第六章 存储器课件

1、第第6章章 半导体存储器半导体存储器16.1 概述v微型计算机的存储结构微型计算机的存储结构寄存器寄存器位于位于CPU中中主存主存由半导体存储器由半导体存储器(ROM/RAM)构成构成辅存辅存指磁盘、磁带、磁鼓、指磁盘、磁带、磁鼓、光盘等大容量存储器，采用光盘等大容量存储器，采用磁、光原理工作磁、光原理工作高速缓存高速缓存(CACHE)由静由静态态RAM芯片构成芯片构成v本章介绍半导体存储器及组成本章介绍半导体存储器及组成主存的方法主存的方法CPU（寄存器）（寄存器）CACHE（高速缓存）（高速缓存）主存（内存）主存（内存）辅存（外存）辅存（外存）26.1.1 半导体存储器的分类v按制造工艺分

2、类按制造工艺分类双极型：双极型：速度快速度快、集成度低、功耗大、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、型：速度慢、集成度高、功耗低功耗低v按使用属性分类按使用属性分类随机存取存储器随机存取存储器 RAM：可读可写可读可写、断电丢失、断电丢失只读存储器只读存储器 ROM：只读只读、断电不丢失断电不丢失详细分类，请看图示详细分类，请看图示3图图6.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体半导体存储器存储器只读存储器只读存储器 （ROM）随机存取存储器随机存取存储器（RAM）静态静态 RAM（SRAM）动态动态 RAM（DRAM） 非易失非易失 RAM（NVRAM）掩膜式掩膜式ROM一次

3、性可编程一次性可编程 ROM（PROM） 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程 ROM（EPROM）电擦除可编程电擦除可编程 ROM（EEPROM）详细展开，注意对比详细展开，注意对比46.1.2存储器的性能指标存储器的性能指标1.存储器容量存储器容量 存储存储1 1位二进制信息的单元称为位二进制信息的单元称为1 1个存储元。对于个存储元。对于32MB32MB的存储器，其内部有的存储器，其内部有32M 32M 8bit8bit个存储元。存储器芯片多为个存储元。存储器芯片多为8 8结构，称为字节单元结构，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：在标定

4、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：存储器芯片容量存储器芯片容量= =单元数单元数位数位数 例如，例如，Intel 2114Intel 2114芯片容量为芯片容量为1K1K4 4位，位，62646264为为8K8K8 8位。位。 虽然微型计算机的字长已经达到虽然微型计算机的字长已经达到1616位、位、3232位甚至位甚至6464位，但其内存仍以一个字节为位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对2 2、4 4、8 8个单元进行访问。个单元进行访问。 2.存取周期存取周期 存储器的存取周期是指从接收

5、到地址，到实现一次完整的读出或写入数据的时间，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。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，保证速度的前提下应尽量减小功耗。一般而言，MOSMOS型存储器的功耗小于相同容量的双型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。例如上述极型存储器。例如上述HM62256HM62256的功

6、耗为的功耗为40mW40mW200 mW200 mW。 4. 可靠性可靠性 5. 集成度集成度 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，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，常以常以“位片位片”表示，也可以用表示，也可以用“字节片字节片”表示，表示，6. 其他其他5读写存储器读写存储器RAM类型构成速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池快低小容量非易失6.2 6.2 随机存取存储器随机存取存储器6随机存取存储器随机存取存储器静态静态RAMSRAM 2114SRAM 6264动态动

7、态RAMDRAM 4116DRAM 216476.2.1 静态静态RAMvSRAM 的基本存储单元是触发器电路的基本存储单元是触发器电路v每个每个基本存储单元基本存储单元存储存储1位位二进制数二进制数v许多个基本存储单元形成行列存储矩阵许多个基本存储单元形成行列存储矩阵vSRAM 一般采用一般采用“字结构字结构”存储矩阵：存储矩阵：每个每个存储单元存储单元存放多位（存放多位（4、8、16等）等）每个每个存储单元存储单元具有一个唯一的地址具有一个唯一的地址8静态静态RAM的存储结构的存储结构六管基本存储电路六管基本存储电路列选线列选线Y数据线数据线D数据线数据线DT8T7行选线行选线XT1T5T

8、2T6T4T3VDDBA6 管基本管基本存储单元存储单元列选通列选通9SRAM 芯片的内部芯片的内部结构结构I/O行行地地址址译译码码列地址译码列地址译码A3A2A1A0A4 A5 A6 A710015151-CS-OE-WE输入缓冲输入缓冲输出输出缓冲缓冲6管基本管基本存储单元存储单元列选通列选通10SRAM芯片2114v存储容量为存储容量为10244v18个个引脚：引脚：10 根地址线根地址线 A9A04 根数据线根数据线 I/O4I/O1片选片选 -CS读写读写 -WE123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4-WEA6A5A

