第五章 微型计算机存储器接口技术.

1、第五章 微型计算机存储器接口技术第一节第一节 存储器概述存储器概述 存储器是微型计算机系统中用来存放程序和数存储器是微型计算机系统中用来存放程序和数据的基本单元或设备。据的基本单元或设备。读读操作和操作和写写操作。操作。一、存储器的分类一、存储器的分类1. 按存储介质分：按存储介质分：半导体存储器（半导体存储器（RAM，ROM）、磁介质存储器和光盘存储器。磁介质存储器和光盘存储器。（2 2）只读存储器）只读存储器ROMROMa. a. 掩模式掩模式ROMROM； b. b. 熔炼式可编程的熔炼式可编程的PROMPROM，c. c. 可用紫外线擦除、可编程的可用紫外线擦除、可编程的EPROM;E

2、PROM;d. d. 可用电擦除、可编程的可用电擦除、可编程的E E2 2PROMPROM等。等。e. e. 闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）：简称闪存）：简称闪存2.2.按存取方式分类按存取方式分类（1 1）随机存取存储器）随机存取存储器RAMRAM 按制作工艺：双极型按制作工艺：双极型 MOSMOS型型 a. a. 静态静态RAM b. RAM b. 动态动态RAMRAM闪存：闪存：Flash MemoryFlash Memory特点特点：非：非易失性存储器易失性存储器，电可擦除和可重复编程电可擦除和可重复编程闪速存储器的技术分类闪速存储器的技术分

3、类：全球闪速存储器的主要供应商有全球闪速存储器的主要供应商有AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。技术架构的不同，分为几大阵营。 3.按在微机系统中位置分类按在微机系统中位置分类 1.1.存储容量存储容量 存储容量是指存储器所存储容量是指存储器所能存储二进制数码的数量能存储二进制数码的数量，存储容量存储容量= =存储单元数存储单元数 每单元的比特数每单元的比特数例如，某存储芯片的容量为例如，某存储芯片的容量为10241

4、0244 4，即该芯片有，即该芯片有10241024个存个存储单元，每个单元储单元，每个单元4 4位代码。位代码。2.2.存取速度存取速度 存取时间是存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间经历的时间，也称为访问时间。，也称为访问时间。存取速度也可用存取周期或数据传输速率来描述存取速度也可用存取周期或数据传输速率来描述. .二、存储器二、存储器芯片芯片的主要性能指标的主要性能指标 衡量半导体存储器衡量半导体存储器芯片芯片性能的主要指标有性能的主要指标有存储容量、存储容量、存取速度、功耗和可靠性存取速度、功耗和可靠性。3.3.功耗和体积功耗和体

5、积 功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小，单位功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小，单位为微瓦为微瓦/ /位（位（W/W/位）或者毫瓦位）或者毫瓦/ /位（位（mW/mW/位）位） 体积和功耗越小越好体积和功耗越小越好. .4.4.可靠性可靠性 可靠性一般是指对电磁场及温度变化等的抗干扰可靠性一般是指对电磁场及温度变化等的抗干扰能力，一般平均无故障时间为数千小时以上。能力，一般平均无故障时间为数千小时以上。三、内存芯片的基本组成三、内存芯片的基本组成地址译码器存储矩阵数据缓冲器012n-101m控制逻辑CSR/Wn位地址m位数据 存储芯片组成示意图 地址译码器：地址译码器： 接收来自接收来自C

6、PUCPU的的n n位地址，经译码后产生位地址，经译码后产生2 2n n个地址个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。选择信号，实现对片内存储单元的选址。 控制逻辑电路：控制逻辑电路： 接收片选信号接收片选信号CSCS及来自及来自CPUCPU的读的读/ /写控制信号，形写控制信号，形成芯片内部控制信号，控制数据的读出和写入。成芯片内部控制信号，控制数据的读出和写入。 数据缓冲器：数据缓冲器： 寄存来自寄存来自CPUCPU的写入数据或从存储体内读出的数据。的写入数据或从存储体内读出的数据。 存储体：存储体： 是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列

7、规律构成。列规律构成。存储体中存储元的排列方式存储体中存储元的排列方式 字结构方式：如字结构方式：如1K*8bit 位结构方式：如位结构方式：如8K*1bit 字位结构方式：如字位结构方式：如2K*4bit一、静态一、静态RAMRAM（SRAMSRAM） RAM 通常用来存储当前运行的程序和在程序通常用来存储当前运行的程序和在程序运行过程中需要改动的数据。相对于运行过程中需要改动的数据。相对于DRAM, SRAM具有速度快，接口简单、读写操作简便等具有速度快，接口简单、读写操作简便等特点，但其存储容量低，价格也偏高，故通常在特点，但其存储容量低，价格也偏高，故通常在多级存储系统中被用于构成多级

