微機原理與接口技術(shù)-第5章-存儲器

1、第五章第五章 存儲器存儲器v學(xué)習(xí)目的：v了解半導(dǎo)體存儲器的分類v掌握地址譯碼的方法v掌握存儲器的應(yīng)用v掌握存儲器的容量擴充v了解存儲器擴展技術(shù)1 5.1 存儲器概述存儲器概述v內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器-比外存儲器存取速度快，存儲容量小比外存儲器存取速度快，存儲容量小v外存儲器外存儲器-輔助存儲器，屬于計算機的外部設(shè)備，常輔助存儲器，屬于計算機的外部設(shè)備，常用的有磁盤、光盤和用的有磁盤、光盤和U U盤等，存儲容量大，存取速度慢。盤等，存儲容量大，存取速度慢。 21.1.半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器的分類v內(nèi)存儲器主要由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也稱半導(dǎo)體存儲器。內(nèi)存儲器主要由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也稱半導(dǎo)體存儲器。v

2、按制造工藝按制造工藝-分為雙極型半導(dǎo)體存儲器和金屬氧化物型分為雙極型半導(dǎo)體存儲器和金屬氧化物型（MOS）半導(dǎo)體存儲器兩類。）半導(dǎo)體存儲器兩類。v按照工作方式按照工作方式-分為隨機讀寫存儲器分為隨機讀寫存儲器RAM和只讀存儲器和只讀存儲器ROM兩大類。兩大類。 3v隨機存儲器隨機存儲器RAM： A) 雙極型半導(dǎo)體雙極型半導(dǎo)體RAM，雙極型是以晶體管觸發(fā)器作為基本存，雙極型是以晶體管觸發(fā)器作為基本存儲電路，儲電路，TTL電路；高速，功耗大、集成度低，成本高；電路；高速，功耗大、集成度低，成本高； B) MOS型型RAM（Metal Oxide Semiconductor)低速，功耗低速，功耗低、成

3、本低、集成度高；低、成本低、集成度高；(1).靜態(tài)隨機存儲器靜態(tài)隨機存儲器SRAM是以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為存儲元是以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為存儲元;(2).動態(tài)隨機存儲器動態(tài)隨機存儲器DRAM是用電容存儲信息，需要刷新；是用電容存儲信息，需要刷新；v只讀存儲器只讀存儲器ROM1.掩膜式掩膜式ROM 2.可編程式可編程式PROM3.可擦除可編程式可擦除可編程式EPROM4.電可擦除可編程式電可擦除可編程式E2PROM、EAROM、NOVROM2704、2708、2716、2732、2764、27128、27256、27512、271024beGSD42.存儲器件的性能指標存儲器件的性能指標（1 1）存儲容量

4、）存儲容量 存儲器所能容納二進制信息的總量。存儲器所能容納二進制信息的總量。v 能存儲能存儲1 1位二進制信息的物理器件稱為存儲元，多個存儲位二進制信息的物理器件稱為存儲元，多個存儲元構(gòu)成存儲單元，存儲芯片就是由若干個存儲單元構(gòu)成。元構(gòu)成存儲單元，存儲芯片就是由若干個存儲單元構(gòu)成。存儲容量表示為存儲容量表示為“存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù)每個存儲單元位數(shù)每個存儲單元位數(shù)”如：如：SRAMSRAM芯片芯片62646264，它的容量為，它的容量為8K8K8 8；如：如：DRAMDRAM芯片芯片NMC41257NMC41257的容量為的容量為256K256K1 1，即它有，即它有256K256K個單元，

5、個單元，每個單元存儲每個單元存儲1 1位二進制信息位二進制信息; ;5（2 2）存取速度）存取速度 存取速度通常用存取時間來衡量。存取時間又稱為訪問存取速度通常用存取時間來衡量。存取時間又稱為訪問時間或讀時間或讀/ /寫時間，是指寫時間，是指CPUCPU從啟動一次存儲器操作（讀從啟動一次存儲器操作（讀或?qū)懀┑酵瓿稍摬僮魉枰臅r間。或?qū)懀┑酵瓿稍摬僮魉枰臅r間。v 連續(xù)兩次獨立的存儲器讀連續(xù)兩次獨立的存儲器讀/ /寫操作所需的最小時間間隔寫操作所需的最小時間間隔稱為存儲周期。稱為存儲周期。 （3 3）可靠性）可靠性 可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)，存儲器無故障讀可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)，存儲器無故

