微型計算機原理及應用：第5章 半導體存儲器

1、第5章 半導體存儲器一、半導體存儲器性能指標及其分類二、隨機存儲器 RAM（1） 靜態(tài)存儲器（2） 動態(tài)存儲器三、只讀存儲器 ROM四、 存儲器連接與擴展5.1半導體存儲器概述存儲器是計算機實現(xiàn)記憶功能的核心部件。用于存放待加工的原始數(shù)據(jù)和中間計算結(jié)果以及系統(tǒng)用戶程序等。內(nèi)存存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)。特點：快，容量小，隨機存取，CPU可直接訪問。通常由半導體存儲器構(gòu)成RAM、ROM外存存放非當前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調(diào)入內(nèi)存后CPU才能訪問。通常由磁、光存儲器構(gòu)成，也可以由半導體存儲器構(gòu)成磁盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤兩大類內(nèi)存、外存5.1半

2、導體存儲器概述微機存儲系統(tǒng)有三個基本參數(shù)：容量、速度、成本容量：以字節(jié)數(shù)表示，是指一個存儲器芯片所能存儲的二進制信息量。等于存儲單元數(shù)*每單元的數(shù)據(jù)位數(shù)。1024表示1K（故容量2048*8bit簡稱為2K字節(jié)或16K位），以1M表示1K*1K等。速度：訪問一次存儲器（對指定單元寫入或讀寫）所需要的時間，這個時間的上限值定義為最大存取時間。時間越少，速度越快。成本：以每位價格表示其他指標：可靠性，集成度5.1.2、半導體存儲器的分類RAM靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）ROM掩膜型ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（E2PROM)半導

3、體存儲器從制造工藝的角度可以分為雙極型，CMOS型，HMOS型。從應用角度，可以分為：5.2 RAM (隨機存取存儲器)特點:可以讀寫, 存儲的數(shù)據(jù)必須有電源供應才能保存, 一旦掉電, 數(shù)據(jù)全部丟失.RAM按存儲機理的不同可分為 靜態(tài)SRAM(Static RAM)和動態(tài)DRAM(Dynamic RAM),5.2.1靜態(tài)SRAM(1) 存儲體 一個基本存儲電路只能存儲一個二進制位。（觸發(fā)器） 將基本的存儲電路有規(guī)則地組織起來，就是存儲體。 存儲體又有不同的組織形式： 將各個字的同一位組織在一個芯片中，如：8118 16K*1（DRAM） 將各個字的 4位 組織在一個芯片中， 如：2114 1K

4、*4 （SRAM） 將各個字的 8位 組織在一個芯片中， 如：6116 2K*8 （SRAM）。(2) 外圍電路 為了區(qū)別不同的存儲單元，就給每個單元規(guī)定一個地址號來選擇不同的存儲單元。 于是電路中要 地址譯碼器、I/O電路、片選控制端CS、輸出緩沖器等外圍電路。故： 存儲器（芯片） = 存儲體 + 外圍電路(P201)典型芯片HM6264BLHM6264BL是容量為8K*8的低功耗CMOS SRAM。采用單一+5V供電，輸入/輸出電平與TTL電平兼容。最大存取時間為70ns120ns。引腳及其含義： 引腳 功能 A0A12地址輸入 WE寫信號CS1，CS2片選 OE輸出允許I/O1 I/O8

5、數(shù)據(jù)線 Vcc電源 Vss地 NC未用HM6264BL的工作模式 CS1 CS2 WE OE 工作方式I/O信號 1 * * * 低功耗 高阻 * 0 * * 低功耗 高阻 0 1 1 1 輸出禁止 高阻 0 1 1 0 讀 Dout 0 1 0 * 寫 Din HM6264BL讀/寫周期時序（以讀取時間70ns的HM6264BL為例） （1）存儲器的讀周期 參數(shù) 符號 時間（ns） 最小 最大 讀周期時間 tRC 70 讀出時間 tAA 70 片選到輸出穩(wěn)定 tCO（tCO1tCO2 70輸出允許到輸出穩(wěn)定 tOE 35輸出禁止到數(shù)據(jù)線高阻 tOHZ 10片選無效到數(shù)據(jù)線高阻 tHz 0 3

6、0地址改變后數(shù)據(jù)保持 tOH 10HM6264BL-7讀周期主要參數(shù)(2)儲器寫周期 參數(shù) 符號 時間（ns) 最小 最大 寫周期時間 tWC 70 片選寬度 tCW（tCW1， tCW2) 60地址有效到寫結(jié)束 tAW 60 寫脈沖寬度 twp 40數(shù)據(jù)保持到寫有效 tDW 30HM6264BL-7寫周期主要參數(shù)5.2.2、動態(tài)隨機存儲器DRAM特點：DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來存儲信息的，由于電容上的電荷會逐漸泄漏，需要定時充電以維持存儲內(nèi)容不丟失（稱為動態(tài)刷新），所以動態(tài)RAM需要設置刷新電路，相應外圍電路就較為復雜。刷新定時間隔一般為幾微秒幾毫秒DRAM的特點是集成度高（存儲容

