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第3章半导体存储器及其接口 1 3 1存储器种类与特性 3 1 1存储器的分类存储器是组成计算机系统的重要部件 决定着系统的性能 计算机系统中所用的存储器可以根据存储元件的性能 介质和地位的不同进行分类 1 按存储所处的地位分 1 内部寄存器组 2 主存储器 3 辅助存储器 4 高速缓冲存储器 2 2 按存储介质分 1 半导体存储器 用半导体器件组成的存储器 它的有关特性将在下节中详细介绍 2 磁存储器 用磁性材料组成的存储器 它可分为磁芯存储器和磁表面存储器 现在使用的软盘 硬盘都是利用存储器基质表面的一层磁性介质被磁化后的剩磁状态来记录数据的 故属于磁表面存储器 3 光存储器 用光热效应或机械的方法在媒体上存储信息的存储器 根据媒体材料光学性质 如反射率 偏振方向等 的变化来表示所存储的信息 可分为只读型光盘 一次写入型光盘和可读写型光盘 3 3 1 2存储器的主要技术指标1 存储容量存储容量是指存储器可以容纳的二进制数信息量 以存储单元的总位数表示 存储总位数等于地址寄存器的编址数与存储字位数的乘积 例如一个16位字长的计算机 其地址寄存器也为16位 则存储总位数为64K 16位 用字节表示为128K字节 其中64K为16位地址寄存器的编址能力 即为216 64 1024 64K 2 存储速度存储器的基本操作是读出与写入 总称为 访问 或 存取 有关存储器的存储速度有两个时间参数 一个是访问时间TA AccessTime 定义为从启动一次存储器操作 到完成该操作所经历的时间 另一个参数 这就是存储周期TMC MemoryCycle 把启动两次独立的存储器操作之间所需的最小时间间隔定义为存储周期 4 3 存储器的可靠性存储器的可靠性用平均无故障工作时间MTBF MeanTimeBetweenFailures 来衡量 MTBF越长 可靠性越高 主存储器常采用纠错编码技术来延长MTBF 从而提高可靠性 4 性能 价格比这是一个综合性指标 性能主要包括存储容量 存储速度和可靠性 对不同用途的存储器有不同的要求 例如 对高速缓冲存储器主要要求存储速度快 而对辅助存储器主要要求存储容量大 5 3 28086的存储器组织 3 2 1存储器地址空间和数据存储格式8086的存储器是以字节 8位 为单位组织的 它们具有20条地址总线 所以可寻址的存储器地址空间容量为220B 约1MB 每个字节对应一个惟一的地址 地址范围为0 220 1 用十六进制表示为00000H FFFFFH 如图3 1所示 6 存储器内两个连续的字节 定义为一个字 一个字中的每个字节 都有一个字节地址 每一个字的低字节 低8位 存放在低地址中 高字节 8位 存放在高地址中 字的地址指低字节的地址 各位的编号方法是最低位 LSB 为位0 一个字节中 最高位 MSB 编号为位7 一个字中最高位的编号为位15 这些约定如图3 2所示 7 3 2 2存储器的分段和物理地址的形成8086CPU地址总线有20条 存储器地址空间为1MB 但CPU内部可以提供地址的寄存器BX IP SP BP SI和DI及算术逻辑运算单元ALU都是16位 只能直接处理16位地址 即寻址范围为64KB 因此 扩大寻址范围成为一个难题 8086CPU巧妙地采用了地址分段方法 将寻址范围扩大到1MB 在8086中 把1MB的存储空间划分成若干个逻辑段 每段最多为空间容量是64KB的存储单元 各逻辑段的起始地址必须是能被16整除的地址 即段的起始地址的低4位二进制码必须是0 一个段的起始地址的高16位被称为该段的段地址 SegmentAddress 8 任意相邻的两个段地址相距16个存储单元 段内一个存储单元的地址 