微机原理与接口技术第5章存储器

1、第五章第五章 存储器存储器v学习目的：v了解半导体存储器的分类v掌握地址译码的方法v掌握存储器的应用v掌握存储器的容量扩充v了解存储器扩展技术1 5.1 存储器概述存储器概述v内存储器内存储器-比外存储器存取速度快，存储容量小比外存储器存取速度快，存储容量小v外存储器外存储器-辅助存储器，属于计算机的外部设备，常辅助存储器，属于计算机的外部设备，常用的有磁盘、光盘和用的有磁盘、光盘和U U盘等，存储容量大，存取速度慢。盘等，存储容量大，存取速度慢。 21.1.半导体存储器的分类半导体存储器的分类v内存储器主要由半导体材料构成，也称半导体存储器。内存储器主要由半导体材料构成，也称半导体存储器。v

2、按制造工艺按制造工艺-分为双极型半导体存储器和金属氧化物型分为双极型半导体存储器和金属氧化物型（MOS）半导体存储器两类。）半导体存储器两类。v按照工作方式按照工作方式-分为随机读写存储器分为随机读写存储器RAM和只读存储器和只读存储器ROM两大类。两大类。 3v随机存储器随机存储器RAM： A) 双极型半导体双极型半导体RAM，双极型是以晶体管触发器作为基本存，双极型是以晶体管触发器作为基本存储电路，储电路，TTL电路；高速，功耗大、集成度低，成本高；电路；高速，功耗大、集成度低，成本高； B) MOS型型RAM（Metal Oxide Semiconductor)低速，功耗低速，功耗低、成

3、本低、集成度高；低、成本低、集成度高；(1).静态随机存储器静态随机存储器SRAM是以双稳态触发器作为存储元是以双稳态触发器作为存储元;(2).动态随机存储器动态随机存储器DRAM是用电容存储信息，需要刷新；是用电容存储信息，需要刷新；v只读存储器只读存储器ROM1.掩膜式掩膜式ROM 2.可编程式可编程式PROM3.可擦除可编程式可擦除可编程式EPROM4.电可擦除可编程式电可擦除可编程式E2PROM、EAROM、NOVROM2704、2708、2716、2732、2764、27128、27256、27512、271024beGSD42.存储器件的性能指标存储器件的性能指标（1 1）存储容量

4、）存储容量 存储器所能容纳二进制信息的总量。存储器所能容纳二进制信息的总量。v 能存储能存储1 1位二进制信息的物理器件称为存储元，多个存储位二进制信息的物理器件称为存储元，多个存储元构成存储单元，存储芯片就是由若干个存储单元构成。元构成存储单元，存储芯片就是由若干个存储单元构成。存储容量表示为存储容量表示为“存储单元个数存储单元个数每个存储单元位数每个存储单元位数”如：如：SRAMSRAM芯片芯片62646264，它的容量为，它的容量为8K8K8 8；如：如：DRAMDRAM芯片芯片NMC41257NMC41257的容量为的容量为256K256K1 1，即它有，即它有256K256K个单元，

5、个单元，每个单元存储每个单元存储1 1位二进制信息位二进制信息; ;5（2 2）存取速度）存取速度 存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问时间或读时间或读/ /写时间，是指写时间，是指CPUCPU从启动一次存储器操作（读从启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需要的时间。或写）到完成该操作所需要的时间。v 连续两次独立的存储器读连续两次独立的存储器读/ /写操作所需的最小时间间隔写操作所需的最小时间间隔称为存储周期。称为存储周期。 （3 3）可靠性）可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读可靠性是指在规定的时间内，存储器无故

6、障读/ /写的概写的概率。通常用平均无故障时间率。通常用平均无故障时间MTBFMTBF（mean time between mean time between failuresfailures）来衡量可靠性。）来衡量可靠性。MTBFMTBF可以理解为两次故障之可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。 6（4 4）功耗）功耗 功耗反映存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的功耗反映存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。大多数半程度。功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。大多数半导体存储器

7、的维持功耗小于工作功耗。导体存储器的维持功耗小于工作功耗。75.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）MOS型随机存取存储器按工作原理分为型随机存取存储器按工作原理分为n静态静态RAM（SRAM）n动态动态RAM（DRAM）静态静态RAM以触发器为基本存储电路，保存的数据不需要刷新。以触发器为基本存储电路，保存的数据不需要刷新。与动态与动态RAM比较，它的存取速度快，集成度低，功耗大。比较，它的存取速度快，集成度低，功耗大。动态动态RAM以电容作为基本存储电路，每隔一段时间需要刷新一以电容作为基本存储电路，每隔一段时间需要刷新一次。它的集成度高，成本低。次。它的集成度高，成本低。 85.