8、存储系统中被用于构成cache存储器。存储器。第二节第二节 随机存储器随机存储器 常用的常用的SRAMSRAM芯片有芯片有: :n Intel公司生产的公司生产的21142114、21282128、61166116、62646264、6225662256等。等。 n 容量容量:1K:1K4, 1K4, 1K8, 2K8, 2K8, 8, 512K512K8 8n 现以现以21142114芯片为例对芯片为例对SRAMSRAM的芯片特性和接口方法的芯片特性和接口方法进行介绍。进行介绍。 符符 号号引脚名引脚名 A0A9地址输入地址输入 I/01I/04数据输入数据输入/输出输出 CS片选片选 WE

9、写允许写允许VCC、GND电源、地电源、地1.1.芯片特性芯片特性 Intel 2114是一种存储容量为是一种存储容量为1K1K4 4位，存取位，存取时间最大为时间最大为450ns450ns的的SRAMSRAM芯片。如下图：芯片。如下图：A5A0A2A1CS1921141810VCCA9I/O1A6A4A3A7A8I/O2I/O3WEI/O4GDN2.2.内部结构内部结构A3A4A5A6A7A8行选择64 64存储矩阵.VCCGND输入数据控制I / O1I / O2I / O3I / O4列 I/O 电路列选择. . . . . .A0A2A1A9CSWE片选及读写控制电路：片选及读写控制电

10、路：用于实现对芯片的选择及读写控制用于实现对芯片的选择及读写控制存储矩阵存储矩阵：Intel 2114内部共有内部共有4096个存储电路，排成个存储电路，排成6464的矩阵形式的矩阵形式地址译码器：地址译码器：10根线，两级译码方式，根线，两级译码方式，6根用于行译码，根用于行译码，4根用于列译码；根用于列译码；I/O控制电路控制电路：用于对信息的输入输出进行缓：用于对信息的输入输出进行缓 冲和控制；冲和控制； A0A7：地址信号的输入引脚，用来分地址信号的输入引脚，用来分时接收时接收CPU送来的送来的8位行、列地址；位行、列地址； RAS：行地址选通信号输入引脚，低：行地址选通信号输入引脚，

11、低电平有效，兼作芯片选择信号。当为低电平有效，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；电平时，表明芯片当前接收的是行地址； CAS：列地址选通信号输入引脚，低：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电平有效，表明当前正在接收的是列地址址(此时应保持为低电平此时应保持为低电平)； WE ： 写允许控制信号输入引脚，当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，执其为低电平时，执行写操作；否则，执行读操作。行读操作。 DIN：数据输入引脚；：数据输入引脚； DOUT：数据输出引脚；：数据输出引脚； VDD：十十5V电源引脚；电源引脚； Css

12、：地；地； N/C：未用引脚：未用引脚 二、二、DRAM1.1.芯片特性芯片特性 Intel 2164是一种存储容量是一种存储容量为为64K64K1 1位、最大存取时位、最大存取时间为间为200ns200ns、刷新时间间、刷新时间间隔为隔为2ms2ms的的DRAMDRAM芯片。芯片。N/CDINWERASRASA0A1A2VDD182164DRAM169VSSCASDOUTA6A3A4A5A7引脚排列图引脚排列图2. Intel 2164的内部结构的内部结构8位地址锁存器1/4I/O门 输出缓冲器A0A1A2A3A4A5A6A7DOUTVDDVSS行时钟缓冲器列时钟缓冲器写允许时钟缓冲器数据输

13、入缓冲器RASCASWEDIN128128存储矩阵1/128行译码器128128存储矩阵128读出放大器(1/128列译码器)128读出放大器128读出放大器128读出放大器(1/128列译码器)128128存储矩阵128128存储矩阵1/128行译码器 目前广泛使用的典型目前广泛使用的典型EPROMEPROM芯片有芯片有IntelIntel公公司生产的司生产的27162716、27322732、27642764、2712827128、2725627256、2751227512等等; ; n其容量分别为其容量分别为2K2K8 8位至位至64K64K8,512K8,512K8 8 位位; ;n封

14、装形式封装形式: :前两种为前两种为2424脚双列可直插式封装，脚双列可直插式封装，后几种为后几种为2828脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。第三节第三节 只读存储器只读存储器一、可擦除可编程的一、可擦除可编程的ROMCE/PGM1241213A7A1A0O0O1O2GNDVCCA8A9VPPOEA10O3O7Intel 2716芯片引脚排列图芯片引脚排列图 1.1.芯片特性芯片特性 Intel 2716: Intel 2716: 容量为容量为16K16K（2K2K8 8位位).).Al0A0：地址信号输入引脚，可寻地址信号输入引脚，可寻址芯片的址芯片的2K个存储单元；个存储单元；O7O0：

