存储器及其与CPU的接口

本章学习目标•掌握各种半导体存储器芯片的外部特性。•掌握常用半导体存储器芯片与总线的连接。•了解高速缓冲存储器的基本工作原理。•了解存储器分类及常用性能指标。•3.1半导体存储器的分类•半导体存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。•ROM是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，就固定不变，掉电后，信息也不会丢失。•RAM是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，一旦掉电，信息就会自动丢失。•（1）ROM的类型•①掩膜ROM•掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在生产过程中采用掩膜工艺一次性直接写入的。•掩膜ROM一旦制成后，其内容不能再改写，因此它只适合于存储永久性保存的程序和数据。•②PROM•PROM为一次编程ROM。•它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储的信息：当熔丝被烧断时，表示信息“0”；当熔丝接通时，表示信息“1”。•由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。•③EPROM•EPROM是一种紫外线可擦除可编程ROM。•写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的功能。•EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时，将它放在紫外线灯光下照射约15～20分钟便可擦除信息，使所有的擦除单元恢复到初始状态“1”，又可以编程写入新的内容。•由于EPROM在紫外线照射下信息易丢失，故在使用时应在玻璃窗口处用不透明的纸封严，以免信息丢失。•④EEPROM•EEPROM是一种电可擦除可编程ROM。•它是一种在线（或称在系统，即不用拔下来）可擦除可编程只读存储器。•它能像RAM那样随机地进行改写，又能像ROM那样在掉电的情况下使所保存的信息不丢失，即E2PROM兼有RAM和ROM的双重功能特点。•又因为它的改写不需要使用专用编程设备，只需在指定的引脚加上合适的电压（如＋5V）即可进行在线擦除和改写，使用起来更加方便灵活。•⑤闪速存储器•闪速存储器（flashmemory），简称Flash或闪存。它与EEPROM类似，也是一种电擦写型ROM。•与EEPROM的主要区别是：EEPROM是按字节擦写，速度慢；而闪存是按块擦写，速度快，一般在65～170ns之间。•Flash芯片从结构上分为串行传输和并行传输两大类：串行Flash能节约空间和成本，但存储容量小，速度慢；而并行Flash存储容量大，速度快。•（2）RAM的类型•①SRAM•SRAM是一种静态随机存储器。•它的存储电路由MOS管触发器构成，用触发器的导通和截止状态来表示信息“0”或“1”。•其特点是速度快，工作稳定，且不需要刷新电路，使用方便灵活，但由于它所用MOS管较多，致使集成度低，功耗较大，成本也高。•②DRAM•DRAM是一种动态随机存储器。•它的存储电路是利用MOS管的栅极分布电容的充放电来保存信息，充电后表示“1”，放电后表示“0”。•其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但由于电容存在漏电现象，电容电荷会因为漏电而逐渐丢失，因此必须定时对DRAM进行充电（称为刷新）。•③NVRAM•NVRAM是一种非易失性随机存储器。•它的存储电路由SRAM和EEPROM共同构成，在正常运行时和SRAM的功能相同，既可以随时写入，又可以随时读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间，它可以立即把SRAM中的信息保存到EEPROM中，使信息得到自动保护。•微型计算机中半导体存储器的分类如图：3.2半导体存储器的性能指标•1．存储容量•存储容量是指存储器所能容纳二进制信息的总量。•一位二进制数为最小单位（bit），8位二进制数为一个字节（Byte），单位用B表示。•由于微机中都是按字节编址的，因此字节（B）是存储器容量的基本单位。•存储器容量常用的单位还有KB,MB,GB和TB。•2．存取速度•存取速度通常用存取时间来衡量。•存取时间又称为访问时间或读/写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。•内存的存取时间通常用ns（纳秒）表示。•3．可靠性•可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF来衡量可靠性。•MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。•4．功耗•功耗反映存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。•功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。•大多数半导体存储器的维持功耗小于工作功耗。