第五章存储器微机原理与接口技术

第5章半导体存储器5.3只读存储器5.4内存管理5.2随机读写存储器5.1概述5.1概述微型计算机的存储结构寄存器——位于CPU中主存——由半导体存储器(ROM/RAM)构成辅存——指磁盘、磁带、磁鼓、光盘等大容量存储器，采用磁、光原理工作高速缓存(CACHE)——由静态RAM芯片构成CPU（寄存器）CACHE（高速缓存）主存（内存）辅存（外存）5.1.1半导体存储器的分类1.按存储介质分类（1）用半导体器件做成的存储器称为半导体存储器，按制造工艺可把半导体存储器分为双极型、CMOS型、HMOS型等类别。（2）用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器等。（3）用光学材料做成的存储器称为光表面存储器，如光盘存储器。2.按存储器的存取方式分类（1）只读存储器ROM：ROM中所存储的内容是固定不变的，即只能读出不能写入。ROM一般用来存放微机的系统管理程序、监控程序等。（2）随机存取存储器RAM：RAM中的任意一个存储单元都可被随机读写，且存取时间与存储单元的物理位置无关，读写速度较快。RAM主要用来存放输入、输出数据及中间结果并与外存储器交换信息。（3）串行访问存储器：只能按照某种次序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关。由于按顺序读写的特点以及工作速度较慢，常用作外存存储器，又称顺序存取存储器。例如磁带就是一种典型的顺序存储器。3.按信息的可保存性分类根据存储器信息的可保存性可将存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。断电后信息将消失的存储器为易失性存储器，如半导体介质的RAM。断电后仍保持信息的存储器为非易失性存储器，如半导体介质的ROM、磁盘、光盘存储器等。4.按在微机系统中的作用分类（1）主存储器：用来存放当前正在运行的程序和数据，位于主机内部。CPU通过指令可以直接访问主存储器。现代微机大多采用半导体存储器。（2）辅助存储器：用来存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据，位于主机外部，CPU不能直接用指令对外存储器进行读写操作。辅助存储器主要有磁带、磁盘和光盘等。（3）高速缓冲存储器Cache：是计算机系统中的一个高速小容量的存储器，位于CPU和内存之间。高速缓存主要由高速静态RAM组成。5.按制造工艺分类半导体存储器可根据制造工艺的不同，分为双极型（如TTL）、MOS型等类存储器。双极型存储器集成度低，功耗大，价格高但速度快；MOS型存储器集成度高，功耗低，速度较慢但价格低。MOS型存储器还可进一步分为NMOS（N沟道MOS）、HMOS（高密度MOS）、CMOS（互补型MOS）等不同工艺产品。其中，CMOS电路具有功耗低、速度快的特点，在计算机中应用较广。CPU工作寄存器内存外存0级存储器1级存储器2级存储器容量大速度慢价格低调用方向间接直接保存方向非易失易失CPUM0M2M1图5.1半导体存储器的分类半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）5.1.2存储器的性能指标1.存储器容量存储1位二进制信息的单元称为1个存储元。对于32MB的存储器，其内部有32M×8bit个存储元。存储器芯片多为×8结构，称为字节单元。在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元的数目和每个存储单元包含的位数：存储器芯片容量=单元数×位数例如，Intel2114芯片容量为1K×4位，6264为8K×8位。虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位甚至64位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对2、4、8个单元进行访问。2.存取周期存储器的存取周期是指从接收到地址，到实现一次完整的读出或写入数据的时间，是存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔。3.功耗半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，但是不易散热，因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗。一般而言，MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。4.可靠性5.集成度半导体存储器的集成度是指在一块数平方毫米芯片上所制作的基本存储单元数，常以“位／片”表示，也可以用“字节／片”表示，6.其他类型构成速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池快低小容量非易失5.2随机读写存储器静态RAMSRAM2114SRAM6264动态RAMDRAM4116DRAM21645.2.1静态RAMSRAM的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用“字结构”存储矩阵：每个存储单元存放多位（4、8、16等）每个存储单元具有一个唯一的地址静态RAM的存储结构六管基本存储电路列选线Y数据线D数据线D’T8T7行选线XT1T5T2T6T4T3VDDBA6管基本存储单元列选通SRAM芯片的内部结构I/O行地址译码列地址译码A3A2A1A0A4A5A6A710015151-CS-OE-WE输入缓冲输出缓冲6管基本存储单元列选通SRAM芯片2114存储容量为1024×418个引脚：10根地址线A9～A04根数据线I/O4～I/O1片选——CS读写——WE4.SRAM芯片举例123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WEA6A5A4A3A0A1A2CSGNDSRAM芯片6264存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CE读写WE、OENCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccWENCA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D3123456789101112131428272625242322212019181716151.