存储器的特点和应用场合,了解存储器的主要性能指标对存.ppt

电工电子技术 第一篇 电工电子技术 首 页 了解存储器的分类及各类存储器的特 点和应用场合，了解存储器的主要性能 指标对存储器性能的影响；掌握半导体 存储器的逻辑功能和使用方法，理解半 导体存储器的电路结构和工作原理；熟 悉可编程逻辑器件的类型、工作原理及 编程方式。 学习目的与要求学习目的与要求 电工电子技术 首 页 存储器的分类和用途 存储器是一种具有记忆功能的接收、保存和取出信息 的设备，是计算机的重要组成部分，是CPU最重要的系 统资源之一。 存储器按在微机中的位置可分为主存储器(内存)、辅 助存储器(外存)和缓冲存储器(缓存)三大类。内存一般 由半导体存储器构成，通常装在计算机主板上，存取速 度快，但容量有限；外存是为了弥补内存容量的不足而 配置的，如硬盘、软盘等，外存容量大、成本低，所存 信息既可修改也可长期保存，但存取速度慢；缓存位于 内存与CPU之间，其存取速度非常快但存储容量更小， 一般用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，可提高 整个系统的运行速度 。 存储器主要性能指标是存储容量、存储速度和可靠 性。 电工电子技术 首 页 计算机的内存储器由ROM和RAM两部分组成。其中只 能读不能写的存储器，称为只读存储器ROM；即能读又 能写的存储器，叫做可读写存储器RAM。 由于历史上的 原因，可读写存储器也被人们称为随机存取存储器。 通常ROM中的程序和数据是事先存入的，在工作过程中 不能改变，这种事先存入的信息不会因下电而丢失，因此 ROM常用来存放计算机监控程序、基本输入输出程序等系 统程序和数据。RAM中的信息则下电就会消失，所以主要 用来存放应用程度和数据。 对存储器的读写或取出都是随机的，通常要按顺序随机 存取。按顺序随机存取有两种方式：先进先出；后进 先出。 11.1 随机存取存储器RAM 电工电子技术 首 页 存储矩阵存储矩阵 读 写 控 制 器 行行 地 址 译 码 器 列列地址译码器 2 2n n RAMRAM 电 路 结 构 框 图 m m n位 地址码 1. RAM的功能与结构 输出控制 m位 数据 片选控制读/写控制 地址译码器：地址译码器： RAM中的每个寄存器都有一个编号，称为地址。每次 读/写信息时，只能和某一个指定地址的寄存器之间进行取 出或是存入，此过程称为访问存储器。访问地址的是机器 识别的二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输出线 给出信号，控制被选中的寄存器与存储器的I/O端子，使其 进行读/写操作。 电工电子技术 首 页 存储矩阵存储矩阵 读 写 控 制 器 行行 地 址 译 码 器 列列地址译码器 2 2n n RAMRAM 电 路 结 构 框 图 m m n位 地址码 输出控制 m位 数据 片选控制读/写控制 读写控制器：读写控制器： 读/写控制线可对RAM的读出和写入进行控制。如R/W0 0 时，执行写写操作，R/W1 1时，执行读 读操作；由地址输入端输 入的n 位地址码经地址译码器译码后选中一组(信息长度m 位) 存储单元，m位的二进制代码经I/O 接口被写入或被读出。 电工电子技术 首 页 存储矩阵存储矩阵 读 写 控 制 器 行行 地 址 译 码 器 列列地址译码器 2 2n n RAMRAM 电 路 结 构 框 图 m m n位 地址码 输出控制 m位 数据 片选控制读/写控制 I I / / O O控制器：控制器： 为了节省器件引脚的数目，数据的输入和输出共用相同 的I/O引脚。读出时它们是输出端，写入时它们又是输入端 ，即一线二用，由读/写控制线控制。I/O端子数决定于一 个地址中寄存器的位数。通常RAM中寄存器有五种输入信 号和一种输出信号：地址输入信号、读/写控制输入信号、 OE输出控制信号、 CS片选控制输入信号、数据输入信号 和数据输出信号。 电工电子技术 首 页 存储矩阵存储矩阵 读 写 控 制 器 行行 地 址 译 码 器 列列地址译码器 2 2n n RAMRAM 电 路 结 构 框 图 m m n位 地址码 输出控制 m位 数据 片选控制读/写控制 片选控制：片选控制： 由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装在一起构成一台 计算机的存储器。当CPU访问存储器时，存储器中只允许一片RAM 中的一个地址与CPU交换信息，其它片RAM不能与CPU发生联系， 所谓片选片选就是实现这种控制。通常一片RAM有1根或几根片选线， 当某一片的片选线为有效电平时，则该片被选中，地址译码器的输 出信号控制该片某个地址与CPU接通；片选线为无效电平时，与 CPU之间呈断开状态。例如片选信号CS“1”时，RAM禁止读写， 处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态；CS“0”时，RAM 可在读/写控制输入R/W的作用下作读出或写入操作。 