第16讲 第5章 存储器原理与接口技术.ppt

微型计算机原理与应用第5章玩转存储器 第5章存储器原理及接口技术2 第五章半导体存储器 主要内容 学习目标 重点难点 第5章存储器原理及接口技术3 主要内容 5 1概述 5 2随机存取存储器RAM 5 3只读存储器ROM 5 4存储器芯片与CPU的连接 5 5高速缓冲存储器Cache 第5章存储器原理及接口技术4 学习目标 1 了解各类半导体存储器的应用特点 2 熟悉半导体存储器芯片的结构 3 掌握SRAM2114 DRAM4116 EPROM2764 EEPROM2817A的引脚功能 4 理解SRAM读写原理 DRAM读写和刷新原理 EPROM和EEPROM工作方式5 熟练掌握存储芯片与CPU连接的方法 特别是译码电路 片选端 的处理 6 了解存储芯片与CPU连接的总线驱动和时序配合问题 第5章存储器原理及接口技术5 重点难点 存储器芯片与CPU的连接 第5章存储器原理及接口技术6 为什么要有存储器 大家想想冯 罗伊曼所提的计算机的结构 第5章存储器原理及接口技术7 5 1概述 5 1 1存储系统的基本概念5 1 2存储器的分类5 1 3存储器的主要性能指标5 1 4存储器的组成结构 第5章存储器原理及接口技术8 5 1 1存储系统的基本概念 存储器是一种接收 保存和取出信息 程序 数据 文件 的设备 一种具有记忆功能的部件 是计算机的重要组成部分 是CUP最重要的系统资源之一 CPU与存储器的关系如下图所示 存储器 CPU 第5章存储器原理及接口技术10 寄存器与存储器的比较 寄存器存储器 在CPU内部在CPU外部访问速度快访问速度慢容量小 成本高容量大 成本低用名字表示用地址表示没有地址地址可用各种方式形成 寄存器可以存放数据 存储器也可以存放数据 有什么不同 第5章存储器原理及接口技术11 5 1 2存储器的分类 按构成存储器的器件和存储介质分类按存储器存取方式分类按在微机系统中位置分类 第5章存储器原理及接口技术12 按存放信息原理不同 5 1 2存储器的分类 按构成存储器的器件和存储介质分类 磁芯存储器 半导体存储器 光电存储器 磁膜 磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等 按存储器存取方式分类 随机存取存储器RAM RandomAccessMemory 只读存储器ROM Read OnlyMemory 又称读写存储器 指能够通过指令随机地 个别地对其中各个单元进行读 写操作的一类存储器 在微机系统的在线运行过程中 只能对其进行读操作 而不能进行写操作的一类存储器 静态RAM动态RAM 掩膜ROM MROM 可编程ROM PROM 可擦除编程ROM EPROM 按工艺不同 第5章存储器原理及接口技术13 5 1 2存储器的分类 按在微机系统中的位置分类 主存储器 内存 MainMemory 辅助存储器 外存 ExternalMemory 用来存放计算机正在执行的或经常使用的程序和数据 CPU可以直接对它进行访问 一般是由半导体存储器构成 通常装在主板上 存取速度快 但容量有限 其大小受地址总线位数的限制 缓冲存储器 缓存 CacheMemory 用来存放不经常使用的程序和数据 CPU不能直接访问它 属计算机的外部设备 是为弥补内存容量的不足而配置的 容量大 成本低 所存储信息既可以修改也可以长期保存 但存取速度慢 需要配置专门的驱动设备才能完成对它的访问 如硬盘 软盘驱动器等 位于主存与CPU之间 其存取速度非常快 但存储容量更小 可用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾 提高整个系统的运行速度 缓存是指临时文件交换区 电脑把最常用的文件从存储器里提出来临时放在缓存里 就像把工具和材料搬上工作台一样 