[计算机硬件及网络]微机原理与接口技术第05章XP.ppt

第 5章,半导体存储器 及其接口电路,第5章：半导体存储器,教学重点 存储器的分类 RAM存储器及其接口（重中之重） 了解只读存储器ROM,半导体存储器概述,存储器是计算机中信息存放的载体，是计算机中的重要组成部分。 我们总是希望存储器容量越大越好，速度越快越好。然而大容量、高速度必然带来高成本。因此，必须找到一个适当的平衡点； 现代的计算机系统中都是采用多级存储体系结构来做为容量、速度和成本间的折衷。如下图所示。 本章介绍采用半导体存储器及其组成主存的方法,5.1 半导体存储器的分类,5.1 半导体存储器的分类,1. RAM按制造工艺可分为 双极型：速度快、集成度低、功耗大，一般用在高档微机中或用做Cache MOS型：速度慢、集成度高、功耗低。微机的主存储器一般为它。根据是否有刷新电路又可分为： 静态RAM：以六管构成的触发器作为基本存储电路，存储的信息相对稳定，无需刷新电路；速度比DRAM快但集成度不如DRAM，功耗也较DRM为大。 动态RAM：以单管线路构成其基本的存储电路，因此集成度高，成本也相对便宜。但其中的信息易消失，故需要专门的硬件刷新电路。,读写存储器RAM小结,2. 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 Flash Memory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块的方式（Block）擦除,图示,图示,图示,图示,5. 2 RAM的结构,一个基本的存储电路中只能存放二进制中的一个位。如果要形成大容量的记忆体，就必须将大量的存储电路有规则地组织起来，这样就构成了存储体。 在存储体中，为了区别不同的存储单元，通过给每个单元一个唯一的编号地址来选择不同的存储单元。,图示,5. 2 RAM的结构示意图,片选端CS*：有效时，可以对该芯片进行读写操作,写WE*（Write Enable）:控制写操作。有效时，数据进入芯片中 相当于系统的WR*。,输出OE*（Output Enable） 控制读操作。有效时，芯片内数据输出。相当于RD*。,典型的RAM连接示意图,每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1个或多个二进制数据位,在大容量的存储体中，通常将存储单元组织成矩阵的形式。这样做可以节省译码和驱动电路, 存储体,每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据 存储容量与地址、数据线个数有关： 芯片的存储容量2MN 存储单元数存储单元的位数 M：芯片的地址线根数 N：芯片的数据线根数, 地址译码方式,对存储体的译码有两种方式： 单译码结构：字线选择所有单元； 双译码结构：通过行列地址线来选择存储单元 双译码可以减少选择线的数目，从而简化芯片设计 是主要采用的译码结构,地址译码方式示意图（续）,在上图中，存储单元的大小可以是一位，也可以是多位。如果是多位，则在具体应用时应将多位并起来。,单译码：16个4位的存储单元,双译码：1024个存储单元, 一个实际的例子-Intel 2114,Intel 2114是一个1K4位的SRAM。其外部引脚图如下图所示。,SRAM 2114与CPU的连接,存储容量为10244，即其有1024个单元，每个单元4位；因此，选中这1024个单元需要10根地址线A0A9。,练习：,已知下列SRAM芯片，请说出该芯片的必要的信号引脚： . Intel4118，容量：1K x 8。 . Intel6264，容量：8K x 8,6.2.3 RAM与CPU的连接,在将RAM与CPU连接时，主要连接以下三个部分的信号线： 数据线 地址线 读写控制线,6.2.3 RAM与CPU的连接（续1）,存储芯片与CPU总线的连接，还要考虑以下方面的问题： CPU的总线负载能力 CPU的总线驱动能力有限，因此应考虑CPU能否带动总线上包括存储器在内的连接器件。必要时就要加上缓冲器。 存储芯片与CPU总线时序的配合 CPU能否与存储器的存取速度相配合。如果不能满足，可以考虑更换芯片，或在总线周期中插入等待状态TW 存储器的地址分配和选片,1. 存储芯片容量的扩充,当进行存储器组织时，所给芯片的容量往往与需要不同，如数据的位数不够，或总的容量不足，此时就必须进行容量扩充。 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，此时应利用多个芯片扩充数据位； 这个扩充方式简称“位扩充” 而如果总的容量不足 则需利用多个存储芯片扩充容量，用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址； 这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充”,演示,演示,2. 1KB RAM的连接,RAM芯片有1位、4位、8位等不同的结构。在构成1KB RAM时，可以选择不同的芯片，因此就有不同的连接。 采用1K1位的RAM,位扩展,2. 1KB RAM的连接,采用2564位的RAM,既有字扩展，也有位扩展,两种连接方式的比较：,这两种连接方式虽然都可以构成1KB RAM，但两者有以下区别： 从连接的负载来看： 前一种连接每条地址线有8个负载（8片RAM），而每根数据线只连接一个负载； 后一种连接A0A7每根地址线也是连接8个负载，而每根数据线连接4个负载； 因此，从负载的角度来说，前一种比后一种好。 