可用相对于段起始地址的偏移量来表示 这个偏移量称为段的偏移地址 OffsetAddress 也称为有效地址EA EffectiveAddress 偏移地址也是16位的 所以 一个段最大可以包括一个64KB的存储空间 由于相邻两个段地址只相距16个单元 所以段与段是互相覆盖的 如图3 3所示 9 每个存储单元都有一个物理地址 PhysicalAddress 物理地址就是存储单元的实际地址编码 在CPU与存储器之间进行任何信息交换时 需要利用物理地址来查找所需要访问的存储单元 逻辑地址 LogicAddress 由段地址和偏移地址两部分组成 段地址和偏移地址都是无符号的16位二进制数 常用4位十六进制数表示 逻辑地址的表示格式为 段地址 偏移地址 例如2100 0600H表示段地址为2100H 偏移地址为0600H 上述格式中的段地址有时用段寄存器代替 理解了逻辑地址 不难得出它对应的物理地址为 物理地址 段地址 10H 偏移地址因此2100 0600H的物理地址为21600H 在访问存储器时 段地址总是由段寄存器提供的 如前所述 8086微处理器的BIU单元内设有4个段寄存器 CS DS SS ES 所以CPU可通过这4个段寄存器来访问4个不同的段 用程序对段寄存器的内容进行修改 可实现访问所有的段 10 3 2 4内存储器的基本结构计算机系统中内存储器的基本结构如图3 5所示 图中显示出了内存与CPU的连接 内部信息的流通是按下述过程进行的 11 3 3半导体存储器 3 3 1半导体存储器的分类1 按制造工艺分 1 双极 Bipolar 型双极型存储器是用TTL Transistor TransistorLogic 晶体管 晶体管逻辑 电路制成的存储器 其特点是工作速度快 功耗不大 但集成度较低 因此计算机中的高速缓存 Cache 常采用双极型存储器 2 金属氧化物半导体 Metal Oxide Semiconductor 型单极型存储器是用MOS电路制成的存储器 其特点是集成度高 功耗低 低格便宜 而且随着半导体集成工艺和技术的长足进展 目前MOS存储器的工作速度也可以与双极型TTL存储器媲美 单极型存储器通常称为MOS存储器 12 2 按使用属性分 1 随机存取存储器RAM RandomAccessMemory 随机存取存储器也称随机存储器或读写存储器 顾名思义 对这种存储器 信息可以随时写入或读出 一般的RAM芯片 掉电时 信息将会丢失 但目前有些RAM芯片 内部带有电池 掉电后信息亦不丢失 称为非易失的或 不挥发 的RAM NVRAM 微机系统中大量使用MOS型的RAM芯片 根据它的结构和功能 又可分为两种类型 静态 Static RAM 即SRAM 动态 Dynamic RAM 即DRAM 13 2 只读存储器ROM ReadOnlyMemory 这类存储器中的信息 在正常工作状态下只能读出 不能写入 一般用它来存放固定的程序或数据 通过工厂的制造环节 或采用特殊的编程方法可将信息写入ROM芯片 并能长期加以保存 掉电亦不丢失 所以 ROM属于非易失性存储器件 常用的类型包括如下 掩膜式 Masked ROM 简称ROM 可编程 Programmable ROM 即PROM 可擦除 Erasable PROM 即EPROM 电可擦除 ElectricallyErasable PROM 即EEPROM 也称E2PROM 14 3 3 2随机存取存储器RAM1 静态MOS存储电路如下图所示是静态RAM的基本存储电路 它是用来存储1位二进制信息 0 或 1 是组成存储器的基础 在基本存储电路中 T1 T3及T2 T4两个NMOS反相交叉耦合组成双稳态触发器电路 其中T3 T4为负载管 T1 T2为反相管 T5 T6为选通管 