微机原理与接口技术存储器

内容提要6.1概述6.2存储器的种类6.2.1随机存取存储器RAM6.2.2ROM6.3存储器的应用6.4存储器实用芯片简介在实训中，我们对存储器有了一个定性的认识，它能够将信息存储起来，并且可以按照需要从相应的地址取出信息。在实际应用中，存储器也是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分，用来存放数据、资料及运算程序等二进制信息。若干位二进制信息（例如实训中所使用的2764就是8位的存储器）构成一个字节。一个存储器能够存储大量的字节，实训中2764能够存储8K个字节，其存储容量为8K×8=64KB。“2764”中的“64”就代表了存储器芯片的容量。大规模集成电路存储器的种类很多，不同的存储器，存储容量不同，具有的功能也有一定的差异，掌握和使用不同的存储器，是学习数字电路和今后工作中十分重要的内容。6.1概述按照内部信息的存取方式，存储器通常可以分为RAM和ROM；RAM按刷新方式可分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM；ROM按数据输入方式可分为掩膜ROM、可编程PROM和EPROM等。6.2存储器的种类6.2.1随机存取存储器RAM随机存取存储器RAM用于存放二进制信息（数据、程序指令和运算的中间结果等）。它可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作，因此称为随机存取存储器。其结构示意图如图6.2所示。图6.2RAM结构示意图◆RAM的结构随机存取存储器一般由存储矩阵、地址译码器、片选控制和读/写控制电路等组成，参见图6.2。该部分是存储器的主体，由若干个存储单元组成。每个存储单元可存放一位二进制信息。为了存取方便，通常将这些存储单元设计成矩阵形式，即若干行和若干列。例如，一个容量为256×4（256个字，每个字4位）的存储器，共有1024个存储单元，这些单元可排成如图6.3所示的32行×32列的矩阵。1.存储矩阵图6.3RAM存储矩阵说明▲图9.3中，每行有32个存储单元（圆圈代表存储单元）▲每4个存储单元为一个字，因此每列可存储8个字，称为8个字列。▲每根行选择线选中一行，每根列选择线选中一列。▲因此，该RAM存储矩阵共需要32根行选择线X0~X31和8根列选择线Y0~Y7。综上所述，一片RAM由若干个字组成（每个字由若干位组成，例如4位、8位、16位等）。通常信息的读写是以字为单位进行的，为了区别不同的字，将存放同一个字的存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。不同的字具有不同的地址，从而在进行读写操作时，便可以按照地址选择欲访问的单元。地址的选择是通过地址译码器来实现的。在存储器中，通常将输入地址分为两部分，分别由行译码器和列译码器译码。例如，上述的256×4RAM的存储矩阵，256个字需要8根地址线（A7～A0）区分（28=256）。其中地址码的低5位A4～A0作为行译码输入，产生25=32根行选择线，地址码的高3位A7～A5用于列译码，产生23=8根列选择线，只有当行选择线和列选择线都被选中的单元，才能被访问。例如，若输入地址A7～A0为00011111时，位于X31和Y0交叉处的单元被选中，可以对该单元进行读写操作。2.地址译码器数字系统中的RAM一般由多片组成，而系统每次读写时，只选中其中的一片（或几片）进行读写，因此在每片RAM上均加有片选信号线。只有该信号有效（=0）时，RAM才被选中，可以对其进行读写操作，否则该芯片不工作。某芯片被选中后，该芯片执行读还是写操作由读写信号R/控制。图6.4所示为片选与读写控制电路。3.读/写与片选控制CSCSW图6.4片选与读写控制电路当片选信号=1时，三态门G1，G2，G3均为高阻态，此片未选中，不能进行读或写操作。当片选信号=0时，芯片被选中。若R/=1，则G3导通，G1、G2高阻态截止。此时若输入地址A7～A0为00011111，于是位于[31，0]的存储单元所存储的信息送出到控制电路工作原理I/O端，存储器执行的是读操作；若R/=0，则G1、G2导通，G3高阻态截止，I/O端的数据以互补的形式出现在数据线D、上，并被存入[31，0]存储单元，存储器执行的是写操作。