(计算机硬件技术基础课件全套)第伍章 半导体存储器

1、计算机硬件技术基础李 永计算机基础教研室第第5章章2021-11-23第5章 半导体存储器5.3 5.3 只读存储器只读存储器5.4 5.4 内存管理内存管理5.5 5.5 例题解析例题解析5.2 5.2 随机读写存储器随机读写存储器5.1 5.1 概述概述2021-11-245.1 概述o微型计算机的存储结构微型计算机的存储结构n寄存器寄存器位于位于CPUCPU中中n主存主存由半导体存储器由半导体存储器(ROM/RAM)(ROM/RAM)构成构成n高速缓存高速缓存(CACHE)(CACHE)由由静态静态RAMRAM芯片构成芯片构成n辅存辅存指磁盘、磁带、指磁盘、磁带、磁鼓、光盘等大容量存储磁

2、鼓、光盘等大容量存储器，采用磁、光原理工作器，采用磁、光原理工作o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）2021-11-255.1.1 半导体存储器的分类o按制造工艺分类按制造工艺分类n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nMOSMOS型：速度慢、集成度高、型：速度慢、集成度高、功耗低功耗低o按使用属性分类按使用属性分类n随机存取存储器随机存取存储器 RAMRAM：可读可写可读可写、断电丢失、断电丢失n只读存储器只读存储器 R

3、OMROM：只读只读、断电不丢失断电不丢失2021-11-26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） 掩膜式掩膜式ROM一次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）2021-11-275.1.25.1.2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。在标定存储器

4、容量时，经常同时标出个存储元。在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元数和每个存储单元包含的位数：存储器芯片容量存储单元数和每个存储单元包含的位数：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8K8K位。位。2.存取周期存取周期 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。间，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

5、耗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。1. 存储容量存储容量这里指的是存储器芯片的存储容量，其表示方式为： 存储容量=N M=M*2KN-存储器中拥有多少个存储单元，单元寻 址与地址线的根数有关；假设地址总线有K根，则N=2K M-每个存储单元有多少位，二进制数位的 传送与数据线的根数有关。 2021-11-29随机存取存储器随机存取存储器静态静态RAMSRAM 2114SRA

6、M 6264动态动态RAMDRAM 4116DRAM 21642021-11-2105.2.1 静态静态RAMRAMoSRAM 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o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o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oSRAM 一般采用一般采用“字结构字结构”存储矩阵：存储矩阵：n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）n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2021-11-211SRAM芯片2114o存储容量为存储容量为10244o18个个引脚：引脚

7、：n10 根地址线根地址线 A9A0n4 根数据线根数据线 I/O4I/O1n片选片选 -CSn读写读写 -WE123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4-WEA6A5A4A3A0A1A2-CSGND4. SRAM4. SRAM芯片举例芯片举例2021-11-212SRAMSRAM芯片芯片62646264o存储容量为存储容量为 8K8o28个引脚：个引脚：n13 根地址线根地址线 A12A0n8 根数据线根数据线 D7D0n2 根片选根片选 -CS1、CS2n读写读写 -WE、-OE+5V-WECS2A8A9A11-OEA10-CS

8、1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716152021-11-213(1) (1) 存储芯片数据线的处理存储芯片数据线的处理o若芯片的数据线正好若芯片的数据线正好 8 根：根：n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n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o若芯片的数据线不足若芯片的数据线不足 8 根：根：n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n利用多个芯片扩充数据位（数据宽度）利

9、用多个芯片扩充数据位（数据宽度）n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2021-11-214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o多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线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的不同位数o其它连接都一样其它连接都一样o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o常被称为常被称为“芯片组芯片组”2021-11-215 (2) (2) 存储芯片地址线的连接

10、存储芯片地址线的连接o芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连o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“片内译码片内译码”2021-11-216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2021-11-217片内译码000H000H001H001H002H002H3FDH3FDH3FEH3FEH3FFH3FFH000000000001000100100010110111011110111011111111（1616进制表示）进制表示）A A9 9A A0

11、 0片内10 位地址译码10 位地址的变化：全0全12021-11-2183. 3. 存储芯片片选端的译码存储芯片片选端的译码o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o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”o进行进行“地址扩充地址扩充”时，需要利用存储芯片的片选端来对时，需要利用存储芯片的片选端来对存储芯片（芯片组）存储芯片（芯片组）进行寻址进行寻址o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地址线相关联来实现对存储芯片（芯片组）的

12、寻址，相关联来实现对存储芯片（芯片组）的寻址，常用的方法有：常用的方法有：n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）n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）n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）n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（不参与芯片译码）关联（不参与芯片译码）2021-11-219地址扩充（字扩充）片选端片选端D7D0A19A10A9A0（2）A9A0D7D0-CE（1）A9

13、A0D7D0-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2021-11-220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，会出现虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现“地址重复地址重复”2021-11-2212021-11-2225.2.2 5.