存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩展数据位（数据宽度）这种扩展方式称“位扩展”位扩展2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE两片同时选中数据分别提供多个位扩展的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为“芯片组”2.存储芯片地址线的连接芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，称为“片内译码”片内译码地址线A9～A0存储芯片存储单元片内译码000H001H002H…3FDH3FEH3FFH00…0000…0100…10…11…0111…1011…11（16进制表示）A9～A0片内10位地址译码10位地址的变化：全0~全13.存储芯片片选端的译码存储系统常需要利用多个存储芯片进行容量的扩展，也就是扩展存储器的地址范围这种扩展简称为“地址扩展”或“字扩展”进行“地址扩展”时，需要利用存储芯片的片选端来对存储芯片（芯片组）进行寻址通过存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现对存储芯片（芯片组）的寻址，常用的方法有：全译码——全部高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）部分译码——部分高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）线选法——某根高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）片选端常有效——无高位地址线与片选端关联（不参与芯片译码）地址扩展（字扩展）片选端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE译码器00000000010000000000低位地址线高位地址线片选端常有效A19～A15A14～A0全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE片选端常有效与A19～A15无关令芯片（组）的片选端常有效不与系统的高位地址线发生联系芯片（组）总处在被选中的状态虽简单易行、但无法再进行地址扩展，会出现“地址重复”在64KB地址空间中用8片2114构成4K×8，即4KB存储区的全译码法连接方案：其地址范围为2000H～2FFFH。连接图如图5.11所示。5.2.2动态MOS存储器DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备“读出再生放大电路”进行刷新每次同时对1行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行、列存储矩阵DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放1位需要8个存储芯片构成1个字节存储单元每个字节存储单元拥有1个唯一地址动态RAM的存储结构单管基本存储电路C2C1行选线列选线数据线T2T1单管基本存储单元DRAM芯片的内部结构T5T4T3T2T1VDD读出再生放大电路列128列2DINDOUT列1行128行66行65行64行2行1I/O缓冲单管基本存储单元读出再生放大电路DRAM芯片4116存储容量为16K×116个引脚：7根地址线A6～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通RAS列地址选通CAS读写控制WEVBBDINWERASA0A2A1VDDVSSCASDOUTA6A3A4A5VCC123456781615141312111095.3只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）进行擦除EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A典型EPROM、EEPROM芯片介绍5.3.2可擦可编程只读存储器EPROM顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程编程后，应该贴上不透光封条出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1编程就是将某些单元写入信息02.典型EPROM芯片介绍2716存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE/PGM读写OE编程电压VPPVDDA8A9VPPOEA10CE/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss3.高集成度EPROM除了常使用的EPROM2764外，还常使用27128，27256，27512等。由于工业控制算机的发展，迫切需用电子盘取代硬盘，常把用户程序、操作系统固化在电子盘上（ROMDISK），这时要用27C010（128K×8），27C020（256K×8），27C040（512K×8）大容量芯片。5.3.3电可擦可编程存储器2816是容量为2K×8的电擦除PROM（EEPROM或E2PROM）芯片的管脚排列与2716一致，只是在管脚定义上，数据线管脚对2816来说是双向的，以适应读写工作模式。图5.232816的逻辑符号1.2816的基本特点3.2817AEEPROM图5.242817A引脚图存储容量为2K×828个引脚：11根地址线A10～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE读写OE、WE状态输出RDY/BUSYEEPROM芯片2864A存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE读写OE、WEVccWENCA8A9A11OEA10CEI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910