这样会比用时现去仓库取更方便 第5章存储器原理及接口技术14 最快的是CPU上镶的L1和L2缓存 显卡的显存是给GPU用的缓存 硬盘上也有16M或者32M的缓存 左图上为硬盘控制芯片 下为硬盘缓存芯片 第5章存储器原理及接口技术15 CPU CACHE MEMORY的关系 外存 放在计算机的主板上 第5章存储器原理及接口技术16 5 1 2存储器的分类 小结 什么是双极型 什么是MOS型 第5章存储器原理及接口技术17 5 1 3存储器的主要性能指标 存储器性能指标主要有三项 存储容量 存储速度 可靠性 存储容量 反映存储器可存储信息量的指标 以字数 每个字的字长表示 如某存储器存储容量为64K 8位 即64K字节 64KB 存储速度 完成一次访问 读 写 存储器的时间 可靠性 产品质量 存取时间TA AccessTime 表示启动一次存储操作到完成该操作所经历时间 存储周期TMC MemoryCycle 两次独立的存储操作之间所需的最小时间间隔 容量的表示见下页 但现在通常用BANK来衡量 第5章存储器原理及接口技术18 常用地址表示及计算方法 100H 256BYTE 00H FFH 400H 100HX4 256X4 1024 1KBYTE 000H 3FFH 1000H 400HX4 1024X4 4096 4KBYTE 000H FFFH 10000H 1000HX16 4KX16 64KBYTE 0000H FFFFH 100000 64KX16 1024K 1M 00000H FFFFFH 必须熟记 否则寸步难行 第5章存储器原理及接口技术19 现代计算机中的存储器处于全机中心地位 容量大 速度快 成本低 为解决三者之间的矛盾 目前通常采用多级存储器体系结构 即使用高速缓冲存储器 主存储器和外存储器 对存储器的要求是 第5章存储器原理及接口技术20 三级层次的存储器结构 存储器的基本结构 第5章存储器原理及接口技术21 5 1 4存储器层次结构 呈现金字塔形结构 越往上存储器件的速度越快 CPU的访问频度越高 同时价格也越高 系统拥有量越小 第5章存储器原理及接口技术22 5 1 4存储器层次结构 寄存器位于塔顶端 数量有限 存取速度最快 它和CPU关系最密切 向下依次是Cache 主存储器 辅助存储器 位于塔底的存储设备 其容量最大 每位价格最低 但速度最慢 所以一个系统到底要用什么样的存储器取决于性价比 第5章存储器原理及接口技术23 5 1 5存储器的组成结构 半导体存储器一般由以下部分组成 存储体 地址选择电路 输入输出电路 控制电路 下面分别解释各部分作用 第5章存储器原理及接口技术24 1 存储体 基本存储电路是组成存储器的基础和核心 它用于存放一位二进制信息 0 或 1 若干记忆单元 或称基本存储电路 组成一个存储单元 一个存储单元一般存储一个字节 即存放8位二进制信息 存储体是存储单元的集合体 2 译码驱动电路 该电路实际上包含译码器和驱动器两部分 译码器的功能是实现多选1 即对于某一个输入的地址码 N个输出线上有唯一一个高电平 或低电平 与之对应 用以选择一个存储单元 第5章存储器原理及接口技术25 1 单译码方式 第5章存储器原理及接口技术26 十根地址线存储单元 第5章存储器原理及接口技术27 2 双译码方式 第5章存储器原理及接口技术28 A0 A1 A2 A3 A4 X0 X31 W0 0 W31 0 W0 31 W31 31 Y0 Y31 基本存储电路 R W控制 Y 列 地址译码及I O控制 数据输入 数据输出 A5 A6 A7 A8 A9 X 行 地址译码器 5根线选多少单元 A0 A1 A2 A3 A4 第5章存储器原理及接口技术29 第5章存储器原理及接口技术30 3 地址寄存器 用于存放CPU访问存储单元的地址 经译码驱动后指向相应的存储单元 4 读 写电路 