第5章存储器.

第5章存储器第5章存储器随机存储器（RAM）5.2存储器的设计方法5.4半导体存储器5.1只读存储器（ROM）5.3第5章复习题第5章存储器存储器是计算机内部具有记忆功能的部件，是微型计算机系统中必不可少的组成部分，用来存放计算机系统工作时所用的信息——程序和数据。存储器根据在计算机系统中的地位可分为内存储器（简称内存）或主存储器（简称主存）和外存储器（简称外存）或辅助存储器（简称辅存）。内存储器通常由半导体存储器组成，本章主要介绍半导体存储器。第5章存储器存储器内存储器外存储器磁存储器（磁芯、磁鼓、磁带、磁盘等）光存储器随机存储器RAM只读存储器ROM双极型RAMMOS型RAM掩模ROM可编程PROM可擦除PROMEPROME2PROMFLASHROM静态RAM动态RAM图5-1存储器的分类第5章存储器5.1半导体存储器半导体存储器是一种能存储二值信息的大规模集成电路，具有集成度高、体积小、可靠性高、外围电路简单且易于接口、便于自动化批量生产等特点。5.1.1概述半导体存储器内部的存储单元分配了相应的地址。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与内存储器（半导体存储器）进行程序和数据的传送。第5章存储器1．内存储器的基本结构CPU控制总线数据总线地址总线时序/控制存储体MBMARMDR地址译码器读写驱动器···图5-2内存储器的基本结构第5章存储器2．存储器中的数据组织在微机系统中，内存都以字节编址，即一个存储地址对应一个8位的存储单元，叫做字节单元。用符号B表示。1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB作为一个整体一次存放或取出内存储器的数据称为“存储字”。1字=2字节，双字=4字节在8086系统中，16位存储字的地址是2个字节单元中最低端的字节单元的地址，该最低端字节单元中存放的是16位字中的低8位。第5章存储器例如，双字12345678H存放在内存中的情况如图5-3所示，占有30100H～30103H4个地址的字节单元，最低字节78H存放在30100H中，则该32位双字字的地址即为30100H。30100H30103H78H56H34H12H图32位存储字的存放情况第5章存储器5.1.2半导体存储器的分类半导体存储器按照存取功能可以分为随机存储器和只读存储器两大类。1.随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）RAM在CPU执行程序中就可以随时向存储器里写入数据或从中读出数据。2.只读存储器（Read-OnlyMemory，简称ROM）ROM正常工作状态下只能从中读取数据，而不能写入数据。ROM的优点是电路结构简单，而且断电以后数据也不丢失。第5章存储器5.1.3半导体存储器的主要技术指标1．存储容量存储容量指存储器能存放的二进制信息有多少个，存储容量越大，说明它能存储的信息量越多。存储器中的一个基本存储单元能存储二进制数据的位数（也就是每次可以读（写）的二值代码位数）叫做存储器的字长；存储器中基本存储单元的数量，也就是输入地址代码的数量，叫做存储器的字数，所以存储器的：存储容量=字数与字长的乘积。第5章存储器2．存取时间存储器的存取时间一般用读（或写）周期来描述，连续两次读取（或写入）操作所间隔的最短时间称为读（或写）周期。读（或写）周期短，即存取时间短，存储器的工作速度就高。3．可靠性存储器的可靠性一般是指存储器对电磁场及温度等参数变化的抗干扰能力，通常用平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来衡量，MTBF越长，存储器的可靠性越高。第5章存储器4．功耗和集成度功耗反映存储器耗电的多少，集成度是指一片数平方毫米的芯片上能集成多少个基本存储元件。双极型存储器功耗比MOS型存储器大，发热的程度也高，所以双极型存储器的集成度比MOS型存储器低。5．