第五章 半导体存储器和高速缓冲存储器

-1-第五章半导体存储器和高速缓冲存储器【目的要求】1、掌握半导体存储器主要分类，RAM与ROM工作的主要区别，静态RAM、动态RAM、快速缓冲存储器Cache的主要区别，DRAM的刷新原理，ROM、PROM、EPROM及Flash工作的主要区别；2、对典型存储器芯片有所了解，并能掌握其在整机中的地位和连接方法，重点讲授外部引脚、地址分配等。3、了解高速缓冲存储器Cache的特点。【回顾】微型计算机系统的硬件组成，存储器在微机系统中的功能和作用。【本讲重点】微机存储器系统的基本概况，存储器的分类，内部存储器的系统结构，动、静态读写存储器RAM的基本存储单元与芯片；只读存储器ROM及其基本存储单元与芯片。【教学课时】2学时【教学方法】讲授演示法【教学手段】多媒体CAI课件【讲授内容】5.1存储系统概述存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。存储器系统的三项主要性能指标是【容量】、【速度】和【成本】【存储容量】是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；【存取速度】直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；【存储器成本】也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。一、存储器分类1.按构成存储器的器件和存储介质分类-2-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。2.按存取方式分类可将存储器分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)称读写存储器，指能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。静态RAM是以双稳态元件作为基本的存储单元来保存信息的，因此，其保存的信息在不断电的情况下，是不会被破坏的；而动态RAM是靠电容的充、放电原理来存放信息的，由于保存在电容上的电荷，会随着时间而泄露，因而会使得这种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。(2)只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。ROM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。随着半导体技术的发展，只读存储器也出现了不同的种类，如可编程的只读存储器PROM(ProgrammableROM)，可擦除的可编程的只读存储器EPROM(ErasibleProgrammableROM)和EEPROM(ElectricErasibleProgrammableROM)以及掩膜型只读存储器MROM(MaskedROM)等，近年来发展起来的快擦型存储器(F1ashMemory)具有EEPROM的特点。3.按在微机系统中位置分类可分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)、缓冲存储器等；主存储器又称为系统的主存或者内存，位于系统主机的内部，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作；缓冲存储器位于主存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，可用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速度；辅存存储器又称外存，位于系统主机的外部，CPU对其进行的存/取操作，必须通过内存才能进行。另外，还可根据所存信息是否容易丢失，而把存储器分成易失性存储器和非易失性存储器。如半导体存储器(DRAM，SRAM)，停电后信息会丢失，属易失性；而磁带和磁盘等磁表面存储器，属非易失性存储器。存储器分类表如下所示：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掩膜型只读存储器MROM快擦型存储器存储器磁盘(软盘、硬盘、盘组)存储器辅助存储器磁带存储器光盘存储器-3-缓冲存储器二、存储器的系统结构一般情况下，一个存储器系统由以下几部分组成。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，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。不同类型的基本存储单元，决定了由其所组成的存储器件的类型不同。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。3.地址译码器由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。地址译码器的作用就是用来接受CPU送来的地址信号并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读／写操作。存储器地址译码有两种方式，通常称为单译码与双译码。(1)单译码单译码方式又称字结构，适用于小容量存储器。(2)双译码在双译码结构中，将地址译码器分成两部分，即行译码器(又叫X译码器)和列译码器(又叫Y译码器)。X译码器输出行地址选择信号，Y译码器输出列地址选择信号。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。4.片选与读／写控制电路片选信号用以实现芯片的选择。对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读／写操作。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，而读/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，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。