电工电子技术 首 页 存储矩阵存储矩阵 读 写 控 制 器 行行 地 址 译 码 器 列列地址译码器 2 2n n RAMRAM 电 路 结 构 框 图 m m n位 地址码 输出控制 m位 数据 片选控制读/写控制 存储矩阵：存储矩阵： 存储矩阵是存储器的主体，含有大量的基本存储单元。通 常数据和指令是用一定位数的二进制数来表示的，这个二进制 数称为字字，字的位数称为字长 字长。存储器以字为单位进行存储， 为了存入和取出的方便，必须给每个字单元以确定的标号，这 个标号称为地址，不同的字单元具有不同的地址。存储器的容 量由地址码的位数m决定，当地址码的位数为n，字长的位数 为m时，存储器内含2nm个存储单元。 电工电子技术 首 页 2. RAM的存储单元电路 存储单元是RAM的核心部分， RAM字中所含的位数是 由具体的RAM器件决定的，可以是4位、8位、16位和32 位等。每个字是按地址存取的。一般操作顺序是：先按地 址选中要进行读或写操作的字，再对找到的字进行读或写 操作。打一比方：存储器好比一座宿舍楼，地址对应着房 间号，字对应着房间内住的人，位对应床位。 存储器按功能的不同可分为静态静态和动态动态两类，按所用元 件的类型又可分为双极型和单极型两种。双极型存储单元 速度高，单极型存储单元功耗低、容量大。在要求存取速 度快的场合常用双极型RAM电路，对速度要求不高场合 下，常用单极型存储器。我们主要以单极型存储器为例介 绍RAM的工作原理。 电工电子技术 首 页 存储数据输出存储数据输出 T1 Q Q + +U D D 1 1位线 (1) 静态RAM存储单元 0 0位线 行选择线 T2 T3 T4 T6T5 图中T1和T2、T3和T4 分别构成两个反相器。 两个反相器交叉耦合又 构成了基本触发器，作 为储存信号的单元，当 Q时为“1 1”态，Q0 0 时为“0 0”态。T5和T6是门 控管，其导通和截止均 受行选择线控制。 当行选择线为高电平时，T5T6导通，触发器输出端与位线接通 1 1 当行选择线为低电平时，T5T6截止，存储单元和位线断开。 导导 通通 导导 通通 0 0 截截 止止 截截 止止 保持原态不变保持原态不变 1 1 0 0 电工电子技术 首 页 动态RAM存储单元 (2) 动态RAM存储单元 C 一个MOS管和一个电容即可组成 一个最简单的动态存储单元电路。 由于C和数据线的分布电容C0相并，因此C要损失部分电 荷。为保持原有信息不变，使放大后的数据同时回送到数据线 上，对C应进行重写，称为刷新。对长时间无读/写操作的存储 单元，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单元进 行刷新，这是动态存储器的特点。 字选线 T C0 数据线 当存储单元未被选中时： 当存储单元被选中时： 0 0 截止截止 隔隔 离离 写入时，送到数据线上的二进制信 号经T存入C中；读出时，C的电平经 数据线读出，读出的数据经放大后， 再送到输出端。 1 1 导通导通 读/写操作 电工电子技术 首 页 3. RAM的容量扩展 RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此 常用的容量扩展法有位扩展位扩展、字扩展字扩展和字位扩展字位扩展三种形式。 16片1024字1 位的RAM构成 1024字16位的 RAM。 地址码 A0A9 CSCS I /O 16 片1片16片2 I /O 2I /O 1 如果一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用 时，可采用位扩展连接方式解决。其数据位的扩展方法是：将 各个RAM的地址码并联片选端并联并联片选端并联即可。 电工电子技术 首 页 RAM的字扩展 下图所示为RAM字扩展的典型实例：利用两片1024字 4位的RAM器件构成2048字4位的RAM。 A0A9 A10 片 1片 2 I/O 14 CS 1 1 CS 利用地址码的最高位A10控制RAM器件的片选CS端，以决 定哪一片RAM工作。地址码的低A0A9并联接到两片RAM的 地址输入端。两片RAM的数据输入/输出端（I/O14）按位对 应地并联使用。 电工电子技术 首 页 RAM的字位同时扩展 字位同时扩展连接较复杂，如下图示： 16片10244位的 RAM和3线8线译码器74LS138相接可 扩展三个地址输入端，构成一个8K4位的RAM。 74LS138 译码器 A10 A11 A12 A0 A9 R/W Y0 Y7 I/00 I/01 I/02 I/03 电工电子技术 首 页 RAM有几种类型的 存储单元？各适用 于什么场合？ 什么是随机存储器 ？随机存储器有何 特点？ 多看多练多做 存储器的容量由 什么来决定？ 在工作过程中，既可方便地读出 所存信息，又能随时写入新的数 据的存储器称为随机存储器，随 机存储器。其特点是在系统工作 时，可以很方便地随机地对各个 存储单元进行读/写操作，但发 生掉电时数据易丢失。 按功能不同可分为静 态和动态两类，按所 用元件可分为双极型 和单极型双极型存储 器适用于存取速度要 求高的场合，单极型 的存储器适用于容量 大、低功耗，对速度 要求不高的场合。 