7、量大，可達1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。DRAM在微機中應用非常廣泛，如微機中的內(nèi)存條（主存）、顯卡上的顯示存儲器幾乎都是用DRAM制造的。常見DRAM的種類：SDRAM（Synchronous DRAM）它在1個CPU時鐘周期內(nèi)可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新，即可與CPU的時鐘同步工作。是1999年前微機中流行的標準內(nèi)存類型。RDRAM（Rambus DRAM）是由Rambus公司所開發(fā)的高速DRAM。其最大數(shù)據(jù)率可達1.6GB/s。DDR DRAM（Double Data Rate DRAM）是對SDRAM的改進，它在時鐘的上升沿和下降沿都可以傳送數(shù)據(jù)。主要應用

8、在主板和高速顯示卡上。2001年后普遍采用的內(nèi)存。動態(tài)存儲器(DRAM)基本存儲電路 用于存儲一個二進制位。用C上有無電荷來區(qū)分0和1。10典型DRAM芯片uPD424256uPD424256 ：256K4(內(nèi)部結(jié)構(gòu)參照書P204)采用行地址和列地址來確定一個單元；行列地址分時傳送， 共用一組地址線；地址線的數(shù)量僅 為同等容量SRAM 芯片的一半。行地址10001 0 0 0列地址主要引線RAS：行地址選通信號，用于鎖存行地址；CAS：列地址選通信號。 地址總線上先送上行地址，后送上列地址，它們分別在RAS和CAS有效期間被鎖存在地址鎖存器中。 DIN： 數(shù)據(jù)輸入DOUT：數(shù)據(jù)輸出WE=0 數(shù)

9、據(jù)寫入WE=1 數(shù)據(jù)讀出WE：寫允許信號工作原理三種操作： 數(shù)據(jù)讀出（P205a） 數(shù)據(jù)寫入(P205b) 刷新:將存放于每位中的信息讀出到放大器然后再寫入原單元的過程刷新 5.3 只讀存儲器（ROM）掩模ROM一次性可寫ROM可讀寫ROM分 類EPROM（紫外線擦除）EEPROM（電擦除）特點：1、信息是非易失的； 2、編程后內(nèi)容只能讀出不能寫入5.4、存儲器連接與擴展對于微機用戶來說，要通過總線把RAM，ROM芯片同CPU連接起來，并使之協(xié)調(diào)工作。必須考慮信號連接，時序配合，驅(qū)動能力等問題。存儲器芯片選擇類型選擇 （1）RAM，存儲的信息可以在程序中用讀/寫指令隨機讀寫，但掉電時信息丟失，

10、一般用于存儲用戶的調(diào)試程序，中間結(jié)果及掉電時無需保護的I/O數(shù)據(jù)及參數(shù)。 （2）ROM，內(nèi)容掉電不容易丟失，但不能隨機寫入，一般用于存儲系統(tǒng)程序（監(jiān)控程序）和無需在線修改的參數(shù)等。存儲器芯片與CPU的時鐘配合 當CPU進行讀操作時，什么時候送地址信號，什么時候從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)據(jù)，時序是固定的，而存儲器芯片從外部輸入地址信號有效，到把內(nèi)部數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上的時序也是固定的，并由存儲芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝決定。連接時必須注意時序的配合。5.4、存儲器連接與擴展用多片存儲芯片構(gòu)成一個需要的內(nèi)存空間，它們在整個內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍，任一時刻僅有一片（或一組）被選中。位擴展擴展每個存儲單元的位數(shù)字擴

11、展擴展存儲單元的個數(shù)字位擴展二者的綜合位擴展存儲器的存儲容量等于： 單元數(shù)每單元的位數(shù)當構(gòu)成內(nèi)存的存儲器芯片的字長小于內(nèi)存單元的字長時，就要進行位擴展，使每個單元的字長滿足要求。字節(jié)數(shù)位長位擴展方法： 將每片的地址線、控制線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴展特點： 存儲器的單元數(shù)不變，位數(shù)增加。P (218)位擴展例用8片2164A芯片構(gòu)成64KB存儲器。2164A: 64K x 1，需8片構(gòu)成64K x 8（64KB）LS138A16A192164A2164A2164ADBABD0D1D7A0A15譯碼輸出讀寫信號A0A19D0D7A0A15A0A15例： 用1k*1的片子組成1k*8的存儲器 需

12、 8 個芯片 地址線 （210=1024）需 10 根 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 WRA9-A0D7-D0WRWECPU系統(tǒng)字擴展地址空間的擴展。芯片每個單元中的字長滿足，但單元數(shù)不滿足。擴展原則：每個芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線并聯(lián)，僅片選端分別引出，以實現(xiàn)每個芯片占據(jù)不同的地址范圍。例(p218)D0D7A10A0CE OED0D7A10A0CE OED0D7A10A0CE OE。 2-4譯碼器CPUD7D0A10A0A11A12 RDIO/M例：用EPROM 2716（2K*8）組成 6K*8 的存儲器。尋址 6K 空間需13根地址線，片內(nèi)11根，片選2根；2716為只讀存儲器，只有讀操作

