新编16位32位微型计算机原理及应用第5章.微机的存储器

第五章微机的存储器存储器是微机的重要组成部分之一，本章主要讨论存储器及其基本电路、基本知识的基础上，着重研究存储芯片及其与CPU之间的连接与扩充问题。此外，简要介绍硬盘存储器、光盘存储器以及内存条技术的发展。第五章微机的存储器5.1存储器的分类与组成5.2随机存取存储器5.3只读存储器5.4存储器的连接5.5内存条技术的发展5.1存储器的分类与组成存储器按它与CPU的连接方式不同，可分为内存储器和外存储器。通过CPU的外部总线直接与CPU相连的存储器称为内存储器（简称内存或主存）。CPU要通过I/O接口电路才能访问的存储器称为外存储器（简称外存或二级存储器）。图5.1为CPU与存储器的连接结构示意图。图中内存由半导体存储器芯片组成，外存则有磁带、硬磁盘和软磁盘等。5.1.1半导体存储器的分类半导体存储器的分类如图5.2所示。按使用的功能可分为两大类：随机存取存储器RAM(RandomAccessmemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。RAM按工艺又可分为双极型RAM和MOSRAM两类，而MOSRAM又可分为静态(Static)和动态(Dynamic)RAM两种。只读存储器ＲＯＭ按工艺也可分为双极型和ＭＯＳ型，但一般根据信息写入的方式不同，而分为:掩模式ＲＯＭ;可编程ＰＲＯＭ和可擦除;可再编程ＥＰＲＯＭ等。RAM在程序执行过程中，每个存储单元的内容根据程序的要求既可随时读出，又可随时写入，故可称读／写存储器。它主要用来存放用户程序、原始数据、中间结果，也用来与外存交换信息和用作堆栈等。RAM所存储的信息在断开电源时会立即消失，是一种易失性存储器。双极型RAM的特点是存取速度快，但集成度低，功耗大，主要用于速度要求高的位片式微机中；静态MOSRAM的集成度高于双极型RAM,功耗低于双极型RAM；动态RAM比静态RAM具有更高的集成度,但是它靠电路中栅极电容来储存信息，由于电容器上的电会泄,它需要定时进行刷新5.1.2半导体存储器的组成半导体存储器的组成框图如图5.3所示。它一般由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。1.存储体存储体是存储1或0信息的电路实体，它由许多存储单元组成，每个存储单元赋予一个编号，称为地址单元号。而每个存储单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。设存储器的地址线的位数为n,则存储单元的数量N等于2的n次方。地址线数与存储单元数的关系列于下表中：2.地址选择电路地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。地址译码器用来对地址码译码。地址译码方式有两种：1)单译码方式（或称字结构）它的全部地址只用一个电路译码，译码输出的字选择线直接选中对应地址码的存储单元。2)双译码方式（或称重合译码）双译码方式如图5.4所示。Ｙ向译码又称列译码，其输出线称列选择线，它选中一列的所有单元。只有X向和Y向的选择线同时选中的那一位存储单元,才能进行读或写操作。它将地址码分为X和Y两部分，用两个译码电路分别译码。Ｘ向译码又称行译码，其输出线称行选择线，它选中存储矩阵中一行的所有存储单元。3.读/写电路与控制电路读/写电路包括读/写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入和输出的通道。外界对存储器的控制信号有读信号（ＲＤ）、写信号（ＷＲ）和片选信号（ＣＳ）等，通过控制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。5.2随机存取存储器（RAM）5．2．1静态随机存取存储器1.静态ＲＡＭ的基本存储电路静态ＲＡＭ的基本存储电路如图5.5所示：2.静态RAM的组成静态RAM的结构组成原理图如图5.6所示：3.静态RAM的读/写过程1)读出过程（1）地址码Ａ０－Ａ１１加到RAM芯片的地址输入端，经X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，经一定时间，出现在I／O电路的输入端。