微机原理与接口技术存储系统..

第5章存储系统存储器概述半导体随机存储器－静态随机存储器SRAM－动态随机存储器DRAM半导体只读存储器存储器系统设计－存储器片选控制－存储器容量扩展本章重点5.1概述存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的一个磁化元，它们可以存储一位二进制数据，称为存储元。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储体。存储器的分类－按存储介质分半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。－按存储方式分随机存储器：存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器：存取时间和存储单元的物理位置有关。－按存储器的读写功能分只读存储器(ROM)：只能读出而不能写入的半导体存储器。随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。－按信息的可保存性分非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。－按在计算机系统中的作用分主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。主存储器的技术指标：1)存储容量：指主存能存放二进制代码的总数。现代计算机中用半导体触发器的两个状态表示1和0，一个半导体触发器可以保存一个二进制数，称为一个bit(位)，8个触发器可以保存八个二进制数，称为一个BYTE（字节）。2）存储速度a.存取时间(访问时间)：指从一次读（写）操作命令发出到该操作完成将数据读到数据缓冲寄存器为止所经历的时间。以ns为单位，存取时间又分读出时间、写入时间两种。b.存取周期：指存储器连续启动两次独立的操作所需间隔的最小时间，以ns为单位，存取周期=存取时间+等待时间。c.存储器带宽：每秒从存储器进出信息的最大数量,单位为位/秒或者字节/秒。如存取周期为500ns，每个存取周期可访问16位，则存储器带宽为：16位/(500×10-9)秒=3.2×107位/秒=32×106位/秒=32M位/秒存储器的分级结构高低小大快慢辅存寄存器缓存主存磁盘光盘磁带光盘磁带速度容量价格位／CPUCPU主机存储器与CPU的联系CPU与存储器的信息交换主要依靠系统总线来完成，根据总线传递信息的不同，系统总线被分为数据总线，地址总线和控制总线三大类。－数据总线DB(databus)：传输CPU与存储器之间的二进制数据，双向线。数据总线的位数决定了CPU一次可以和存储器交换数据的位数，是微型机的重要指标。－地址总线AB(addressbus):传输CPU送出的地址信息，用来确定和CPU交换数据的存储单元，单向线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间。可寻址空间＝2n（n为地址总线的位数）－控制总线CB(controlbus)：传输CPU发出的控制信号，包括片选信号、读/写信号，访存允许信号，双向线。－地址译码驱动方式：根据地址总线的信息选中存储元的过程。译码电路0＃1＃2＃3＃A1A00010译码电路0＃1023＃A9A0………………线选法：译码器只有一个，译码器的输出称为字选择线，被选单元由字选择线直接选定，地址输入线有N根，则能够确定2n个字地址，该方式下译码输出线过多，只适用于容量较小的存储芯片。重合法：译码器有两个，X译码器称为行译码器，决定选中某行，Y译码器称为列译码器，决定选中某列，被选单元由X、Y两个方向的译码输出决定。该方式可以极大的节省译码输出线。D数据总线A0A3A1A2地址总线控制总线WEM/IO111001处理器半导体存储器的结构行地址译码器存储器列地址译码器地址寄存器……读写放大器数据寄存器控制电路A19~A0读写……D15~D0……片选芯片容量译码驱动存储矩阵读写电路1K×8位64K×16位片选线读/写控制线地址线…数据线…地址线（单向）数据线（双向）1081616字长字决定字长决定字译码驱动存储矩阵读写电路片选线读/写控制线地址线…数据线…片选线读/写控制线（低电平写）CSCEWEOEWRRD（写/输入使能，低电平写高电平读）（低电平读）（低电平芯片选中工作）（读/输出使能，低电平读高电平写）R/W（读/写使能，低电平写高电平读）信息保持：T1和T2管为工作管若T1管截止，则A点为高电平，使T2管导通，此时B点处于低电平，而B点的低电平会使A点更加截止，这是稳定状态。若T1管导通，则A点为低电平，使T2管截止，此时B点处于高电平，而B点的高电平会使A点更加导通，这是稳定状态。电路有两种稳定状态，而且A和B点的电位总相反，假设以B点的高电平表示1，低电平表示0，那么这个触发器电路就能稳定的表示一个二进制数。10015.2半导体随机存储器SRAM存储元电路SRAM：静态存储器RAMT5～T8管为控制管，当存储元组成存储器时，必须能按照地址选择存储元对其进行操作，如果一个存储元被选中，则其X地址译码线和Y译码线均处于高电平。X地址译码线为高电平时，就会使T5和T6管导通，Y地址译码线为高电平时，就会使T7和T8管导通，这样输入输出的I/O与I/O就会与A和B点相连，从而使A和B的信息0和1输出到I/O与I/O上，反之I/O与I/O上的信息0和1输入到A和B上。1111SRAM存储元电路写入：若某个存储元被选中，则该存储元的T5，T6，T7，T8管均导通，写0时，在I/O线上输入高电位，在I/O线上输入低电位，把高、低电位分别加在A，B点，使T1管截止，使T2管导通，将0写入存储元。写入1过程类似。读出：若某个存储元被选中，则该存储元的T5，T6，T7，T8管均导通，A，B两点与位线D与D相连存储元的信息被送到I/O与I/O线上。I/O或I/O线接着一个差动读出放大器，可以判知所存信息是1还是0。