半導(dǎo)體存儲(chǔ)器課件

第五章微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器1第五章微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器1微型計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU2微型計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器存I/O輸I/O數(shù)據(jù)總線DB控制總線第一節(jié)存儲(chǔ)器概述一、存儲(chǔ)器的分類

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲(chǔ)信息的部件，它是計(jì)算機(jī)中的重要硬件資源。

從存儲(chǔ)程序式的馮.諾依曼經(jīng)典結(jié)構(gòu)而言，沒有存儲(chǔ)器，就無法構(gòu)成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。

3第一節(jié)存儲(chǔ)器概述一、存儲(chǔ)器的分類

存儲(chǔ)器1、按用途分類兩大類：內(nèi)存（主存）外存（輔存）41、按用途分類兩大類：4內(nèi)存內(nèi)存：CPU可以通過系統(tǒng)總線直接訪問的存儲(chǔ)器，

用以存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)當(dāng)前正在使用的程序或數(shù)據(jù)。

內(nèi)存要有與CPU盡量匹配的工作速度，容量

較小，價(jià)格較高。

內(nèi)存由順序編址的存儲(chǔ)單元構(gòu)成，開始的地

址為0；內(nèi)存一般又由ROM和RAM兩部分組

成。

ROM－常駐軟件（如BIOS）內(nèi)存區(qū)；

RAM－其余的內(nèi)存區(qū)。

5內(nèi)存內(nèi)存：CPU可以通過系統(tǒng)總線直接訪問的存儲(chǔ)器，

外存外存：用來存放相對(duì)來說不經(jīng)常使用的程序或者數(shù)據(jù)或者需要長期保存的信息。CPU需要使用這些信息時(shí)，必須要通過專門的設(shè)備（如磁盤，磁帶控制器等）把信息成批的傳送至內(nèi)存來（或相反）外存只與內(nèi)存交換信息，外存要配置專門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備才能完成對(duì)它的訪問功能,而不能被CPU直接訪問。外存由順序編址的“塊”所組成。

外存的容量大（海量存儲(chǔ)器），但由于它多數(shù)是機(jī)－電裝置所構(gòu)成，所以工作速度較慢。6外存外存：用來存放相對(duì)來說不經(jīng)常使用的程序或者數(shù)據(jù)或者需2、按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：磁芯存儲(chǔ)器；半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；磁表面存儲(chǔ)器如磁帶，磁盤，磁鼓，磁卡等；光盤存儲(chǔ)器（CD－ROM）；磁光式存儲(chǔ)器（用磁光材料）；72、按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：磁芯存儲(chǔ)器；7*只讀型光盤（CD－ROM：CompactDisk－ReadOnlyMemory）8*只讀型光盤（CD－ROM：CompactDisk－Re3按存儲(chǔ)器性質(zhì)分類：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM，RandomAccessMemory）只讀存儲(chǔ)器（ROM，ReadOnlyMemory）93按存儲(chǔ)器性質(zhì)分類：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM，RandomAcRAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessmemory)CPU能根據(jù)RAM的地址將數(shù)據(jù)隨機(jī)地寫入或讀出。電源切斷后，所存數(shù)據(jù)全部丟失。(1)SRAM靜態(tài)RAM(StaticRAM)靜態(tài)RAM速度非?？欤灰娫创嬖趦?nèi)容就不會(huì)自動(dòng)消失(2)DRAM動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM)DRAM的內(nèi)容在10(-3,-6)秒之后自動(dòng)消失，因此必須周期性的在內(nèi)容消失之前進(jìn)行刷新(Refresh)。10RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessmemor2．ROM只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory)ROM存儲(chǔ)器是將程序及數(shù)據(jù)固化在芯片中，數(shù)據(jù)只能讀出，不能寫入，也不會(huì)丟失，ROM中通常存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的程序(BIOS)或用戶固化的程序。按集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可分為下面三種：PROM可編程ROM(PrgramableROM)

