微机原理第4章1-存储器分类及典型芯片介绍

1微机原理与应用西南交通大学第第44章章存储器系统存储器系统ƒ微型机的存储系统、分类及其特点ƒ半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接ƒ存储器扩展技术本章主要内容2微机原理与应用西南交通大学4.1.1存储器的分类4.1概述ƒ内存——存放当前运行的程序和数据。ƒ外存——存放非当前使用的程序和数据。•特点：快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。•特点：慢，容量大，顺序存取/块存取。需调入内存后CPU才能访问。•通常由半导体存储器构成•RAM、ROM•通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成•磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘3微机原理与应用西南交通大学2)按存储器读写方式分类„ROM（ReadOnlyMemory):只读存储器„RAM(RandomAccessMemory):随机读写存储器2.半导体存储器分类1)按制造工艺分类„双极性（Bipolar）:由TTL（Transistor-TransistorLogic）晶体管逻辑电路构成。速度快(几纳秒～几十纳秒)，集成度低，功耗大，价格高，一般作为Cache。„金属氧化物半导体（MOS，Metal-Oxide-Semiconductor)型：功耗低、价格低、集成度高，普遍用作主存。主要有NMOS，CMOS等。4微机原理与应用西南交通大学（1）RAM-RandomAccessMemoryƒ静态RAM（SRAM－StaticRAM）•以双稳态触发器为基本存储元。不需刷新，存取速度快；但功耗较大，集成度低。ƒ动态RAM（DRAM－DynamicRAM）•以电容为基本存储元。电路简单，集成度高，价格低；但需定时刷新。主要用于计算机内存。ƒRAM的3个特性：1）可读可写，非破坏性读出，写入时覆盖原内容。2）随机存取，存取任一单元所需的时间相同。3）易失性（或挥发性）。当断电后，存储器中的内容立即消失。5微机原理与应用西南交通大学（2）ROM-ReadOnlyMemoryƒ掩膜式（Masked）ROMƒ一次性可编程ROM（OTPROM）ƒ用紫外线擦除的可编程ROM（EPROM）ƒ电可擦除的可编程ROM（EEPROM或E2PROM）只能读出存储的信息，而不能用通常的方法将信息写入存储器。*尽管EPROM和E2PROM既可读出也可编程写入和擦除，但其不能像RAM那样随机快速地写入和修改，它们的写入需要一定的条件。6微机原理与应用西南交通大学4.1.3半导体存储器的主要技术指标1.存储容量位容量•能存放一位二进制数的器件称为一个存储元。•若干存储元构成一个存储单元。•许多存储单元组织在一起构成了存储器。•存储器芯片容量＝存储单元数×每个单元的存储位数例如：Intel2114:1K×4位/片；6264：8K×8位/片7微机原理与应用西南交通大学2.存取速度•一般以存取时间来衡量，存取时间越小，速度越快。•所谓存取时间－从CPU发出存取命令到操作完成所经历的时间。•超高速20ns、中速:100ns～200ns、低速:300ns3.功耗每个存储位消耗功率的大小。（mW/位）4.可靠性可靠性是用平均故障间隔时间来衡量（MTBF,MeanTimeBetweenFailures）¾半导体存储器的主要技术指标（续）8微机原理与应用西南交通大学半导体存储芯片的结构4.1.4半导体存储芯片(SRAM)的一般结构9微机原理与应用西南交通大学1.存储体：由基本存储元按照一定的规律排列构成的矩阵。字结构方式：将同一芯片上的基本存储元排列成不同的存储单元。位结构方式：将某一芯片上的各个基本存储元作为不同字的同一位。这种方式的优点是芯片的封装引线少。一般在大容量的存储器中采用位结构方式。ƒ地址线的数量决定存储单元的数量ƒ数据线的数量决定存储单元中“位”的数量芯片存储容量＝芯片存储单元数×每个存储单元的位数＝2M×N，其中，M－地址线数量，N－数据线数量10微机原理与应用西南交通大学2.