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第3章半導體存儲器及其接口 1 3 1存儲器種類與特性 3 1 1存儲器的分類存儲器是組成計算機系統(tǒng)的重要部件 決定著系統(tǒng)的性能 計算機系統(tǒng)中所用的存儲器可以根據(jù)存儲元件的性能 介質(zhì)和地位的不同進行分類 1 按存儲所處的地位分 1 內(nèi)部寄存器組 2 主存儲器 3 輔助存儲器 4 高速緩沖存儲器 2 2 按存儲介質(zhì)分 1 半導體存儲器 用半導體器件組成的存儲器 它的有關特性將在下節(jié)中詳細介紹 2 磁存儲器 用磁性材料組成的存儲器 它可分為磁芯存儲器和磁表面存儲器 現(xiàn)在使用的軟盤 硬盤都是利用存儲器基質(zhì)表面的一層磁性介質(zhì)被磁化后的剩磁狀態(tài)來記錄數(shù)據(jù)的 故屬于磁表面存儲器 3 光存儲器 用光熱效應或機械的方法在媒體上存儲信息的存儲器 根據(jù)媒體材料光學性質(zhì) 如反射率 偏振方向等 的變化來表示所存儲的信息 可分為只讀型光盤 一次寫入型光盤和可讀寫型光盤 3 3 1 2存儲器的主要技術指標1 存儲容量存儲容量是指存儲器可以容納的二進制數(shù)信息量 以存儲單元的總位數(shù)表示 存儲總位數(shù)等于地址寄存器的編址數(shù)與存儲字位數(shù)的乘積 例如一個16位字長的計算機 其地址寄存器也為16位 則存儲總位數(shù)為64K 16位 用字節(jié)表示為128K字節(jié) 其中64K為16位地址寄存器的編址能力 即為216 64 1024 64K 2 存儲速度存儲器的基本操作是讀出與寫入 總稱為 訪問 或 存取 有關存儲器的存儲速度有兩個時間參數(shù) 一個是訪問時間TA AccessTime 定義為從啟動一次存儲器操作 到完成該操作所經(jīng)歷的時間 另一個參數(shù) 這就是存儲周期TMC MemoryCycle 把啟動兩次獨立的存儲器操作之間所需的最小時間間隔定義為存儲周期 4 3 存儲器的可靠性存儲器的可靠性用平均無故障工作時間MTBF MeanTimeBetweenFailures 來衡量 MTBF越長 可靠性越高 主存儲器常采用糾錯編碼技術來延長MTBF 從而提高可靠性 4 性能 價格比這是一個綜合性指標 性能主要包括存儲容量 存儲速度和可靠性 對不同用途的存儲器有不同的要求 例如 對高速緩沖存儲器主要要求存儲速度快 而對輔助存儲器主要要求存儲容量大 5 3 28086的存儲器組織 3 2 1存儲器地址空間和數(shù)據(jù)存儲格式8086的存儲器是以字節(jié) 8位 為單位組織的 它們具有20條地址總線 所以可尋址的存儲器地址空間容量為220B 約1MB 每個字節(jié)對應一個惟一的地址 地址范圍為0 220 1 用十六進制表示為00000H FFFFFH 如圖3 1所示 6 存儲器內(nèi)兩個連續(xù)的字節(jié) 定義為一個字 一個字中的每個字節(jié) 都有一個字節(jié)地址 每一個字的低字節(jié) 低8位 存放在低地址中 高字節(jié) 8位 存放在高地址中 字的地址指低字節(jié)的地址 各位的編號方法是最低位 LSB 為位0 一個字節(jié)中 最高位 MSB 編號為位7 一個字中最高位的編號為位15 這些約定如圖3 2所示 7 3 2 2存儲器的分段和物理地址的形成8086CPU地址總線有20條 存儲器地址空間為1MB 但CPU內(nèi)部可以提供地址的寄存器BX IP SP BP SI和DI及算術邏輯運算單元ALU都是16位 只能直接處理16位地址 即尋址范圍為64KB 因此 擴大尋址范圍成為一個難題 8086CPU巧妙地采用了地址分段方法 將尋址范圍擴大到1MB 在8086中 把1MB的存儲空間劃分成若干個邏輯段 每段最多為空間容量是64KB的存儲單元 各邏輯段的起始地址必須是能被16整除的地址 即段的起始地址的低4位二進制碼必須是0 一個段的起始地址的高16位被稱為該段的段地址 SegmentAddress 8 任意相鄰的兩個段地址相距16個存儲單元 段內(nèi)一個存儲單元的地址 可用相對于段起始地址的偏移量來表示 這個偏移量稱為段的偏移地址 OffsetAddress 也稱為有效地址EA