將設(shè)計(jì)的程序固化進(jìn)去后，ROM內(nèi)容不可更改。EPROM可擦除、可編程ROM〔ErasablePROM)可編程固化程序，且在程序固化后可通過紫外光照擦除，以便重新固化新數(shù)據(jù)EEPROM電可擦除可編程ROM可編程固化程序，并可利用電壓來擦除芯片內(nèi)容，以重新編程固化新數(shù)據(jù)。112．ROM只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory)RO

1、存儲(chǔ)容量：設(shè)地址線位數(shù)為p，數(shù)據(jù)線位數(shù)為q，則：編址單元總數(shù)為－－2p位容量總數(shù)為――2p*q

2、存取速度：二、存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)12

1、存儲(chǔ)容量：設(shè)地址線位數(shù)為p，數(shù)據(jù)線位數(shù)為q，則：二、存應(yīng)用需要：存取速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格/位低。但由于技術(shù)的或經(jīng)濟(jì)的方面原因，存儲(chǔ)器的這些特性往往是相互矛盾、相互制約的。用一種存儲(chǔ)器很難同時(shí)滿足這些要求。為了發(fā)揮各種不同類型存儲(chǔ)器的長處，避開其弱點(diǎn)，應(yīng)該把他們合理地組織起來，這就出現(xiàn)了存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的概念。

存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：13應(yīng)用需要：存取速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格/位低。但由于技術(shù)的或金字塔結(jié)構(gòu)：1414第二節(jié)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類情況，其中：

RAM屬揮發(fā)性（易失性）（Volatile）存儲(chǔ)器－電源切斷后，信息消失。ROM屬非揮發(fā)性（非易失性）（Nonvolatile）存儲(chǔ)器。

15第二節(jié)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類情況，其中：15半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（內(nèi)存）分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

Memory

只讀存儲(chǔ)器

ROM掩膜ROM可編程ROM（PROM）UV可擦除PROM（EPROM）OTP-ROM(One-TimePROM)快閃ROM（FLASH-ROM:整片/塊）電可擦除PROM（E2PROM）（字節(jié)、頁）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM雙極型RAMMOS型

RAMSRAM（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）DRAM（電容）SDRAM，EDO,SDRAM,DDR,RAMBUSNVRAM+SRAM+BATT根據(jù)運(yùn)行時(shí)存取（讀寫）過程的不同分類

16半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（內(nèi)存）分類半導(dǎo)體只讀掩膜ROM隨機(jī)存取存1、

靜態(tài)RAM（SRAM－StaticRAM）（1）靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)單元（Cells）。（2）靜態(tài)RAM芯片舉例：6116－2K×8高速靜態(tài)CMOSRAM存儲(chǔ)器（3）靜態(tài)RAM組成的存儲(chǔ)矩陣一、RAM171、

靜態(tài)RAM（SRAM－StaticRAM）一、RA1024*1存儲(chǔ)器的模塊結(jié)構(gòu)：(1)存儲(chǔ)矩陣一個(gè)基本存儲(chǔ)單元存放一位二進(jìn)制信息，一塊存儲(chǔ)器芯片中的基本存儲(chǔ)單元電路按字結(jié)構(gòu)或位結(jié)構(gòu)的方式排列成矩陣。181024*1存儲(chǔ)器的模塊結(jié)構(gòu)：(1)存儲(chǔ)矩陣18地址譯碼器CPU讀／寫一個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，先將地址送到地址總線，高位地址經(jīng)譯碼后產(chǎn)生片選信號(hào)選中芯片，低位地址送到存儲(chǔ)器，由地址譯碼器譯碼選中所需要的片內(nèi)存儲(chǔ)單元，最后在讀／寫信號(hào)控制下將存儲(chǔ)單元內(nèi)容讀出或?qū)懭搿?9地址譯碼器CPU讀／寫一個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，先將地址送到地址總線，控制邏輯與三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器存儲(chǔ)器讀／寫操作由CPU控制，CPU送出的高位地址經(jīng)譯碼后，送到邏輯控制器的/CS端。/CS有效，允許對(duì)其進(jìn)行讀／寫操作，當(dāng)讀寫控制信號(hào)/RD，/WR送到存儲(chǔ)器芯片的R/W端時(shí)，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器的D0-D7端送到數(shù)據(jù)總線上或?qū)?shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。20控制邏輯與三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器存儲(chǔ)器讀／寫操作由CPU控制，CP（1）、DRAM的基本存儲(chǔ)單元（DRAM的主要特點(diǎn)）。（2）、DRAM芯片舉例。（3）、DRAM刷新控制邏輯2、

