微机原理第四章

微机原理4.1概述衡量存储器的性能指标主要有三个：容量、速度和成本。为了兼顾以上三个方面的指标，通常采用三级存储器结构：高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器。其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，位成本接近廉价慢速的辅存平均价格。本章重点介绍半导体存储器的工作原理、计算机主存的构成和工作过程、存储器的层次结构。微机原理4.1.1存储器分类1．按构成存储器的器件和存储介质分类按构成存储器的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。从五十年代开始，磁芯存储器曾—度成为主存储器的主要存储介质。但从七十年代起，半导体存储器逐渐取代了磁芯存储器的地位。目前，绝大多数计算机都使用的是半导体存储器。微机原理2．按存储器的存取方式分类按存取方式可分为随机存取存储器、只读存储器等(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)随机存储器(又称读写存储器)是指通过指令可以随机地对各个存储单元进行读和写，在一切计算机系统中，主存储器大都采用随机存储器。按照存放信息的方式不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。静态RAM(SRAM)是以双稳态元件作为基本的存储单元来保存信息，而动态RAM(DRAM)是靠电容来存放信息的，使得这种存储器中存放的信息容易丢失，必须定时进行刷新。微机原理(2)只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)只读存储器是一种对其内容只能读出不能写入的存储器。它通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。由于它和读写存储器分享主存储器的同一个地址空间，故仍属于主存储器的一部分。随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不同的种类，如可编程序只读存储器PROM(ProgrammableROM)，可擦除可编程只读存储器EPROM(ErasibleProgrammableROM)和电可擦除可编程只读存储器EEPROM(ElectricErasibleProgrammableROM)以及近年来发展起来的快擦型存储器(FlashMemory)具有EEPROM的特点。微机原理3．按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用可以分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)、缓冲存储器等。主存储器速度高，但容量较小，每位价格较高。辅存速度慢，容量大，每位价格低。缓冲存储器用在两个不同工作速度的部件之间，在交换信息过程中起缓冲作用。微机原理双极型半导体存储器随机存储器(RAM)MOS存储器（静态、动态）主存储器可编程只读存储器PROM只读存储器(ROM)可擦除可编程只读存储器EPROM，EEPROM存储器掩膜型只读存储器MROM快擦型存储器磁盘(软盘、硬盘、盘组)存储器辅助存储器磁带存储器光盘存储器缓冲存储器p微机原理4.1.2存储器系统结构微机原理1．基本存储单元一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。2．存储体一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。如8k×8表示存储体中一共8K个存储单元，每个存储单元存放8位二进制数据。微机原理3．地址译码器存储器系统是由许多存储单元构成的，CPU要对某个存储单元进行读／写操作时，必须先通过地址总线发出所需访问存储单元的地址码。地址译码器的作用是接受地址信号并对它进行译码，选中该地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。存储器地址译码有单译码与双译码两种方式。(1)单译码单译码方式又称字结构，全部地址码只用一个电路译码，译码输出的选择线直接选中对应的存储单元。这一方式需要的选择线数较多，只适用于容量较小的存储器。如前图所示。微机原理(2)双译码在双译码结构中，将地址译码器分成行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)两部分，行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。如下图所示。微机原理4．片选与读／写控制电路片选信号用以实现存储器芯片的选择。当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。在选择存储单元时，要先进行片选，再在芯片中选择与地址相应的存储单元。片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成。读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。5．I/O电路I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入。6．集电极开路或三态输出缓冲器为了扩充存储器系统的容量，需要通过集电极开路或三态输出缓冲器，将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连。7．其它外围电路微机原理4.1.3存储器的性能指标1、存储器容量存储器容量是指存储器所有存储单元的数量，即字节数。或可以容纳的二进制信息总量，即存储信息的总位(bit)数。2、存取速度存储器的速度直接影响计算机的速度。存取速度可用存取时间和存储周期这两个时间参数来衡量。3、可靠性存储器的可靠性用MTBF(MeanTimeBetweenFailures)平均故障间隔时间来衡量。4、功耗存储器芯片正常工作时所消耗的电能，可用某个存储单元或整个芯片的功耗来表示。微机原理4.2读写存储器RAM读写存储器分为静态RAM与动态RAM两种。4.2.1静态RAM(SRAM)1．基本存储单元静态RAM的基本存储单元是由两个增强型的NM0S反相器交叉耦合而成的触发器。