第5章 半導體存儲器

第5章半導體存儲器5.3只讀存儲器5.4內存管理5.5例題解析5.2隨機讀寫存儲器5.1概述第5章半導體存儲器教學重點芯片SRAM2114和DRAM4116

芯片EPROM2764和EEPROM2817ASRAM、EPROM與CPU的連接2/5/202315.1概述微型計算機的存儲結構寄存器——位于CPU中主存——由半導體存儲器(ROM/RAM)構成輔存——指磁盤、磁帶、磁鼓、光盤等大容量存儲器，采用磁、光原理工作高速緩存(CACHE)——由靜態(tài)RAM芯片構成本章介紹半導體存儲器及組成主存的方法CPU（寄存器）CACHE（高速緩存）主存（內存）輔存（外存）5.1.1半導體存儲器的分類按制造工藝分類雙極型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用屬性分類隨機存取存儲器RAM：可讀可寫、斷電丟失只讀存儲器ROM：只讀、斷電不丟失詳細分類，請看圖示圖5.1半導體存儲器的分類半導體存儲器只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）詳細展開，注意對比5.1.2存儲器的性能指標1.存儲器容量

存儲1位二進制信息的單元稱為1個存儲元。對于32MB的存儲器，其內部有32M×8bit個存儲元。存儲器芯片多為×8結構，稱為字節(jié)單元。在標定存儲器容量時，經常同時標出存儲單元的數目和每個存儲單元包含的位數：存儲器芯片容量=單元數×位數例如，Intel2114芯片容量為1K×4位，6264為8K×位。雖然微型計算機的字長已經達到16位、32位甚至64位，但其內存仍以一個字節(jié)為一個單元，不過在這種微型機中，一次可同時對2、4、8個單元進行訪問。2.存取周期

存儲器的存取周期是指從接收到地址，到實現(xiàn)一次完整的讀出或寫入數據的時間，是存儲器進行連續(xù)讀或寫操作所允許的最短時間間隔。3.功耗半導體存儲器屬于大規(guī)模集成電路，集成度高，體積小，但是不易散熱，因此在保證速度的前提下應盡量減小功耗。一般而言，MOS型存儲器的功耗小于相同容量的雙極型存儲器。例如上述HM62256的功耗為40mW～200mW。4.可靠性

5.集成度半導體存儲器的集成度是指在一塊數平方毫米芯片上所制作的基本存儲單元數，常以“位／片”表示，也可以用“字節(jié)／片”表示，6.其他讀寫存儲器RAM類型構成速度集成度應用SRAM觸發(fā)器快低小容量系統(tǒng)DRAM極間電容慢高大容量系統(tǒng)NVRAM帶微型電池快低小容量非易失5.2隨機讀寫存儲器隨機存取存儲器靜態(tài)RAMSRAM2114SRAM6264動態(tài)RAMDRAM4116DRAM21645.2.1靜態(tài)RAMSRAM的基本存儲單元是觸發(fā)器電路每個基本存儲單元存儲1位二進制數許多個基本存儲單元形成行列存儲矩陣SRAM一般采用“字結構”存儲矩陣：每個存儲單元存放多位（4、8、16等）每個存儲單元具有一個唯一的地址靜態(tài)RAM的存儲結構六管基本存儲電路列選線Y數據線D數據線D’T8T7行選線XT1T5T2T6T4T3VDDBA6管基本存儲單元列選通SRAM芯片的內部結構I/O行地址譯碼列地址譯碼A3A2A1A0A4A5A6A710015151-CS-OE-WE輸入緩沖輸出緩沖6管基本存儲單元列選通SRAM芯片2114存儲容量為1024×418個引腳：10

根地址線A9～A04

根數據線I/O4～I/O1片選-CS讀寫-WE123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4-WEA6A5A4A3A0A1A2-CSGND功能4.SRAM芯片舉例SRAM2114的讀周期數據地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUT-WE-CSTA讀取時間從讀取命令發(fā)出到數據穩(wěn)定出現(xiàn)的時間給出地址到數據出現(xiàn)在外部總線上TRC讀取周期兩次讀取存儲器所允許的最小時間間隔有效地址維持的時間SRAM2114的寫周期TWCTWRTAW數據地址TDTWTWDOUT

