第五章半導體存儲器

1、第五章第五章 半導體存儲器半導體存儲器本章學習目標本章學習目標半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類半導體存儲器的主要指標半導體存儲器的主要指標存儲芯片的介紹存儲芯片的介紹存儲系統(tǒng)的設計存儲系統(tǒng)的設計存儲器的連接與擴充存儲器的連接與擴充1、存儲器的分類、存儲器的分類存儲器是用來存存儲器是用來存儲微型計算機工儲微型計算機工作時使用的信息作時使用的信息（程序和數(shù)據(jù)）（程序和數(shù)據(jù)）的部件，正是因的部件，正是因為有了存儲器，為有了存儲器，計算機才有信息計算機才有信息記憶功能。記憶功能。越靠近越靠近CPUCPU的存儲的存儲器速度越快而容器速度越快而容量越小。量越小。 CPUCache主存儲器主存儲器輔助存

2、儲器輔助存儲器大容量存儲器大容量存儲器外存儲器外存儲器內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器內(nèi)存與外存：內(nèi)存與外存：外存能長期保存信息。內(nèi)存指主板外存能長期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關閉電源程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關閉電源或斷電，數(shù)據(jù)就會丟失或斷電，數(shù)據(jù)就會丟失 。外存平均訪問時間外存平均訪問時間ms級級 硬盤硬盤910ms 光盤光盤80120ms內(nèi)存平均訪問時間內(nèi)存平均訪問時間ns級級 SRAM Cache15ns EPROM存儲器存儲器100400nsRAM靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)動態(tài)

3、RAM（DRAM ）ROM掩膜型掩膜型ROM可編程可編程ROM（PROM）紫外線可擦除紫外線可擦除ROM（EPROM）電可擦除電可擦除ROM（E2PROM)快擦寫存儲器（快擦寫存儲器（Flash Memory）半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類半導體存儲器因其存取速度快、集成度高、功耗小、價格低常用作內(nèi)存。 隨機存取存儲器隨機存取存儲器特點：存儲單元的內(nèi)容可特點：存儲單元的內(nèi)容可讀出或寫入，但其保存的讀出或寫入，但其保存的信息斷電后不再保存，即信息斷電后不再保存，即具有具有“易失性易失性”。SRAM的基本存儲電路，的基本存儲電路，在有電源條件下，存入的在有電源條件下，存入的數(shù)據(jù)可一直保存。數(shù)

4、據(jù)可一直保存。 DRAM的基本存儲電路利的基本存儲電路利用用MOS管和電容存儲信息，管和電容存儲信息，電容泄漏須刷新。電容泄漏須刷新。 SRAM的特點：讀寫速度的特點：讀寫速度快，通常用來做快，通常用來做Cache（高速緩沖存儲器）（高速緩沖存儲器）DRAM的特點：的特點：集成度高，集成度高，功耗??；需要刷新電路，功耗??；需要刷新電路，使用較麻煩；存取速度慢，使用較麻煩；存取速度慢，主要用來做內(nèi)存。主要用來做內(nèi)存。組成單元組成單元速度速度SRAM觸發(fā)器觸發(fā)器快快DRAM極間電容極間電容慢慢只讀存儲器只讀存儲器特點：在一般工作狀態(tài)下，特點：在一般工作狀態(tài)下，ROM中的信息只能讀中的信息只能讀出，

5、不能寫入。但其保存的信息斷電后仍然保存，出，不能寫入。但其保存的信息斷電后仍然保存，即具有即具有“非易失性非易失性”。常用于存放固定的程序和。常用于存放固定的程序和參數(shù)表，如微機開機的引導程序等。參數(shù)表，如微機開機的引導程序等。ROM的寫入有不同方式：的寫入有不同方式： 1）生產(chǎn)時確定其內(nèi)容）生產(chǎn)時確定其內(nèi)容掩模掩模ROM 2）由用戶編程確定，只能一次編程）由用戶編程確定，只能一次編程PROM 3）由特定電路（寫入器）擦除及寫入）由特定電路（寫入器）擦除及寫入EPROM 4）電擦除及寫入）電擦除及寫入EEPROM，F(xiàn)lash Memory2、半導體存儲器的主要指標、半導體存儲器的主要指標存儲容

6、量存儲容量：一塊存儲器芯片所能存儲的二進制位：一塊存儲器芯片所能存儲的二進制位數(shù)。數(shù)。 存儲器容量存儲單元數(shù)每單元數(shù)據(jù)位數(shù)存儲器容量存儲單元數(shù)每單元數(shù)據(jù)位數(shù)如：存儲芯片有如：存儲芯片有2048個單元，每單元存放個單元，每單元存放8位二進制數(shù)，則位二進制數(shù)，則容量為容量為20488位位 ，即，即2KB。例例 Intel 2114芯片的容量為芯片的容量為1K4位，位，Intel 6264芯片為芯片為8K8位。位。存取速度存取速度：從：從CPU給出有效的存儲器地址到存儲給出有效的存儲器地址到存儲器給出有效數(shù)據(jù)需要的時間器給出有效數(shù)據(jù)需要的時間其他指標其他指標 : 集成度、功耗、可靠性、價格等。集成度

