存储器芯片时序课件

微型计算机系统微型计算机系统第五章存储系统及半导体存储器第五章存储系统及半导体存储器2CompanyLogo第五章存储系统及半导体存储器第五章存储系统及半导体存储器2教学提示：存储器是计算机系统的记忆部件，用来存放程序和各种数据信息，根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。在计算机开始工作以后，存储器还要为其他部件提供信息，同时保存中间结果和最终结果。通过本章的学习，需要掌握半导体存储器的分类，了解不同类型的存储器各自的特征，掌握存储器系统的组织方法，掌握存储器地址线、数据线、控制线的连接方法。

教学要求：第五章存储系统及半导体存储器3CompanyLogo教学提示：存储器是计算机系统的记忆部件，用来存第五章存储系统及半导体存储器

5.1存储系统与半导体存储器的分类5.2随机存取存储器5.3只读存储器5.4存储器的连接与扩充5.5微机系统的存储器体系结构5.6PC机的存储系统

本章主要内容:4CompanyLogo第五章存储系统及半导体存储器5.1存储系统与半导体存§5.1存储系统与半导体存储器的分类§5.1.1存储器概述

存储器是微机的一个重要组成部分,一般分为内存储器和外存储器。内存储器和微处理器一起构成微机的主机部分。CPU是通过系统总线直接访问内存。存储器的作用：存放待加工的原始数据和中间计算结果以及系统或用户程序等。第五章存储系统及半导体存储器5CompanyLogo§5.1存储系统与半导体存储器的分类§5.1.1存

e盘（基于USB接口的电子盘等）存储器内存（RAM+ROM）：

1、存储器按工作方式分类（半导体存储器，本章内容)外存磁盘软盘：普通1.44M

硬盘：从10MB~几百GB光盘CD、DVD(650MB、4.7GB）磁光盘MO：高密度、大容量、快速、“无限次”擦写、寿命长、可靠性高、抗干扰强、性价比高（1.3GB~几个GB）第五章存储系统及半导体存储器6CompanyLogoe盘（基于USB接口的电子盘等）存内存（RAM+ROM）：2、内存储器

存储单元：存储器中存储信息的最小的单位，每个存储单元能存放若干位二进制数据，一般可存放8位(即一个字节)二进制数据。存储单元地址：存储单元按照顺序的线性方式组织编号。排在前面的单元是0号单元，其地址(单元编号)为0，往下依次是1号单元、2号单元……。地址具有唯一性，对存储单元的访问就可以通过地址进行。

内存储器的存储载体材料：目前采用半导体存储器。第五章存储系统及半导体存储器7CompanyLogo2、内存储器存储单元：存储器中存储信息的最小的单位，每个存

存储器的主要性能指标：

存储容量：指存储器能存储的二进制信息。

存储器芯片容量：存储单元数×每单元的数据位数。

存储容量单位：1字节=8bit；1KB=210字节=1024字节；

1MB=210KB=1024KB；1GB=210MB=1024MB；

1TB=210GB=1024GB。存取时间：访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所需要的时间。第五章存储系统及半导体存储器

8CompanyLogo存储器的主要性能指标：第五章存储系统及半导体存储器8

半导体存储器（Memory）随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）

双极型RAM

动态金属氧化物（MOSRAM）掩膜ROM可编程ROM（PROM）紫外线可擦除的PROM（EPROM）电可擦除的PROM（EEPROM）快擦写存储器（FlashMemory）

§5.1.2半导体存储器的分类

从应用角度可分为两大类：动态RAM（DRAM）静态RAM（SRAM）第五章存储系统及半导体存储器9CompanyLogo半导体存储器随机存取存储器只读存储器双极型RAM动态金1.随机存取存储器（RAM）也称读写存储器。RAM中的内容既可以读也可以写，但里面存储的信息断电就消失主要是用来存放一些和系统进行实时通信的输入、输出数据、中间果以及和外存交换的信息。

（1）双极型半导体RAM

具有存取速度高、集成度低、功耗大、成本高的特点；用于存取速度要求比较高的微机中和Cache；第五章存储系统及半导体存储器（2）动态金属氧化物(MOS)RAM

具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜的特点；10CompanyLogo1.随机存取存储器（RAM）也称读写存储器。（1）双极第五章存储系统及半导体存储器它又可分为：静态RAM：结构复杂、集成度低、不需刷新，速度快。

动态RAM：集成度高，功耗更小，但它靠电容存储电荷来记录信息，要求周期性地将存储单元中的内容读出再写入。2.只读存储器（ROM）ROM中的信息是只能读不能写的，但断电后信息不消失，在计算机重新加电后，原有的内容仍可以读出来的；一般用来存放一些固定的程序和数据。11CompanyLogo第五章存储系统及半导体存储器它又可分为：2.只读存储器掩膜ROM

厂家对用户定做的掩膜ROM进行编程，信息就固化其中，不能改变可编程ROM(PROM)

芯片在出厂时并没有固化信息，允许用户一次性写入，以后就不可更改了。可擦除可编程ROM（EPROM）可用紫外线进行多次擦除和由专用的设备完成重写的可编程ROM，写入的速度较慢。电可擦除可编程ROM(E2PROM)

使用特定电信号进行擦除的可编程ROM，可以在线操作。ROM的分类：第五章存储系统及半导体存储器12CompanyLogo掩膜ROM可编程ROM(PROM)可擦除可编程ROM（E§5.2随机存取存储器易失性存储器，即断电后存储内容立即丢失能随机地存取存储器中的任何一个存储单元存取的时间和该单元的物理位置无关