動(dòng)態(tài)RAM（DRAM－DynamicRAM）21（1）、DRAM的基本存儲(chǔ)單元（DRAM的2222動(dòng)態(tài)RAM的構(gòu)成動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM一樣，由許多基本存儲(chǔ)單元按行和列排列組成短陣。最簡單的動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)單元是一個(gè)晶體管和一個(gè)電容，因而集成度高，成本低，耗電少，但它是利用電容存儲(chǔ)電荷保存信息的，電容通過MOS管的柵極和源極會(huì)緩慢放電而丟失信息，必須定時(shí)對(duì)電容充電，也稱作刷新。23動(dòng)態(tài)RAM的構(gòu)成動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM一樣，由許多基本存儲(chǔ)單動(dòng)態(tài)RAM的刷新24動(dòng)態(tài)RAM的刷新24DRAM訪問時(shí)序?yàn)榱颂岣呒啥?，減少芯片的管腳數(shù)，DRAM的地址分成行(Row)地址和列(Column)地址。在訪問時(shí)總是先由行選通信號(hào)#RAS把行地址給到DRAM，然后再由列選通信號(hào)#CAS給出列地址，并結(jié)合讀寫控制信號(hào)進(jìn)行讀寫操作所以刷新和兩次地址的給出是DRAM的操作特點(diǎn)。25DRAM訪問時(shí)序?yàn)榱颂岣呒啥龋瑴p少芯片的管腳數(shù)，DRAM的第三節(jié)存儲(chǔ)器的工作時(shí)序1．SRAM器件對(duì)存儲(chǔ)器讀周期和寫周期時(shí)序的要求選擇存儲(chǔ)器時(shí)最重要的參數(shù)是存取時(shí)間，在存儲(chǔ)器讀周期中，具體是指讀取時(shí)間，在存儲(chǔ)器寫周期中就是指寫入時(shí)間。訪問存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間是指存儲(chǔ)器接收到穩(wěn)定的地址輸入到讀／寫操作所需時(shí)間。26第三節(jié)存儲(chǔ)器的工作時(shí)序1．SRAM器件對(duì)存儲(chǔ)器讀周期和寫8KX8bits的SRAM結(jié)構(gòu)IS61C64B278KX8bits的SRAM結(jié)構(gòu)IS61C64B2728282929SRAM讀時(shí)間參數(shù)30SRAM讀時(shí)間參數(shù)303131SRAM寫操作時(shí)間參數(shù)32SRAM寫操作時(shí)間參數(shù)32存儲(chǔ)器讀周期33存儲(chǔ)器讀周期33存儲(chǔ)器寫周期34存儲(chǔ)器寫周期34SDRAM的訪問方式舉例讀操作步驟：Active(bank,Row),ColumnAddr,BurstRead35SDRAM的訪問方式舉例讀操作步驟：Active(bank1、程序訪問的局部性（Localityofreference）對(duì)大量典型程序的運(yùn)行情況的分析結(jié)果表明，在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。指令地址的分布本來就是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復(fù)執(zhí)行多次，因此，對(duì)這些地址的訪問就自然具有時(shí)間上集中分布的特性。第四節(jié)高速緩存技術(shù)361、程序訪問的局部性（LocalityofreferenCACHE技術(shù)的目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使CPU全速運(yùn)行，可采用CACHE技術(shù)，將經(jīng)常訪問的代碼和數(shù)據(jù)保存到SRAM組成的高速緩沖器中，把不常訪問的數(shù)據(jù)保存到DRAM組成的大容量存儲(chǔ)器中，這樣使存儲(chǔ)器系統(tǒng)的價(jià)格降低，同時(shí)又提供了接近零等待的性能。37CACHE技術(shù)的目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使CPU全速運(yùn)行，可采