T1和T2的状态决定了存储的1位二进制信息 这对交叉耦合晶体管的工作状态是 当一个晶体管导通时 另一个就截止 反之亦然 假设T1导通 T2截止时的状态代表 1 相反的状态即T2导通 T1截止时的状态代表 0 即A点的电平高低分别代表 0 或 1 15 当行线X和列线Y都为高电平时 开关管T5 T6均导通 该单元被选中 于是便可以对它进行读或写操作 读操作 被选中的存储单元的行选择线为高电平 使开关T5 T6导通 若设定两边列选择线的负载是平衡的 则A与B两点的电位就通过T5 T6传送到列选择线上 即被读出 写操作 被选中的存储单元的行选择线为高电平 使开关T5 T6导通 写 1 时 列选择线1上加低电压 列选择线2上加高电压 迫使T1管导通 A点为低电位 T2管截止 B点为高电位 触发器处于 1 状态 写 0 则相反 16 2 动态MOS存储电路常用的动态基本存储电路有4管型和单管型两种 其中单管型由于集成度高而愈来愈被广泛采用 这里以单管基本存储电路为例说明 如图3 7所示为一个NMOS单管动态基本存储电路 它由一个管子T和一个电容C构成 这个基本存储电路所存储的内容是 0 还是 1 是由电容上是否有电荷来决定 17 3 典型芯片常用的SRAM芯片有2114 1K 4位 6116 2K 8位 6264 8K 8位 62128 16K 8位 62256 32K 8位 等多种 常用的DRAM芯片有2164 64K 1位 4116 16K 1位 等 18 3 3 3只读存储器ROM只读存储器ROM 是一种非易失性的半导体存储部件 其中所存放的信息可长期保存 掉电亦不丢失 常被用来保存固定的程序或数据 在一般工作状态下 ROM中的信息只能读出 不能写入 对可编程的ROM芯片 可用特殊方法将信息写入 该过程被称为 编程 对可擦除的ROM芯片 可采用特殊方法将原信息擦除 以便再次编程 1 掩膜式ROM 掩膜式 ROM是指在ROM的制作阶段 通过 掩膜 这道工序将信息做到芯片里 这种ROM一般由生产厂家根据用户的要求而定制 适合于批量生产和使用 比如 国家标准的一 二级汉字字模 汉字字形信息 就可以做到一个掩膜式的ROM芯片中 19 2 可编程ROM可编程只读存储器PROM ProgrammableROM 常由双极型电路构成 每一个基本存储电路由一个三极管和串接在发射极的熔丝组成 如图3 11所示 PROM在出厂时 所有存储单元的熔丝都是完好的 编程时 通过字线选中某个晶体管 若准备写入 1 则向位线送高电平 此时管子截止 熔丝将被保留 若准备写入 0 则向位线送低电平 此时管子导通 控制电流使熔丝烧断 也就是说 所有的存储单元出厂时均存放信息初值为 1 一旦写入 0 使熔丝烧断 就不可能再加以恢复 所以 它只能进行一次性编程 20 3 可擦可编程的ROM目前用得最多的可擦可编程的EPROM ErasedProgrammableROM 是采用浮动栅雪崩注入型MOS管构成的 平时 浮动栅上不带电荷 源漏之间不导通 表示存 0 这种浮动栅管子的栅极是一个被绝缘体隔绝的悬空的电极 开始时 栅上没有电荷 MOS管不导通 都是存 0 编程时 通过专门装置 利用较高电压 25V 向栅极注入电荷 在栅极下面感应导电沟道 使该管子导通 表示该位存 1 由于绝缘栅上的电荷很难流失 所以MOS管能够长期保持导通或截止 从而保存有关信息 为了擦除已存入的数据 可利用紫外线 通过芯片表面的石英玻璃窗口照射浮动栅 使栅上电荷通过光电流释放掉 恢复到所有单元都存 0 擦除存储内容后 还可以重新编程 21 4 电可擦除可编程的ROM为了不拔下EPROM芯片实现在线擦除改写的要求 又研制了利用电子方法擦除其中内容的E2PROM ElectricallyErasableProgrammableROM 