6、障讀/ /寫的概寫的概率。通常用平均無故障時間率。通常用平均無故障時間MTBFMTBF（mean time between mean time between failuresfailures）來衡量可靠性。）來衡量可靠性。MTBFMTBF可以理解為兩次故障之可以理解為兩次故障之間的平均時間間隔，越長說明存儲器的性能越好。間的平均時間間隔，越長說明存儲器的性能越好。 6（4 4）功耗）功耗 功耗反映存儲器件耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的功耗反映存儲器件耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的程度。功耗越小，存儲器件的工作穩(wěn)定性越好。大多數(shù)半程度。功耗越小，存儲器件的工作穩(wěn)定性越好。大多數(shù)半導(dǎo)體存儲器

7、的維持功耗小于工作功耗。導(dǎo)體存儲器的維持功耗小于工作功耗。75.2 隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAM）MOS型隨機存取存儲器按工作原理分為型隨機存取存儲器按工作原理分為n靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）n動態(tài)動態(tài)RAM（DRAM）靜態(tài)靜態(tài)RAM以觸發(fā)器為基本存儲電路，保存的數(shù)據(jù)不需要刷新。以觸發(fā)器為基本存儲電路，保存的數(shù)據(jù)不需要刷新。與動態(tài)與動態(tài)RAM比較，它的存取速度快，集成度低，功耗大。比較，它的存取速度快，集成度低，功耗大。動態(tài)動態(tài)RAM以電容作為基本存儲電路，每隔一段時間需要刷新一以電容作為基本存儲電路，每隔一段時間需要刷新一次。它的集成度高，成本低。次。它的集成度高，成本低。 85.

8、2.1 MOS型靜態(tài)隨機存取存儲器（型靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM） 1.基本存儲元電路基本存儲元電路 MOS型靜態(tài)型靜態(tài)RAM基于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理保存信息?；陔p穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理保存信息。9圖圖5-1 靜態(tài)靜態(tài)RAM的基本存儲元電路的基本存儲元電路10 MOS型靜態(tài)型靜態(tài)RAM芯片由存儲體和外圍電路。芯片由存儲體和外圍電路。v外圍電路：地址譯碼器、外圍電路：地址譯碼器、I/O緩沖器和讀寫控制電路緩沖器和讀寫控制電路v存儲體：由許多個存儲元組成，這些存儲元通常以矩陣的形存儲體：由許多個存儲元組成，這些存儲元通常以矩陣的形式排列。式排列。2. MOS型靜態(tài)型靜態(tài)RAM芯片的組成結(jié)構(gòu)芯片

9、的組成結(jié)構(gòu)11圖圖5-2 靜態(tài)靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)123.靜態(tài)靜態(tài)RAM芯片舉例芯片舉例常用的常用的SRAM芯片有：芯片有：6116（2K8）、）、2016、40166264（8K8）62128（16KX8）62256（32K8）62512（64K8）128K8、 256K8、 512K8、 1024K8 120ns150ns 1ns13（1）6264芯片外部引腳芯片外部引腳vA0Al2-13根地址信號線根地址信號線 vD0D7-8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 v 、CS2 -兩根片選信號線，兩根片選信號線， 低低電平有效、電平有效、CS2高電平有效。高電平有效。-輸出允許信號，低電平有效，輸出允許信號

10、，低電平有效，CPU從芯片中讀出數(shù)據(jù)。從芯片中讀出數(shù)據(jù)。-寫允許信號，低電平有效，寫允許信號，低電平有效，允許數(shù)據(jù)寫入芯片。允許數(shù)據(jù)寫入芯片。VCC：+5V電源電源GND：接地端，：接地端，NC ：空端。：空端。12823456789101112131427262524232221201918171615NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD7D6D5D4D3WECS2A8A9A11OEA10CS1+5V圖5-3 SRAM 6264外部引線圖圖OECS1CS1WE14 tw twcA0 A12D0 D7tDW CS1 CS2 WE SRAM 6264 寫操作時序圖寫操作