13、，因此，用控制信號IO/M 和 RD 通過或門連到譯碼器使能端，控制其工作。EN字位擴展根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲芯片數(shù)；進行位擴展以滿足字長要求；進行字擴展以滿足容量要求。若已有存儲芯片的容量為LK，要構(gòu)成容量為M N的存儲器，需要的芯片數(shù)為： （M / L） （N / K）例： 用 256*4 的片子組成 1k*8 的存儲器 需 8 個芯片 地址線 （28=256）需 10 根 （ 片內(nèi) 8 根，片選 2 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WR。A9-A0D7-D0WRCPU系統(tǒng)IO/MABCD例： 用1k*4 的片子 2114 組成 4k*8 的存儲器 需 8個芯片

14、地址線 （212=4096）需 12 根 （ 片內(nèi) 10 根，片選 2 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WRIO/MCPU00 00 0000 000000 11 1111 1111 01 00 0000 000001 11 1111 1111 y0y35.5 8086/8088與存儲器的連接存儲器與8088系統(tǒng)總線的連接的要點是：存儲器的地址范圍？根據(jù)要求的地址范圍可確定用哪幾根地址線進行片選，哪幾根地址線做片內(nèi)尋址以及如何進行片選譯碼。系統(tǒng)總線上與存儲器有關的信號線有哪些？熟悉與存儲器有關的總線信號和存儲芯片引腳的功能。譯碼電路的構(gòu)成（譯碼器的連接方法）系統(tǒng)地址空間一般比存儲

15、芯片的容量大（即總線中的地址線數(shù)多于存儲芯片的地址線數(shù)），物理內(nèi)存實際只占用系統(tǒng)地址空間的一小塊區(qū)域。把物理內(nèi)存分配到系統(tǒng)地址空間的哪一塊區(qū)域，取決于如何進行地址譯碼。8088系統(tǒng)中存儲器連接涉及到的總線信號包括：地址線A19-A0數(shù)據(jù)線D7-D0存儲器讀信號MEMR#存儲器寫信號MEMW#需要考慮的存儲芯片引腳地址線An-1-A0：接地址總線的An-1-A0數(shù)據(jù)線D7-D0：接數(shù)據(jù)總線的D7-D0片選信號CS#(CE#) (可能有多根)：接地址譯碼器的片選輸出輸出允許OE#(有時也稱為讀出允許) ：接MEMR#寫入允許WE#：接MEMW#譯碼電路將輸入的一組二進制編碼變換為一個特定的控制信號

16、，即： 將輸入的一組高位地址信號通過變換，產(chǎn)生一個有效的控制信號，用于選中某一個存儲器芯片，從而確定該存儲器芯片在內(nèi)存中的地址范圍。常用的有三種：1、全譯碼2、部分譯碼3、線選法全地址譯碼用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得存儲器芯片的每一個單元都占據(jù)一個唯一的內(nèi)存地址。存儲器芯片譯碼器低位地址高位地址全部地址片選信號部分地址譯碼用部分高位地址信號（而不是全部）作為譯碼信號，使得被選中得存儲器芯片占有幾組不同的地址范圍。下例使用高5位地址作為譯碼信號，從而使被選中芯片的每個單元都占有兩個地址，即這兩個地址都指向同一個單元。部分地址譯碼例同一物理存儲器占用兩組地址： F0000HF1FFFH

17、B0000HB1FFFH A18不參與譯碼A19A17A16A15A14A13&1到6264CS1線選法高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接接各存儲器芯片的片選來區(qū)別各芯片的地址。線選會存在地址重疊和各芯片間地址不連續(xù)例： 用1k*4 的片子 2114 組成 2k*8 的存儲器 需 4 個芯片 地址線 （211=2048）需 11 根 （ 片內(nèi) 10 根，片選 1 根） 數(shù)據(jù)線 8 根 控制線 IO/ M 和 WRCPU全譯碼方式兩組存儲器的地址分配： 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0

18、0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 1 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0400 h 0 0 0 0, 0 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 07FF h 這種選片的譯碼方式稱為全譯碼，譯出的每一組地址是確定的、唯一的。 也可采用線選控制方式：只用A15-A10中的任意位來控制片選端。 如用A10，而 A15-A11可為任意值； 也可用A11，而A15-A12，A10 可為任意值；等不同組合。 A10A11-A15線選譯碼方式線選譯碼方式有兩個問題應考慮：

19、 用不同的地址線作為采選片控制，則它們的地址分配是不同的。 如： 用A11做線選 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0 0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 1 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0800 h 0 0 0 0, 1 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 0BFF h 如： 用A15做線選 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0 0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 1 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 8000 h 1 0 0 0, 0 0 1 1, 1