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CacheMOS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FlashMemory 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 2RAM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 2RAM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 WriteEnable 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 OutputEnable 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 2M N 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 Intel2114 Intel2114是一个1K 4位的SRAM 其外部引脚图如下图所示 SRAM2114与CPU的连接 存储容量为1024 4 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A0 A9 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 1Kx8 Intel6264 容量 8Kx8 6 2 3RAM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 3RAM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 1KBRAM的连接 RAM芯片有1位 4位 8位等不同的结构 在构成1KBRAM时 可以选择不同的芯片 因此就有不同的连接 采用1K 1位的RAM 位扩展 2 1KBRAM的连接 采用256 4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1KBRAM 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A0 A7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 1KBRAM的连接 思考 如果采用Intel2114 则如何构成1KBRAM 如果所用的芯片的容量为128 8位 则又如何构成1KBRAM 图示 图示 3 2KBRAM的连接 采用Intel2114 构成2KBRAM的连接结构图如下所示 D3 D0 D7 D4 D3 D0 D7 D4 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 A14A13 00的情况不能出现00000H 01FFFH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 EDORAM 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 SynchronousDRAM 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 RambusDRAM 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 2 400MHz 2 1600MBps或1 6GBps 5 3几种新型的RAM DDRSDRAM 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DDR400 其系统总线频率为200MHz 则带宽为 8字节 200MHz 2 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 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 FlashROM 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