DINTDWTDH-WE-CSTW寫入時間從寫入命令發(fā)出到數據進入存儲單元的時間寫信號有效時間TWC寫入周期兩次寫入存儲器所允許的最小時間間隔有效地址維持的時間SRAM芯片6264存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數據線D7～D02

根片選-CS1、CS2讀寫-WE、-OE功能+5V-WECS2A8A9A11-OEA10-CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716151.存儲芯片數據線的處理若芯片的數據線正好8根：一次可從芯片中訪問到8位數據全部數據線與系統(tǒng)的8位數據總線相連若芯片的數據線不足8根：一次不能從一個芯片中訪問到8位數據利用多個芯片擴充數據位（數據寬度）這種擴充方式稱“位擴充”5.SRAM與CPU的聯(lián)接位擴充2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE兩片同時選中數據分別提供多個位擴充的存儲芯片的數據線連接于系統(tǒng)數據總線的不同位數其它連接都一樣這些芯片應被看作是一個整體常被稱為“芯片組”2.存儲芯片地址線的連接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完成的，我們稱為“片內譯碼”片內譯碼地址線A9～A0存儲芯片存儲單元片內譯碼000H001H002H…3FDH3FEH3FFH00…0000…0100…10…11…0111…1011…11（16進制表示）A9～A0片內10位地址譯碼10位地址的變化：全0~全13.存儲芯片片選端的譯碼存儲系統(tǒng)常需要利用多個存儲芯片進行容量的擴充，也就是擴充存儲器的地址范圍這種擴充簡稱為“地址擴充”或“字擴充”進行“地址擴充”時，需要利用存儲芯片的片選端來對存儲芯片（芯片組）進行尋址通過存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關聯(lián)來實現(xiàn)對存儲芯片（芯片組）的尋址，常用的方法有：全譯碼——全部高位地址線與片選端關聯(lián)（參與芯片譯碼）部分譯碼——部分高位地址線與片選端關聯(lián)（參與芯片譯碼）線選法——某根高位地址線與片選端關聯(lián)（參與芯片譯碼）片選端常有效——無高位地址線與片選端關聯(lián)（不參與芯片譯碼）地址擴充（字擴充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0-CE（1）A9～A0D7～D0-CE譯碼器00000000010000000000低位地址線高位地址線片選端常有效A19～A15

A14～A0

全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE片選端常有效與A19～A15無關令芯片（組）的片選端常有效不與系統(tǒng)的高位地址線發(fā)生聯(lián)系芯片（組）總處在被選中的狀態(tài)雖簡單易行、但無法再進行地址擴充，會出現(xiàn)“地址重復”

靜態(tài)隨機存取存儲器的聯(lián)接舉例

在64KB地址空間中用8片2114構成4K×8，即4KB存儲區(qū)的全譯碼法連接方案：其地址范圍為2000H～2FFFH。連接圖如圖5.11所示。5.2.2動態(tài)MOS存儲器DRAM

的基本存儲單元是單個場效應管及其極間電容必須配備“讀出再生放大電路”進行刷新每次同時對1行的存儲單元進行刷新每個基本存儲單元存儲1位二進制數許多個基本存儲單元形成行、列存儲矩陣DRAM一般采用“位結構”存儲體：每個存儲單元存放1位需要8個存儲芯片構成1個字節(jié)存儲單元每個字節(jié)存儲單元擁有1個唯一地址動態(tài)RAM的存儲結構單管基本存儲電路C2C1行選線列選線數據線T2T1單管基本存儲單元DRAM芯片的內部結構T5T4T3T2T1VDD讀出再生放大電路列128列2DINDOUT列1行128行66行65行64行2行1I/O緩沖單管基本存儲單元讀出再生放大電路DRAM芯片4116存儲容量為16K×116個引腳：7