包括读出放大器 写入电路和读 写控制电路 用以完成对被选中单元中各位的读出或写入操作 第5章存储器原理及接口技术31 5 数据寄存器 用于暂时存放从存储单元读出的数据 或从CPU或I O端口送出的要写入存储器的数据 6 控制逻辑 接收来自CPU的启动 片选 读 写及清除命令 经控制电路综合和处理后 产生一组时序信号来控制存储器的读 写操作 第5章存储器原理及接口技术32 静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAM 5 2随机存取存储器RAM RAM RandomAccessMemory 意指随机存取存储器 其工作特点是 在微机系统的工作过程中 可以随机地对其中的各个存储单元进行读 写操作 第5章存储器原理及接口技术33 5 2 1静态随机存取存储器SRAM 基本存储单元 可以不看 基本工作原理 读出操作 写入操作X译码与Y译码信号消失后 T5 T8都截止 由于存储单元有电源及负载管 可以不断地向栅极补充电荷 依靠两个反相器的交叉控制 只要不掉电 就能保持写入的信息 1 而不用刷新 这种存储电路的读出过程是非破坏性的 即信息在读出之后 原存储电路的状态不变 第5章存储器原理及接口技术34 SRAM的不同规格 如2101 256 4位 2102 1K 1位 2114 1K 4位 4118 1K 8位 6116 2K 8位 已停产 很难买到 现在常用型号 6264 8K 8位 和62256 32K 8位 等 第5章存储器原理及接口技术35 5 2 1静态随机存取存储器SRAM 典型存储器 静态RAM存储器芯片Intel2114 1 外部结构 A0 A9 10根地址信号输入引脚 读 写控制信号输入引脚 当为低电平时 使输入三态门导通 信息由数据总线通过输入数据控制电路写入被选中的存储单元 反之从所选中的存储单元读出信息送到数据总线 I O1 I O4 4根数据输入 输出信号引脚 低电平有效 通常接地址译码器的输出端 5V 电源 GND 地 I O的意思是INPUT OUTPUT 第5章存储器原理及接口技术36 5 2 1静态随机存取存储器SRAM 典型存储器 静态RAM存储器芯片Intel2114 1KX4 2 内部结构 存储矩阵 4096个存储电路 64 64矩阵 地址译码器 输入为10根线 采用两级译码方式 其中6根用于行译码 4根用于列译码 I O控制电路 分为输入数据控制电路和列I O电路 用于对信息的输入 输出进行缓冲和控制 片选及读 写控制电路 用于实现对芯片的选择及读 写控制 WE控制读或写 第5章存储器原理及接口技术37 5 2 2动态随机存取存储器DRAM 基本存储单元 基本工作原理 依靠T1管栅极电容的充放电原理来保存信息 当栅极电容上充有电荷时 表示该单元保存信息 1 当栅极电容上没有电荷时 表示该单元保存信息 0 单管动态存储单元 写入操作字选择线为高电平 T1管导通 写信号通过位线存入电容C中 读操作字选择线仍为高电平 存储在电容C上的电荷 通过T1输出到数据线上 通过读出放大器 即可得到所保存的信息 刷新操作电容上所保存的电荷时间长了就会泄漏 造成了信息的丢失 因此 在动态RAM的使用过程中 必须及时地向保存 1 的那些存储单元补充电荷 以维持信息的存在 第5章存储器原理及接口技术38 5 2 2动态随机存取存储器DRAM 典型存储器 动态RAM存储器芯片Intel2164A 64KX1 1 外部结构 A0 A7 地址信号的输入引脚 用来分时接收CPU送来的8位行 列地址 行地址选通信号输入引脚 低电平有效 兼作芯片选择信号 当为低电平时 表明芯片当前接收的是行地址 列地址选通信号输入引脚 低电平有效 表明当前正在接收的是列地址 此时应保持为低电平 写允许控制信号输入引脚 当其为低电平时 执行写操作 否则 执行读操作 DIN 