CSCSWWD小结=1时：所有的I/O端均被禁止，不能进行读或写操作。=0时：CSCSR/=1，执行读操作，将存储单元中的数据送到输出端；WR/=0，执行写操作，将I/O端数据写入存储单元中。W◆RAM的存储单元RAM的核心元件是存储矩阵中的存储单元，按工作原理分，RAM的存储单元可分为静态存储单元和动态存储单元。1.静态存储单元(SRAM)图6.5六管CMOS静态存储单元静态存储单元是在静态触发器的基础上附加门控管而构成的。因此，它是靠触发器的自保功能存储数据的。图6.5是用六只CMOS管（增强型）组成的静态存储单元。其工作原理简述如下。图中CMOST1~T4构成基本RS触发器，用于存储一位二进制信息。T5，T6管是触发器与位线Xi间的门控管，控制触发器与位线的接通与断开。T7，T8管控制位线与数据线D、的通断。D采用六管CMOS静态存储单元的常用静态RAM芯片有6116（2K×8）、6264（8K×8），62256（32K×8）等。这些芯片由于采用了CMOS，故它的静态功耗极小，因此在交流电源断电时，可以用小型锂电池供电，以长期保存所存储的信息。从而弥补了其他半导体存储器断电后信息消失的缺点。RAM动态存储单元，是利用MOS管栅极电容的暂存作用来存储信息的，考虑电容器上的电荷不可避免地因漏电等因素而损失，为保持原存储信息不变，需要不间断地对存储信息的电容定时地进行充电（也称刷新）。动态RAM8118是采用三管动态存储单元的一种，它的存储容量为16K×1位。动态存储单元比静态存储单元所用元件少、集成度高，适用于大容量存储器。静态存储单元虽然使用元件多，集成度低，但不需要刷新电路，使用方便，适用于小容量存储器。随着新技术的开发，目前静态存储单元的集成度已大大提高，再加上采用CMOS，功耗和速度指标得以改善而倍受用户青睐。现在用的64K静态RAM，每片功耗只有10mW，其维持功耗可低达15nW,完全可用电池作后备电源，构成不挥发存储器。2.动态存储单元DRAM◆RAM的扩展一片RAM的存储容量是一定的。在数字系统或计算机中，单个芯片往往不能满足存储容量的需要，因此就要将若干个存储器芯片组合起来，以扩展存储器容量，从而达到要求。RAM的扩展分为位扩展和字扩展两种。RAM的地址线为n条，则该片RAM就有2n个字，若只需要扩展位数不需扩展字数时，说明字数满足了要求，即地址线不用增加。扩展位数，只需把若干位数相同的RAM芯片地址线共用，R/线共用，片选线共用，每个RAM的I/O端并行输出，即实现了位扩展。1.位扩展CSW例6.1试用1024×1RAM扩展成1024×8存储器。解扩展为1024×8存储器需要1024×1RAM的片数为:N=总存储容量/一片存储容量==8(片)1102481024只要把八片RAM的地址线、片选线和读写线分别并联在一起每片RAM的I/O端并行输出到1024×8存储器的I/O端作为数据线I/O0～I/O7即实现了位扩展，连接图如图6.6所示。图6.62.字扩展在存储器的数据位数满足要求而字数达不到要求时，需要字扩展。字数若增加，地址线需要做相应的增加，下面举例说明。例6.2试用256×8RAM扩展成1024×8存储器。解：需用的256×4RAM芯片数为：N=总存储容量/一片存储容量=125641024=4（片）图6.7用256×4RAM组成1024×4存储器3.字位同时扩展例6.3试把64×2RAM扩展为256×4存储器解256×4RAM需64×2RAM的芯片数为:N=总存储容量/一片存储容量=2644256=8（片）对于字、位同时扩展的RAM，一般先进行位扩展后再进行字扩展。先将64×2RAM扩展为64×4RAM，因此位数增加了一倍，需两片64×2RAM组成64×4RAM；字数由64扩展为256，即字数扩展了4倍，故应增加两位地址线，通过译码器产生4个相应的低电平分别去连接4组64×4RAM的片选端。这样256×4RAM的地址线由原来的6条A5～A0扩展为8条A7～A0。6.2.2ROM前面讨论的随机存取存储器，无论是静态还是动态的，当电源断电时，存储的信息便消失，具有易失性。