CACHE技術(shù)是為了把主存儲(chǔ)器看成是高速存儲(chǔ)器而設(shè)置的小容量局部存儲(chǔ)器。利用某些程序訪問存儲(chǔ)器在時(shí)間上和空間上有局部區(qū)域的特性：子程序的反復(fù)調(diào)用，變量的重復(fù)使用?？梢园袰ACHE看作是主存儲(chǔ)器中面向CPU的一組高速暫存寄存器，保存有一份主存儲(chǔ)器的“內(nèi)容拷貝”，該“內(nèi)容拷貝”是最近曾被CPU使用過的。38CACHE技術(shù)是為了把主存儲(chǔ)器看成是高速存儲(chǔ)器而設(shè)置的小容CACHE組成一部分存放由主存儲(chǔ)器來的數(shù)據(jù)另一部分存放該數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的地址由關(guān)聯(lián)性，高速緩沖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分為（僅作了解即可）：全相聯(lián)直接映象成組相聯(lián)39CACHE組成一部分存放由主存儲(chǔ)器來的數(shù)據(jù)39CACHE的數(shù)據(jù)更新通寫式（WriteThrough）回寫式（WriteBack）40CACHE的數(shù)據(jù)更新通寫式（WriteThrough）401、

掩膜式ROM：由制造廠家對(duì)芯片圖形（掩膜）進(jìn)行二次光刻而制成。用戶不能修改寫入的內(nèi)容。少量生產(chǎn)時(shí)，價(jià)格較高。2、

PROM（ProgrammableROM）：由用戶一次性寫入，一旦寫入就無法修改。3、

EPROM（ErasablePROM）

（1）

EPROM基本存儲(chǔ)單元（2）EPROM芯片舉例（2764A）

第五節(jié)只讀存儲(chǔ)器ROM411、

掩膜式ROM：由制造廠家對(duì)芯片圖形（掩膜）進(jìn)行二次光電可擦除可編程ROM(EEPROM)EPROM盡管可以擦除后重新進(jìn)行編程，但擦除時(shí)需用紫外線光源，使用起來仍然不太方便。電可擦除的可編程ROM，簡稱EEPROM(E2PROM)，它的外形管腳與EPROM相似僅擦除過程不需要用紫外線光源。42電可擦除可編程ROM(EEPROM)EPROM盡管可以擦除后EEPROM芯片舉例（2764A）Intel2764是8K×8的EPROM，A12-A0：地址線D7-D0：數(shù)據(jù)線/CE：芯片允許/OE：輸出允許/PGM：編程脈沖控制端，VPP：編程時(shí)電壓輸入。VCC：電源電壓，十5伏43EEPROM芯片舉例（2764A）Intel2764是8KEEPROMVSRAM?

EEPROM能否取代RAM?EEPROM結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)成本要比RAM高的多EEPROM的擦寫次數(shù)有限，一般在數(shù)百次左右最重要的一點(diǎn)，速度太慢，讀取速度相差10倍，寫入速度相差更多44EEPROMVSRAM?