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，常常需要将几片RAM芯片的数据线并联使用或与双向的数据线相连，这就要用到集电极开路或三态输出缓冲器。7.其它外围电路对不同类型的存储器系统，有时，还专门需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。-4-5.2随机存储器RAM(RandomAccessMemory)意指随机存取存储器，其工作特点是：在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读／写操作。读写存储器分为静态RAM与动态RAM两种。一、静态RAM1.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。图5-1(a)为六管静态存储单元的原理示意图。其中T1、T2为控制管，T3、T4为负载管。这个电路具有两个相对的稳态状态，若Tl管截止则A＝“l”(高电平)，它使T2管开启，于是B＝“0”(低电平)，而B＝“0”又进一步保证了T1管的截止。所以，这种状态在没有外触发的条件下是稳定不变的。同样，T1管导通即A＝“0”(低电平)，T2管截止即B＝“1”(高电平)的状态也是稳定的。因此，可以用这个电路的两个相对稳定的状态来分别表示逻辑“1”和逻辑“0”。当把触发器作为存储电路时，就要使其能够接收外界来的触发控制信号，用以读出或改变该存储单元的状态，这样就形成了如图5-l(b)所示的六管基本存储电路。其中T5、T6为门控管。VCC(+5V)T3T2T1T4VCCT3T1T4T2X地址译码线ABD0D0T5T6T7T8(I/O)I/O接Y地址译码器AB(a)六管静态存储单元的原理示意图(b)六管基本存储电路图5-1六管静态存储单元当X译码输出线为高电平时，T5、T6管导通，A、B端就分别与位线D0及D0相连；若相应的Y译码输出也是高电平，则T7、T8管(它们是一列公用的，不属于某一个存储单元)也是导通的，于是D0及D0(这是存储单元内部的位线)就与输入/输出电路的I/O线及I/O线相通。写入操作：写入信号自I/O线及I/O线输入，如要写入“1”，则I/O线为高电平而I/O线为低电平，它们通过T7、T8管和T5、T6管分别与A端和B端相连，使A=“1”，B=“0”，即强迫T2管导通，Tl管截止，相当于把输入电荷存储于Tl和T2管的栅级。当输入信号及地址选择信号消失之后，T5、T6、T7、T8都截止。由于存储单元有电源及负载管，可以不断地向栅极补充电荷，依靠两个反相器的交叉控制，只要不掉电，就能保持写入的信息“1”，而不用再生(刷新)。若要写入“0”，则I/O线为低电乎而I/O线为高电平，使Tl管导通，T2管截止即A=“0”，B=“1”。读操作：只要某一单元被选中，相应的T5、T6、T7、T8均导通，A点与B点分别通过T5、-5-T6管与D0及D0相通，D0及D0又进一步通过T7、T8管与I/O及I/O线相通，即将单元的状态传送到I/O及I/O线上。由此可见，这种存储电路的读出过程是非破坏性的，即信息在读出之后，原存储电路的状态不变。2.静态RAM存储器芯片Intel2114Intel2114是一种1K×4的静态RAM存储器芯片，其最基本的存储单元就是如上所述的六管存储电路,其它的典型芯片有Ietel6116/6264/62256等。(1)．芯片的内部结构如图5-2所示，它包括下列几个主要组成部分：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图5-2Intel2114静态存储器芯片的内部结构框图•存储矩阵：Intel2114内部共有4096个存储电路，排成64×64的短阵形式；•地址译码器：输入为10根线，采用两级译码方式，其中6根用于行译码，4根用于列译码；•I/O控制电路：分为输入数据控制电路和列I／O电路，用于对信息的输入／输出进行缓冲和控制；•片选及读／写控制电路：用于实现对芯片的选择及读／写控制。(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，引脚图如图5-3所示，各引脚的功能如下：•A0-A9：10根地址信号输入引脚。•WE：读／写控制信号输入引脚，当WE为低电平时，使输入三态门导通，信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元；反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线。•I/O1~I/O4：4根数据输入／输出信号引脚，图5-3Intel2114引脚图•CS：低电平有效，通常接地址译码器的输出端。•+5V：电源。•GND：地。123456789181716151413121110A1A2A3A4A5A6A0CSGNDVCCA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE引脚图-6-二、动态RAM1.动态RAM基本存储单元静态RAM的基本存储单元是一个RS触发器，因此，其状态是稳定的，但由于每个基本存储单元需由6个MOS管构成，就大大地限制了RAM芯片的集成度。如图5-4所示，就是一个动态RAM的基本存储单元，它由一个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”。由于栅极电容上的充电与放电是两个对立的状态，因此，它可以作为一种基本的存储单元。图5-4单管动态存储单元写操作：字选择线为高电平，T1管导通，写信号通过位线存入电容C中；读操作：字选择线仍为高电平，存储在电容C上的电荷，通过T1输出到数据线上，通过读出放大器，即可得到所保存的信息。刷新：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。时间一长，电容上