每个基本的存储单元由六个MOS管构成，所以，静态存储电路又称为六管静态存储电路。微机原理VCC(+5V)T3T2T1T4VCCT3T1T4T2X地址译码线ABD0D0T5T6T7T8(I/O)I/O接Y地址译码器AB六管静态存储单元微机原理静态存储电路结构组成原理图微机原理2．静态RAM存储器芯片Intel2114Intel2114是一种1K×4的静态RAM存储器芯片，其它的典型芯片有Intel6116/6264/62256等。(1)芯片的内部结构•存储矩阵•地址译码器•I/O控制电路•片选及读、写控制电路A3A4A5A6A7A8行选择64×64存储矩阵......VCCGND输入数据控制I/O1I/O2I/O3I/O4列I/O电路列选择......A0A2A1A9CSWE微机原理(2)Intel2114的外部结构Intel2114RAM存储器芯片为双列直插式集成电路芯片，共有18个引脚。•A0-A9：10根地址信号输入引脚；•：读／写控制信号输入引脚；•I/O1~I/O4：4根数据输入／输出信号引脚；•：片选信号输入引脚；•+5V：电源；•GND：地；123456789181716151413121110A1A2A3A4A5A6A0CSGNDVCCA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE引脚图WECS微机原理4.2.2动态RAM(DRAM)1．动态RAM基本存储单元动态RAM的基本存储单元，由一个MOS管T1和位于其栅极上的分布电容C构成。当栅极电容C上充有电荷时，表示该存储单元保存信息“1”。反之，当栅极电容上没有电荷时，表示该单元保存信息“0”。动态RAM存储单元实质上是依靠T1管栅极电容的充放电原理来保存信息的，电容上所保存的电荷就会泄漏。在动态RAM的使用过程中，必须及时地向保存“1”的那些存储单元补充电荷，以维持信息的存在。这一过程，就称为动态存储器的刷新操作。T1ESDESCD字选线数据线微机原理2．动态RAM存储器芯片Intel2164AIntel2164A是一种64K×1的动态RAM存储器芯片，其他典型芯片有Intel21256/21464等。(1)Intel2164A的内部结构8位地址锁存器1/4I/O门输出缓冲器A0A1A2A3A4A5A6A7DOUTVDDVSS行时钟缓冲器列时钟缓冲器写允许时钟缓冲器数据输入缓冲器RASCASWEDIN128×128存储矩阵1/128行译码器128×128存储矩阵128读出放大器1/2(1/128列译码器)128读出放大器128读出放大器128读出放大器1/2(1/128列译码器)128×128存储矩阵128×128存储矩阵1/128行译码器微机原理•存储体：64K×1的存储体由4个128×128的阵列构成；•地址锁存器：Intel2164A采用双译码方式，16位地址信息分两次送入芯片，且通过同一组引脚分两次接收，故在芯片内部有一个锁存8位地址信息的地址锁存器；•数据输入缓冲器：用以暂存输入的数据；•数据输出缓冲器：用以暂存要输出的数据；•1/4I/O门电路：由行、列地址信号的最高位控制，从相应的4个存储矩阵中选择一个进行输入／输出操作；•行、列时钟缓冲器：用以协调行、列地址的选通信号；•写允许时钟缓冲器：用以控制芯片的数据传送方向；•128读出放大器：接收由行地址选通的4×128个存储单元的信息，放大后写回原存储单元，实现刷新操作；•1/128行、列译码器：分别用来接收7位的行、列地址，从128×128个存储单元中选定某一单元，对其进行读/写操作。微机原理12345678910111213141516N/CDINWERASA0A2A1VDDVSSCASDOUTA6A5A4A3A7(2)Intel2164A的外部结构：Intel2164A是具有16个引脚的双列直插式芯片。•A0~A7：地址信号的输入引脚；•：行地址选通信号输入引脚；•：列地址选通信号输入引脚；•：写允许控制信号输入引脚；•DIN：数据输入引脚；•DOUT：数据输出引脚；•VDD：+5V电源引脚；•Vss：地；RASCASWE微机原理4.3只读存储器ROM4.3.1掩模MROM图示4×4位的MOSROM存储阵列，采用单译码方式。有两位地址输入，译码后输出四条字选择线为行，输出的位线为列线，行列的交叉处有管子则该位为“0”，没有管子则该位为“1”，交叉处的连接是在制造时由二次光刻版的图形掩模所决定的，一旦芯片制成后，用户是无法变更其结构的。保存的信息，在电源消失后，也不会丢失，将永远保存下去。微机原理4.3.2可编程的PROMPROM存储器在出厂时，存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结，字线与位线之间不导通，意味着该存储器中所有的存储内容均为“0”。如果用户需要写入程序，则要通过专门的PROM写入电路，产生足够大的电流把要写入“1”的那个存储位上的二极管击穿，造成这个PN结短路，只剩下顺向的二极管跨连字线和位线，这时，此位就意味着写入了“1”。还有一种熔丝式PROM，用户编程时，靠专用写入电路产生脉冲电流，来烧断指定的熔丝，以达到写入“1”的目的。写入的过程称之为固化程序，PROM器件只能固化一次程序，数据写入后，就不能再改变了。微机原理4.3.3可擦除可编程序的EPROM1．基本存储电路可擦除可编程的ROM又称为EPROM。这种EPROM电路在N型的基片上扩展了两个高浓度的P型区，分别引出源极（S）和漏极(D)，在源极与漏极之间有一个由多晶硅做成的栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包围。出厂时浮空栅极上没有电荷，管子内没有导电沟道，源极与漏极之间不导电，此时表示该存储单元保存的信息为“1”；P+P+AlSiO2SD浮空多晶硅栅N基体字线EPROM(a)(b)位线微机原理编程时，若要使该单元保存信息“0”，则只要在漏极和源极之间加上+25V的电压，同时加上编程脉冲信号(宽度约为50ns)，漏极与源极之间被瞬时击穿，就会有电子通过SiO2绝缘层注入到浮动栅。浮动栅被SiO2绝缘层包围，注入的电子无泄漏通道，且浮动栅为负，就形成了导电沟道使相应的单元导通，则该单元所保存的信息为“0”。如果要清除存储单元中所保存的信息，就必须设法将其浮动栅上的负电荷释放掉。当用一定波长的紫外光照射浮动栅时，负电荷便可以获取足够的能量，摆脱SiO2的包围，以光电流的形式释放掉，源极与漏极之间不导电。恢复保存的信息为“1”的状态。该单元又可重新编程。EPROM存储器芯片，在其上方有一个石英玻璃的窗口，紫