微型计算机原理(第二版)第6章.ppt

第6章 半导体存储器,6.1 概述 6.2 随机读写存储器(RAM) 6.3 只读存储器(ROM) 6.4 存储器的扩展 6.5 几种新型存储器简介,6.1 概 述,6.1.1 存储器的分类 存储器是计算机用来存储信息的部件 按存取速度和用途可分为两大类：内存储器和外存储器 把通过系统总线直接与CPU相连、具有一定容量、存取速度快的存储器称为内存储器，简称内存内存一般都使用半导体存储器 把通过接口电路与系统相连、存储容量大而速度较慢的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等通常将外存归入计算机外部设备,6.1.2 半导体存储器的分类 半导体存储器分为两大类：随机读写存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)RAM是可读、可写的存储器，RAM中的信息断电后即丢失ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失 根据制造工艺的不同，RAM主要有双极型和MOS型两类双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。

MOS型存储器按信息存放方式又可分为:静态RAM(Static RAM，简称SRAM)动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM )SRAM的优点是不需要刷新，控制电路简单，但集成度较低，适用于不需要大存储容量的计算机系统DRAM电路简单，集成度高，需要定时刷新，它适用于大存储容量的计算机系统只读存储器ROM在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入存储器目前常见的有：掩膜式ROM，用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好；可编程ROM(Programmable ROM，简称PROM)，用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；可擦除的PROM(Erasable PROM，简称EPROM)，其内容可用紫外线擦除，用户可对其进行多次编程；电擦除的PROM(Electrically Erasable PROM，简称EEPROM或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写图6.1 半导体存储器的分类,6.1.3 半导体存储器的主要技术指标 1．存储容量 (1) 用单元数位数表示，以位为单位常用来表示存储芯片的容量，如1 K4位，表示该芯片有1 K个单元(1 K=1024)，每个存储单元的长度为4位。

(2) 用字节数表示容量，以字节为单位，如128 B，表示该芯片有 128个单元，每个存储单元的长度为8位常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小其中，1 KB＝210 B＝1024 B；1 MB＝220 B＝1024 KB；1 GB＝230 B＝l024 MB；1 TB＝240 B＝1024 GB2．存取时间 存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间存取时间越小，存取速度越快3．存储周期 连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的最短间隔时间称为存储周期它是衡量主存储器工作速度的重要指标一般情况下，存储周期略大于存取时间 4．功耗 功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的程度5．可靠性 可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures)来衡量MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。

MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强6．集成度 集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来表示 7．性能/价格比 性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价值其中性能包括前述的各项指标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格6.1.4 半导体存储器芯片的基本结构,图6.2 半导体存储器组成框图,1．存储体 存储体是存储器中存储信息的部分，由大量的基本存储电路组成每个基本存储电路存放一位二进制信息，这些基本存储电路有规则地组织起来(一般为矩阵结构)就构成了存储体(存储矩阵) 存储体中，可以由N个基本存储电路构成一个并行存取N位二进制代码的存储单元每个存储单元赋予一个惟一的地址这样，对于容量为2n个存储单元的存储体，需要n条地址线对其编址，若每个单元存放N位信息，则需要N条数据线传送数据，芯片的存储容量就可以表示为2nN位2．外围电路 外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲器、控制逻辑两部分组成的读/写控制电路。

1) 地址译码电路 地址译码电路对CPU从地址总线发来的n位地址信号进行译码，经译码产生的选择信号可以惟一地选中片内某一存储单元，在读/写控制电路的控制下可对该单元进行读/写操作2) 读/写控制电路 读/写控制电路接收CPU发来的相关控制信号，以控制数据的输入/输出三态数据缓冲器是数据输入/输出的通道，数据传输的方向取决于控制逻辑对三态门的控制CPU发往存储芯片的控制信号主要有读/写信号(R/W) 3．地址译码方式 芯片内部的地址译码主要有两种方式，即单译码方式和双译码方式单译码方式适用于小容量的存储芯片，对于容量较大的存储器芯片则应采用双译码方式 1) 单译码方式 单译码方式只用一个译码电路对所有地址信息进行译码，译码输出的选择线直接选中对应的单元一根译码输出选择线对应一个存储单元，故在存储容量较大、存储单元较多的情况下，这种方法就不适用了图6.3 单译码方式,2) 双译码方式 双译码方式把n位地址线分成两部分，分别进行译码，产生一组行选择线X和一组列选择线Y，当某一单元的X线和Y线同时有效时，相应的存储单元被选中。

