半导体存储器.ppt

第5章半导体存储器 5 3只读存储器 5 4内存管理 5 5例题解析 5 2随机读写存储器 5 1概述 2020 1 24 1 第5章半导体存储器 教学重点芯片SRAM2114和DRAM4116芯片EPROM2764和EEPROM2817ASRAM EPROM与CPU的连接 5 1概述 微型计算机的存储结构寄存器 位于CPU中主存 由半导体存储器 ROM RAM 构成辅存 指磁盘 磁带 磁鼓 光盘等大容量存储器 采用磁 光原理工作高速缓存 CACHE 由静态RAM芯片构成本章介绍半导体存储器及组成主存的方法 CPU 寄存器 CACHE 高速缓存 主存 内存 辅存 外存 5 1 1半导体存储器的分类 按制造工艺分类双极型 速度快 集成度低 功耗大MOS型 速度慢 集成度高 功耗低按使用属性分类随机存取存储器RAM 可读可写 断电丢失只读存储器ROM 只读 断电不丢失 详细分类 请看图示 图5 1半导体存储器的分类 半导体存储器 只读存储器 ROM 随机存取存储器 RAM 静态RAM SRAM 动态RAM DRAM 非易失RAM NVRAM 掩膜式ROM一次性可编程ROM PROM 紫外线擦除可编程ROM EPROM 电擦除可编程ROM EEPROM 详细展开 注意对比 5 1 2存储器的性能指标 1 存储器容量存储1位二进制信息的单元称为1个存储元 对于32MB的存储器 其内部有32M 8bit个存储元 存储器芯片多为 8结构 称为字节单元 在标定存储器容量时 经常同时标出存储单元的数目和每个存储单元包含的位数 存储器芯片容量 单元数 位数例如 Intel2114芯片容量为1K 4位 6264为8K 位 虽然微型计算机的字长已经达到16位 32位甚至64位 但其内存仍以一个字节为一个单元 不过在这种微型机中 一次可同时对2 4 8个单元进行访问 2 存取周期存储器的存取周期是指从接收到地址 到实现一次完整的读出或写入数据的时间 是存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔 3 功耗半导体存储器属于大规模集成电路 集成度高 体积小 但是不易散热 因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗 一般而言 MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器 例如上述HM62256的功耗为40mW 200mW 4 可靠性5 集成度半导体存储器的集成度是指在一块数平方毫米芯片上所制作的基本存储单元数 常以 位 片 表示 也可以用 字节 片 表示 6 其他 读写存储器RAM 5 2随机读写存储器 随机存取存储器 静态RAMSRAM2114SRAM6264 动态RAMDRAM4116DRAM2164 5 2 1静态RAM SRAM的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用 字结构 存储矩阵 每个存储单元存放多位 4 8 16等 每个存储单元具有一个唯一的地址 静态RAM的存储结构 六管基本存储电路 列选线Y 数据线D 数据线D T8 T7 行选线X T1 T5 T2 T6 T4 T3 VDD B A 6管基本存储单元 列选通 SRAM芯片的内部结构 I O 行地址译码 列地址译码 A3A2A1A0 A4A5A6A7 1 0 0 15 15 1 CS OE WE 输入缓冲 输出缓冲 6管基本存储单元 列选通 SRAM芯片2114 存储容量为1024 418个引脚 10根地址线A9 A04根数据线I O4 I O1片选 CS读写 WE 123456789 181716151413121110 VccA7A8A9I O1I O2I O3I O4 WE A6A5A4A3A0A1A2 CSGND 功能 4 SRAM芯片举例 SRAM2114的读周期 数据 地址 TCX TODT TOHA TRC TA TCO DOUT WE CS TA读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 SRAM2114的写周期 TWC TWR TAW 数据 地址 TDTW TW DOUT DIN TDW TDH WE CS TW写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间TWC写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间 SRAM芯片6264 存储容量为8K 828个引脚 13根地址线A12 A08根数据线D7 D02根片选 CS1 CS2读写 WE OE 功能 5V WECS2A8A9A11 OEA10 CS1D7D6D5D4D3 NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND 1234567891011121314 2827262524232221201918171615 1 存储芯片数据线的处理 若芯片的数据线正好8根 一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连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位数据利用多个芯片扩充数据位 数据宽度 这种扩充方式称 位扩充 5 SRAM与CPU的联接 位扩充 2114 1 A9 A0 I O4 I O1 片选 D3 D0 D7 D4 A9 A0 2114 2 A9 A0 I O4 I O1 两片同时选中 数据分别提供 多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为 芯片组 2 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 片内译码 地址线A9 A0 存储芯片 存储单元 片内译码 000H001H002H 3FDH3FEH3FFH 00 0000 0100 10 11 0111 1011 11 16进制表示 A9 A0 片内10位地址译码10位地址的变化 全0 全1 3 存储芯片片选端的译码 存储系统常需要利用多个存储芯片进行容量的扩充 也就是扩充存储器的地址范围这种扩充简称为 地址扩充 或 字扩充 进行 地址扩充 时 需要利用存储芯片的片选端来对存储芯片 芯片组 进行寻址通过存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现对存储芯片 芯片组 的寻址 常用的方法有 全译码 全部高位地址线与片选端关联 参与芯片译码 部分译码 部分高位地址线与片选端关联 参与芯片译码 线选法 某根高位地址线与片选端关联 参与芯片译码 片选端常有效 无高位地址线与片选端关联 不参与芯片译码 