数据输入引脚 DOUT 数据输出引脚 VDD 十5V电源引脚 Css 地 N C 未用引脚 8根地址线怎么可以选64K单元 第5章存储器原理及接口技术39 5 2 2动态随机存取存储器DRAM 典型存储器 动态RAM存储器芯片Intel2164A 2 内部结构 存储体 64K 1 地址锁存器 Intel2164A采用双译码方式 其16位地址信息要分两次送入芯片内部 在芯片内部有一个能保存8位地址信息的地址锁存器 数据输入缓冲器 用以暂存输入的数据 数据输出缓冲器 用以暂存要输出的数据 1 4I O门电路 由行 列地址信号的最高位控制 能从相应的4个存储矩阵中选择一个进行输入 输出操作 第5章存储器原理及接口技术40 5 2 2动态随机存取存储器DRAM 典型存储器 动态RAM存储器芯片Intel2164A 2 内部结构 行 列时钟缓冲器 用以协调行 列地址的选通信号 写允许时钟缓冲器 用以控制芯片的数据传送方向 128读出放大器 与4个128 128存储阵列相对应 接收由行地址选通的4 128个存储单元的信息 经放大后 再写回原存储单元 是实现刷新操作的重要部分 1 128行 列译码器 分别用来接收7位的行 列地址 经译码后 从128 128个存储单元中选择一个确定的存储单元 以便对其进行读 写操作 第5章存储器原理及接口技术41 小资料 RAM的特性 双极型 速度快 10ns 集成度低 功耗大MOS型 速度慢 集成度高 功耗低 第5章存储器原理及接口技术42 小资料 浅谈内存 以前的内存内存分成两种 StaticRAM SRAM 静态随机存贮器 和DynamicRAM DRAM 动态随机存贮器 SRAM速度快 但制造成本高 这种内存多见于Pentium时代的主板上 用来做高速缓存 Cache 这种缓存的逻辑位置介于CPU和DRAM之间 使用它可以大大减少CPU的等待时间 并提高系统性能 因此 这种缓存也称为二级缓存 L2Cache 随着Intel将L2Cache集成到CPU Medocino核心Celeron之后的绝大多数型号 后 AMD也开始将L2Cache集成到CPU中 目前SRAM在主板上几乎已经找不到踪影了 第5章存储器原理及接口技术43 SRAM的外形和普通的内存就完全不一样 而且只有在早期支持486主板以及Pentium级CPU的Socket7和Super7规格的主板上才能找到它们 第5章存储器原理及接口技术44 小资料 浅谈内存 目前的主流内存我们目前提到的内存大多是指DRAM 这个名词现在的意义已经被用来泛指所有的PC主内存 目前常见的DRAM包括SDRAM DDRSDRAM和RAMBUS 也称RDRAM DRAM有三种接口类型 早期的SIMM和现在的标准DIMM DoubleIn lineMemoryModule 以及Intel主推的RIMM RAMBUSIn lineMemoryModule SynchronousDynamicRandomAccessMemory DoubleDataRate 第5章存储器原理及接口技术45 SIMM内存条是486及其他较早的PC机中常用的内存的接口方式 现已被淘汰 这种内存只有72个接触点 因此又被称为72线内存 图中所示的就是486及奔腾时代早期最常见的EDODRAM内存条 第5章存储器原理及接口技术46 小资料 浅谈内存 DIMMDIMM由于存在SDRAM和DDRSDRAM之分 而有两种标准在市面上共存 即普通的DIMM和DDRDIMM 从外形上看 普通的SDRAM内存条和DDRSDRAM条几乎没有什么区别 但仔细观察还是可以发现一些不同之处 我们常说的SDRAM就是DIMM内存条 它共有168 84 2面 个接触点 故而这种内存又被称为168线内存 而新标准的DDRSDRAM则具有184个接触点 第5章存储器原理及接口技术47 