8、2.1 MOS型静态随机存取存储器（型静态随机存取存储器（SRAM） 1.基本存储元电路基本存储元电路 MOS型静态型静态RAM基于双稳态触发器的工作原理保存信息。基于双稳态触发器的工作原理保存信息。9图图5-1 静态静态RAM的基本存储元电路的基本存储元电路10 MOS型静态型静态RAM芯片由存储体和外围电路。芯片由存储体和外围电路。v外围电路：地址译码器、外围电路：地址译码器、I/O缓冲器和读写控制电路缓冲器和读写控制电路v存储体：由许多个存储元组成，这些存储元通常以矩阵的形存储体：由许多个存储元组成，这些存储元通常以矩阵的形式排列。式排列。2. MOS型静态型静态RAM芯片的组成结构芯片

9、的组成结构11图图5-2 静态静态RAM的结构的结构123.静态静态RAM芯片举例芯片举例常用的常用的SRAM芯片有：芯片有：6116（2K8）、）、2016、40166264（8K8）62128（16KX8）62256（32K8）62512（64K8）128K8、 256K8、 512K8、 1024K8 120ns150ns 1ns13（1）6264芯片外部引脚芯片外部引脚vA0Al2-13根地址信号线根地址信号线 vD0D7-8根数据线根数据线 v 、CS2 -两根片选信号线，两根片选信号线， 低低电平有效、电平有效、CS2高电平有效。高电平有效。-输出允许信号，低电平有效，输出允许信号

10、，低电平有效，CPU从芯片中读出数据。从芯片中读出数据。-写允许信号，低电平有效，写允许信号，低电平有效，允许数据写入芯片。允许数据写入芯片。VCC：+5V电源电源GND：接地端，：接地端，NC ：空端。：空端。12823456789101112131427262524232221201918171615NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD7D6D5D4D3WECS2A8A9A11OEA10CS1+5V图5-3 SRAM 6264外部引线图图OECS1CS1WE14 tw twcA0 A12D0 D7tDW CS1 CS2 WE SRAM 6264 写操作时序图写操作

11、时序图15SRAM 6264 读操作时序图 A0 A12 CS1 OE D0 D7 tOE tCO tRW CS2 165.2.2 静态静态RAM芯片应用芯片应用存储器芯片的应用就是将芯片正确地接入计算机系统。根据存储器芯片的应用就是将芯片正确地接入计算机系统。根据CPU要求的地址范围，将芯片上的各种信号与计算机系统要求的地址范围，将芯片上的各种信号与计算机系统的地址线、数据线和控制线，连接在一起。的地址线、数据线和控制线，连接在一起。v地址线的连接。地址线的连接。 v数据线的连接。数据线的连接。 v控制信号线的连接控制信号线的连接 。17 8088系统BUSSRAM6264D0 D7D0 D

12、7A0A0A12A12MEMWMEMRWECS2+5VOE11CS1A19A18A17A16A15A14A13&A1318将一组输入信号转换为一个输出信号，称为译码。将一组输入信号转换为一个输出信号，称为译码。 v地址译码的方法有：全地址译码和部分地址译码。地址译码的方法有：全地址译码和部分地址译码。191.全地址译码全地址译码v全地址译码就是把系统中全部地址线与芯片连接，其中高全地址译码就是把系统中全部地址线与芯片连接，其中高位地址线经过译码电路译码后作为芯片的片选信号；低位位地址线经过译码电路译码后作为芯片的片选信号；低位地址线与系统中的相应地址线一对一连接。地址线与系统中的相应地址线一对

13、一连接。 v【例例5-1】 6264芯片的地址范围为芯片的地址范围为F8000HF9FFFH，要，要求以全地址译码方式将求以全地址译码方式将6264芯片接入计算机系统。芯片接入计算机系统。 将芯片的地址范围以二进制形式表示：将芯片的地址范围以二进制形式表示：图5-6 地址译码设计2021译码电路的设计有两种方法：一种是利用基本的逻辑门电译码电路的设计有两种方法：一种是利用基本的逻辑门电路搭建译码器，另一种是利用专用的译码器芯片译码。路搭建译码器，另一种是利用专用的译码器芯片译码。v第一种方法第一种方法 方案方案12223 方案方案224第二种方法：第二种方法：利用专用的译码器芯片译码利用专用的