9、4A3A0A1A2-CSGND4. SRAM4. SRAM芯片举例芯片举例11SRAM芯片6264v存储容量为存储容量为 8K8v28个引脚：个引脚：13 根地址线根地址线 A12A08 根数据线根数据线 D7D02 根片选根片选 -CS1、CS2读写读写 -WE、-OE+5V-WECS2A8A9A11-OEA10-CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615121. 存储芯片数据线的处理存储芯片数据线的处理v若芯片的数据线正好若芯片的数据线正好 8 根：根：

10、一次可从芯片中访问到一次可从芯片中访问到 8 位数据位数据全部数据线与系统的全部数据线与系统的 8 位数据总线相连位数据总线相连v若芯片的数据线不足若芯片的数据线不足 8 根：根：一次不能从一个芯片中访问到一次不能从一个芯片中访问到 8 位数据位数据利用多个芯片扩充数据位（数据宽度）利用多个芯片扩充数据位（数据宽度）这种扩充方式称这种扩充方式称“位扩充位扩充”5. SRAM5. SRAM与与CPUCPU的联接的联接13位扩充位扩充2114（1）A9A0I/O4I/O1片选片选D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECE两片同时选中数据分别提供v多个位扩充的存储芯片的数

11、据线连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接于系统数据总线的不同位数v其它连接都一样其它连接都一样v这些芯片应被看作是一个整体这些芯片应被看作是一个整体v常被称为常被称为“芯片组芯片组”142. 存储芯片地址线的连接存储芯片地址线的连接v芯片的地址线通常应全部与系统芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连的低位地址总线相连v寻址时，这部分地址的译码是在寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为存储芯片内完成的，我们称为“片内译码片内译码”15片内译码地址线地址线 A9A0存储芯片存储芯片存储单元存储单元16片内译码000H001H002H3FDH3FEH3

12、FFH000000010010110111101111（16进制表示）进制表示）A9A0片内10 位地址译码10 位地址的变化：全0全1173. 存储芯片片选端的译码v存储系统常需要利用多个存储芯片进行容量的扩充，也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就是扩充存储器的地址范围v这种扩充简称为这种扩充简称为“地址扩充地址扩充”或或“字扩充字扩充”v进行进行“地址扩充地址扩充”时，需要利用存储芯片的时，需要利用存储芯片的片选片选端来对端来对存储芯片（芯片组）存储芯片（芯片组）进行寻址进行寻址v通过存储芯片的通过存储芯片的片选端片选端与系统的与系统的高位地址线高位

13、地址线相关联来实相关联来实现对存储芯片（芯片组）的寻址，常用的方法有：现对存储芯片（芯片组）的寻址，常用的方法有：全译码全译码全部全部高位地址线高位地址线与与片选端片选端关联（参与芯片译码）关联（参与芯片译码）部分译码部分译码部分部分高位地址线高位地址线与与片选端片选端关联（参与芯片译码）关联（参与芯片译码）线选法线选法某根某根高位地址线高位地址线与与片选端片选端关联（参与芯片译码）关联（参与芯片译码）片选端常有效片选端常有效无无高位地址线高位地址线与与片选端片选端关联（不参与芯片译关联（不参与芯片译码）码）18地址扩充（字扩充）片选端片选端D7D0A19A10A9A0（2）A9A0D7D0-

14、CE（1）A9A0D7D0-CE译码器00000000010000000000低位地址线低位地址线高位地址线高位地址线19片选端常有效A19A15 A14A0 全全0全全1D7D027256EPROMA14A0CE片选端常有效片选端常有效与与A19A15 无关无关n令芯片（组）的片选端常有效令芯片（组）的片选端常有效n不与系统的高位地址线发生联系不与系统的高位地址线发生联系n芯片（组）总处在被选中的状态芯片（组）总处在被选中的状态n虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现现“地址重复地址重复”20 静态随机存取存储器的联接举例静态随机存取存储器的联接举例

15、v在在64KB地址地址空间中用空间中用8片片2114构成构成4K8，即，即4KB存储区存储区的全译码法的全译码法连接方案：连接方案：其地址范围其地址范围为为2000H2FFFH。连。连接图如图接图如图6.11所示。所示。216.2.2 动态动态RAM存储器存储器vDRAM 的基本存储单元是单个的基本存储单元是单个场效应场效应管及其管及其极间电容极间电容v必须配备必须配备“读出再生放大电路读出再生放大电路”进行刷新进行刷新v每次同时对每次同时对1行的存储单元进行刷新行的存储单元进行刷新v每个基本存储单元存储每个基本存储单元存储1位二进制数位二进制数v许多个基本存储单元形成行、列存储矩阵许多个基本

16、存储单元形成行、列存储矩阵vDRAM一般采用一般采用“位结构位结构”存储体：存储体：每个存储单元存放每个存储单元存放 1 位位需要需要 8 个存储芯片构成个存储芯片构成 1 个字节存储单元个字节存储单元每个字节存储单元拥有每个字节存储单元拥有 1 个唯一地址个唯一地址22动态RAM的存储结构单管基本存储电路单管基本存储电路C2C1行选线行选线列选线列选线数据线数据线T2T1单管基本单管基本存储单元存储单元23DRAM芯片4116v存储容量为存储容量为 16K1v16个个引脚：引脚：7 根地址线根地址线A6A01 根数据输入线根数据输入线DIN1 根数据输出线根数据输出线DOUT行地址选通行地址