从芯片的封装来看： 一般而言，芯片封装的引脚越多，则合格率越低； 前一种每个芯片的地址数据线有11根，而后一个有12根； 因此，从芯片的封装角度来说，也是前一种比后一种好； 所以，现代的RAM基本上都是按位封装的。,2. 1KB RAM的连接,思考： 如果采用Intel 2114，则如何构成1KB RAM？ 如果所用的芯片的容量为1288位，则又如何构成1KB RAM？,图示,图示,3. 2KB RAM的连接,采用Intel 2114，构成2KB RAM的连接结构图如下所示：,D3D0,D7D4,D3D0,D7D4,3. 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，我们称为“片内译码”，如2114的1K片内地址,3. 存储芯片片选端的译码,而如果存储系统利用多个存储芯片扩充容量，也就是进行“字扩充”时，它扩充了存储器地址范围，此时需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址； 这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现，如下图所示：,3. 存储芯片片选端的译码,系统的高位地址线与存储芯片的片选端相连时，有以下几种译码方式： 全译码 部分译码 线性译码,（1） 全译码,所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址 包括低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址（片内译码），高位地址线对存储芯片的译码寻址（片选译码） 采用全译码，每个存储单元的地址都是唯一的，不存在地址重复，但译码电路可能比较复杂、连线也较多,试确定存储空间范围？,利用138译码器组成的译码电路形成片选，推算地址空间？,全译码示例,（2） 部分译码,只有部分（高位）地址线参与对存储芯片的译码 每个存储单元将对应多个地址（地址重复），需要选取一个可用地址 可简化译码电路的设计 但系统的部分地址空间将被浪费,部分译码示例,（3） 线选译码,只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组） 虽构成简单，但地址空间严重浪费 必然会出现地址重复 一个存储地址会对应多个存储单元 多个存储单元共用的存储地址不应使用,线选译码示例,切记： A14 A1300的情况不能出现 00000H01FFFH的地址不可使用,地址重复,一个存储单元具有多个存储地址的现象 原因：有些高位地址线没有用、可任意 使用地址：出现地址重复时，常选取其中既好用、又不冲突的一个“可用地址” 选取的原则：先考虑片内，再考虑“选片”,片选端译码小结,存储芯片的片选控制端可以被看作是一根最高位地址线 在系统中，主要与地址发生联系：包括地址空间的选择（接系统的IO/M*信号）和高位地址的译码选择（与系统的高位地址线相关联） 对一些存储芯片通过片选无效可关闭内部的输出驱动机制，起到降低功耗的作用,5.3 几种新型的RAM,EDO RAM：扩展数据输出 与一般的DRAM的区别：其数据输出时间相对延长了。这样，在给出下一个列地址以及对其译码的同时，外部读取设备仍可通过锁存器采样数据； 同步DRAM（Synchronous DRAM，简称SDRAM）： 与系统时钟同步，可取消等待周期，减少数据存储时间 在每一个时钟的上升沿读写，在同一时钟周期内可完成数据的访问和刷新 采用突发模式，一次读写可传输一整块数据,5.3 几种新型的RAM,Rambus DRAM：突发存取的高速动态存储器 Intel曾经主推的一种内存类型，但已经失败 在设计上有革命性飞跃：基于更小内存带宽可得到更高速度的理由，采用高速16位总线，其速度可高达400MHz 可在时钟的上升、下降沿同时读写，故理论上400MHz的总线速度相当于800MHz工作速率，其带宽为： 2400MHz2=1600MBps或1.6 GBps）,5.3 几种新型的RAM,DDR SDRAM：双数据率 在每个时钟的上升、下降沿时均可读写，故速度是普通SDRAM的双倍 数据带宽：每秒传输的最大数据量。如DDR 400，其系统总线频率为200MHz，则带宽为：8字节200MHz2=3200MBps,5.4 只读存储器-（1） 掩膜式只读存储器,MROM的内容是由生产厂家按用户要求在芯片的生产过程中写入的，写入后不能修改。,掩膜ROM的内容,复合译码结构电路,（2） EPROM（可擦除可编程ROM）,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0,EPROM芯片2716,存储容量为2K8 24个引脚： 11根地址线A10A0 8根数据线DO7DO0 片选/编程CE*/PGM 读写OE* 编程电压VPP,功能,（3） EEPROM（电可擦除可编程ROM）,用加电方法，进行在线（无需拔下，直接在电路中）擦写（擦除和编程一次完成） 有字节擦写、块擦写和整片擦写方法 并行EEPROM：多位同时进行 串行EEPROM：只有一位数据线,（4）Flash ROM：闪存,Flash：闪存 与EEPROM的区别：容量大 与RAM的区别：寿命较短，编程较慢 发展速度惊人，目前单片容量已达几Gb 广泛应用于计算机技术的各个领域,第5章教学要求,1. 了解各类半导体存储器的应用特点； 2. 熟悉半