地址译码电路根据输入的地址编码，选中芯片内某个特定的存储单元。单译码：只用一个译码器电路。译码器输出线多，适用于容量较小的存储器。双译码（复合译码）：行译码、列译码。只有X向和Y向同时选中的存储单元才能进行读写操作。可减少译码器输出线，多用于大容量存储器。11微机原理与应用西南交通大学•地址译码电路（单译码法）0,015,015,70,7读/写控制电路地址译码器字线015……16×8矩阵………07D07D位线读/写选通A3A2A1A0……00000,00,7…0…07…D07D读/写选通读/写控制电路12微机原理与应用西南交通大学A3A2A1A0A40,310,031,031,31Y地址译码器X地址译码器32×32矩阵……A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读/写……00000000000,031,00,31……I/OD0,0读•地址译码电路（双译码法）13微机原理与应用西南交通大学3.片选和读写控制逻辑¾片选信号：CS或CE。有效时，可以对芯片进行读写操作；无效时，芯片与数据总线隔离，并可降低内部功耗。一般与系统的高位地址线发生联系。¾读写控制：OE：输出允许，控制读操作。有效时，允许芯片将寻址单元内的数据输出。一般与系统的读控制线MEMR（或RD）相连。WE：写允许，控制写操作。有效时，引脚上的数据将被允许写入芯片。一般与系统的写控制线MEMW（或WR）相连。实现双向数据缓冲、隔离、放大、提高数据总线驱动能力。4.三态缓冲电路14微机原理与应用西南交通大学行选线XVccT3T4T5T6ABT1T2六管静态RAM存储电路I/O列选线YI/OT7T84.2.1静态RAM（SRAM）1.SRAM的基本存储电路4.2随机读写存储器RAM2.SRAM特点：ƒ用双稳态触发器存储信息,MOS管数目多,集成度较低.ƒ不需刷新,速度快（5ns），外围电路比较简单，功耗大。ƒ常用作高速缓冲存储器Cache。15微机原理与应用西南交通大学3.典型SRAM芯片主要引脚功能工作时序与系统的连接使用ƒ常用的SRAM芯片•2114（1K×4位）•6116（2K×8位）•6264（8K×8位）•628128（16K×8位）•62256（32K×8位）…16微机原理与应用西南交通大学‰Intel2114引脚存储容量1K×4位D1D2D3D4A0A8A9WECSVCCGNDIntel2114…17微机原理与应用西南交通大学Intel2114RAM矩阵(64×64)读A3A4A5A6A7A8A0A1A2A915…031…1647…3263…48150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路……………………0163015……行地址译码列地址译码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第二组第三组第四组…………18微机原理与应用西南交通大学VccWECS2A8A9A11OEA10CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1282273264255246237228219201019111812171316141562646264管脚图¾SRAM6264（8K×8位）6264芯片的主要引线:•地址线：A0～A12•数据线：D0～D7•输出允许信号：OE•写允许信号：WE•选片信号：CS1、CS219微机原理与应用西南交通大学6116管脚和功能结构图…行译码128×128存储矩阵列I/O列译码输入数据控制逻辑控制CSWEOEA10A4D7D0A3A0………………VccA8A9WEOEA10CSD7D6D5D4D3A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND124223322421520619718817916101511141213611611根地址线A0～A108根数据线D0～D72K×8¾SRAM6116（2K×8位）20微机原理与应用西南交通大学¾SRAM读操作时序图21微机原理与应用西南交通大学¾SRAM写操作时序图22微机原理与应用西南交通大学4.2.2动态RAM（DRAM）1.DRAM的基本存储电路刷新放大器列选线数据输入/输出线行选线单管动态存储电路CT2.DRAM特点ƒ靠电容存储信息，由于电荷泄漏，需定时刷新。