7、、功耗、可靠性、價格等。3、存儲芯片的介紹、存儲芯片的介紹SRAM基本的存儲電路基本的存儲電路 一個一個基本存儲電路基本存儲電路能存儲一能存儲一位二進制數(shù)，而一個八位的位二進制數(shù)，而一個八位的二進制數(shù)則需八個基本存儲二進制數(shù)則需八個基本存儲電路，稱為一個電路，稱為一個存儲單元存儲單元。每個單元規(guī)定一個地址編號。每個單元規(guī)定一個地址編號。存儲芯片內(nèi)部基本結構存儲芯片內(nèi)部基本結構 地址譯碼器存 儲矩 陣讀/寫驅動電路控制電路三 態(tài)數(shù) 據(jù)緩沖器地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線存儲體多個基本存儲單元矩陣排列組成。 外圍電路接收來自CPU的地址信號和讀/寫信號，選中對應單元，完成數(shù)據(jù)存取操作。1 242 233

8、 224 215 206 197 6116 188 179 1610 1511 1412 13 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0I/O0I/O1I/O2GNDVccA8A9WEOEA10CSI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3例例 Intel 6116芯片芯片 引腳信號： 地址信號A10A0 數(shù)據(jù)線I/O7I/O0 控制信號： 片選信號CS 寫選通信號WE 輸出允許信號OE工作方式：讀出邏輯：CS=0.OE=0,WE=1寫入邏輯：CS=0.OE=1,WE=0高阻：CS1典型的靜態(tài)典型的靜態(tài)RAM芯片：芯片： 6116（2K8位）、位）、6264（8K8位）、位）、62256（

9、32K8位）、位）、628128（128K8位）等。位）等。 例例 6116芯片的容量為芯片的容量為2K8位：有位：有214個基本存?zhèn)€基本存儲電路，有儲電路，有211個存儲單元，形成個存儲單元，形成12816個存儲個存儲陣列。需要陣列。需要11根地址線，根地址線，7根用于行地址譯碼，根用于行地址譯碼，4根用于列地址譯碼，可以選擇根用于列地址譯碼，可以選擇2048個存儲單元中個存儲單元中的任意一個。每個存儲單元有的任意一個。每個存儲單元有8位，是通過數(shù)據(jù)線位，是通過數(shù)據(jù)線寫入或讀出的。寫入或讀出的。4、存儲系統(tǒng)的設計、存儲系統(tǒng)的設計1）存儲芯片的選片）存儲芯片的選片 根據(jù)存儲系統(tǒng)容量要求、應用場

10、合、速度要求、根據(jù)存儲系統(tǒng)容量要求、應用場合、速度要求、價格、體積、功耗等方面綜合考慮。價格、體積、功耗等方面綜合考慮。 芯片類型選擇：一般，小系統(tǒng)中多使用芯片類型選擇：一般，小系統(tǒng)中多使用SRAM而而DRAM的集成度較高多用于中、大系統(tǒng)中。的集成度較高多用于中、大系統(tǒng)中。掩模掩模ROM、PROM成本低多用于較成熟程序，成本低多用于較成熟程序，EEPROM、閃存則用于保存不常修改的數(shù)據(jù)。、閃存則用于保存不常修改的數(shù)據(jù)。 2）存儲器與）存儲器與CPU連接時，需注意的問題：連接時，需注意的問題： CPU總線的帶負載能力、總線的帶負載能力、CPU時序與存儲器存時序與存儲器存取速度之間的配合、存儲器組

11、織的地址分配取速度之間的配合、存儲器組織的地址分配5、存儲器的連接與擴充、存儲器的連接與擴充CPU與存儲器的連接，主要是與存儲器的連接，主要是CPU的系統(tǒng)總線與的系統(tǒng)總線與存儲器的連接方法，特別注意的是存儲器的連接方法，特別注意的是存儲器芯片地存儲器芯片地址分配和片選端的處理。址分配和片選端的處理。存儲器與系統(tǒng)總線的連接：存儲器與系統(tǒng)總線的連接：三總線結構：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線三總線結構：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線1）地址總線：低位地址線：等于存儲芯片地址線數(shù)目）地址總線：低位地址線：等于存儲芯片地址線數(shù)目 高位地址線：用于選擇不同的存儲芯片高位地址線：用于選擇不同的存儲芯片 2）數(shù)