Ｉ／Ｏ电路对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器一般具有三态控制功能，没有开门信号，所存数据还不能送到DB上。（2）在送上地址码的同时，还要送上读/写控制信号（R/W或RD、WR）和片选信号（CS）。读出时，使R/W＝１，CS＝０，这时，输出缓冲寄存器的三态门将被打开，所存信息送至DB上。于是，存储单元中的信息被读出。2)写入过程（１）地址码加在RAM芯片的地址输入端，选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。（２）将要写入的数据放在DB上。（３）加上片选信号CS＝０及写入信号R/W＝０。这两个有效控制信号打开三态门使DB上的数据进入输入电路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。4.静态RAM芯片举例静态RAM芯片有2114、2142、6116、6264等。例如：常用的Intel6116是CMOS静态RAM芯片，属双列直插式、24引脚封装。它的存储容量为2K×8位，其引脚及内部结构框图如图5.7所示：5.2.2动态随机存储器动态RAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的，其基本单元电路一般由四管、三管和单管组成，以三管和单管较为常用。由于它所需要的管子较少，故可以扩大每片存储器芯片的容量，并且其功耗较低，所以在微机系统中，大多数采用动态RAM芯片。5．2．2．1动态基本存储电路１．三管动态基本存储电路三管动态基本存储电路如图5.8所示。写入操作时，写选择线上为高电平，Ｔ1导通。待写入的信息由写数据线通过Ｔ1加到Ｔ2管的栅极上，对栅极电容Cg充电。若写入１，则Cg上充有电荷；若写入０，则Cg上无电荷。写操作结束后，Ｔ1截止，信息被保存在电容Cg上。读出操作时，先在Ｔ4管栅极加上预充电脉冲，使Ｔ4管导通，读数据线因有寄生电容CD而预充到１（ＶＤＤ）。然后使读选择线为高电平，Ｔ3管导通。若Ｔ2管栅极电容Cg上已存有“１”信息，则Ｔ2管导通。这时，读数据线上的预充电荷将通过Ｔ3,Ｔ2而泄放，于是，读数据线上为０。若Ｔ2管栅极电容上所存为“０”信息，则Ｔ2管不导通，则读数据线上为１。因此，经过读操作，在读数据线上可以读出与原存储相反的信息。若再经过读出放大器反相后，就可以得到原存储信息了。刷新要有刷新电路，如图5.8所示，若周期性地读出信息，但不往外输出（这由读信号ＲＤ为高电平来保证），经三态门（由刷新信号ＲＦＳＨ为低电平时使其导通）反相，再写入Cg，就可实现刷新。对于三管动态基本存储电路，即使电源不掉电，Cg的电荷也会在几毫秒之内逐渐泄漏掉，而丢失原存１信息。为此，必须每隔１ms～３ms定时对Cg充电，以保持原存信息不变，此即动态存储器的刷新（或叫再生）。２．单管动态基本存储电路单管动态基本存储电路如图5.9所示。写入时，使字选线上为高电平，T1管导通，待写入的信息由位线D（数据线）存入Cs。读出时，同样使字选线上为高电平，T1管导通，则存储在Cs上的信息通过T1管送到D线上，再通过放大，即可得到存储信息。这是一个破坏性读出，要保持原存信息，读出后必须重写。因此，使用单管电路，其外围电路比较复杂。但由于使用管子最少，4K以上容量较大的RAM，大多采用单管电路。5.2.2.2动态RAM芯片举例Intel2116单管动态RAM芯片的引脚和逻辑符号如图5.10所示。Intel2116单管动态RAM芯片引脚名称见表5.2。CAS=ColumnAddressStrobeRAS=RowAddressStrobeIntel2116芯片的存储容量为16K×1位，需要14条地址输入线，但2116只有16条引脚。由于受封装引线的限制，只用了A0到A67条地址输入线，数据线只有1条(1位)，而且数据输入(DIN)和输出(DOUT)端是分开的，他们有各自的锁存期。写允许信号WE为低电平时表示允许写入，为高电平时可以读出。如表5.2指出，它需要3种电源。