ƒ集成度高、存储容量大，功耗低，但速度慢（10ns左右）。ƒ用于微机中的内存条（主存）、显卡上的显示存储器。23微机原理与应用西南交通大学3.常见DRAM的种类ƒSDRAM（SynchronousDRAM）——它在1个CPU时钟周期内可完成数据的访问和刷新，即可与CPU的时钟同步工作。SDRAM的工作频率目前最大可达150MHz，存取时间约为5～10ns，最大数据率为150MB/s，是当前微机中流行的标准内存类型。ƒRDRAM（RambusDRAM）——是由Rambus公司所开发的高速DRAM。其最大数据率可达1.6GB/s。ƒDDRDRAM（DoubleDataRateDRAM）——是对SDRAM的改进，它在时钟的上升沿和下降沿都可以传送数据，其数据率可达200-800MB/s。主要应用在主板和高速显示卡上。24微机原理与应用西南交通大学¾高集成度DRAM和内存条内存配置：640KB→512MB→….目前，高档个人计算机采用168线内存条，SDRAM（SynchronousDRAM，同步DRAM）组成。内存条（由高集成度的DRAM组成）30线内存条；72线内存条；100线内存条；168线内存条；184线内存条；200线内存条。SIMM（SingleIn－LineMemoryModule，单列直插式存储器模块）DIMM（DualIn－LineMemoryModule，双列直插式存储器模块）25微机原理与应用西南交通大学ƒ采用行地址和列地址来确定一个单元；ƒ行列地址分时传送，共用一组地址线；ƒ地址线的数量仅为同等容量SRAM芯片的一半。行地址10001000列地址4.DRAM的典型芯片¾2164（64K×1bit行译码、列译码，分时工作。）26微机原理与应用西南交通大学2164引脚¾2164引脚及主要引线•RAS：行地址选通信号，用于锁存行地址；•CAS：列地址选通信号。地址总线上先送上行地址，后送上列地址，它们分别在RAS和CAS有效期间被锁存在地址锁存器中。••DI：数据输入•DO：数据输出•A0~A7:地址输入线（复用）WE=0数据写入WE=1数据读出WE：写允许信号64K×1bit27微机原理与应用西南交通大学5.DRAM的工作过程（1）数据读出DRAM2164的数据读出时序RASCAS行地址列地址WE=1DOUT有效读出数据A0~A728微机原理与应用西南交通大学（2）数据写入DRAM2164的数据写入时序RASCAS行地址列地址WEDIN有效写入数据A0~A729微机原理与应用西南交通大学（3）刷新DRAM芯片的刷新时序RASCAS＝1行地址A0~A7ƒ刷新：将动态存储器中存放的每一位信息读出并重新写入的过程。ƒ每次送出不同的行地址，可刷新不同行的存储单元；ƒCAS无效，位线上的信息不会送到数据总线上。30微机原理与应用西南交通大学4.2.3双口RAM实现多处理机应用系统中的相互通信。双口RAM具有两组独立的访问端口，因此可作为双CPU系统的公共全局存储器。例如：CY7C130/131---1K×8bitCY7C133/143---2K×16bit31微机原理与应用西南交通大学4.3只读存储器ROM4.3.1掩膜ROM地址译码器D3D2D1D0Vcc单元0单元1单元2单元3A1A0掩膜ROM示意图内容（D3～D0）101011010101011032微机原理与应用西南交通大学特点：ƒ掉电后内容不丢失；ƒ可多次编程写入（编程器）；ƒ内容的擦除需用紫外线擦除器。4.3.2EPROM编程器EPROM芯片33微机原理与应用西南交通大学Vcc字选线位线浮置栅MOS管EPROM的基本存储结构1.基本存储电路和工作原理－－－PP＋＋＋N基底SiO2SiO2DS漏极源极多晶硅浮置栅“浮置栅”MOS管结构ƒ出厂时，管子的栅极上无电子电荷，源、漏