EEPROM能否取代RAM?EEPROM的新成員FlashROMFlash的特點(diǎn)，采用不同工藝設(shè)計(jì)，擦寫不需要高電壓讀取速度比EEPROM快相對(duì)EEPROM成本更低，密度更大擦寫壽命更長，一般在1-10萬次左右缺點(diǎn)：擦寫必須按塊（sector）操作，而EEPROM可以按字節(jié)刪除45EEPROM的新成員FlashROMFlash的特點(diǎn)，采用FlashROM的兩種主要類型NOR型FlashNAND型Flash46FlashROM的兩種主要類型NOR型Flash46NOR型以Intel和AMD為主要發(fā)展者擁有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線，可以以字節(jié)為單位讀取或者寫入，但是擦除必須以塊為單位進(jìn)行壽命一般在1萬次左右缺點(diǎn)：擦除時(shí)間長（典型時(shí)間800ms）、密度較低成本較高47NOR型以Intel和AMD為主要發(fā)展者47NAND型以Samsung和TOSHIBA為代表擦除的時(shí)間較快，典型時(shí)間2ms成本低，密度較高壽命在10萬次左右缺點(diǎn)：以塊為單位進(jìn)行讀寫和擦除，不能進(jìn)行字節(jié)的讀寫讀取速度較慢48NAND型以Samsung和TOSHIBA為代表48NOR和NAND的不同用途NOR可按字節(jié)讀取，可以實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)的存取，做到程序的片上執(zhí)行(XIP,eXecuteInPlace)，NOR讀取速度高，寫入速度低，多用于系統(tǒng)的BIOS等不需要經(jīng)常更新的地方NAND容量大，價(jià)格低，寫入速度快，但讀取速度較低，常用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，如U盤，F(xiàn)lash卡等49NOR和NAND的不同用途NOR可按字節(jié)讀取，可以實(shí)現(xiàn)程序與第六節(jié)CPU與存儲(chǔ)器的連接CPU總線的負(fù)載能力CPU的時(shí)序和存儲(chǔ)器存取速度之間的配合存儲(chǔ)器的地址分配和片選存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線存儲(chǔ)芯片的地址線存儲(chǔ)芯片的片選端控制信號(hào)的連接存儲(chǔ)芯片的讀寫控制線50第六節(jié)CPU與存儲(chǔ)器的連接CPU總線的負(fù)載能力50存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好16根：一次可從芯片中訪問到16位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的16位數(shù)據(jù)總線相連若芯片的數(shù)據(jù)線不足16根：一次不能從一個(gè)芯片中訪問到16位數(shù)據(jù)利用多個(gè)芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位這種擴(kuò)充方式簡稱為位擴(kuò)充51存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好16根：51線選譯碼只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，且每根負(fù)責(zé)選中一個(gè)芯片（組）雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴(yán)重浪費(fèi)必然會(huì)出現(xiàn)地址重復(fù)一個(gè)存儲(chǔ)地址會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)存儲(chǔ)單元多個(gè)存儲(chǔ)單元共用的存儲(chǔ)地址不應(yīng)使用52線選譯碼只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，且每根負(fù)責(zé)選中線選示例A14-A13=00的情況不能出現(xiàn)，00000-01FFFH的地址不可使用53線選示例53線性選擇方式01號(hào)芯片尋址空間:XX0xxxxxxxxxxxxx0000-1FFFH，4000-5FFFH，8000一9FFFH，C000一DFFFH02號(hào)芯片尋址空間：2000—3FFFH，6000一7FFFH，A000一BFFFH，C000—FFFFH假設(shè)地址一共16位54線性選擇方式01號(hào)芯片尋址空間:假設(shè)地址一共16位54存儲(chǔ)芯片地址線的連接芯片的地址線通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連尋址時(shí)，這部分地址的譯碼是在存儲(chǔ)芯片內(nèi)完成的．我們稱為“片內(nèi)譯碼”55存儲(chǔ)芯片地址線的連接芯片的地址線通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總片內(nèi)譯碼56片內(nèi)譯碼56存儲(chǔ)芯片片選端的譯碼存儲(chǔ)系統(tǒng)常需利用多個(gè)存儲(chǔ)芯片擴(kuò)充容量也就是擴(kuò)充了存儲(chǔ)器地址范圍進(jìn)行“地址擴(kuò)充”，需要利用存儲(chǔ)芯片的片選端對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)芯片（組）進(jìn)行尋址這個(gè)尋址方法，主要通過將存儲(chǔ)芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)充簡稱為“地址擴(kuò)充”。57存儲(chǔ)芯片片選端的譯碼存儲(chǔ)系統(tǒng)常需利用多個(gè)存儲(chǔ)芯片擴(kuò)充容量也就地址擴(kuò)充58地址擴(kuò)充58譯碼和譯碼器譯碼：將某個(gè)特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸出”的過程譯碼電路可以使用門電路組合邏輯譯碼電路更多的是采用集成譯碼器最常用的3-8譯碼器74LS138常用的4-16譯碼器74LS15459譯碼和譯碼器譯碼：將某個(gè)特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸門電路譯碼60門電路譯碼60全譯碼所有的系統(tǒng)地址線均參與對(duì)存儲(chǔ)單元的譯碼尋址包括低位地址線對(duì)芯片內(nèi)