微機原理與接口技術(shù)_05半導體存儲器

1、第5章 半導體存儲器 2022-5-92本章主要內(nèi)容 5.1 存儲器概述 5.2 讀寫存儲器RAM 5.3 只讀存儲器ROM 5.4 內(nèi)存接口技術(shù) 5.5 微機內(nèi)存空間的形成2022-5-935.1 存儲器概述2022-5-945.1.1 存儲器的分類 1按存儲器在計算機中的作用和位置分類 按存儲器在計算機中的作用和位置可分為主存儲器（內(nèi)存）、輔助存儲器（外存）、緩沖存儲器等。 1）主存儲器（內(nèi)存） 主存儲器又叫內(nèi)部存儲器，簡稱主存或內(nèi)存，它是主機的組成部分。 2）輔助存儲器（外存） 輔助存儲器又稱為外部存儲器，簡稱輔存或外存。 3）緩沖存儲器 緩沖存儲器設置在兩個訪問速度不同的存儲部件之間，

2、用以加快部件間的信息交換。 2022-5-95 2按工作方式分類 按存儲器的工作方式可分為可讀/寫存儲器和只讀存儲器。 1）可讀/寫存儲器 可讀/寫存儲器是一種既可讀出信息又可寫入信息的存儲器。如主存儲器、磁盤和磁帶等。 2）只讀存儲器ROM（Read Only Memory） 只讀存儲器對于存儲在其內(nèi)部的信息只能讀出使用，不能進行寫入，即在使用中不能改變內(nèi)部的內(nèi)容。 2022-5-96 3按存取方式分類 1）隨機存取存儲器RAM（Random Access Memory） 隨機存取存儲器，可隨機從任何位置進行信息的存取，其存取數(shù)據(jù)的時間與信息在存儲器中的位置無關(guān)。 2）順序存取存儲器SAM（

3、Sequential Access Memory） 順序存取存儲器的存儲內(nèi)容，只能按某種順序進行存取，即存取時間與存取單元的物理位置有關(guān)。 3）直接存取存儲器DAM（Direct Access Memory） 直接存取存儲器是不必經(jīng)過順序定位就可以直接定位存取位置的存儲器。 2022-5-97 4按存儲介質(zhì)分類 按存儲信息的介質(zhì)材料，可將存儲器分為磁存儲器、半導體存儲器、光存儲器等。 1）磁存儲器 磁存儲器是采用磁性記錄材料制造的存儲器。 2）半導體存儲器 采用半導體器件和技術(shù)制造的存儲器為半導體存儲器。分為雙極型和MOS型兩種。 3）光存儲器 采用激光技術(shù)控制訪問的存儲器。 2022-5-9

4、85.1.2 存儲器的層次結(jié)構(gòu)1）CPU內(nèi)部寄存器包括通用寄存器和專用寄存器。2）Cache為了提高CPU讀寫程序和數(shù)據(jù)的速度，在內(nèi)存和CPU之間增加了兩級高速緩存（Cache）。 3）內(nèi)存（主存）內(nèi)存和CPU直接進行信息交換，存放當前正在運行的程序及數(shù)據(jù)。4）外存（輔存）外存用于存放當前未運行的程序及數(shù)據(jù)。5）虛擬內(nèi)存它是指在內(nèi)存不足的情況下，用硬盤的一部分空間模擬內(nèi)存的一種虛設內(nèi)存，并不是真正的內(nèi)存。 2022-5-995.1.3 存儲器的基本結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織1基本結(jié)構(gòu)（1）存儲體：是存儲器芯片的基礎和核心。（2）地址總線：用來指出所需訪問的存儲單元的地址。 （3）地址寄存器：存放CPU訪問

5、的來自地址總線的地址信息。（4）地址譯碼器：每個存儲單元有唯一的地址編號，譯碼器接受CPU送來的地址信號并對它進行譯碼，選擇與此地址碼對應的存儲單元。2022-5-910 （5）讀寫控制電路：用來提供片選和讀/寫控制等信號，用來完成對被選中單元中各位的讀/寫操作。 （6）數(shù)據(jù)寄存器：用來暫存CPU與內(nèi)存之間進行交換的數(shù)據(jù)信息，目的是為了協(xié)調(diào)CPU與存儲器速度上的差異。 （7）數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線用來在CPU與內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)信息。 2022-5-911 2數(shù)據(jù)組織 在計算機系統(tǒng)中，作為一個整體一次存放或取出的數(shù)據(jù)稱為“存儲字”，例如8位機的存儲字是8位字長；16位機的存儲字是16位字長；32位機