3.3只读存储器ROM•1.EPROM芯片•EPROM芯片有多种型号，市场上常见的Intel公司的产品有：•2716容量为2K×8bit•2732容量为4K×8bit•2764容量为8K×8bit•27128容量为16K×8bit•27256容量为32K×8bit•27512容量为64K×8bit12345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMNCA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D327256VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND276427128VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND2732AA7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND2716A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND2716VccA8A9VppOEA10CED7D6D5D4D32732AVccA8A9A11OE/VppA10CED7D6D5D4D327128VccPGMA13A8A9VppOEA10CED7D6D5D4D327256VccA14A13A8A9VppOEA10CED7D6D5D4D3•2764引脚定义：•A0~A11/A12为地址线信号•D0~D7为数据线信号•OE为允许数据输出选通信号，低电平有效。•CE为片选信号，低电平有效。该信号有效时，芯片工作；否则，不工作。•VPP、PGM分别为编程电压、编程脉冲信号。•VCC、GND分别为工作电压（5V）、工作地（0V）。•NC未用引脚，为悬浮态。•2764工作方式：•读方式：这是EPROM的主要工作方式。此时，VCC=VPP，CE=0，OE=0。数据线为输出。•维持方式（未选中）：此时，CE=1，VCC=VPP，OE任意，EPROM数据线为高阻态。•编程方式（写入方式）：VPP加规定电压，CE=OE=1，EPROM数据线为输入。•编程校验方式：VPP加规定电压，CE=0，OE=0，数据线为输出。此时，虽然也是读出，但这时是为检查写入的是否正确而读出。•编程禁止方式：VPP加规定电压，CE=0，OE=1，EPROM数据线为高阻态。3.4随机存取存储器RAM•1.静态随机存取存储器•Intel6264芯片•Intel6264的特性及引脚信号：•A12～A0：地址线，可寻址8KB的存储空间。•D7～D0：数据线，双向，三态。•/OE：读出允许信号，输入，低电平有效。•/WE：写允许信号，输入，低电平有效。•/CE1：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。•CE2：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。•VCC：+5V工作电压。•GND：信号地。•Intel6264的操作方式•2.动态随机存取存储器•2164A的引脚信号•A7～A0：地址线。•DIN：数据输入线。•DOUT：数据输出线。•/RAS：行地址选通信号，输入，低电平有效。•/CAS：列地址选通信号，输入，低电平有效。•VCC：＋5V电源。•VSS：信号地。3.5存储器组织•存储器芯片能够存放的位的总数等于单元数乘以每单元的数据位数。归纳为：•存储器芯片包含2x个单元，其中x是地址引脚的数量。•各个单元包含y位，其中y是该芯片数据引脚的数量。•整个芯片包含2x×y位。•例1给定的存储器芯片具有12个地址引脚，4个数据引脚，试求得：（a）它的组织（b）它的容量•解：（a）此存储器芯片具有4096个单元（212=4096）。每个单元持有4位数据。给出的组织是4096×4，通常表示为4K×4（b）容量为16Kb，因为总共4K单元，每单元持有4位数据。•例2若512K存储器芯片具有8个引脚用于数据。试求得：（a）它的组织（b）该存储器芯片的地址引脚数•解：（a）此存储器芯片具有8个数据引脚，这表明芯片每单元持有8位数据。将容量除以引脚数，可求得该存储器芯片内的单元数，即512K/8=64K，因此，该存储器芯片的组织是64K×8（b）此芯片具有16个地址引脚，因为216=64K•例3对于如下各个存储器芯片，讨论分配给地址的引脚数目。（a）16K×4DRAM（b）16K×4SRAM•解：214=16K（a）对于DRAM，有7个地址引脚（A0-A6），以及RAS和CAS2个引脚。（b）对于SRAM，有14个地址引脚。2种情况下，都有4个引脚作为数据总线。3.6存储器的扩展•1．位扩展•位扩展是指增加存储字长。•位扩展可利用芯片地址并联的方式实现，即将各芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而各芯片的地址线、读/写信号线和片选信号线对应地并联在一起。•例4用两片1K×4b的SRAM芯片2114，组成1K×8b的存储器。•两片2114的地址线和各控制线分别并联在一起，而其中1#芯片的数据线接数据总线的低4位，2#芯片的数据线接数据总线的高4位。•硬件连接之后便可确定存储单元的地址，即A9～A0的编码状态000H～3FFH就是1KB存储单元的地址。•2．字扩展•字扩展是指增加存储器字的数量，字扩展可利用芯片地址串联的方式实现。•例5用两片2K×8b的RAM芯片6116组成4K×8b的存储器。•两片6116的片内信号线A10～A0、D7～D0、/OE、/WE分别与系统的地址线A10～A0、数据线D7～D0和读/写控制线/RD、/WR连接。•1#芯片的片选信号线与A11连接，2#芯片的片选信号线与A11反相之后连接。•1#芯片的地址范围是000H～7FFH，2#芯片的地址范围是800H～FFFH。•3．字和位扩展•字和位扩展是字扩展和位扩展的组合。•例6用四片1K×4b的RAM芯片2114，组成2K×8b的存储器。•当A11A10＝00时，选择1#和2#芯片读/写；•当A11A10＝01时，选择3#和4#芯片读/写。3.7存储器的地址译码•在微机系统中，常采用集成电路芯片74LS138作为地址译码器。74LS138真值表74LS138