地址扩充 字扩充 片选端 D7 D0 A19 A10 A9 A0 2 A9 A0 D7 D0 1 A9 A0 D7 D0 译码器 0000000001 0000000000 低位地址线 高位地址线 片选端常有效 A19 A15A14 A0 全0 全1 D7 D0 27256EPROM A14 A0 片选端常有效与A19 A15无关 令芯片 组 的片选端常有效不与系统的高位地址线发生联系芯片 组 总处在被选中的状态虽简单易行 但无法再进行地址扩充 会出现 地址重复 静态随机存取存储器的联接举例 在64KB地址空间中用8片2114构成4K 8 即4KB存储区的全译码法连接方案 其地址范围为2000H 2FFFH 连接图如图5 11所示 5 2 2动态MOS存储器 DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备 读出再生放大电路 进行刷新每次同时对1行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行 列存储矩阵DRAM一般采用 位结构 存储体 每个存储单元存放1位需要8个存储芯片构成1个字节存储单元每个字节存储单元拥有1个唯一地址 动态RAM的存储结构 单管基本存储电路 C2 C1 行选线 列选线 数据线 T2 T1 单管基本存储单元 DRAM芯片的内部结构 T5 T4 T3 T2 T1 VDD 读出再生放大电路 列128 列2 DIN DOUT 列1 行128 行66 行65 行64 行2 行1 I O缓冲 单管基本存储单元 读出再生放大电路 DRAM芯片4116 存储容量为16K 116个引脚 7根地址线A6 A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通 RAS列地址选通 CAS读写控制 WE VBBDIN WE RASA0A2A1VDD VSS CASDOUTA6A3A4A5VCC 12345678 161514131211109 4116的内部结构 128 128 C0 R0 64选1译码 128选1译码 写时钟 CAS WE RAS 0 0 127 63 A6 A0 DIN DOUT 脉冲发生 脉冲发生 2选1译码 列地址缓冲 行地址缓冲 读出 输出缓冲 输入缓冲 再生放大 存储体 R0 C0 DRAM4116的读周期 DOUT 地址 TCAC TRAC TCAH TASC TASR TRAH TCAS TRCD TRAS TRC 行地址 列地址 存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS 有效 开始传送行地址随后 列地址选通信号CAS 有效 传送列地址 CAS 相当于片选信号读写信号WE 读有效数据从DOUT引脚输出 DRAM4116的写周期 TWCS TDS 列地址 行地址 地址 TDH TWR TCAH TASC TASR TRAH TCAS TRCD TRC TRAS DIN 存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS 有效 开始传送行地址随后 列地址选通信号CAS 有效 传送列地址读写信号WE 写有效数据从DIN引脚进入存储单元 DRAM4116的刷新 TRC TCRP TRAS 高阻 TASR TRAH 行地址 地址 DIN 采用 仅行地址有效 方法刷新行地址选通RAS 有效 传送行地址列地址选通CAS 无效 没有列地址芯片内部实现一行存储单元的刷新没有数据从输入输出存储系统中所有芯片同时进行刷新DRAM必须每隔固定时间就刷新 DRAM芯片2164 存储容量为64K 116个引脚 8根地址线A7 A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通 RAS列地址选通 CAS读写控制 WE NCDIN WE RASA0A2A1GND VSS CASDOUTA6A3A4A5A7 12345678 161514131211109 5 3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FlashMemory 闪存 能够快速擦写的EEPROM 但只能按块 Block 进行擦除 EPROMEPROM2716EPROM2764 EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A 典型EPROM EEPROM芯片介绍 5 3 2可擦可编程只读存储器EPROM 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 2 典型EPROM芯片介绍2716 存储容量为2K 824个引脚 11根地址线A10 A08根数据线DO7 DO0片选 编程CE PGM读写OE 编程电压VPP 功能 3 高集成度EPROM 除了常使用的EPROM2764外 还常使用27128 27256 27512等 由于工业控制算机的发展 迫切需用电子盘取代硬盘 常把用户程序 操作系统固化在电子盘上 ROMDISK 这时要用27C010 128K 8 27C020 256K 8 27C040 512K 8 大容量芯片 5 3 3电可擦可编程存储器 下面以Intel2816为例 说明EEPROM的基本特点和工作方式 2816是容量为2K 8的电擦除PROM 它的逻辑符号如图5 23所示 芯片的管脚排列与2716一致 只是在管脚定义上 数据线管脚对2816来说是双向的 以适应读写工作模式 图5 232816的逻辑符号 1 2816的基本特点 3 2817AEEPROM 图5 242817A引脚图 存储容量为2K 828个引脚 11根地址线A10 A08根数据线I O7 I O0片选CE 读写OE WE 状态输出RDY BUSY EEPROM芯片2864A 存储容量为8K 828个引脚 13根地址线A12 A08根数据线I O7 I O0片选CE 读写OE WE 5 3 4快擦写存储器 1 整体擦除快擦写存储器2 对称型块结构快擦写存储器3 带自举块快擦写存储器 5 4内存管理 5 4 180X86系列CPU的工作模式 表5 10不同CPU的寻址范围 5 4 2内存空间的管理 Intel80X86系列CPU组成的微机系统中的内存空间如图5 33所示 图5 33内存空间分布 1 常规内存 常规内存 ConventionalMemory 在内存分配表中占用最前面的位置 从0KB到640KB 地址000000H 109FFFFH 共占640KB的容量 它在内存的最前面并且在DOS可管理的内存区 因此又称之为LowDosMemory 低DOS内存 或基本内存 BaseMemory 使用此空间的程序有BIOS操作系统 DOS操作系统 外围设备的驱动程序 中断向量表 一些常驻的程序 空闲可用的内存空间 以及一般的应用软件等都