6、的存儲字是32位字長等，在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，內(nèi)存一般是以字節(jié)編址，即一個存儲地址對應一個8位存儲單元，這樣一個16位存儲字就占了兩個連續(xù)的8位存儲單元，一個32位存儲字就占了四個連續(xù)的8位存儲單元等。 2022-5-9125.1.4 半導體存儲器的主要技術(shù)指標1存儲容量2存儲速度3可靠性4性價比5功耗2022-5-9135.2 讀寫存儲器RAM2022-5-9145.2.1 靜態(tài)RAM（SRAM）1基本存儲電路存儲器存放信息，其實質(zhì)是存放一位一位的二進制碼，每一位二進制碼只有兩個狀態(tài)：0和1。任何有兩個狀態(tài)的器件都可作為存放二進制碼的基本存儲單元，靜態(tài)存儲器采用雙穩(wěn)態(tài)電路來作為存放一位二進制碼

7、的基本存儲電路。2022-5-915 2工作原理 下面介紹基本存儲電路在讀操作、寫操作和保持信息時的工作原理。 1）寫操作 2）保存信息 3）讀出操作2022-5-916 3芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 典型芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。 2022-5-917 4典型SRAM芯片HM6116 常用的典型SRAM芯片有6116，6264，62256，62128等。6116芯片外部引腳簡圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示。2022-5-9185.2.2 動態(tài)RAM（DRAM） 1基本存儲電路 動態(tài)RAM利用MOS管的柵極電容存儲電荷的原理來存儲信息。因電容的充電、放電、泄漏、補充是一個動態(tài)的過程，所以稱為動態(tài)隨機存儲器（DRA

8、M）。由于電容有泄漏，必須不斷地補充電荷，這種補充電荷的過程即為動態(tài)RAM的刷新。 2工作原理 1）寫入操作 2）讀出操作 3）刷新2022-5-9195.2.3 幾種現(xiàn)代RAM 1同步動態(tài)隨機訪問存儲器SDRAM 2擴展數(shù)據(jù)輸出動態(tài)隨機訪問存儲器EDO DRAM 3雙倍數(shù)據(jù)速率同步內(nèi)存DDR SDRAM 4突發(fā)存取的高速動態(tài)隨機存儲器RDRAM 5顯示隨機存儲器2022-5-9205.3 只讀存儲器ROM2022-5-9215.3.1 掩膜式ROM 掩膜式ROM芯片所存儲的信息是由芯片制造廠家根據(jù)用戶給定的程序或數(shù)據(jù)對芯片圖形（掩膜）進行二次光刻所決定的，所以稱為掩膜ROM。掩膜式ROM又可

9、分為MOS型和雙極型兩種。MOS型功耗小，但速度比較慢，微機系統(tǒng)中用的ROM主要是這種類型。雙極型速度比MOS快，但功耗大，只用在速度要求比較高的系統(tǒng)中。2022-5-9225.3.2 可編程ROM （Programmable ROM） PROM中的信息是在芯片制成后用戶根據(jù)需要編程寫入的。這種ROM一般由三極管矩陣組成，芯片出廠時，開關(guān)管與位線之間以熔絲相連。用戶可根據(jù)需要，自行寫入信息（熔斷或保留熔絲以區(qū)分1或0），但只能寫入一次（熔斷后不能再連通）。PROM的寫入要由專用的電路（大電流，高電壓）和程序完成。為了與RAM的隨機寫入過程區(qū)別，稱PROM的寫入過程為編程。 2022-5-923

10、5.3.3 可擦寫PROM （Erasable PROM） 掩膜ROM和PROM中的信息一旦寫入，就無法改變，但在實際操作過程中往往一個新設計的計算機程序在經(jīng)過一段時間的試用后，都需要做些適當?shù)男薷?，如果把這些程序放在PROM或ROM中，就無法修改了。而EPROM利用編程器寫入信息后，就可以長久保存，當其內(nèi)容要修改時，可以利用擦抹器（由紫外線燈照射）將其內(nèi)容擦除，各位存儲內(nèi)容恢復為高電平（FFH），再根據(jù)需要，利用編程器重新寫入。EPROM可紫外線多次擦除，多次改寫，但寫入的次數(shù)是有限的。2022-5-9245.3.4 電擦寫EPROM （E2PROM） E2PROM的工作原理與EPROM類似

