大学微机原理第5章,半导体存储器

第5章半导体存储器5.1存储器概述5.2随机存储器（RAM）5.3只读存储器（ROM）5.4存储器连接与扩展5.1存储器概述作用：存放待加工的原始数据和中间计算结果以及系统或用户程序等。第5章半导体存储器内存（RAM+ROM）：半导体存储器(本章内容)磁盘软盘：普通1.44M硬盘：从10MB~几十GB光盘CD、DVD(650MB、4.7GB）外存磁光盘MO：高密度、大容量、快速、“无限次”擦写、寿命长、可靠性高、抗干扰强、性价比高（1.3GB~几个GB）存储器e盘（基于USB接口的电子盘等）存储器分类1.按内存储器与外存储器来分类第5章半导体存储器2.按存储载体材料分类半导体材料—半导体存储器：TTL型、MOS型、ECL型、I2L型等；磁性材料—磁带存储器、软磁盘存储器和硬磁盘存储器等；光介质材料—CD-ROM、DVD等。3.按存储器的功能来分类按存储器与CPU的关系分类控制存储器CM、主存储器MM、高速缓冲存储器Cache、外存储器EM；按存储器的读写功能分类读写存储器RWM、只读存储器ROM；按数据存储单元的寻址方式分类随机存取存储器RAM、顺序存取存储器SAM、直接存取存储器DAM；按半导体器件制造工艺分类晶体管逻辑存储器TTL、发射极耦合存储器ECL、单极性器件存储器MOS；第5章半导体存储器按应用角度分类随机存取存储器RAM、只读存储器ROM；按数据传送方式分类并行存储器PM、串行存储器SM；2.最大存取时间：——访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所需要的时间，这个时间的上限值即最大存取时间，一般为十几ns到几百ns。从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间1.容量：指一个存储器芯片能存储的二进制信息。存储器芯片容量=存储单元数×每单元的数据位数例：62648KB=8K×8bit61162KB=2K×8bit1字节=8bit；1KB=210字节=1024字节；1MB=210KB=1024KB；1GB=210MB=1024MB；1TB=210GB=1024GB。5.1.1半导体存储器的性能指标3.其他指标：功耗，工作电源，可靠性，集成度，价格等。半导体存储器（Memory）随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）静态RAM（SRAM）常用于Cache动态RAM（DRAM）常用于内存条掩膜ROM可编程ROM（PROM）紫外线可擦除的PROM（EPROM）电可擦除的PROM（EEPROM）快擦写存储器（FlashMemory）5.1.2半导体存储器的分类由制造工艺，可分为双极型、MOS型、电荷耦合器型。从应用角度可分为两大类：RAM具有易失性，可读，可写，常用于存放数据、中间结果等。ROM在程序执行时只能读不能写。常用于存放程序或不易变的数据。掩膜ROM不可改写。可编程PROM、EPROM、E2PROM及FLASH在一定条件下可改写。第5章半导体存储器一、RAM原理构成存储体（R-S触发器构成的存储矩阵）外围电路译码电路、缓冲器I/O控制电路5.2随机存取存储器(RAM)第5章半导体存储器5.2.1静态RAM（SRAM）地址译码器存储矩阵数据缓冲器012n-101m控制逻辑CSR/Wn位地址m位数据存储芯片构成示意图第5章半导体存储器地址译码器：接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。控制逻辑电路：接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号，控制数据的读出和写入。数据缓冲器：寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。存储体：存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。第5章半导体存储器行线X列线Y六管基本存储电路写控制（高有效）数据线读控制（高有效）QQ1.存储体一个基本存储电路能存储1位2#数。（1）T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T4为负载管。（2）如O1点为数据Q，则O2点为数据/Q。（3）行选择线有效（高电平）时，O1、O2处的数据信息通过门控管T5和T6送至T7和T8。（4）列选择线有效（高电平）时，T7和T8处的数据信息通过门控管T7和T8送至芯片C的引脚，读控制线有效则输出至数据线。2.外围电路（1）地址译码器——对外部地址信号译码，用以选择要访问的单元。第5章半导体存储器A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9CEOEWE011023Y0Y1Y1023D(I/O)读写控制电路地址译码器①单地址译码（右图1）：译码器为10:1024，译码输出线210＝1024根。引线太多，制造困难。若要构成1K×1b个存储单元，需10根地址线，1根数据线。②双地址译码（右图2）：有X、Y两个译码器，每个有10/2个输入，210/2个输出，共输出210/2×210/2=210（1024）个状态，而输出线只有2×210/2根。两个5:32译码器组成行列形式选中单元，大大减少引线。A0A1A2A3A4Y031-0Y31CEOEWED(I/O)读写控制电路行译码器0-00-3131-31A5A6A7A8A9X0X31列译码器第5章半导体存储器存储体I/O缓冲X译码Y译码存储器控制逻辑A0A1AP-1APAP+1…AKD0D1DN-1R/WCERAM基本结构框图（2）I/O控制电路ii.接收R/W信号0写有效1读有效i.接收片选信号（CE或CS）0选中芯片1未选中例：一片62256为32K*8的RAM地址线15根，数据线8根，RAM的控制信号为3根（WE,OE,CE）。常用RAM有：6116626462256低功耗CMOSSRAM，容量8K×8bit；DIP封装，单一5V电源供电。28PIN，输入输出电平与TTL兼容。最大存储时间70～120ns。第5章半导体存储器1.