而在计算机中，有一些信息需要长期存放，例如常数表、函数、固定程序、表格和字符等，因此需要一种存储器来长期保存信息，只读存储器ROM就是这样的一种存储器。其特点是在数据存入后，只能读出其中存储单元的信息，但不能写入，断电后不丢失存储内容，故称只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）。实训中使用的2764就是一种ROM，其内容一旦写入就不会丢失，除非使用紫外线照射。只读存储器可分为以下几类：掩膜ROM：这种ROM在制造时就把需要存储的信息用电路结构固定下来，用户使用不得更改其存储内容，所以又称固定存储器。可编程ROM（PROM）：PROM存储的数据是由用户按自己的需求写入的，但只能写一次，一经写入就不能更改。可改写ROM（EPROM、E2PROM、FlashMemory）：这类ROM由用户写入数据（程序），当需要变动时还可以修改，使用较灵活。根据逻辑电路的特点，ROM属于组合逻辑电路，即给一组输入（地址），存储器相应地给出一种输出（存储的字）。因此要实现这种功能，可以采用一些简单的逻辑门。1.掩膜ROM掩膜ROM，又称固定ROM，这种ROM在制造时，生产厂利用掩膜技术把信息写入存储器中。按使用的器件可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM三种类型。在这里主要介绍二极管掩膜ROM。ROM的电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个组成部分。如图6.9所示。图6.9二极管ROM的结构图（1）ROM电路的结构◆存储矩阵存储矩阵由许多存储单元排列而成。存储单元可以用二极管、双极型三极管或MOS管构成。每个单元能存放1位二值代码（1或0）。每1个或一组存储单元有一个对应的地址代码。◆地址译码器地址译码器的作用是将输入的地址代码译成相应的控制信号，用它从存储矩阵中将指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。图6.9二极管ROM的结构图◆输出缓冲器输出缓冲器的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。（2）ROM电路的工作原理图7.9是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。它的地址译码器由4个二极管与门组成。2位地址代码A1A0能给出4个不同的地址。地址译码器将这4个地址代码分别译成W0~W34根线上的高电平信号。当W0~W3每根线上给出高电平信号时，都会在D3~D04根线上输出一个4位二进制代码。例如当A1A0=10，W2=1其余字线为低电平时，由于只有一根线与W2间接有二极管，它导通后使为高电平，而其余各线为低电平。于是在数据线（位线）上得到'2D'2DD3D2D1D0=0100小结字线和位线的每个交叉点代表一个存储单元，交叉处接有二极管的单元，表示存储数据为“1”，无二极管的单元表示存储数据为“0”。交叉点的数目也就是存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的容量，并写成“（字数）×（位数）”的形式。本例ROM的容量是“4×4位”。A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110图6.9ROM的数据表2.可编程PROM可编程PROM在封装出厂前，存储单元中的内容全为“1”（或全为“0”），用户可根据需要进行一次性编程处理，将某些单元的内容改为“0”（或“1”）。图6.10是PROM的一种存储单元,它由三极管和熔丝组成,在存储矩阵的所有存储单元都是这种结构。出厂前，所有存储单元的熔丝都是通的，存储内容全为“1”。用户在使用前进行一次性编程，例如，若想使某单元的存储内容为“0”，只需选中该单元后，再在VCC端加上电脉冲，使熔丝通过足够大的电流，把熔丝烧断即可。熔丝一旦烧断将无法接上，也就是一旦写成“0”后就无法再重写成“1”了。因此PROM只