15、双向数据输入输出引脚双向数据输入输出引脚；CE：片选信号输入引脚，低电平有片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚转入低电平时，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；才能对相应的芯片进行操作；OE ：数据输出允许控制信号引脚，数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输入，低电平有效，用以允许数据输出；输出；Vcc：+5v电源，用于在线的读操作；电源，用于在线的读操作；VPP：+25v电源，用于在专用装置电源，用于在专用装置上进行写操作；上进行写操作；GND：地。地。2. 2. 内部结构内部结构A1A2A3A4A5A6A7O1O2O0A0地VCCA8A9VPP

16、OEA10CEO7O6O5O4O3VCC地VPPOEOE输出允许片选 和编程逻辑译码y x译码输出缓冲. 门y16K Bit存储矩阵地址输入 数据输出O0O7A0A10123456789101112131415161718192021222324 存储阵列：存储阵列：Intel2716存储器存储器芯片的存储阵列由芯片的存储阵列由2K8个带个带有浮动栅的有浮动栅的MOS管构成，共管构成，共可保存可保存2K8位二进制信息，位二进制信息，128128阵列；阵列； X译码器：译码器：又称为行译码器，又称为行译码器，可对可对7位行地址进行译码；位行地址进行译码； Y译码器译码器：又称为列译码器，：又称为

17、列译码器，可对可对4位列地址进行译码；位列地址进行译码； 输出允许、片选和编程逻输出允许、片选和编程逻辑辑：实现片选及控制信息的：实现片选及控制信息的读读/写；写； 数据输出缓冲器：数据输出缓冲器：实现对实现对输出数据的缓冲。输出数据的缓冲。为什么需要为什么需要11根地址线进行片内地址译码？根地址线进行片内地址译码？ EEPROM的读写操作与的读写操作与SRAM, EPROM基基本相同，不过变成写入的时间较长，写入一个本相同，不过变成写入的时间较长，写入一个字节需字节需1-5ms。在大量的内容需要修改时，花费。在大量的内容需要修改时，花费时间较多。时间较多。 因因EEPROM是非易失存储器，而

18、且可以在线是非易失存储器，而且可以在线擦除和写入，因而非常适合在嵌入式系统中用擦除和写入，因而非常适合在嵌入式系统中用于一些偶尔需要修改的少量的参数。于一些偶尔需要修改的少量的参数。三、三、 闪速存储器闪速存储器二、电可擦除可编程的二、电可擦除可编程的ROM 在微型系统中，在微型系统中，CPU对存储器进行读写操作，对存储器进行读写操作，首先首先要由要由地址总线给出地址信号，选择要进行读地址总线给出地址信号，选择要进行读/写操作的存储单元，写操作的存储单元，然后然后通过控制总线发出相应的读通过控制总线发出相应的读/写控制信号，写控制信号，最后最后才能在数才能在数据总线上进行数据交换。据总线上进行

19、数据交换。 所以，存储器芯片与所以，存储器芯片与CPU之间的连接，实质上就是其与之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括：系统总线的连接，包括： 地址线地址线的连接；的连接； 数据线数据线的连接；的连接； 控制线控制线的连接；的连接；在连接中要考虑的问题有以下几个方面：在连接中要考虑的问题有以下几个方面： 第四节第四节 存储器与存储器与CPU的连接的连接一、存储器接口应考虑的几个问题一、存储器接口应考虑的几个问题1. 1. 存储器与存储器与CPUCPU之间的时序配合之间的时序配合 CPU在取址和存储器读或写操作时，是在取址和存储器读或写操作时，是有固定有固定时序时序的，用户要根据这些来确

20、定对的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求，或在存储器已经存储器存取速度的要求，或在存储器已经确定的情况下，考虑是否需要确定的情况下，考虑是否需要Tw周期，以周期，以及如何实现。及如何实现。 2. CPU2. CPU总线负载能力总线负载能力 在设计在设计CPU芯片时，一般考虑其输出线的直流芯片时，一般考虑其输出线的直流负载能力为带一个负载能力为带一个TTL负载。负载。 故在小型系统中，故在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相是可以直接与存储器相连的；而较大的系统中，若连的；而较大的系统中，若CPU的负载能力不能满的负载能力不能满足要求，可以再加缓冲器或驱动器，提高总线带负足要求，可以

21、再加缓冲器或驱动器，提高总线带负载能力。载能力。 如地址锁存器如地址锁存器8282、总线收发器、总线收发器82863. 3. 存储芯片的选用：包括存储器容量及存储器空间存储芯片的选用：包括存储器容量及存储器空间的安排的安排 内存通常分为内存通常分为RAM和和ROM两大部分，而两大部分，而RAM又分为系又分为系统区和用户区，用户区又要分成数据区和程序区，统区和用户区，用户区又要分成数据区和程序区，ROM的分的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，目前生产的存储器芯片，单片的容量仍然是有限的，通常总目前生产的存储器芯片，单片的容量仍然是有限的，通常