EffectiveAddress 偏移地址也是16位的 所以 一個段最大可以包括一個64KB的存儲空間 由于相鄰兩個段地址只相距16個單元 所以段與段是互相覆蓋的 如圖3 3所示 9 每個存儲單元都有一個物理地址 PhysicalAddress 物理地址就是存儲單元的實際地址編碼 在CPU與存儲器之間進行任何信息交換時 需要利用物理地址來查找所需要訪問的存儲單元 邏輯地址 LogicAddress 由段地址和偏移地址兩部分組成 段地址和偏移地址都是無符號的16位二進制數(shù) 常用4位十六進制數(shù)表示 邏輯地址的表示格式為 段地址 偏移地址 例如2100 0600H表示段地址為2100H 偏移地址為0600H 上述格式中的段地址有時用段寄存器代替 理解了邏輯地址 不難得出它對應的物理地址為 物理地址 段地址 10H 偏移地址因此2100 0600H的物理地址為21600H 在訪問存儲器時 段地址總是由段寄存器提供的 如前所述 8086微處理器的BIU單元內(nèi)設有4個段寄存器 CS DS SS ES 所以CPU可通過這4個段寄存器來訪問4個不同的段 用程序?qū)Χ渭拇嫫鞯膬?nèi)容進行修改 可實現(xiàn)訪問所有的段 10 3 2 4內(nèi)存儲器的基本結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)中內(nèi)存儲器的基本結(jié)構(gòu)如圖3 5所示 圖中顯示出了內(nèi)存與CPU的連接 內(nèi)部信息的流通是按下述過程進行的 11 3 3半導體存儲器 3 3 1半導體存儲器的分類1 按制造工藝分 1 雙極 Bipolar 型雙極型存儲器是用TTL Transistor TransistorLogic 晶體管 晶體管邏輯 電路制成的存儲器 其特點是工作速度快 功耗不大 但集成度較低 因此計算機中的高速緩存 Cache 常采用雙極型存儲器 2 金屬氧化物半導體 Metal Oxide Semiconductor 型單極型存儲器是用MOS電路制成的存儲器 其特點是集成度高 功耗低 低格便宜 而且隨著半導體集成工藝和技術的長足進展 目前MOS存儲器的工作速度也可以與雙極型TTL存儲器媲美 單極型存儲器通常稱為MOS存儲器 12 2 按使用屬性分 1 隨機存取存儲器RAM RandomAccessMemory 隨機存取存儲器也稱隨機存儲器或讀寫存儲器 顧名思義 對這種存儲器 信息可以隨時寫入或讀出 一般的RAM芯片 掉電時 信息將會丟失 但目前有些RAM芯片 內(nèi)部帶有電池 掉電后信息亦不丟失 稱為非易失的或 不揮發(fā) 的RAM NVRAM 微機系統(tǒng)中大量使用MOS型的RAM芯片 根據(jù)它的結(jié)構(gòu)和功能 又可分為兩種類型 靜態(tài) Static RAM 即SRAM 動態(tài) Dynamic RAM 即DRAM 13 2 只讀存儲器ROM ReadOnlyMemory 這類存儲器中的信息 在正常工作狀態(tài)下只能讀出 不能寫入 一般用它來存放固定的程序或數(shù)據(jù) 通過工廠的制造環(huán)節(jié) 或采用特殊的編程方法可將信息寫入ROM芯片 并能長期加以保存 掉電亦不丟失 所以 ROM屬于非易失性存儲器件 常用的類型包括如下 掩膜式 Masked ROM 簡稱ROM 可編程 Programmable ROM 即PROM 可擦除 Erasable PROM 即EPROM 電可擦除 ElectricallyErasable PROM 即EEPROM 也稱E2PROM 14 3 3 2隨機存取存儲器RAM1 靜態(tài)MOS存儲電路如下圖所示是靜態(tài)RAM的基本存儲電路 它是用來存儲1位二進制信息 0 或 1 是組成存儲器的基礎 在基本存儲電路中 T1 T3及T2 T4兩個NMOS反相交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 其中T3 T4為負載管 T1 T2為反相管 T5 T6為選通管 T1和T2的狀態(tài)決定了存儲的1位二進制信息 這對交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是 當一個晶體管導通時 另一個就截止 反之亦然 假設T1導通 T2截止時的狀態(tài)代表 1 相反的狀態(tài)即T2導通 T1截止時的狀態(tài)代表 0 即A點的電平高低分別代表 0 或 1 15 當行線X和列線Y都為高電平時 開關管T5 T6均導通 該單元被選中 于是便可以對它進行讀或?qū)懖僮?