电路 其擦除机理是在浮动栅上面又增加一个控制栅极 擦除数据时 利用较高的编程电压 21V 加在源极上 控制栅接地 在此电场作用下 浮动栅上的电子击穿氧化层进入源区 被外加电源吸收 擦除有关单元 使之处于 0 状态 在下一个写入周期中 再写入新的数据 22 5 快擦除读写存储器快擦除读写存储器 FlashMemory 是在EPROM和E2PROM基础上发展起来的 它与EPROM一样 用单管来存储一位信息 它与E2PROM相同之处是用电来擦除 但是它只能擦除整个区域或整个器件 在源极上加高压VPP 控制栅接地 在电场作用下 浮动栅上的电子越过氧化层进入源极区而全部消失 实现整体擦除或分区擦除 23 3 4 1存储芯片与CPU的连接1 存储芯片数据线的处理假定存储器为字节编址结构 系统数据总线的宽度为8位 为此 1 若芯片的数据线正好是8根 说明一次可从芯片中访问到8位数据 此时 芯片的全部数据线应与系统的8位数据总线相连 2 若芯片的数据线不足8根 说明一次不能从单一的芯片中访问到8位数据 所以必须在数据的 位方向 上进行扩充 这一扩充方式简称 位扩充 3 4半导体存储器与CPU的连接 24 2 存储芯片地址线的连接存储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 设某存储芯片有N根地址线 当该芯片被选中时 其地址线将输入N位地址 芯片在其内部进行N 2N的译码 译码后的地址范围为00 000 N位全0 到11 111 N位全1 以下我们将称这种情况为 全0 全1 25 3 存储芯片片选端的处理由一个存储芯片或芯片组构成的存储器 其地址单元毕竟有限 使用中不一定能满足需要 因此常常需要在 地址方向 上加以扩充 简称为 地址扩充 在系统存在 地址扩充 的情况下 必须对多个存储芯片或芯片组进行寻址 这一寻址过程 主要通过将系统高位地址线与存储芯片片选端相关联的方法来加以实现 但处理上十分灵活 在处理存储芯片片选端时 更一般的方法 还是将其与系统的高位地址线相关联 这样 只有当高位地址满足一定条件时 才会选中某个指定的芯片 组 具体可以有全译码 部分译码与线选法等方法 26 1 译码和译码器所谓 译码 就是将某个特定的 编码输入 翻译为惟一的 有效输出 的过程 可以举一个日常生活的例子来对 译码 进行说明 设某车间里只有3个控制按钮 要控制8台机器的电源 可以根据3个控制按钮的8种组合状态来分别对应控制8台机器 设控制按钮的开为1 关为0 若当给出编号为011时则表示控制第3台机器 若给出编号为101时则表示控制第5台机器 这时 我们所做的工作就是 译码 这种译码是 3 8译码 或 8选1译码 即对每个3位编码输入 最后仅得到一个有效的输出状态 其余无效 或者说在8种可能的情况 只控制一台机器 中选取其中的一种 27 2 全译码 全译码 是指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各存储单元的译码寻址 片内译码 及高位地址线对存储芯片的译码寻址 片选译码 采用全译码方法 每个存储单元的地址都是惟一的 不存在地址重复 但译码电路比较复杂 连线较多 28 3 部分译码在对存储芯片进行译码寻址时 如果只有部分高位地址线参与寻址 则这种译码方法称为 部分译码 对被选中的芯片来说 这些未参与译码的高位地址可以为1 也可以为0 因此 每个存储单元将对应多个地址 地址重复 但使用时 只选取其中的一个 一般都是将未用地址设为0 而得到其可用地址 采用部分译码的方法 可简化译码电路的设计 但由于地址重复 系统的一部分地址空间资源将被浪费 29 4 线选法如果只有少数几根高位地址线进行芯片的译码 且每根负责选