引脚及其含义二、典型芯片HM6264BLDin写×010Dout读0110高阻输出禁止1110高阻低功耗××0×高阻低功耗×××1I/O信号工作方式OEWECS2CS1表5-1HM6242BL工作方式第5章半导体存储器表5-1为HM6264BL工作方式真值表（功能表）。2.工作方式第5章半导体存储器6264SRAM与CPU的连接8086CPUWRRD6264WEOE（一）6225662256是32K*8的CMOS静态RAM补充：典型存储器芯片和译码器芯片第5章半导体存储器12345678910111213141516171819202122232425262728A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CSA10OEA11A9A8A13WEVCC1、62256引脚图A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0OECSWED7D6D5D4D3D2D1D02、62256逻辑图62256工作表（二）3-8译码器74LS13812345678910111213141516ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC1、74LS138引脚图Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BCBA2、74LS138原理图74LS138引脚功能（1）片选信号：G1•G2A•G2B（2）引脚CBA译码Y0到Y7有效容量是256K×4，片内需18个地址信号，外接9根地址线，由内部多路开关将外部18根地址线分两次送入。基于预测技术的DRAM、同步DRAM—SDRAM、基于协议的DRDRAM——DirectRambusDRAM5.2.4高集成度RAM（IRAM）又称RAM条（内存条），将多片DRAM芯片装配在印刷电路板上，直接插在微机内MEM插座上。特点：动态刷新电路集成在片内，克服了DRAM需外接刷新电路的缺点，从而兼有动、静RAM的优点。主要产品有:Intel2186、2187（8K×8位)。第5章半导体存储器动、静RAM比较：动：容量大，速度慢，功耗低，刷新电路复杂。静：容量小，速度快，功耗大，无刷新电路。典型芯片uPD4242565.2.3高速RAM（由DRAM进行改进，因RAM价格高）5.2.2动态RAM（DRAM）动态基本存储电路是利用MOS管栅极和源极之间的电容存储信息.因此需要周期性地对电容充电.第5章半导体存储器5.3只读存储器（ROM）掩膜ROM芯片所存储的信息由芯片制造厂家完成，用户不能修改。掩膜ROM以有/无跨接管子来区分0/1信息：有为0，无（被光刻而去掉）为1。5.3.1掩膜ROM和PROM一、掩膜ROM（ReadOnlyMemory）位线字线D3D2D1D0单元01010单元11101单元20101单元30110典型的PROM基本存储电路如下图所示。芯片出厂时，开关管T1与位线（数据线）之间以熔丝相连。用户可对其进行一次性编程（熔断或保留熔丝以区分“1/0”）：当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。PROM基本存储电路第5章半导体存储器二、PROM（ProgrammableROM）可编写ROMPROM的写入要由专用的电路（大电流、高电压）和程序完成。第5章半导体存储器5.3.2可擦除的PROM一、EPROM（紫外线可擦除）用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容全为“1”），便可再次改写。通常可互换。引脚OE，CE都为0时，D0～D7端可读到数据。Vpp=12.5V或更高时，可写入，有专用写入器。典型芯片（27系列）27162K×8bit27324K×8bit2751264K×8bit第5章半导体存储器二、EEPROM（电可擦除）特点：1.在线改写，简单，在单一5V电源下即可完成。2.擦除与写入同步，约10ms。有些E2PROM设有写入结束标志以供查询或申请中断。3.一般为并行总线传输，如：2864，引脚与2764完全兼容，最大存取时间200ns，编程与工作电压均为5V。4.具备RAM、ROM的优点,但写入时间较长。三、快擦写存储器（Flashmemory)类似EEPROM。它采用一种非挥发性存储技术，即掉电后数据信息可以长期保存。又能在线擦除和重写，擦除的是整个存储器阵列或者是一个大的存储单元块，而不是一个字节一个字节的擦除。需几秒钟时间，但擦除次数有限。产品型号有：28F25632K×8bit29010128K×8bit第5章半导体存储器5.4存储器连接与扩充需考虑的问题①总线连接（AB、CB、DB）②时序配合③驱动能力若用存贮芯片构成存贮系统，或对已有的存贮系统进行容量扩充时，需要通过总线将RAM、ROM芯片同CPU连接起来，并使之协调工作。5.4.1存储器芯片选择第5章半导体存贮器①SRAM——与CPU连接简单，无需接口电路，在小型系统中、智能仪表中采用。②DRAM——集成度高，但需刷新电路，与CPU的接口复杂，仅在需要较大存贮容量的计算机产品中应用。一、类型选择RAM——存储用户的调试程序、程序的中间运算结果及掉电时无需保护的I/O数据及参数等。ROM——具有非易失性。①EPROM——存放系统（监控）程序，无需在线修改的参数。②E2PROM——数据、参数等有掉电保护要求的数据。特别：利用后备电源，配合掉电保护电路，也可以保证静态RAM在掉电后数据不丢失。第5章半导体存贮器在CPU时序介绍中了解到：CPU进行读操作时，什么时候送地址信号,什么时候从数据线上读数据,其时序是固定的。从T1状态开始到地址信号有效：TCLAVmax=110ns对MEM：从外部输入地址信号有效，到把内部数据送至数据总线上的时序也是固定的，由存储器的内部结构和制造工艺决定。6264读取时间tAAmax＝70ns二、存储器芯片与CPU的时序配合（以“存储器读”为例）——MEM与CPU工作速度的匹配问题。所以，从T1状态开始到6264中指定单元读出信息到数据总线上的时间为：TCLAVmax＋tAAmax＝110ns＋70ns＝180ns第5章半导体存贮器CPU在T3的下跳沿（T3、T4交界处）采样数据总线以得到数据。为确保采样的数据是可靠的，则要求RAM输