0101SRAM存储元电路AT1~T4T5T6T7T8B写放大器写放大器DIN写选择读选择读放位线B位线A列地址选择行地址选择DOUT行选T5、T6开T7、T8开列选DOUTSRAM基本电路的读操作T1~T4T5T6T7T8ABDIN位线B位线A列地址选择行地址选择写放写放读放DOUT写选择读选择行选T5、T6开两个写放DIN列选T7、T8开（左）反相T5A（右）T8T6BDINDINT7SRAM基本电路的写操作静态RAM芯片举例Intel2114外特性存储容量1K×4位I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9WECSVCCGNDIntel2114…A3A4A5A6A7A8A0A1A2A915…031…1647…3263…48150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路……………………0163015……行地址译码列地址译码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000150311647326348…………0163248CSWE…………读写电路读写电路读写电路读写电路I/O1I/O2I/O3I/O4Intel2114读过程第一组第二组第三组第四组0000000000A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9Intel2114写过程15…031…1647…3263…48150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路……………………0163015……行地址译码列地址译码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第二组第三组第四组150311647326348…………I/O1I/O2I/O3I/O4读写电路读写电路读写电路读写电路0163248CSWEIntel2114：1K×4位，片上有4096个六管存储元电路，排成64×64方阵，地址线10位(A0～A9)，其中A3～A8(6根)用于行译码→64行，A0～A2,A9(4根)用于列译码→16条列选线，每条列选线同时连接4列(共16×4=64列)存储阵列64行×16列×4位写入：行选择线为“1”，T管导通，如果位线为高电平1则向电容C中充电；否则电容C不会充电；写入完毕后电容C是否含有电荷表征存储的数据。•读出：行选择线为“1”，如果电容C上有电荷则通过T输出到位线上，形成电流；否则位线上没有电流，通过读出放大器判断电流即可得到存储信息。•破坏性读出：在读出“1”的过程中，电容C上的电荷会向位线输出形成电流，信息读出的同时存储的信息也遭到破坏。•刷新：电容C上存储的信息电荷有泄漏，随着时间增长会丢失信息，必须由外界按一定的规律给它充电，补充信息电荷，这一过程我们称为“刷新”。优点：单管电路的优点是管子少，集成度高，芯片面积小缺点：刷新麻烦，读出1时具有破坏性，需要读出放大器配合。1位线Cs行线列线DRAM：动态存储器RAM动态RAM芯片举例Intel2164A外特性存储容量16K×1位DOUTDINA0A5A6WECSVCCGNDIntel2114…RASCAS读出放大器读出放大器读出放大器…………………………06364127128根行线CS01271128根列线读/写线数据输入I/O缓冲输出驱动DOUTDINCS位线位线位线读出放大器读出放大器读出放大器………63000I/O缓冲输出驱动OUTDDRAM(16K*1)读过程读出放大器读出放大器读出放大器…………………………06364127128根行线CS01271128根列线读/写线数据输入I/O缓冲输出驱动DOUTDINCS位线位线位线…数据输入I/O缓冲I/O缓冲DIN读出放大器读出放大器630DRAM(16K*1)写过程动态RAM和静态RAM的比较DRAMSRAM存储原理集成度芯片引脚功耗价格速度刷新电容触发器高低少多小大低高慢快有无主存缓存只读存储器分类（ROM）它的特点是可以随机的读出其中的内容，但不能写入，是一种非易失性存储器，掉电后存储在其中的信息不会丢失。一般用来存放监控程序、管理软件。制作集成电路时掩模固化程序利用紫外线或者X射线擦除只读存储器ROM掩模式MROM光可擦EPROM可编程PROM电可擦E2PROM允许用户编程写入一次利用特定电压的电信号擦除5.3半导体只读存储器掩模ROM(MROM)可编程ROM(PROM)VCC行线位线熔丝熔丝断为“0”为“1”熔丝未断行线位线VCC1行线位线VCC0光擦可编程只读存储器(EPROM)1）基本存储元电路P沟道EPROM基本电路结构如右上图所示，在N型基片上生长了两个高浓度的P型区，分别引出源极(S)和漏极(D)，在2极之间有一个硅栅，被绝缘体SiO2包围。管子制作好后，硅栅内没有电荷，所以管子内没有导电沟道，S极和D极之间不导电。P沟道EPROM组成的基本存储元如右下图所示，当把EPROM用于存储矩阵时，这种存储矩阵的输出为全“1”。不导通112）EPROM的写入和擦除由于EPROM的默认输出为1，所以只要考虑写入0和读出0的过程以及擦除的过程。写入0时，在D极和S极之间加上25V高压，所选中的单元在电压的作用下被击穿，电子通过绝缘层注入到硅栅，高电压去除后，硅栅被绝缘层包围电子无处泄漏，形成导电沟道。读出时，字选线为高电平，EPROM内有导电沟道，从而EPROM存储元导通，位线输出为0。EPROM芯片封装的上方有一个石英玻璃窗口，用紫外线照射这个窗口，硅栅上的电子形成光电流泄漏走，把写入的0抹去，存储单元恢复初始状态。导通103）EPROM实例（2716）2716为16K位（2K*8）的EPROM芯片，11条地址线，7条用于行译码，4条用于列译码，具有8位输出缓冲，正常工作电压VCC为5V，脱机编程时的写入电压VPP为25伏。…控制逻辑Y译码X译码数据缓冲区Y控制128×128存储矩阵……VCC/VPPCSA10A7…A6A0……DO0…DO7电擦可编程只读存储器(EEPROM)电可擦写局部擦写全部擦写闪速型存储器(FlashMemory)EPROM价格便宜集成度高速度快EEPROM电可擦洗重写具备RAM功能5.4存储器系统设