根地址線A6～A01

根數據輸入線DIN1

根數據輸出線DOUT行地址選通-RAS列地址選通-CAS讀寫控制-WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC123456781615141312111094116的內部結構128128C0R064選1譯碼128選1譯碼寫時鐘-CAS-WE-RAS0012763A6~A0DINDOUT脈沖發(fā)生脈沖發(fā)生2選1譯碼列地址緩沖行地址緩沖讀出輸出緩沖輸入緩沖再生放大存儲體-R0-C0DRAM4116的讀周期DOUT地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址列地址-WE-CAS-RAS

存儲地址需要分兩批傳送行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址，CAS*相當于片選信號讀寫信號WE*讀有效數據從DOUT引腳輸出DRAM4116的寫周期TWCSTDS列地址行地址地址

-TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWE-CAS-RAS

存儲地址需要分兩批傳送行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址讀寫信號WE*寫有效數據從DIN引腳進入存儲單元DRAM4116的刷新TRCTCRPTRAS高阻TASRTRAH行地址地址DINCASRAS采用“僅行地址有效”方法刷新行地址選通RAS*有效，傳送行地址列地址選通CAS*無效，沒有列地址芯片內部實現(xiàn)一行存儲單元的刷新沒有數據從輸入輸出存儲系統(tǒng)中所有芯片同時進行刷新DRAM必須每隔固定時間就刷新DRAM芯片2164存儲容量為64K×116個引腳：8

根地址線A7～A01

根數據輸入線DIN1

根數據輸出線DOUT行地址選通-RAS列地址選通-CAS讀寫控制-WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111095.3只讀存儲器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允許一次編程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶多次擦除和編程EEPROM（E2PROM）：采用加電方法在線進行擦除和編程，也可多次擦寫FlashMemory（閃存）：能夠快速擦寫的EEPROM，但只能按塊（Block）進行擦除EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A典型EPROM、EEPROM芯片介紹5.3.2可擦可編程只讀存儲器

EPROM頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息一般使用專門的編程器（燒寫器）進行編程編程后，應該貼上不透光封條出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息1編程就是將某些單元寫入信息02.典型EPROM芯片介紹2716存儲容量為2K×824個引腳：11根地址線A10～A08根數據線DO7～DO0片選/編程CE*/PGM讀寫OE*編程電壓VPP功能VDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss3.高集成度EPROM

除了常使用的EPROM2764外，還常使用27128，27256，27512等。由于工業(yè)控制算機的發(fā)展，迫切需用電子盤取代硬盤，常把用戶程序、操作系統(tǒng)固化在電子盤上，（ROMDISK），這時要用27C010（128K×8），27C020（256K×8），27C040（512K×8）大容量芯片。5.3.3電可擦可編程存儲器下面以Intel2816為例，說明EEPROM的基本特點和工作方式。2816是容量為2K×8的電擦除PROM，它的邏輯符號如圖5.23所示。芯片的管腳排列與2716一致，只是在管腳定義上，數據線管腳對2816來說是雙向的，以適應讀寫工作模式。

圖5.232816的邏輯符號1.2816的基本特點3.2817AEEPROM圖5.242817A引腳圖存儲容量為2K×828個引腳：11根地址線A10～A08根數據線I/O7～I/O0片選CE*讀寫OE*、WE*狀態(tài)輸出RDY/BUSY*EEPROM芯片2864A存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數據線I/O7～I/O0片選CE*讀寫OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716155.3.4快擦寫存儲器1.整體擦除快擦寫存儲器2.對稱型塊結構快擦寫存儲器3.帶自舉塊快擦寫存儲器5.4內存管理5.4.180X86系列CPU的工作模式CPU數據總線地址總線尋址范圍支持操作系統(tǒng)80868位20位1MB實方式8028616位24位16MB實、保護方式80386/80486/Pentium32位32位4096MB實、保護、V86方式表5-10不同CPU的尋址范圍5.4.2內存空間的管理

Intel80X86系列CPU組成的微機系統(tǒng)中的內存空間如圖5.33所示。圖5.33內存空間分布1.常規(guī)內存常規(guī)內存（ConventionalMemory）在內存分配表中占用最前面的位置，從0KB到640KB（地址000000H～109FFFFH），共占640KB的容量。它在內存的最前面并且在DOS可管理的內存區(qū)，因此又稱之為LowDosMemory