14、译码器芯片译码v利用利用74LS138芯片译码芯片译码图图5-9 6264全地址全地址138译码方案译码方案22526D0 D7D0 D7A0A0A12A12MEMWWEMEMRCS2+5VOE&1A19A18A17A16A15A14A13CS1Y7G1G2BG2ACBASRAM6264A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3E000 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13FFFF 138译码器&27

15、2.部分地址译码部分地址译码只使用系统地址总线中的一部只使用系统地址总线中的一部分与芯片中的地址线相连。分与芯片中的地址线相连。使用了使用了A13A17共共5根线，根线，A18和和A19未用。未用。 图图5-10 6264部分地址译码部分地址译码28A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 298088系统BUSSRAM6264D0 D7D0 D7A0A0A12A12MEMWMEMRWECS2+5VOECS1&A19A17A15A14A13

16、A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 1 X 1 X 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 1 X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Y730部分地址译码的后果：部分地址译码的后果：地址重叠地址重叠31线性译码：线性译码： 只使用一根地址线作为片选信号。只使用一根地址线作为片选信号。图图5-12 6264线性地址译码线性地址译码32【例例5-2】 用用SRAM6116芯片设计一个芯片设计一个4K的存储器，地址范围为的存储器，地址范围为32000H32FFFH，

17、要求使用全地址译码方式。，要求使用全地址译码方式。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 24 23 22 21 20 1918 17 16 15 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 D 0 D 1 D 2 GND D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 A 8 A 9 R/W OE A 10 CS 1413VCCSRAM6116图5-13 6116引线图SRAM6116：2KX811根地址线根地址线A0A108根数据线根数据线D0D7读写控制信号读写控制信号R/W输出允许信号输出允许信号OE片选信号片选信号CS。330 0 1 1 0 0 1 0 0

18、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 327FFH地址总线A19A18A17A16A15A14A13A12 A11A10 .A8 A7 .A4 A3 . A00 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 132000H32800H32FFFH0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16116译码分析如下：译码分析如下：346116存储器设计系统连接图如下：存储器设计系统连接图如下：355.2.3 MOS型动态随机存取存储器（型动态随机存取存储器

19、（DRAM）1.单管基本存储元电路单管基本存储元电路T T1 1字字选选线线（地地址址选选择择线线）存存储储电电容容C C位位线线D D( (数数据据线线) )分分布布电电容容C CD D36动态存储器是通过把电荷存储到电容中来实现信息存动态存储器是通过把电荷存储到电容中来实现信息存储的。储的。 MOS单管动态存储电路占用面积小，集成度高，速度单管动态存储电路占用面积小，集成度高，速度快；缺点是读出是破坏性的，而且单元读出信号较快；缺点是读出是破坏性的，而且单元读出信号较小，要求有高灵敏度的读出放大器；另一个缺点是小，要求有高灵敏度的读出放大器；另一个缺点是刷新。刷新。2ms4ms37DRAM

20、芯片芯片2164v64KX1vA0A7：地址输入线，分时复用。：地址输入线，分时复用。 vDIN：数据输入：数据输入 vDOUT：数据输出：数据输出 vRAS：行地址锁存信号：行地址锁存信号vCAS：列地址锁存信号：列地址锁存信号vWE：写允许信号，高电平允许读出：写允许信号，高电平允许读出11623456781514131211109VCC(+5V)CASDOUTA6A3A4A5A7NCDINWERASA0A1A2地38刷新刷新v将动态随机存储器的每一位信息读出并写入的过程。将动态随机存储器的每一位信息读出并写入的过程。刷新的方法是使列地址信号无效，行地址有效，然刷新的方法是使列地址信号无效

21、，行地址有效，然后将这一行的信息读出再写入。后将这一行的信息读出再写入。v每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存储单每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存储单元，将行地址循环一遍，则刷新了整个芯片的所有元，将行地址循环一遍，则刷新了整个芯片的所有存储单元。刷新时位线上的信息不会送出到数据总存储单元。刷新时位线上的信息不会送出到数据总线上。线上。vDRAMDRAM要求每隔要求每隔28ms28ms刷新一次，它称为刷新周期。刷新一次，它称为刷新周期。395.2.4 存储器扩展存储器扩展存储器扩展包括位扩展、字扩展和字位扩展三种方式。存储器扩展包括位扩展、字扩展和字位扩展三种方式。 1. 位扩展位

22、扩展将每个存储芯片的地址线和控制线（包括片选信号线、读将每个存储芯片的地址线和控制线（包括片选信号线、读/写写信号线等）全部一对一地接在一起，将它们的数据线分信号线等）全部一对一地接在一起，将它们的数据线分别引出作为字节的不同位。别引出作为字节的不同位。 40A11A0D3D04K 4SRAMA11A0D3D04K 4SRAMA11A0A11A0D3D0D7D4地址总线AB数据总线DBR/WCS读/写信号选片信号4KB存储模块图5-20 用4K4位的SRAM芯片进行位扩展412.2.字扩展字扩展字扩展是对存储空间的扩展，就是要增加存储单元的字扩展是对存储空间的扩展，就是要增加存储单元的个数。个