虽然SDRAM内存条和DDRSDRAM内存条的长度相同 而且其内存颗粒的形状也几乎完全一样 但仔细观察的话会发现 SDRAM的金手指处有两个缺口 而DDRSDRAM只有一个缺口 这是辨别SDRAM和DDRSDRAM最简单有效的办法 第5章存储器原理及接口技术48 这是Intel和RAMBUS公司主推的RDRAM内存条 它采用的接口为RIMM 它也有184个接触点 但这种内存条从外观上很容易和SDRAM或DDRSDRAM区分 它有一个用于屏蔽作用的金属外壳罩在内存颗粒上 第5章存储器原理及接口技术49 1 ECCRAM ECC是ErrorCheckingandCorrecting 错误检查和纠正 ECC是用来检验存储在DRAM中的整体数据的一种电子方式2 EDORAM和突发模式RAM3 同步RAM SynchronousRAM 简称SDRAM 内存名称的代名词4 RAMBUS内存 简单的说RAMBUS内存就是一种高性能 芯片对芯片接口技术的新一代存储产品 它使得新一代的处理器可以发挥出最佳的功能6 DDRSDRAM DDR是双倍数据速率 DoubleDataRate DDR内存就是SDRAM内存的加强版 它主要是利用时钟脉冲的上升沿与下降沿传输数据 相当于原来两倍的频率的工作效率7 VirtualChannelMemory VCM 8 SLDRAM SynchnonousLinkDRAM 9 DIMM DualIn lineMemoryModules 双边接触内存模组 由于是双边的 所以共有84 2 168线接触 所以人们常把这种内存称为168线内存 SIMM SingleIn lineMemoryModules 单边接触内存模组 72线内存 TIPS 几种新型的RAM技术及芯片类型 第5章存储器原理及接口技术50 掩模式ROM MROM MaskROM 可编程ROM PROM ProgrammableROM 可擦除可编程ROM EPROM ErasableProgrammableROM 电可擦除可编程ROM EEPROM ElectricallyErasableProgrammableROM 快擦型存储器 F1ashMemory 5 3只读存储器ROM ROM ReadOnlyMemory 意指只读存储器 其工作特点是 在微机系统的在线运行过程中 只能对其进行读操作 而不能进行写操作 电源关断 信息不会丢失 属于非易失性存储器件 常用来存放不需要改变的信息 第5章存储器原理及接口技术51 5 3 1ROM存储信息的原理和组成 ROM存储位 X选择线端加上选中信号 S断开 D 1 X选择线端加上选中信号 S闭合 D 0 第5章存储器原理及接口技术52 5 3 2掩模式ROM MROM MROM是厂家根据用户事先编写好的机器码程序 把0 1信息存储在掩模图形中而制成的芯片 芯片制成后 存储位的状态即0 1信息就被固定了 第5章存储器原理及接口技术53 掩膜ROM 第5章存储器原理及接口技术54 5 3 3可编程ROM PROM PROM一种可由用户通过简易设备写入信息的ROM器件 存储原理 1 二极管破坏型PROMPROM存储器在出厂时 存储体中每条字线和位线的交叉处都是两个反向串联的二极管的PN结 字线与位线之间不导通 即所有存储内容均为 1 如果用户需要写入程序 则通过专门的PROM写入电路 产生足够大的电流把要写入 1 的那个存储位上的二极管击穿 造成这个PN结短路 只剩下顺向的二极管跨连字线和位线 这时 此位就意味着写入了 1 2 熔丝式PROM用户编程时 靠专用写入电路产生脉冲电流 来烧断指定的熔丝 以达到写入 1 的目的 PROM器件只能固化一次程序 数据写入后 就不能再改变了 一次性 第5章存储器原理及接口技术55 PROM 第5章存储器原理及接口技术56 5 3 4可擦除可编程ROM EPROM 基本存储单元 