Intel2116的内部结构如图5.11所示：综上所述，动态基本存储电路所需管子的数目比静态的要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。但由于要刷新，需要增加刷新电路，外围控制电路比较复杂。静态ＲＡＭ尽管集成度低些，但静态基本存储电路工作较稳定，也不需要刷新，所以外围控制电路比较简单。究竟选用哪种ＲＡＭ，要综合比较各方面的因素决定。5.3.1只读存储器存储信息的原理和组成５.3只读存储器ＲＯＭ的存储元件如图5.12所示：它可以看作是一个单向导通的开关电路。当字线上加有选中信号时，如果电子开关Ｓ是断开的，位线Ｄ上将输出信息１；如果Ｓ是接通的，则位线Ｄ经Ｔ１接地，将输出信息0。ROM的组成结构与RAM相似，一般也是由地址译码电路、存储矩阵、读出电路及控制电路等部分组成。图5.13是有16个存储单元、字长为1位的ROM示意图。16个存储单元，地址码应为4位，因采用复合译码方式，其行地址译码和列地址译码各占两位地址码。图中所示仅是16个存储单元的1位，8个这样的阵列，才能组成一个16×8位的ROM存储器。1.不可编程掩模式MOS只读存储器不可编程掩模式MOSROM又称为固定存储器。它是由器件制造厂家根据用户事先编好的机器码程序，把0、1信息存储在掩模图形中而制成的ROM芯片。这种芯片制成以后，它的存储矩阵中每个MOS管所存储的信息0或1被固定下来，不能再改变，而只能读出。如果要修改其内容，只有重新制作。因此，它只适用于大批量生产，不适用于科学研究。5.3.2只读存储器的分类2.可编程存储器为了克服上述掩模式MOSROM芯片不能修改内容的缺点，设计了一种可编程序的只读存储器PROM(ProgrammableROM），用户在使用前可以根据自己的需要编制ROM中的程序。熔丝式PROM的存储电路相当于图5.12的元件原理图，其中的电子开关S改为一段熔丝，熔丝可用镍铬丝或多晶硅制成。3.可擦除、可再编程的只读存储器PROM芯片虽然可供用户进行一次修改程序，但仍很局限。为了便于研究工作，试验各种ROM程序方案，就研制了一种可擦除、可再编程的ROM，即EPROM（ErasablePROM）。在EPROM芯片出厂时，它是未编程的。若EPROM中写入的信息有错或不需要时，可用两种方法来擦除原存的信息。一种是利用专用的紫外线灯对准芯片上的石英窗口照射10－20分钟，即可擦除原写入的信息，以恢复出厂的状态，经过照射后的EPROM，就可再写入信息。写好信息的EPROM为防止光线照射，常用遮光纸贴于窗口上。这种方法只能把存储的信息全部擦除后再重新写入，它不能只擦除个别单元或某几位的信息，而且擦除的时间也越长。另一种方法是采用金属－氮－氧化物－硅（MNOS）工艺生产的MNOS型PROM，它是一种利用电来改写的可编程只读存储器，即EEPROM，这种只读存储器能解决上述问题。但是，EEPROM有存取速度慢，完成改写程序需要较复杂的设备等缺点，现在正在迅速发展高密度、高存取速度的EEPROM技术。5.3.3EPROM/EEPROM常用芯片举例1.Intel27161）Intel2716的引脚与内部结构2716EPROM芯片的容量为2K×8位，采用NMOS工艺和双列直插式封装，其引脚、逻辑符号及内部结构见图5.14（a）、（b）及（c）。2）2716的工作方式2716的工作方式见表5.3所示：与2716属于同一类的常用EPROM芯片还有2732、2764、27128、27256、27512以及271024等，它们的内部结构与外部引脚分配基本相同，主要是存储容量逐次成倍递增为4K×8位、8K×8位、16K×8、32K×8位、64K×8位以及128K×8位等。3.EEPROM芯片常用的EEPROM芯片有2816/2816A、2817/2817A/2864A等。其中，以2864A的8K×8b的容量为最大。其主要特点是能像SRAM芯片一样读写操作在写之前自动擦除原内容。但它并不能像RAM芯片那样随机读写，而只能有条件地写入，即只有当一个字节或一页数据编程写入结束后，方可以写入下一个字节或下一页数据。在EEPROM的应用中，若需读某一个单元的内容，只要执行一条存储器读指令，即可读出；若需对其内容重新编程，可在线直接用字节写入或页写入方式写入。作业：1,5,6(1)