11、時序圖15SRAM 6264 讀操作時序圖 A0 A12 CS1 OE D0 D7 tOE tCO tRW CS2 165.2.2 靜態(tài)靜態(tài)RAM芯片應(yīng)用芯片應(yīng)用存儲器芯片的應(yīng)用就是將芯片正確地接入計算機系統(tǒng)。根據(jù)存儲器芯片的應(yīng)用就是將芯片正確地接入計算機系統(tǒng)。根據(jù)CPU要求的地址范圍，將芯片上的各種信號與計算機系統(tǒng)要求的地址范圍，將芯片上的各種信號與計算機系統(tǒng)的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，連接在一起。的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，連接在一起。v地址線的連接。地址線的連接。 v數(shù)據(jù)線的連接。數(shù)據(jù)線的連接。 v控制信號線的連接控制信號線的連接 。17 8088系統(tǒng)BUSSRAM6264D0 D7D0 D

12、7A0A0A12A12MEMWMEMRWECS2+5VOE11CS1A19A18A17A16A15A14A13&A1318將一組輸入信號轉(zhuǎn)換為一個輸出信號，稱為譯碼。將一組輸入信號轉(zhuǎn)換為一個輸出信號，稱為譯碼。 v地址譯碼的方法有：全地址譯碼和部分地址譯碼。地址譯碼的方法有：全地址譯碼和部分地址譯碼。191.全地址譯碼全地址譯碼v全地址譯碼就是把系統(tǒng)中全部地址線與芯片連接，其中高全地址譯碼就是把系統(tǒng)中全部地址線與芯片連接，其中高位地址線經(jīng)過譯碼電路譯碼后作為芯片的片選信號；低位位地址線經(jīng)過譯碼電路譯碼后作為芯片的片選信號；低位地址線與系統(tǒng)中的相應(yīng)地址線一對一連接。地址線與系統(tǒng)中的相應(yīng)地

13、址線一對一連接。 v【例例5-1】 6264芯片的地址范圍為芯片的地址范圍為F8000HF9FFFH，要，要求以全地址譯碼方式將求以全地址譯碼方式將6264芯片接入計算機系統(tǒng)。芯片接入計算機系統(tǒng)。 將芯片的地址范圍以二進制形式表示：將芯片的地址范圍以二進制形式表示：圖5-6 地址譯碼設(shè)計2021譯碼電路的設(shè)計有兩種方法：一種是利用基本的邏輯門電譯碼電路的設(shè)計有兩種方法：一種是利用基本的邏輯門電路搭建譯碼器，另一種是利用專用的譯碼器芯片譯碼。路搭建譯碼器，另一種是利用專用的譯碼器芯片譯碼。v第一種方法第一種方法 方案方案12223 方案方案224第二種方法：第二種方法：利用專用的譯碼器芯片譯碼利

14、用專用的譯碼器芯片譯碼v利用利用74LS138芯片譯碼芯片譯碼圖圖5-9 6264全地址全地址138譯碼方案譯碼方案22526D0 D7D0 D7A0A0A12A12MEMWWEMEMRCS2+5VOE&1A19A18A17A16A15A14A13CS1Y7G1G2BG2ACBASRAM6264A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3E000 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13FFFF 1

15、38譯碼器&272.部分地址譯碼部分地址譯碼只使用系統(tǒng)地址總線中的一部只使用系統(tǒng)地址總線中的一部分與芯片中的地址線相連。分與芯片中的地址線相連。使用了使用了A13A17共共5根線，根線，A18和和A19未用。未用。 圖圖5-10 6264部分地址譯碼部分地址譯碼28A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 298088系統(tǒng)BUSSRAM6264D0 D7D0 D7A0A0A12A12MEMWMEMRWECS2+5VOECS1&

16、;A19A17A15A14A13A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 1 X 1 X 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 1 X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Y730部分地址譯碼的后果：部分地址譯碼的后果：地址重疊地址重疊31線性譯碼：線性譯碼： 只使用一根地址線作為片選信號。只使用一根地址線作為片選信號。圖圖5-12 6264線性地址譯碼線性地址譯碼32【例例5-2】 用用SRAM6116芯片設(shè)計一個芯片設(shè)計一個4K的存儲器，地址范圍為的存儲器，地址

17、范圍為32000H32FFFH，要求使用全地址譯碼方式。，要求使用全地址譯碼方式。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 24 23 22 21 20 1918 17 16 15 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 D 0 D 1 D 2 GND D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 A 8 A 9 R/W OE A 10 CS 1413VCCSRAM6116圖5-13 6116引線圖SRAM6116：2KX811根地址線根地址線A0A108根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線D0D7讀寫控制信號讀寫控制信號R/W輸出允許信號輸出允許信號OE片選信號片選信號CS。330

