PGM(c)VPPGNDVCC图6.12Intel2716的引脚、逻辑符号及内部结构(a)引脚；(b)逻辑符号；(c)内部结构表6.1常用的EPROM芯片型号容量结构最大读出时间/ns制造工艺需用电源/V管脚数27081 K×8 bit350~450NMOS5，[phone] K×8 bit300~450NMOS+5242732A4 K×8 bit200~450NMOS+52427648K×8bit200~450HMOS+5282712816K×8 bit250~450HMOS+5282725632 K×8 bit200~450HMOS+5282751264 K×8 bit250~450HMOS+528275134×64 K×8 bit250~450HMOS+5283.Intel2816E2PROM芯片Intel2816是2K8位的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5V电源。其引脚配置见图6.13。Intel2816123456789101112131415161718192021222324A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0GNDA10VCCA8A9WEI/O1I/O2OECEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3A10～A0OEI/O7～I/O0CEWE地址引脚输出允许数据输入/输出片选信号写允许图6.13Intel2816的引脚表6.2常用的E2PROM芯片型号参数28162816A28172817A2864A取数时间/ns250200250250200250250读电压VPP/V55555写/擦电压VPP/V2152155字节擦写时间/ms109~15101010写入时间/ms109~15101010封装DIP24DIP24DIP28DIP28DIP286.4存储器的扩展6.4.1存储芯片的扩展存储器的扩展主要解决两个问题：