23、数。字扩展的方法是：将每个芯片的地址信号、数据信号字扩展的方法是：将每个芯片的地址信号、数据信号和读和读/ /写控制信号等一对一地与系统总线中的相应写控制信号等一对一地与系统总线中的相应信号线相连，将各芯片的片选信号与地址译码器信号线相连，将各芯片的片选信号与地址译码器的输出信号相连。的输出信号相连。42A10 A0D7 D02K 8SRAMA10 A0D7 D02K 8SRAMA10 A0A10 A0D7 D0D7 D0地址总线AB数据总线DBR/WCS读/写信号4KB存储模块译码电路Y0Y1R/WCS433.字位扩展字位扩展假如要构成一个容量为假如要构成一个容量为MN位的存储器，若使用位的

24、存储器，若使用Bb位的芯片（位的芯片（BM，bN），则构成这个存），则构成这个存储器需要：（储器需要：（M / B）（N / b）个存储器芯片。）个存储器芯片。例如：用例如：用Intel 2164构成容量为构成容量为128KB的内存，需要的内存，需要（128/64）（8/1）=16片片。 445.3 只读存储器（只读存储器（ROM） 常用的只读存储器类型有：常用的只读存储器类型有：v掩膜式掩膜式ROMROMv可编程可编程ROMROM（PROMPROM）v可擦除可编程可擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）v电可擦除可编程电可擦除可编程ROM ROM （E E2 2PROMPROM）v闪

25、存（闪存（Flash MemryFlash Memry）452.2.可编程可编程ROMROM（PROMPROM） 可编程可编程ROMROM是用户可以将程序和数据写入是用户可以将程序和数据写入ROMROM的只读的只读存储器芯片，又称为存储器芯片，又称为PROMPROM。可编程只读存储器出。可编程只读存储器出厂时各单元内容全为厂时各单元内容全为0 0，用户可用专门的，用户可用专门的PROMPROM写入写入器将信息写入。器将信息写入。 根据芯片的构造，可编程根据芯片的构造，可编程PROMPROM可分为两类：结破坏可分为两类：结破坏型和熔丝型。型和熔丝型。字字线线位位线线D Di iVCC463.3.

26、可擦除可编程可擦除可编程ROM ROM （EPROMEPROM） EPROMEPROM（erasable programmable ROMerasable programmable ROM）是一种紫外）是一种紫外线可擦除可编程只读存储器，可以多次擦除和写线可擦除可编程只读存储器，可以多次擦除和写入。入。有一个能通过紫外线的石英窗口，用紫外灯照射约有一个能通过紫外线的石英窗口，用紫外灯照射约20302030分钟，原信息就可以全部擦除。擦除后各单分钟，原信息就可以全部擦除。擦除后各单元内容均为元内容均为FFHFFH，恢复到出厂状态。，恢复到出厂状态。 4727系列的芯片：系列的芯片：2716 27

27、32 2764 27128 27256 2751248（1）2764的引线及功能的引线及功能 A0A12：13根地址线，根地址线，8K个存储单元；个存储单元；D0D7：8根双向数据线，根双向数据线， CE：片选信号；：片选信号；OE：输出允许信号；：输出允许信号；PGM：编程脉冲输入；读操作时：编程脉冲输入；读操作时PGM=1;VPP：编程电压输入端，：编程电压输入端，12.5V、15V、21V、25V；4912823456789101112131427262524232221201918171615VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2地D7D6D5D4D3PGMNCA8A

28、9A11OEA10CEVCC（+5V）12823456789101112131427262524232221201918171615NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD7D6D5D4D3WECS2A8A9A11OEA10CS1+5V图5-3 SRAM 6264外部引线图图50 MEMRA19A18A17A16GG2AG2BCBA74LS138A15A14A13Y0A0A1A12MEMRD0D7D0D7A0A1A12OECEPGMvccvppGNC+5V27641&51vFlashFlash闪速存储器（闪速存储器（flash memoryflash memory），简称），简称FlashFlash或闪存。或闪存。它与它与EEPROMEEPROM类似，也是一种电擦写型类似，也是一种电擦写型ROMROM。与。与EEPROMEEPROM的主要区别是：的主要区别是：EEPROMEEPROM按字节擦写，速按字节擦写