性能价格比存储器的综合性能指标包括以上几项，存储器的成本在计算机成本中占很大比重。存储器的性能价格比反映了存储器选择方案的优劣。第5章存储器5.2随机存储器（RAM）5.2.1RAM芯片的内部结构随机存储器一般由存储矩阵、地址译码器和输入/输出控制电路三部分组成，如图所示。存储矩阵地址译码器地址输入控制信号输入输入/输出控制电路数据输入/输出第5章存储器1．存储矩阵一个存储器内有许多字存储单元，一般按矩阵形式排列，排成n行和m例。X31A4A3A2A1A0Y7Y0Y1X0X1列地址译码器行地址译码器A7A6A5…第5章存储器2．地址译码器通过地址译码器对输入地址进行译码输出选择相应的地址单元。在大容量存储器中，一般采用双译码结构，即有行地址和列地址，分别由行地址译码器和列地址译码器译码。行地址和列地址共同决定一个地址单元。地址单元个数N与二进制地址码的位数n有以下关系N=2n即n条地址线的最大寻址空间为2n个存储单元。3．输入（写）\输出（读）控制电路RAM中的读\写控制电路除了对存储器实现读或写操作的控制外，为了便于控制，还需要一些其他控制信号。下图是一个简单的读\写控制电路，不仅有读/写控制信号R/，还有片选控制信号。WCSDDG2G1G3G4G5R/WI/O&&CScpu3．输入（写）\输出（读）控制电路读/写控制信号R/R/=1；读存储器中的数据R/=0；向存储器写入数据片选控制信号低电平有效=1，存储器不工作=0，存储器工作WCSWWCSCS第5章存储器5.2.2RAM存储元件存储元件可以存放一位二进制数据。按工作原理不同可以分为静态存储元件和动态存储元件。1．静态RAM中存储元件静态RAM靠触发器保存数据，存取速度快，只要不断电，数据就能长久保存。一般静态RAM的集成度较低，成本较高。第5章存储器数据线存储元件位线B行选择线XiVDDVDDT3T4T1T2T6T5T8T7Yj列选择线DD图5-7六管静态存储元件第5章存储器2．动态RAM中存储元件动态RAM存储数据的原理是靠MOS管栅极电容的电荷存储效应，充上电荷存入“1”，未充电荷存入“0”。由于漏电流的存在，栅极电容上存储的数据（电荷）不能长期保持，必须定期给电容补充电荷，以免数据丟失，这种操作称为刷新。在硬件系统中要设置相应的刷新电路来完成动态RAM的刷新，增加了硬件系统的复杂程度。第5章存储器存储元件行选择线Xi写位线读位线T3T2CT1≥1&&VDDR/WT5T4DIDOYj列选择线图5-8三管动态存储元件第5章存储器5.2.3RAM操作的时序为保证存储器正确地工作，加到存储器的地址、数据和控制信号之间存在一种时间制约关系，把这种关系叫做时序。1．RAM读操作时序tRC读出单元地址ADDRCStACSI/O读出数据tAA第5章存储器2．RAM写操作时序tWC写入单元地址ADDRCSR/WI/OtAStWPtWR写入数据tDWtDH第5章存储器5.2.4集成RAM芯片介绍1．SRAM芯片6264(后2位是容量)存储容量：8K×8位引脚数：28条地址线：13条A0~A12（地址空间8K=213）数据线：8条I/O0~I/O7控制线：4条（片选2条，读允许1条，写允许1条）电源线：2条GND,VccNC1A122A73A64A55A46A37A28A19A010I/O0111213GND1415I/O416I/O517I/O618I/O719CE120A1021OE22A1123A924A825CE226WE27VCC286264I/O1I/O2I/O3第5章存储器引脚工作方式12I/O7～I/O0未选中VIH任意任意任意高阻任意VIL输出禁止VILVIHVIHVIH高阻读出VILVIHVILVIHDOUT写入VILVIHVIHVILDIN6264的工作方式：通过4条控制线的组合可以实现对6264的读写控制，具体见下表。CECEOEWE第5章存储器2．DRAM芯片41256(后3位数字表示容量)DRAM芯片41256是256K×1位的。由于DRAM集成度高，存储容量大，因此需要的地址引线就多。