存储器的容量是由地址码的位数n和 字长的位数m共同决定的。 电工电子技术 首 页 可编程逻辑器件属于只读存储器ROM，其方框图与RAM 相似。ROM将RAM的读写电路改为输出电路；ROM的存储 单元由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。 1. 只读存储器ROM的基本概念 只读存储器在工作时只能进行读出操作，结构原理如下： 存储单存储单 元矩阵元矩阵 地 址 译 码 n2n “ “位位” ” mm 数据 I/O 地 址 码 “ “字字” ” 输 出 电 路 只读存储器ROM的特点是：存储单元简单，集成度 高，且掉电时数据不会丢失。 11.2 可编程逻辑器件 电工电子技术 首 页 只读存储器ROM存入数据的过程称为“编程编程”。根据编程方式 的不同，可分为内容固定的ROM，一次性编程的PROM、可多次 编程的EPROM和电改写的E2PROM。早期制造的PROM可编程逻 辑器件的存储单元利用其内部熔丝是否被烧断来写入数据的，因 此只能写入一次，使其应用受到很大限制。目前使用的PROM可 多次写入，其存储单元是在MOS管中置入浮置栅浮置栅的方法实现的。 2、可编程逻辑器件的存储单元 左图是浮置栅型PMOS管的结构原 理图，浮置栅被包围在绝缘的二氧化 硅之中。写入时，在漏极和衬底之间 加足够高的反向脉冲电压把PN结击穿 ，雪崩击穿产生的高能电子穿透二氧 化硅绝缘层进入浮置栅中。脉冲电压 消失后，浮置栅中的电子无放电回路 而被保留下来。 P+P+P+P+ N N型衬底型衬底 S S D D 浮置栅浮置栅 电工电子技术 首 页 字线 浮置栅 MOS管 位 线 + +U DD EPROMEPROM存储单元存储单元 浮置栅PMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使PMOS管的源极 和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该单元位线即为 低电平；若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅PMOS管截止，位 线为高电平。当用户需要 改写存储单元中的内容时，要用紫外线 或X射线照射擦除，使浮置栅上注入的电荷 形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未 写入时的状态，因此又可重新写入新信息。 利用光照抹掉写入内容需要大约30min 左右较长时间。为了缩短抹去时间，人 们研制出了电擦除方式。电擦除的速度 一般为ms数量级，其擦除的过程就是改 写的过程，改写是以字为单位进行的。 电擦除的E2PROM既可以在掉电时不丢 失数据，又可以随时改写写入的数据， 重复擦除和改写的次数可达1万次以上。 电工电子技术 首 页 3、可编程逻辑器件 可编程逻辑器件按编程方式可分为掩膜编程和现场编程。掩 膜编程是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作；现场编程 则是由用户在工作现场进行编程，以实现所需要的逻辑功能。 任意一个逻辑函数都可以写成与或表达形式，所以可编程 逻辑器件的基本结构是一个与阵列和一个或阵列。 与门与门 阵列阵列 乘积项 或门或门 阵列阵列 和项 PLDPLD主体示意图主体示意图 PLD有较大的与或阵列， 其逻辑图的画法也与传统的画 法有较大的区别。 & A B C D F F1 1 F F1 1 =ABD=ABD 固定连接 逻辑连接 与阵列 11 A B C D F F2 2 或阵列 F F2 2 =A+C=A+C 电工电子技术 首 页 可编程逻辑阵列PLA在存储器中的主要应用是构成组合逻辑 电路，下面我们举例进行说明。 (1)可编程逻辑阵列PLA 用PLA实现 4 位二进制数 转换为Gray 码的电路。 GG 0 0 GG 1 1 GG 2 2 GG 3 3 与与阵列阵列 B0 B0 B1 B1 B2 B2 B3 B3 或阵列或阵列 PLA的特点：与阵列和或与阵列和或 阵列都可以编程。阵列都可以编程。 PLA中的与阵列被编程产 生所需的全部与项； PLA中的或阵列被编程完 成相应与项间的或运算并产 生输出。 由此大大提高了芯片面积 的有效利用率。 电工电子技术 首 页 由图可得 Y1 = ABC + ABC + ABC Y2 = ABC + ABC Y3 = ABC + ABC ABC 与阵列 Y3Y2Y1 或阵列 用 PLD 实现逻辑函数 L0 = ABC + ABC + ABC + ABC L1 = BC + BC L2 = BC + BC L0L1L2 电工电子技术 首 页 (2)可编程阵列逻辑PAL PALPAL结构示意图结构示意图 可编程阵列逻辑PAL的速度高 且价格低，电路输出结构形式有多 种，因可以方便地进行现场编程， 所以受到用户欢迎。 为实现时序逻辑电路的功能，可 编程阵列逻辑PAL又设计制造了在 或门和三态门之间加入D触发器， 并且将D触发器的输出反馈回与阵 列，从而使PAL的功能大大提高。 与同样位数的PLA相比，PAL不但 减少了编程点