17、选通 -RAS列地址选通列地址选通 -CAS读写控制读写控制 -WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC1234567816151413121110924DRAM芯片2164v存储容量为存储容量为 64K1v16个个引脚：引脚：8 根地址线根地址线A7A01 根数据输入线根数据输入线DIN1 根数据输出线根数据输出线DOUT行地址选通行地址选通 -RAS列地址选通列地址选通 -CAS读写控制读写控制 -WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A71234567816151413121110925DR

18、AM芯片芯片的内部结构读出再生读出再生放大电路放大电路列列128列列2DINDOUT列列1行行128行行66行行65行行64行行2行行1I/O缓冲缓冲单管基本单管基本存储单元存储单元266.2.3 RAM6.2.3 RAM存储容量的扩展方法存储容量的扩展方法1 1、位扩展方式、位扩展方式2 2、字扩展方式、字扩展方式图图6-11 位扩展方式连接方式位扩展方式连接方式 273 3、字位扩展方式、字位扩展方式 图图6-12 6-12 字扩充连接方式字扩充连接方式 286.2.4 RAM6.2.4 RAM存储器与存储器与CPUCPU的连接的连接 图图6-13 6-13 用用21142114芯片组组成

19、芯片组组成4096 4096 8 8存储器存储器 296.3 只读存储器只读存储器ROMv掩膜掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改信息制作在芯片中，不可更改vPROM：允许一次编程，此后不可更改允许一次编程，此后不可更改vEPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程允许用户多次擦除和编程vEEPROM（E2PROM）：）：采用加电方法在线采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写进行擦除和编程，也可多次擦写vFlash Memory（闪存）：能够快速擦写的（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（，但只能按块（Block）进行擦除）

20、进行擦除306.3 6.3 只读存储器只读存储器ROMROM6.3.1 6.3.1 只读存储器的结构只读存储器的结构 图图6-15 ROM6-15 ROM的结构框图的结构框图 31图图6-16 166-16 161 1位的阵列位的阵列 326.3.2 6.3.2 只读存储器的分类只读存储器的分类只读存储器只读存储器ROMROM常分为下列三种：常分为下列三种：1 1、掩模式、掩模式ROMROM2 2、现场编程、现场编程ROMROM3 3、可改写的、可改写的PROMPROM6.3.3 PROM6.3.3 PROM基本存储电路基本存储电路图图6-17 6-17 熔丝式熔丝式PROMPROM基本存储电

21、路基本存储电路 33EPROMEPROM 2716EPROM 2764EEPROMEEPROM 2717AEEPROM 2864A典型典型EPROMEPROM、EEPROM EEPROM 芯片介绍芯片介绍346.3.4 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器 EPROMv顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫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外线透过擦除原有信息v一般使用专门的编程器（烧写器）进行一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程编程v编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条v出厂未编程前，每个基本存储单元都是出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息信息1v编程

22、就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息0352. 典型典型EPROM芯片介绍芯片介绍2716v存储容量为存储容量为2K8v24个个引脚：引脚：11根地址线根地址线A10A08根数据线根数据线DO7DO0片选片选/编程编程CE*/PGM读写读写OE*编程电压编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss363. 高集成度高集成度EPROM 除了常使用的除了常使用的EPROM 2764外，还常外，还常使用使用27

23、128，27256，27512等。由于工业等。由于工业控制算机的发展，迫切需用电子盘取代硬盘，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，常把用户程序、操作系统固化在电子盘上，（ROMDISK），这时要用），这时要用27C010（128K8），），27C020（256K8），），27C040（512K8）大容量芯片。）大容量芯片。 376.3.5电可擦可编程存储器 下面以下面以Intel 2816为例，说明为例，说明EEPROM的基本特点和工作方式的基本特点和工作方式。2816是容量为是容量为2K8的电擦除的电擦除ROM，它的逻辑符号如图，它的逻辑符号如图6.

24、23所示。所示。 芯片的管脚排列芯片的管脚排列与与2716一致，只是一致，只是在管脚定义上，数据在管脚定义上，数据线管脚对线管脚对2816来说来说是双向的，以适应读是双向的，以适应读写工作模式。写工作模式。 图图6.23 28166.23 2816的逻辑符号的逻辑符号1. 28161. 2816的基本特点的基本特点383. 2817A EEPROM3. 2817A EEPROM图图6.24 2817A6.24 2817A引脚图引脚图v存储容量为存储容量为2K8v28个个引脚：引脚：11根地址线根地址线A10A08根数据线根数据线I/O7I/O0片选片选CE*读写读写OE*、WE*状态输出状态输出RDY/BUSY*39EEPROM芯片2864Av存储容量为存储容量为8K8v28个个引脚：引脚：13根地址线根地址线A12A08根数据线根数据线I/O7I/O0片选片选CE*读写读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*