讀操作 被選中的存儲單元的行選擇線為高電平 使開關T5 T6導通 若設定兩邊列選擇線的負載是平衡的 則A與B兩點的電位就通過T5 T6傳送到列選擇線上 即被讀出 寫操作 被選中的存儲單元的行選擇線為高電平 使開關T5 T6導通 寫 1 時 列選擇線1上加低電壓 列選擇線2上加高電壓 迫使T1管導通 A點為低電位 T2管截止 B點為高電位 觸發(fā)器處于 1 狀態(tài) 寫 0 則相反 16 2 動態(tài)MOS存儲電路常用的動態(tài)基本存儲電路有4管型和單管型兩種 其中單管型由于集成度高而愈來愈被廣泛采用 這里以單管基本存儲電路為例說明 如圖3 7所示為一個NMOS單管動態(tài)基本存儲電路 它由一個管子T和一個電容C構(gòu)成 這個基本存儲電路所存儲的內(nèi)容是 0 還是 1 是由電容上是否有電荷來決定 17 3 典型芯片常用的SRAM芯片有2114 1K 4位 6116 2K 8位 6264 8K 8位 62128 16K 8位 62256 32K 8位 等多種 常用的DRAM芯片有2164 64K 1位 4116 16K 1位 等 18 3 3 3只讀存儲器ROM只讀存儲器ROM 是一種非易失性的半導體存儲部件 其中所存放的信息可長期保存 掉電亦不丟失 常被用來保存固定的程序或數(shù)據(jù) 在一般工作狀態(tài)下 ROM中的信息只能讀出 不能寫入 對可編程的ROM芯片 可用特殊方法將信息寫入 該過程被稱為 編程 對可擦除的ROM芯片 可采用特殊方法將原信息擦除 以便再次編程 1 掩膜式ROM 掩膜式 ROM是指在ROM的制作階段 通過 掩膜 這道工序?qū)⑿畔⒆龅叫酒?這種ROM一般由生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的要求而定制 適合于批量生產(chǎn)和使用 比如 國家標準的一 二級漢字字模 漢字字形信息 就可以做到一個掩膜式的ROM芯片中 19 2 可編程ROM可編程只讀存儲器PROM ProgrammableROM 常由雙極型電路構(gòu)成 每一個基本存儲電路由一個三極管和串接在發(fā)射極的熔絲組成 如圖3 11所示 PROM在出廠時 所有存儲單元的熔絲都是完好的 編程時 通過字線選中某個晶體管 若準備寫入 1 則向位線送高電平 此時管子截止 熔絲將被保留 若準備寫入 0 則向位線送低電平 此時管子導通 控制電流使熔絲燒斷 也就是說 所有的存儲單元出廠時均存放信息初值為 1 一旦寫入 0 使熔絲燒斷 就不可能再加以恢復 所以 它只能進行一次性編程 20 3 可擦可編程的ROM目前用得最多的可擦可編程的EPROM ErasedProgrammableROM 是采用浮動柵雪崩注入型MOS管構(gòu)成的 平時 浮動柵上不帶電荷 源漏之間不導通 表示存 0 這種浮動柵管子的柵極是一個被絕緣體隔絕的懸空的電極 開始時 柵上沒有電荷 MOS管不導通 都是存 0 編程時 通過專門裝置 利用較高電壓 25V 向柵極注入電荷 在柵極下面感應導電溝道 使該管子導通 表示該位存 1 由于絕緣柵上的電荷很難流失 所以MOS管能夠長期保持導通或截止 從而保存有關信息 為了擦除已存入的數(shù)據(jù) 可利用紫外線 通過芯片表面的石英玻璃窗口照射浮動柵 使柵上電荷通過光電流釋放掉 恢復到所有單元都存 0 擦除存儲內(nèi)容后 還可以重新編程 21 4 電可擦除可編程的ROM為了不拔下EPROM芯片實現(xiàn)在線擦除改寫的要求 又研制了利用電子方法擦除其中內(nèi)容的E2PROM ElectricallyErasableProgrammableROM 電路 其擦除機理是在浮動柵上面又增加一個控制柵極 擦除數(shù)據(jù)時 利用較高的編程電壓 21V 加在源極上 控制柵接地 在此電場作用下 浮動柵上的電子擊穿氧化層進入源區(qū) 被外加電源吸收 擦除有關單元 使之處于 0 狀態(tài) 在下一個寫入周期中 再寫入新的數(shù)據(jù) 