例:一个容量为1 K字(单元)1位的存储芯片的双译码电路图6.4 双译码方式,,6.2 随机读写存储器(RAM),6.2.1 静态RAM 1. 基本存储电路 2．Intel 2114 SRAM芯片 Intel 2114 SRAM芯片的容量为1 K4位图6.6 Intel 2114内部结构,图6.7 Intel 2114引脚及逻辑符号(a) 引脚；(b) 逻辑符号,6.2.2 动态RAM 1．动态RAM的基本存储电路 1) 2) 3) 动态RAM的刷新 一般在2 ms内必须对存储的信息刷新一遍需要系统地对存储器进行定时刷新 对整个存储器系统来说，各存储器芯片可以同时刷新对每块DRAM芯片来说，则是按行刷新，每次刷新一行，所需时间为一个刷新周期如果某存储器有若干块DRAM芯片，其中容量最大的一种芯片的行数为128，则在2 ms之中至少应安排128个刷新周期2．Intel 2164A动态RAM芯片 Intel 2164A芯片的存储容量为64 K1位，采用单管动态基本存储电路，每个单元只有一位数据。

图6.10 Intel 2164A内部结构示意图,图6.11 Intel 2164A引脚与逻辑符号(a) 引脚；(b) 逻辑符号,6.3 只读存储器(ROM),6.3.1 掩膜式只读存储器(MROM) MROM的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的，写入后不能修改图6.12 掩膜式ROM示意图,表6.1 掩膜式ROM的内容,6.3.2 可编程只读存储器(PROM) 可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0，用户可用专门的PROM写入器将信息写入，这种写入是破坏性的，即某个存储位一旦写入1，就不能再变为0，因此对这种存储器只能进行一次编程6.3.3 可擦除、可再编程的只读存储器 PROM虽然可供用户进行一次编程，但仍有局限性为了便于研究工作，实验各种ROM程序方案，可擦除、可再编程ROM在实际中得到了广泛应用这种存储器利用编程器写入信息，此后便可作为只读存储器来使用 目前，根据擦除芯片内已有信息的方法不同，可擦除、可再编程ROM可分为两种类型：紫外线擦除PROM(简称EPROM)和电擦除PROM(简称EEPROM或E2PROM)。

EPROM封装方法与一般集成电路不同，需要有一个能通过紫外线的石英窗口擦除时，将芯片放入擦除器的小盒中，用紫外灯照射约20分钟，若读出各单元内容均为FFH，说明原信息已被全部擦除，恢复到出厂状态 写好信息的EPROM为了防止因光线长期照射而引起的信息破坏，常用遮光胶纸贴于石英窗口上 EPROM的擦除是对整个芯片进行的，不能只擦除个别单元或个别位，且擦写均需离线操作，使用起来不方便，因此，能够擦写的E2PROM芯片近年来得到广泛应用E2PROM具有对单个存储单元擦除与编程的能力，而且芯片封装简单，对硬件线路没有特殊要求，操作简便，信息存储时间长，因此，E2PROM给需要经常修改程序和参数的应用领域带来了极大的方便但与EPROM相比，E2PROM具有集成度低、存取速度较慢、完成程序改写需要较复杂的设备等缺点2．Intel 2716 EPROM芯片 EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2 K8)、2732(4 K8)、2764(8 K8)、27128(16 K8)、27256(32 K8)等 1)  2716的内部结构和外部引脚,表6.2 2716的工作方式,表6.3 常用的EPROM芯片,3. Intel 2816 E2PROM芯片 Intel 2816是2 K8位的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5 V电源。

表6.4 2816的工作方式,,,表6.5 常用的E2PROM芯片,,6.4 存储器的扩展,6.4.1 存储芯片的扩展 存储芯片的扩展包括位扩展、字扩展和字位同时扩展等三种情况 1．位扩展 位扩展是指对每个存储单元的位数进行扩展例:使用8片8 K1的RAM芯片通过位扩展构成8K8的存储器系统图6.17 用8 K1位芯片组成8 K8位的存储器,可以看出，位扩展的连接方式是将各芯片的地址线、片选CS、读/写控制线相应并联，而数据线要分别引出2．字扩展 字扩展用于存储单元数量的扩展例:用4个16 K8芯片经字扩展构成一个64K8存储器系统图6.18 有16 K8位芯片组成64 K8位的存储器,可以看出，字扩展的连接方式是将各芯片的地址线、数据线、读/写控制线并联，而由片选信号来区分各片地址也就是将低位地址线直接与各芯片地址线相连，以选择片内的某个单元；用高位地址线经译码器产生若干不同片选信号，连接到各芯片的片选端，以确定各芯片在整个存储空间中所属的地址范围3．字位同时扩展 在实际应用中，往往会遇到字数和位数都需要扩展的情况。

若使用lk位存储器芯片构成一个容量为MN位(M>l，N>k)的存储器，那么这个存储器共需要(M/l)(N/k)个存储器芯片连接时可将这些芯片分成(M/l)个组，每组有(N/k)个芯片，组内采用位扩展法，组间采用字扩展法 例:用2114(1 K4)RAM芯片构成4 K8(4KB)的存储器。