18、 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 327FFH地址總線A19A18A17A16A15A14A13A12 A11A10 .A8 A7 .A4 A3 . A00 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 132000H32800H32FFFH0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16116譯碼分析如下：譯碼分析如下：346116存儲器設(shè)計系統(tǒng)連接圖如下：存儲器設(shè)計系統(tǒng)連接圖如下：355.2.3 MOS型動態(tài)隨機

19、存取存儲器（型動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）1.單管基本存儲元電路單管基本存儲元電路T T1 1字字選選線線（地地址址選選擇擇線線）存存儲儲電電容容C C位位線線D D( (數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線) )分分布布電電容容C CD D36動態(tài)存儲器是通過把電荷存儲到電容中來實現(xiàn)信息存動態(tài)存儲器是通過把電荷存儲到電容中來實現(xiàn)信息存儲的。儲的。 MOS單管動態(tài)存儲電路占用面積小，集成度高，速度單管動態(tài)存儲電路占用面積小，集成度高，速度快；缺點是讀出是破壞性的，而且單元讀出信號較快；缺點是讀出是破壞性的，而且單元讀出信號較小，要求有高靈敏度的讀出放大器；另一個缺點是小，要求有高靈敏度的讀出放大器；另一個缺點是刷新

20、。刷新。2ms4ms37DRAM芯片芯片2164v64KX1vA0A7：地址輸入線，分時復(fù)用。：地址輸入線，分時復(fù)用。 vDIN：數(shù)據(jù)輸入：數(shù)據(jù)輸入 vDOUT：數(shù)據(jù)輸出：數(shù)據(jù)輸出 vRAS：行地址鎖存信號：行地址鎖存信號vCAS：列地址鎖存信號：列地址鎖存信號vWE：寫允許信號，高電平允許讀出：寫允許信號，高電平允許讀出11623456781514131211109VCC(+5V)CASDOUTA6A3A4A5A7NCDINWERASA0A1A2地38刷新刷新v將動態(tài)隨機存儲器的每一位信息讀出并寫入的過程。將動態(tài)隨機存儲器的每一位信息讀出并寫入的過程。刷新的方法是使列地址信號無效，行地址有效

21、，然刷新的方法是使列地址信號無效，行地址有效，然后將這一行的信息讀出再寫入。后將這一行的信息讀出再寫入。v每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存儲單每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存儲單元，將行地址循環(huán)一遍，則刷新了整個芯片的所有元，將行地址循環(huán)一遍，則刷新了整個芯片的所有存儲單元。刷新時位線上的信息不會送出到數(shù)據(jù)總存儲單元。刷新時位線上的信息不會送出到數(shù)據(jù)總線上。線上。vDRAMDRAM要求每隔要求每隔28ms28ms刷新一次，它稱為刷新周期。刷新一次，它稱為刷新周期。395.2.4 存儲器擴展存儲器擴展存儲器擴展包括位擴展、字擴展和字位擴展三種方式。存儲器擴展包括位擴展、字擴展和字

22、位擴展三種方式。 1. 位擴展位擴展將每個存儲芯片的地址線和控制線（包括片選信號線、讀將每個存儲芯片的地址線和控制線（包括片選信號線、讀/寫寫信號線等）全部一對一地接在一起，將它們的數(shù)據(jù)線分信號線等）全部一對一地接在一起，將它們的數(shù)據(jù)線分別引出作為字節(jié)的不同位。別引出作為字節(jié)的不同位。 40A11A0D3D04K 4SRAMA11A0D3D04K 4SRAMA11A0A11A0D3D0D7D4地址總線AB數(shù)據(jù)總線DBR/WCS讀/寫信號選片信號4KB存儲模塊圖5-20 用4K4位的SRAM芯片進行位擴展412.2.字擴展字擴展字擴展是對存儲空間的擴展，就是要增加存儲單元的字擴展是對存儲空間的擴

23、展，就是要增加存儲單元的個數(shù)。個數(shù)。字擴展的方法是：將每個芯片的地址信號、數(shù)據(jù)信號字擴展的方法是：將每個芯片的地址信號、數(shù)據(jù)信號和讀和讀/ /寫控制信號等一對一地與系統(tǒng)總線中的相應(yīng)寫控制信號等一對一地與系統(tǒng)總線中的相應(yīng)信號線相連，將各芯片的片選信號與地址譯碼器信號線相連，將各芯片的片選信號與地址譯碼器的輸出信號相連。的輸出信號相連。42A10 A0D7 D02K 8SRAMA10 A0D7 D02K 8SRAMA10 A0A10 A0D7 D0D7 D0地址總線AB數(shù)據(jù)總線DBR/WCS讀/寫信號4KB存儲模塊譯碼電路Y0Y1R/WCS433.字位擴展字位擴展假如要構(gòu)成一個容量為假如要構(gòu)成一個