14、2.2 动态动态MOSMOS存储器存储器oDRAM 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o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o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o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o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oDRAM一般采用一般采用“位结构位结构”存储体：存储体：n每个存储单元存放每个存储单元存放 1 位位n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n每个字节存储单

15、元拥有每个字节存储单元拥有 1 个唯一地址个唯一地址2021-11-223DRAM芯片4116o存储容量为存储容量为 16K1o16个个引脚：引脚：n7 根地址线根地址线A6A0n1 根数据输入线根数据输入线DINn1 根数据输出线根数据输出线DOUTn行地址选通行地址选通 -RASn列地址选通列地址选通 -CASn读写控制读写控制 -WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC123456781615141312111092021-11-224DRAM芯片2164o存储容量为存储容量为 64K64K1 1o1616个引脚：个引脚：n8 8 根地

16、址线根地址线A A7 7A A0 0n1 1 根数据输入线根数据输入线D DININn1 1 根数据输出线根数据输出线D DOUTOUTn行地址选通行地址选通 -RAS-RASn列地址选通列地址选通 -CAS-CASn读写控制读写控制 -WE-WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111092021-11-2255.3 5.3 只读存储器只读存储器ROMROMo掩膜掩膜ROMROM：信息制作在芯片中，不可更改信息制作在芯片中，不可更改oPROMPROM：允许一次编程，此后不可更改：允许一次编程，此后不可更改o

17、EPROMEPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程oEEPROMEEPROM（E2PROME2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写写oFlash MemoryFlash Memory（闪存）：能够快速擦写的（闪存）：能够快速擦写的EEPROMEEPROM，但只能按块（，但只能按块（BlockBlock）进行擦除进行擦除2021-11-226EPROMEPROM 2716EPROM 2764EEPROMEEPROM 2717AEEPROM 2864A典型

18、典型EPROMEPROM、EEPROM EEPROM 芯片介绍芯片介绍2021-11-2275.3.2 可擦可编程只读存储器可擦可编程只读存储器 EPROMEPROMo顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除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原有信息o一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程o编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条o出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息1o编程就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息02021-11-2282. 典型典型EPROMEPROM

19、芯片介绍芯片介绍27162716o存储容量为存储容量为2K8o24个个引脚引脚：n11根地址线根地址线A10A0n8根数据线根数据线DO7DO0n片选片选/编程编程CE*/PGMn读写读写OE*n编程电压编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss2021-11-2295.3.3电可擦可编程存储器 2816是容量为是容量为2K8的电擦除的电擦除PROM。 芯片的管脚排列与芯片的管脚排列与2716一致，只是在管脚定一致

20、，只是在管脚定义上，数据线管脚对义上，数据线管脚对2816来说是双向的，以适应读来说是双向的，以适应读写工作模式。写工作模式。 图图5.23 28165.23 2816的逻辑符号的逻辑符号1. 28161. 2816的基本特点的基本特点2021-11-2303. 2817A EEPROM3. 2817A EEPROMo 存储容量为存储容量为2K8o 28个个引脚：引脚：n11根地址线根地址线A10A0n8根数据线根数据线I/O7I/O0n片选片选CE*n读写读写OE*、WE*n状态输出状态输出RDY/BUSY*2021-11-231EEPROM芯片2864Ao存储容量为存储容量为8K8o28个

21、个引脚：引脚：n13根地址线根地址线A12A0n8根数据线根数据线I/O7I/O0n片选片选CE*n读写读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716152021-11-2325.3.4 5.3.4 快擦写存储器快擦写存储器1. 整体擦除快擦写存储器整体擦除快擦写存储器2. 对称型块结构快擦写存储器对称型块结构快擦写存储器3. 带自举块快擦写存储器带自举块快擦写存储器2021

22、-11-2335.4 5.4 内存管理内存管理5.4.1 80X865.4.1 80X86系列系列CPUCPU的工作模式的工作模式CPU数据总线数据总线地址总线地址总线寻址范围寻址范围支持操作系统支持操作系统80868位位20位位1MB实方式实方式8028616位位24位位16MB实、保护方式实、保护方式80386/80486/Pentium32位位32位位4096MB实、保护、实、保护、V86方式方式2021-11-2345.4.2 5.4.2 内存空间的管理内存空间的管理 Intel 80X86系列系列CPU组成组成的微机系统中的内存空间的微机系统中的内存空间 2021-11-2351.