初始态 每个单元的浮动栅极上都没有电荷 源极与漏极之间不导电 此时表示该存储单元保存的信息为 1 写入信息 0 在漏极和源极 即S 之间加上十25v的电压 同时加上编程脉冲信号 50ns 漏极与源极间被瞬时击穿 电子注入到浮动栅 在高压电源去除之后 浮动栅为负 就形成了导电沟道 从而使相应单元导通 即将0写入该单元 清除信息 用一定波长的紫外光照射浮动栅 使负电荷获取足够的能量 摆脱SiO2的包围 以光电流的形式释放掉 即原来存储的信息也就不存在了 2716 2732停产 2764 27128 27256等 第5章存储器原理及接口技术57 5 3 4可擦除可编程ROM EPROM 典型EPROM芯片Intel2716 2KX8 1 外部结构 Al0 A0 地址信号输入引脚 可寻址芯片的2K个存储单元 O7 O0 双向数据信号输入输出引脚 片选信号输入引脚 低电平有效 只有当该引脚转入低电平时 才能对相应的芯片进行操作 数据输出允许控制信号引脚 输入 低电平有效 用以允许数据输出 Vcc 5v电源 用于在线的读操作 VPP 25v电源 用于在专用装置上进行写操作 GND 地 第5章存储器原理及接口技术58 5 3 4可擦除可编程ROM EPROM 典型EPROM芯片Intel2716 2 内部结构 存储阵列 Intel2716存储器芯片的存储阵列由2K 8个带有浮动栅的MOS管构成 共可保存2K 8位二进制信息 X译码器 又称为行译码器 可对7位行地址进行译码 Y译码器 又称为列译码器 可对4位列地址进行译码 输出允许 片选和编程逻辑 实现片选及控制信息的读 写 数据输出缓冲器 实现对输出数据的缓冲 第5章存储器原理及接口技术59 5 3 4可擦除可编程ROM EPROM 典型EPROM芯片Intel2716 3 工作方式 第5章存储器原理及接口技术60 常用的EPROM芯片 第5章存储器原理及接口技术61 EPROM 第5章存储器原理及接口技术62 5 3 5电子可擦除可编程ROM E2PROM 工作原理 与EPROM类似 当浮动栅上没有电荷时 管子的漏极和源极之间不导电 若设法使浮动栅带上电荷 则管子就导通 擦除可以按字节分别进行 可以进行在线的编程写入 字节的编程和擦除都只需要10ms 并且不需特殊装置 E2PROM结构示意图 编程 在E2PROM中 漏极上面增加了一个隧道二极管 它在第二栅与漏极之间的电压VG的作用下 可使电荷通过它流向浮动栅 擦除 VG的极性相反可以使电荷从浮动栅流向漏极 第5章存储器原理及接口技术63 5 3 5电子可擦除可编程ROM E2PROM 应用特性 1 对硬件电路没有特殊要求 编程简单 2 采用 5V电源擦写的E2PROM 通常不需要设置单独的擦除操作 可在写入过程中自动擦除 3 E2PROM器件大多是并行总线传输的 第5章存储器原理及接口技术64 常用的E2PROM芯片 第5章存储器原理及接口技术65 5 3 6快擦型存储器 F1ashMemory 闪存 FlashMemory快擦型存储器 是不用电池供电的 高速耐用的非易失性半导体存储器 结构与EPROM相同 其特点是 可以整体电擦除 时间1S 和按字节重新高速编程 是完全非易失性的 可以完全代替E2RPOM 能进行高速编程 如 28F256芯片 每个字节编程需100 s 整个芯片0 5s 最少可以擦写一万次 通常可达到10万次 CMOS低功耗 最大工作电流30mA 与E2PROM进行比较具有容量大 价格低 可靠性高等明显优势 快擦型存储器还可应用于激光打印机 条形码阅读器 各种仪器设备以及计算机的外部设备中 典型的芯片有27F256 28F016 28F020等 第5章存储器原理及接口技术66 固有的非易失性它不同于静态RAM 不需要备用电池来确保数据存留 也不需要磁盘作为动态RAM的后备存储器 2 经济的高密度Inte