第2章微机内存及扩展

2014/07第2章微型计算机内存及扩展技术《新编微机原理与应用》—机械工业出版社《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072.1微型计算机存储器体系结构存储器是计算机的重要部件，有记忆功能，用来存放指令代码和操作数。内存储器（半导体存储器芯片）Cache存储器主存储器（RAM和ROM）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带、光盘）外存储器(辅助存储器)在计算机系统中常采用三级存储器结构。《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072.2微型计算机内存§2.2.1内存分类随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）半存导储体器静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM/iRAM）掩膜式ROM（MROM）可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）电可擦除PROM（EEPROM）《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/071、容量存储器芯片的容量是以存储1位（bit）二进制数为单位的，因此存储器的容量即指每个存储器芯片所能存储的二进制数的位数。存储器容量=存储单元数x位数例：1Kx8bit=1024x8bit虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位甚至64位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型计算机中，一次可同时对2、4、8个单元进行访问。§2.2.2内存的主要性能指标《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072、存取速度存储器芯片的存取速度是用存取时间来衡量的。它是指从CPU给出有效的存储器地址信息到完成有效数据存取所需要的时间。存取时间越短，则速度越快。超高速存储器的存取时间已小于20ns，中速存储器在100~200ns之间，低速存储器的存取时间在300ns以上。3、可靠性4、功耗5、集成度《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07半导体存储器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《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/071．存储体每个基本存储电路存放一位二进制信息，这些存储电路有规则地组织起来，构成了存储体(存储矩阵)。为了便于信息的存取，给同一存储体内的每个存储单元赋予一个惟一的编号，该编号就是存储单元的地址。这样，对于容量为2n个存储单元的存储体，需要n条地址线对其编址。若每个单元存放M位信息，则需要M条数据线传送数据，芯片的存储容量就可以表示为2nM位。《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072．外围电路外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲器、控制逻辑两部分组成的读/写控制电路1)地址译码电路2)读/写控制电路3．地址译码方式芯片内部的地址译码主要有两种方式，即单译码方式和双译码方式。单译码方式适用于小容量的存储芯片，对于容量较大的存储器芯片则应采用双译码方式。《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07图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…简单的16字4位的存储芯片为例。将所有基本存储电路排成16行4列。每一行对应一个字，每一列对应其中的一位。每一行的选择线和每一列的数据线是公共的。图中，A0A34根地址线经译码输出16根选择线，用于选择16个单元。10001)单译码方式《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072)双译码方式行选择线X和列选择线Y。每一根X线选中存储矩阵中位于同一行的所有单元，每一根Y线选中存储矩阵中位于同一列的所有单元，当X线和Y线同时有效时，存储单元被选中。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)1000000000《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/071、静态存储器（SRAM）SRAM内部采用双稳态电路存储二进制数信息0和1。T1，T2控制管；T3，T4负载管。T1截止，Q=1(高电平)T2导通，Q=0(低电平)。T1导通，Q=0(低电平)T2截止，Q=1(高电平)。§2.2.3随机读写存储器（RAM）1）SRAM的数据位存储电路《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072）SRAM的数据位存储阵列三态双向缓冲器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)1000000000行选择线X和列选择线Y。X线选中存储矩阵中位于一行的所有单元，Y线选中存储矩阵中位于一列的所有单元，当某一单元的X线和Y线同时有效时，相应的存储单元被选中。《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/076116（2K×8）、6264（8K×8）、62128（16K×8）、62256（32K×8）6116芯片的容量为2K×8位，有2048个存储单元，片内地址线11根A10～A0，7根用于行地址译码输入，4根用于列地址译码输入，从而形成了16×128个位存储阵列，6116芯片以字节为单位即总共有8×16×128＝16384个存储位。3）SRAM芯片型号《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07SRAM芯片HM6116（2K*8bit）读写《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07原理：存储单元只有一个门控管T1，信息存放在分布电容C上：C充电荷时，存储信息=“1”，C无电荷时，存储信息=“0”。特点：破坏性的读出电路，故读后必须重写；须动态刷新。