23、1. 常规内存常规内存 o常规内存（Conventional Memory）在内存分配表中占用最前面的位置，从0KB到640KB（地址000000H109FFFFH），共占640KB的容量。它在内存的最前面并且在DOS可管理的内存区，因此又称之为Low Dos Memory（低DOS内存），或基本内存（Base Memory），使用此空间的程序有BIOS操作系统、DOS操作系统、外围设备的驱动程序、中断向量表、一些常驻的程序、空闲可用的内存空间、以及一般的应用软件等都可在此空间执行。oMS-DOS可以控制和管理1MB的内存空间，常规内存占了640KB，其他的384KB保留给BIOS ROM及其

24、他各种扩展卡使用。这640KB的常规内存基本上分两部分，一部分给各种不同的操作系统程序使用，另一部分给数据、程序的使用。 2021-11-2362. 2. 上位内存上位内存 o上位内存（上位内存（Upper Memory BlockUpper Memory Block，简称，简称UMBUMB）是常规内存上面一层的内）是常规内存上面一层的内存（存（64OKB64OKB1024KB1024KB），地址为），地址为0A0000H0A0000H0FFFFFH0FFFFFH。o在运行很多大的软件时，在运行很多大的软件时，640KB640KB内存显然不够用，因此希望使用上位内内存显然不够用，因此希望使用上

25、位内存。在存。在384KB384KB的上位内存中，除了保留给的上位内存中，除了保留给BIOS ROMBIOS ROM、显示卡和其他各种、显示卡和其他各种扩展卡使用外，还有一些保留空间未使用，这些扩展卡使用外，还有一些保留空间未使用，这些“空闲区空闲区”可被划分为可被划分为64K64K大小的块，称为上位内存块。大小的块，称为上位内存块。 2021-11-2373. 3. 高端内存区高端内存区 高端内存区高端内存区（High Memory Area，简称HMA）是1024KB至1088KB之间的64KB内存，其地址为100000H1OFFEFH或以上。 4. 4. 扩展内存块扩展内存块扩展内存块（

26、扩展内存块（Extended Memory BlockExtended Memory Block，简称，简称XMBXMB）是指）是指lMBlMB以上的内存以上的内存空间，其地址是从空间，其地址是从100000H100000H开始，向上扩展的内存。扩展内存取决于开始，向上扩展的内存。扩展内存取决于CPUCPU的寻址能力，的寻址能力， 286 CPU286 CPU可寻址到可寻址到16MB, 386 CPU16MB, 386 CPU以上至以上至Pentium II Pentium II CPUCPU可寻址到可寻址到4GB4GB。 2021-11-2385. 5. 扩充内存扩充内存 扩充内存是利用扩充

27、内存是利用1MB1MB内存中内存中64KB64KB的内存区，此内存区为连续的的内存区，此内存区为连续的4 4页，每页页，每页为为16KB16KB的实际页内存，它们映射到的实际页内存，它们映射到EMSEMS卡上广大空间的逻辑页内存。卡上广大空间的逻辑页内存。 补充内容位扩展： 扩展每个存储单元的位数 (扩展宽度)字扩展： 扩展存储单元的个数 (扩展长度)字位扩展：两者的综合 (扩展宽度和长度) 假设用同种芯片进行扩展，则需要的芯片 ： 总片数总容量（容量/片） 位扩展字扩展字位扩展例2:一片SRAM的容量为16K1位，欲扩充为容量16K 8位的存储器，所需芯片数？分析：芯片位数小于存储器所要求的

28、位数，需进行位扩展。所需芯片数：16K*8/16K*1=8片；8个芯片的关系是平等的，同时工作，即片选同时有效。数据线：多个位扩充的存储芯片的数据线单独引出，连接于系统数据总线的不同位数,构成6K8位的存储器地址线：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”片选：芯片的片选输入端直接接地，所有芯片同时被访问；常被称为“芯片组”例3:一片2114SRAM的容量为1K4位，欲扩充为容量K8位的存储器的连接方法。地址端：地址端：A9A9A0A0（入）（入）数据端：数据端：D3D3D0D0（入（入/ /出）出）控制端：控制端：片选片选CSCS= 0

29、= 0 选中芯片选中芯片= 1 = 1 未选中芯片未选中芯片写有效写有效WEWE= 0 = 0 写写= 1 = 1 读读21142114（1K1K4 4）1 19 910101818A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE2114（1）A9A0I/O4I/O1片选片选D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECE当构成内存的存储芯片的位长小于内存单元的位长时，就要进行位扩展，使每个单元的位长满足要求。位扩展方法： 将每片的地址线、片选CS、读写控制线并联，数据线分别引出。位扩展特点： 存储器的单元数不变

30、，位数增加。例4: 一片SRAM的容量为16K8位，欲扩充为容量64K8位的存储器，所需芯片数？分析芯片的字数不够，需进行字扩展。共需芯片数目是64K16K4。既要片选，又要片内寻址，如何解决？ 可以用高2位地址作为片选端，低位地址线进行片内寻址。 CSWE CSWE CSWE CSWE地地址址端端地地址址端端 CSWE地地址址端端地地址址端端10特点: 地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，但单元数不满足。扩展原则： 每个芯片的地址线、数据线、读写控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。数据线：多个字扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线；地址线：低位地址线作为片内寻址高位地址线通过译码器进行译码，产生片选信号实际存储器往往需要在字向、位向两个方向同时扩展。一个存储器的容量为MN位，若使用LK位的存储芯片，则该存储器共需的芯片个数为：M N L Kv需解决： 芯片的选用；地址分配与片选逻辑、信号线的连接。要求：1、确定整个存储器所需的芯片数及芯片的分组情况