24、容量為MN位的存儲器，若使用位的存儲器，若使用Bb位的芯片（位的芯片（BM，bN），則構(gòu)成這個存），則構(gòu)成這個存儲器需要：（儲器需要：（M / B）（N / b）個存儲器芯片。）個存儲器芯片。例如：用例如：用Intel 2164構(gòu)成容量為構(gòu)成容量為128KB的內(nèi)存，需要的內(nèi)存，需要（128/64）（8/1）=16片片。 445.3 只讀存儲器（只讀存儲器（ROM） 常用的只讀存儲器類型有：常用的只讀存儲器類型有：v掩膜式掩膜式ROMROMv可編程可編程ROMROM（PROMPROM）v可擦除可編程可擦除可編程ROMROM（EPROMEPROM）v電可擦除可編程電可擦除可編程ROM ROM （E

25、 E2 2PROMPROM）v閃存（閃存（Flash MemryFlash Memry）452.2.可編程可編程ROMROM（PROMPROM） 可編程可編程ROMROM是用戶可以將程序和數(shù)據(jù)寫入是用戶可以將程序和數(shù)據(jù)寫入ROMROM的只讀的只讀存儲器芯片，又稱為存儲器芯片，又稱為PROMPROM?？删幊讨蛔x存儲器出。可編程只讀存儲器出廠時各單元內(nèi)容全為廠時各單元內(nèi)容全為0 0，用戶可用專門的，用戶可用專門的PROMPROM寫入寫入器將信息寫入。器將信息寫入。 根據(jù)芯片的構(gòu)造，可編程根據(jù)芯片的構(gòu)造，可編程PROMPROM可分為兩類：結(jié)破壞可分為兩類：結(jié)破壞型和熔絲型。型和熔絲型。字字線線位位線

26、線D Di iVCC463.3.可擦除可編程可擦除可編程ROM ROM （EPROMEPROM） EPROMEPROM（erasable programmable ROMerasable programmable ROM）是一種紫外）是一種紫外線可擦除可編程只讀存儲器，可以多次擦除和寫線可擦除可編程只讀存儲器，可以多次擦除和寫入。入。有一個能通過紫外線的石英窗口，用紫外燈照射約有一個能通過紫外線的石英窗口，用紫外燈照射約20302030分鐘，原信息就可以全部擦除。擦除后各單分鐘，原信息就可以全部擦除。擦除后各單元內(nèi)容均為元內(nèi)容均為FFHFFH，恢復(fù)到出廠狀態(tài)。，恢復(fù)到出廠狀態(tài)。 4727系列的

27、芯片：系列的芯片：2716 2732 2764 27128 27256 2751248（1）2764的引線及功能的引線及功能 A0A12：13根地址線，根地址線，8K個存儲單元；個存儲單元；D0D7：8根雙向數(shù)據(jù)線，根雙向數(shù)據(jù)線， CE：片選信號；：片選信號；OE：輸出允許信號；：輸出允許信號；PGM：編程脈沖輸入；讀操作時：編程脈沖輸入；讀操作時PGM=1;VPP：編程電壓輸入端，：編程電壓輸入端，12.5V、15V、21V、25V；4912823456789101112131427262524232221201918171615VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2地D7

28、D6D5D4D3PGMNCA8A9A11OEA10CEVCC（+5V）12823456789101112131427262524232221201918171615NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD7D6D5D4D3WECS2A8A9A11OEA10CS1+5V圖5-3 SRAM 6264外部引線圖圖50 MEMRA19A18A17A16GG2AG2BCBA74LS138A15A14A13Y0A0A1A12MEMRD0D7D0D7A0A1A12OECEPGMvccvppGNC+5V27641&51vFlashFlash閃速存儲器（閃速存儲器（flash memoryflash memory），簡稱），簡稱FlashFlash或閃存。或閃存。它與它與EEPROMEEPROM類似，也是一種電擦寫型類似，也是一種電擦寫型ROMROM。與。與EEPROMEEPROM的主要區(qū)別是：的主要區(qū)別是：EEPROMEEPROM按字節(jié)擦寫，速按字節(jié)