2、动态存储器（DRAM）1）DRAM存储电路《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07典型芯片——DRAM芯片2164（64K*1）2）动态RAM举例《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/073）高集成度DRAM和内存条存储器芯片的容量为：1M×1、1M×4、4M×1、16M×1以及更高集成度的存储器芯片已大量使用。常见的DRAM类型有：（1）SDRAM（SynchronousDRAM，同步动态随机存储），SDRAM内存分为PC66、PC100、PC133等不同规格，而规格后面的数字就代表着该内存最大所能正常工作系统总线速度，比如PC100，那就说明此内存可以在系统总线为100MHz的电脑中同步工作。（2）DDRSDRAM（双倍速率SDRAM），简称为DDR《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07（3）DDR2SDRAM（DoubleDataRate2），DDR2内存拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力（即4bit数据读预取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。（4）DDR3SDRAM（DoubleDataRate3）（5）RDRAM（RambusDRAM）《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07只读存储器具有掉电后信息不丢失特点（非易失性），又称为固定存储器和永久性存储器。用来存储程序。MROM掩膜型只读存储器：生产成本低，数据由厂家一次性写入，不能修改。PROM可编程只读存储器：MOS管串有一段“熔丝”构成，芯片出厂时所有“熔丝”均处于连通状态（“1”态），用户借助专用编程器一次性写入，若写入数据“0”位，则“熔丝”断开，不可恢复。§2.2.4只读存储器（ROM）《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/071、光擦除EPROM，可编程只读存储器用户借助仿真器，选择适当的写入电压，将程序写入EPROM，擦除时利用紫外线照射。擦净后，读出的状态为“FFH”,可重复写入上万次。EPROM存储电路P+P+SiO2浮空多晶硅栅SDN基体－P+P+SiO2浮空多晶硅栅SDN基体导电沟道VCC图6-9FAMOSEPROM存储电路位线输出位线行线浮栅管DS《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07输出允许编程逻辑Y译码A12OECE图2.162764A功能框图X译码Y门256×256存储矩阵输出缓冲………A8A7A0PGM…D7D0…EPROM芯片型号有：2716(2K×8)\2732(4K×8)\2764(8K×8)\7128(16K×8)等,可与相同容量的SRAM引脚兼容。2764A功能框图《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072、EEPROM(E2PROM)：电擦除可编程只读存储器用专门的擦除器擦除，可在线擦除和编程、写入过程中自动擦除并写入，但擦除时间约10ms。高压（+21V）编程2816、2817：读取时间为120～150ns，字节擦和写时间约10ms左右，需用程序延时。图6-112816的逻辑符号A10A0…OEA10~A0VPP地址线双向数据线片选输出允许写入电压D7D0…CED7~D0CEOE《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/071）并行E2PROM2816是容量2K×8的电擦除PROM，芯片的管脚与2716一致，只是在管脚的定义上，数据线管脚对2816来说是双向的，以适应读写工作模式。A10A0…OEA10~A0VPP地址线双向数据线片选输出允许写入电压D7D0…CED7~D0CEOE①读方式②写方式：2816具有以字节为单位的擦写功能，擦除和写入都是写。③片擦除方式：在2816需整片擦除时，也可按字节擦除方式将整片2KB逐个进行，引脚电压达到9~15V，约10ms后整片内容全部被擦除，即2KB的内容全为FFH。④备用方式：当2816的端加上TTL高电平时，芯片处于备用状态。《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072）串行E2PROM串行E2PROM芯片有PHILIPS公司的24C01/02/04、NS公司的93C46/56/66等。A0A2A112348765VCCSCLSDAWPVSSE2PROM24C01/02/04①引脚说明。SCL：串行时钟信号，用于对输入和输出数据的同步。SDA：串行数据输入/输出线。WP：写保护。A0，A1，A2：片选地址输入。②总线特性。③字节写操作。④读操作《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07闪速存储器（FlashMemory）采用非挥发性存储技术，能够在线擦除重写，写入速度已达ns级，类似于RAM，掉电后信息可保持10年。典型的闪存芯片:29C256(32K×8)\29C512(64K×8)\29C101(128K×8)\29C020(256K×8)图2.24FLASH存储器的结构示意图位线位线位线字线字线字线字线源线源线源线(a)FLASH存储阵列图n+n+P衬底S源线(b)FLASH存储体构造图及逻辑符号D位线浮空栅极FC控制栅极CG字线隧道氧化物氧化物-氮-氧化物FG•按区块或页面组织•可进行快速页面写入CPU可以将页数据按芯片存取速度（一般为几十到200ns）写入页缓存，大大加快了编程速度。§2.2.5新一代可编程只读存储器FLASH《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/072.3内存扩展技术§2.3.1内存扩展方式存储器的扩展技术：三种方式位扩展字扩展字位全扩展《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07字扩展就是存储单元数的扩展，数据宽度不变。字扩展的连接方法:①存储器芯片的地址线、数据线均并联。②片选信号线是各自独立被选中的。1、字扩展：4K*8bit8K*8bitA12A13《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/07位扩展的连接方法：①存储芯片的地址线和片选线均并联。②数据线按数据位的高低顺序连到数据总线上。2、位扩展：2K*8bit2K*16bit《新编微机原理与应用》—机械工业出版社2014/073、字位全扩展如果存储器的字数和位数都不能满足需要，就要进行字和位的全扩展，字位全扩展是由字扩展电路和位扩展电路组合而成。CEOE6116（2）CEOEWEWE6116（1）片选1D7~D0D15~D8A11~A0图2.31存储器的