DRAM一般都采用行、列地址分时输入芯片内部地址锁存器的方法，为减少芯片外部引线数量，从而外部地址线数量减少一半。片选信号：RAS（低电平有效）行选通RAS、列选通CAS、写使能WE都是低电平：写入数据行选通RAS、列选通CAS低电平写使能WE高电平：读出数据A8A0WECASRASDOUT～…DIN第5章存储器5.3只读存储器（ROM）5.3.1ROM芯片的内部结构存储矩阵地址译码器地址输入输出控制电路数据输出控制信号输入第5章存储器5.3.2集成ROM芯片介绍1．2764的引脚功能地址线：共13条；数据线：共8条，存储容量：8K×8位控制线：片选和输出选通；VCC：电源；VPP：编程电源；GND：地线；PGM：编程脉冲输入线；VPP1A122A73A64A55A46A37A28A19A010D0111213GND1415D416D517D618D719CE20A1021OE22A1123A924A825NC26PGM27Vcc282764D1D2D3第5章存储器2．2764的工作方式（1）读出方式2764的主要工作方式。片选信号和输出允许信号都为低电平。（2）维持方式当片选信号为高电平，即无效时，就使芯片进入维持方式。此时数据线处于高阻状态，芯片功耗降为200mW。（3）编程方式（用于烧写ROM）当片选信号低电平有效、输出允许信号无效，VPP端外接25V电压，编程脉冲端接入编程脉冲，即可实现编程。第5章存储器（4）检验方式此方式和编程方式配合使用，在每次写入1个字节数据之后，紧接着将写入的数据读出，为检验编程结果是否正确。各信号状态类似读出方式，但VPP在编程电压。（5）禁止编程VPP接编程电压，但片选为无效，不能进行编程操作。EPROM与CPU连接时处于正常工作方式，处于读出方式或维持方式；EPROM与编程器连接时，处于编程、检验或禁止编程方式。第5章存储器引脚工作方式(20)(22)(27)Vpp/V(1)Vcc/V(28)输出读出LLH+5+5DOUT维持H任意任意+5+5高阻编程LH正脉冲+25+5DIN检验LLH+25+5DOUT禁止编程H任意任意+25+5高阻CEOEPGM表5-32764工作方式选择第5章存储器5.4存储器的设计方法用若干片存储器芯片和相关组合逻辑电路构成存储器子系统的方法叫做存储器的设计方法。在进行存储器设计时，要考虑所设计的问题：存储器特性、数据线条数、存储器容量、存储器地址空间范围、与CPU的连接、读写时间等。第5章存储器5.4.1存储器芯片的选择1．存储器芯片类型的选择选ROM还是RAM？速度、时序、性价比的选择等2．存储器芯片容量的选择根据给定的总设计容量来选择，如果存储器芯片容量不够时，要进行容量扩展（字扩展）。3．存储器芯片数据线条数的选择根据CPU的数据总线条数来选择。如果存储器芯片数据线条数少于CPU的数据总线条数，就要对存储器芯片进行位扩展第5章存储器5.4.2存储器容量的扩展由于单片存储器芯片的容量有限，很难满足实际的需要，因此，必须将若干存储器芯片连在一起才能组成足够容量的存储器子系统，这就叫做存储器容量的扩展，按扩展方式不同主要分为：（1）位扩展：存储器芯片的数据线条数少于CPU的数据总线条数；（2）字扩展：存储器芯片的字容量小于实际的需要字数。第5章存储器1．位扩展将多片ROM或RAM组合成位数更多的存储器。位扩展的方法：把相同类型的多片存储器芯片的地址线并联、片选线并联、读写控制线并联，数据线单独引出。例子：用8片容量为1K×1b（位）的RAM芯片来扩充为1K×8b的RAM存储器系统，连线方法如下：每个1K×1bRAM芯片有10根地址线，把8片的10根地址线都并联起来，8个该芯片共用一个片选线和读写控制线，每个该芯片的1根数据线单独引出。连线见下图。第5章存储器D7I/O1K×1bA9A0CSR/W……A0A9R/WCSD1I/O1K×1bA9A0CSR/W…D0I/O1K×1bA9A0CSR/W………………图5-16存储器的位扩展扩展后，该存储器系统的地址范围为：00