11、，當浮空柵上沒有電荷時，管子的漏極和源極之間不導電，若設法使浮空柵帶上電荷，則管子就導通。在E2PROM中，使浮空柵帶上電荷和消去電荷的方法與EPROM中是不同的。在E2PROM中漏極上面增加了一個隧道二極管，它在第二柵與漏極之間的電壓UG作用下（在電場的作用下），可以使電荷通過它流向浮空柵（即起編程作用）；若UG的極性相反也可以使電荷從浮空柵流向漏極（起擦除作用）。而編程與擦除所用的電流是極小的，可用極普通的電源供給UG。 2022-5-9255.3.5 閃存（Flash ROM） Flash ROM是1988年Intel公司采用ETOX 技術(shù)研制成功的新型存儲器。它是從EPROM演化而來的

12、，制作Flash ROM的處理過程與EPROM的處理過程有95%的兼容性。因而，F(xiàn)lash ROM與EPROM一樣屬于可更新的非易失性存儲器，且它是在主機系統(tǒng)內(nèi)電可重寫的非易失性存儲器。Flash ROM采用單管存儲單元結(jié)構(gòu)，比高密度的DRAM存儲單元小30%，更比電可改寫的EPROM結(jié)構(gòu)簡化。它與E2PROM的主要功能區(qū)別是E2PROM可按字節(jié)擦除及更新，而Flash ROM卻只能分塊進行電擦除和重寫。 2022-5-9265.3.6 典型ROM芯片（2764） Intel 2764是EPROM芯片，具有28個引腳，13根地址線A0A12，8根數(shù)據(jù)線O0O7，所以容量為2138b，即8K8b

13、（8KB），8K個單元，每單元8位。 從使用的角度來看，2764芯片主要有4種工作方式。 1）讀方式 2）備用方式 3）編程方式 4）校驗方式2022-5-9275.4 內(nèi)存接口技術(shù)2022-5-9285.4.1 連接中考慮的問題 1CPU的總線負載能力 2CPU的時序和存儲器存儲時序之間的配合 3存儲器地址分配和片選控制 4控制信號的連接2022-5-9295.4.2存儲器的工作時序 1存儲器的讀周期 SRAM讀出方式的時序參數(shù)如下圖所示。2022-5-930 2存儲器寫周期 存儲器寫入方式的時序參數(shù)如下圖所示。2022-5-9315.4.3存儲器與CPU的連接方法 內(nèi)存芯片與CPU連接的基

14、本方法如右圖所示。2022-5-9325.4.4 集成譯碼器及其應用 集成譯碼器74LS138是38線譯碼/分配器，其引腳簡圖如右圖所示。 例：將2片6116通過74LS138連到8086上，地址范圍如下，試畫出該芯片與CPU的硬件連接圖。（解答詳見課本第5.4.4節(jié)例1）2022-5-9335.4.5 片選控制的譯碼方法 1全譯碼法 全譯碼法是指CPU的所有地址線都參與地址譯碼，存儲器芯片每個單元有唯一地址，即無地址間斷和地址重疊現(xiàn)象。 2部分譯碼法 部分譯碼法是指CPU有的地址線不參與地址譯碼，這些未參加譯碼的地址線與存儲器地址無關(guān)，取值可0可1。2022-5-934 3線選法 當存儲器容

15、量不大，所使用的存儲芯片數(shù)量不多，而CPU尋址空間遠遠大于存儲器容量時，可用高位地址線直接作為存儲芯片的片選信號，每一根地址線選通一塊芯片，這種方法稱為線選法。 4混合譯碼法 混合譯碼法是將線選法與部分譯碼法相結(jié)合的一種方法。該方法將用于片選控制的高位地址分為兩組，其中一組的地址（通常為較低位）采用部分譯碼法，經(jīng)譯碼后的每一個輸出作為一塊芯片的片選信號；另一組地址為較高位，采用線選法，每一位地址線作為一塊芯片的片選信號。 2022-5-9355.5 微機內(nèi)存空間的形成2022-5-9365.5.1 8位微機內(nèi)存空間的形成 例：要求用2732和6116形成16KB的ROM和8KB的RAM，共24KB內(nèi)存空間，試畫出采用全譯碼法的硬件連接圖并計算每個芯片的地址范圍。（詳解見課本第5.5.1節(jié)例3） 解： （1）總體分析。 （2）數(shù)據(jù)線的連接。 （3）地址線的連接。 （4）控制線的連接。2022-5-9375.5.2 16位微機內(nèi)存空間的形成 116位微機系統(tǒng)中奇偶分體 對16位微機系統(tǒng)，CPU可以字節(jié)訪問，即要求一次訪問1字節(jié)，也可以字訪問，要求一次訪問1個字（16位，兩個