12、據(jù)總線：）數(shù)據(jù)總線：8086：16位，位，8088：8位位3）控制總線：）控制總線：RD、WR、IO/M（M/IO）位數(shù)擴充位數(shù)擴充 當實際存儲芯片每個單元的位數(shù)和應用系統(tǒng)需要當實際存儲芯片每個單元的位數(shù)和應用系統(tǒng)需要內(nèi)存單元字長不等時采用的方法。內(nèi)存單元字長不等時采用的方法。 例例 用用1K4的的RAM芯片擴充形成芯片擴充形成1K8的存儲系的存儲系統(tǒng)：統(tǒng)： 所需芯片的片數(shù)：所需芯片的片數(shù)：8/4=2 片片 存儲器容量擴充方法存儲器容量擴充方法位數(shù)擴充位數(shù)擴充2114（1）A9A0I/O4I/O1片選片選D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECEA0A12CS1CS

13、2 0#WEOED0D7A0A12CS1CS2 1#WEOED0D7A0A12CS1CS2WEOED0D7D8D15單元數(shù)擴充單元數(shù)擴充 當存儲芯片上每個存儲單元的字長已滿足要求，當存儲芯片上每個存儲單元的字長已滿足要求，但存儲單元的個數(shù)不夠，需要增加的是存儲單元但存儲單元的個數(shù)不夠，需要增加的是存儲單元的數(shù)量。的數(shù)量。 例例 用用2K8的的2716 EPROM存儲器芯片組成存儲器芯片組成8K8的存儲器系統(tǒng)的存儲器系統(tǒng) ： 所需芯片的片數(shù)：所需芯片的片數(shù)：8K/2K=4 片片單元數(shù)擴充單元數(shù)擴充片選端片選端D7D0A19A10A9A0（2）A9A0D7D0CE（1）A9A0D7D0CE譯碼器0

14、0000000010000000000A0A7I/OCE11A02I/OA0A7I/OCE13A04I/OA0A7I/OCE15A06I/OA0A7I/OCE17A08I/OCE2CE2CE2CE2譯碼器A0A7A8A9D0D7.地址總線數(shù)據(jù)總線存儲器芯片片選端的處理存儲器芯片片選端的處理全譯碼法：全譯碼法：片內(nèi)尋址未用的全部高位地址線都參片內(nèi)尋址未用的全部高位地址線都參加譯碼，譯碼輸出作為片選信號。加譯碼，譯碼輸出作為片選信號。部分譯碼法：部分譯碼法：用片內(nèi)尋址外的高位地址的一部分用片內(nèi)尋址外的高位地址的一部分譯碼產(chǎn)生片選信號。譯碼產(chǎn)生片選信號。線選法：線選法：高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接（或

15、經(jīng)反高位地址線不經(jīng)過譯碼，直接（或經(jīng)反相器）分別接各存儲器芯片的片選端來區(qū)別各芯相器）分別接各存儲器芯片的片選端來區(qū)別各芯片。片。全譯碼法全譯碼法 全譯碼的優(yōu)點是每個芯片的地址范圍是全譯碼的優(yōu)點是每個芯片的地址范圍是唯一確定。缺點是譯碼電路比較復雜唯一確定。缺點是譯碼電路比較復雜。部分譯碼部分譯碼 部分譯碼較全譯碼簡單，但存在地址重部分譯碼較全譯碼簡單，但存在地址重疊區(qū)疊區(qū)。線選法線選法 軟件上必須保證這些片選線每次尋址時只軟件上必須保證這些片選線每次尋址時只能有一位有效，也會造成地址重疊。能有一位有效，也會造成地址重疊。74LS138譯碼器譯碼器例例 2764為為8K 8的的EPROM芯片，

16、如下圖，則存儲芯片，如下圖，則存儲器芯片的地址范圍？器芯片的地址范圍？舉例舉例例例 在某型號在某型號CPU微機系統(tǒng)中，微機系統(tǒng)中， 用用Intel 6116芯片組芯片組成成8KB RAM，假設假設CPU數(shù)據(jù)總線有數(shù)據(jù)總線有8根，地址總根，地址總線有線有16根，試問：根，試問：1、需要幾片、需要幾片6116？2、地址線和數(shù)據(jù)線各為多少根？、地址線和數(shù)據(jù)線各為多少根？3、每一片的地址范圍是多少？是否有重疊區(qū)？、每一片的地址范圍是多少？是否有重疊區(qū)？4、如何連線？（包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線）、如何連線？（包括地址線、數(shù)據(jù)線和控制線）A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0

17、A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A11A 15A0A 10IO/MWRD7D 05:32譯碼器CPU313010611661166116611623全譯碼法全譯碼法A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

18、 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16116 的地址范圍000007FFH； 6116 的地址范圍08000FFFH6116 的地址范圍100017FFH； 6116 的地址范圍18001FFFHA0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A14A 15A0A 10IO/MWRD7D 02:4譯碼器CPU10611661166116611623部分譯碼法

19、部分譯碼法A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1如果如果*的地址線都設為的地址線都設為“0”，則，則6116 的地址范圍000007FFH； 61