22 5 快擦除讀寫存儲器快擦除讀寫存儲器 FlashMemory 是在EPROM和E2PROM基礎上發(fā)展起來的 它與EPROM一樣 用單管來存儲一位信息 它與E2PROM相同之處是用電來擦除 但是它只能擦除整個區(qū)域或整個器件 在源極上加高壓VPP 控制柵接地 在電場作用下 浮動柵上的電子越過氧化層進入源極區(qū)而全部消失 實現(xiàn)整體擦除或分區(qū)擦除 23 3 4 1存儲芯片與CPU的連接1 存儲芯片數(shù)據(jù)線的處理假定存儲器為字節(jié)編址結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的寬度為8位 為此 1 若芯片的數(shù)據(jù)線正好是8根 說明一次可從芯片中訪問到8位數(shù)據(jù) 此時 芯片的全部數(shù)據(jù)線應與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線相連 2 若芯片的數(shù)據(jù)線不足8根 說明一次不能從單一的芯片中訪問到8位數(shù)據(jù) 所以必須在數(shù)據(jù)的 位方向 上進行擴充 這一擴充方式簡稱 位擴充 3 4半導體存儲器與CPU的連接 24 2 存儲芯片地址線的連接存儲芯片的地址線通常應全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連 尋址時 這部分地址的譯碼是在存儲芯片內(nèi)完成的 我們稱為 片內(nèi)譯碼 設某存儲芯片有N根地址線 當該芯片被選中時 其地址線將輸入N位地址 芯片在其內(nèi)部進行N 2N的譯碼 譯碼后的地址范圍為00 000 N位全0 到11 111 N位全1 以下我們將稱這種情況為 全0 全1 25 3 存儲芯片片選端的處理由一個存儲芯片或芯片組構(gòu)成的存儲器 其地址單元畢竟有限 使用中不一定能滿足需要 因此常常需要在 地址方向 上加以擴充 簡稱為 地址擴充 在系統(tǒng)存在 地址擴充 的情況下 必須對多個存儲芯片或芯片組進行尋址 這一尋址過程 主要通過將系統(tǒng)高位地址線與存儲芯片片選端相關聯(lián)的方法來加以實現(xiàn) 但處理上十分靈活 在處理存儲芯片片選端時 更一般的方法 還是將其與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián) 這樣 只有當高位地址滿足一定條件時 才會選中某個指定的芯片 組 具體可以有全譯碼 部分譯碼與線選法等方法 26 1 譯碼和譯碼器所謂 譯碼 就是將某個特定的 編碼輸入 翻譯為惟一的 有效輸出 的過程 可以舉一個日常生活的例子來對 譯碼 進行說明 設某車間里只有3個控制按鈕 要控制8臺機器的電源 可以根據(jù)3個控制按鈕的8種組合狀態(tài)來分別對應控制8臺機器 設控制按鈕的開為1 關為0 若當給出編號為011時則表示控制第3臺機器 若給出編號為101時則表示控制第5臺機器 這時 我們所做的工作就是 譯碼 這種譯碼是 3 8譯碼 或 8選1譯碼 即對每個3位編碼輸入 最后僅得到一個有效的輸出狀態(tài) 其余無效 或者說在8種可能的情況 只控制一臺機器 中選取其中的一種 27 2 全譯碼 全譯碼 是指所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址 包括低位地址線對芯片各存儲單元的譯碼尋址 片內(nèi)譯碼 及高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址 片選譯碼 采用全譯碼方法 每個存儲單元的地址都是惟一的 不存在地址重復 但譯碼電路比較復雜 連線較多 28 3 部分譯碼在對存儲芯片進行譯碼尋址時 如果只有部分高位地址線參與尋址 則這種譯碼方法稱為 部分譯碼 對被選中的芯片來說 這些未參與譯碼的高位地址可以為1 也可以為0 因此 每個存儲單元將對應多個地址 地址重復 但使用時 只選取其中的一個 一般都是將未用地址設為0 而得到其可用地址 采用部分譯碼的方法 可簡化譯碼電路的設計 但由于地址重復 系統(tǒng)的一部分地址空間資源將被浪費 29 4 線選法如果只有少數(shù)幾根高位地址線進行芯片的譯碼 且每根負責選