§

5.2.1静态RAM

1.基本的存储电路存储器由若干个基本存储电路有规则地排列而构成，一个基本存储电路存储1位二进制数。一个基本存储电路是双稳态触发电路，典型的六管电路图如图：第五章存储系统及半导体存储器13CompanyLogo§5.2随机存取存储器易失性存储器，即断电后存储内容立即（1）T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T4为负载管。如A点为数据D，则B点为数据D。（2）读操作：行选择线（X地址线）有效（高电平）时，A、B处的数据信息通过门控管T5和T6送至T7和T8。列选择线（Y地址线）有效（高电平）时，T7和T8导通，D0、D0的数据信息通过输入输出电路I/O及I/O输出；第五章存储系统及半导体存储器14CompanyLogo（1）T1和T2组成一个双稳态触发器，用于保存数据。T3和T

（3）写操作：写入信号自I/O以及I/O线输入，当写“1”时，I/O线为“1”，而I/O线为“0”。I/O线上的高电平通过T7管、D线、T5管送到A点，而I/O线上的低电平经T8管、D线、T6管送到B点，使T2管导通、T1管截止，保持A点为1、B点为0。15CompanyLogo（3）写操作：15CompanyLogo2.典型的静态RAM芯片

有：6116、6264、62256、628128等

↑↑↑↑

2K×8位8K×8位

32K×8位

128KX8位

628128

32个引脚：

17根地址线A16～A0：9根行译码线、8根列译码线；

8根数据线D7～D0

片选CS1、CS2

读写WE、OE第五章存储系统及半导体存储器16CompanyLogo2.典型的静态RAM芯片有：6116、628128的基本组成框图第五章存储系统及半导体存储器17CompanyLogo628128的基本组成框图第五章存储系统及半导体存储器工作模式CS1CS2

WE

OE未选中未选中禁止读出写入写入1×0000×01111××1100××1010628128的功能表第五章存储系统及半导体存储器18CompanyLogo工作模式CS1CS2WEOE未选中1×××628128HM6116芯片存储容量为2K×8bit28个引脚：11根地址线A10～A08根数据线D7～D0片选CS1、CS2读写WE、OE+5VWE*CS2A8A9A10OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615第五章存储系统及半导体存储器19CompanyLogoHM6116芯片存储容量为2K×8bit+5VNC12§5.2.2动态RAM

以电荷形式来存储信息的半导体存储器，具有集成度高、功耗小；

采用“位结构”存储体，每个存储单元存放一位；必须配备“读出再生放大电路”进行刷新；1.单管动态存储电路利用MOS管栅极和源极之间的寄生电容C存储电荷的原理来存储信息的。一个典型的单管存储电路原理图：电容C上有电荷表示存储的二进制信息是“1”，无电荷表示“0”。第五章存储系统及半导体存储器20CompanyLogo§5.2.2动态RAM1.单管动态存储电路利用MOS

读操作：字选线为高电平,T1管导通，若存储单元为1,导通时C上电荷转移到C上，所以D为1；若存储单元为0,C上原无电荷,则D为0；每个数据读出后，C上的电荷释放，信息被破坏，必须重新恢复C上的电荷量，称为刷新。

写操作：字选线X为“1”，T1管导通，写入的信息通过数据线D存入电容C中。21CompanyLogo读操作：写操作：21CompanyLogo

2.动态RAM的刷新存储电路中电容C会泄漏放电,要保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM不断进行读出和再写入，以使放电泄漏的电荷得到补充。

刷新的时间间隔是随温度而变化的，一般为1～100ms，一般的刷新间隔为2ms。

3.典型的动态RAM芯片

有4116、Intel2164、μpd424256等芯片（1）Intel2164A的结构

芯片2164A的容量为64K×1位，即片内共有64K(65536)个地址单元，每个地址单元存放一位数据。片内要寻址64K，则需要16条地址线，为了减少引脚，地址线分为两部分：行地址与列地址。芯片的地址引线只要8条，内部设有地址锁存器。22CompanyLogo2.动态RAM的刷新存储电路中电容C会泄漏放利用多路开关，由行地址选通信号行地址选通信号RAS将先送入的8位行地址送到片内行地址锁存器，然后由列地址选通信号CAS将后送入的8位列地址送到片内列地址锁存器。16位地址信号选中64K个存储单元中的一个单元。数据线是输入和输出分开的，由WE信号控制读写。无专门的片选信号。

（2）Intel2164A的操作

数据读出数据写入读―修改―写刷新：送入7位行地址，同时选中4个存储矩阵的同一行，即对4×128=512个存储单元进行刷新23CompanyLogo利用多路开关，由行地址选通信号行地址选通信号RAS将先送入§5.3只读存储器在一般工作状态下，ROM中的信息只能读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来信息擦除，以便再次编程§5.3.1掩膜ROM掩膜ROM芯片所存储的信息由芯片制造厂家完成，用户不能修改。掩膜ROM以有/无跨接管子来区分0/1信息：有为0，无（被光刻而去掉）为1。位线字线D3D2D1D0单元00110单元11001单元21100单元3101024CompanyLogo§5.3只读存储器在一般工作状态下，ROM§5.3.2可编程的ROM

一种双极型可编程的ROM(PROM)的基本存储结构，在晶体管发射极与数据位线间连有熔丝，所以这种PROM也称“熔丝式”PROM。出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。25CompanyLogo§5.3.2可编程的ROM一种双极型可编程的RO§5.3.3可擦除可编程的ROM

一种用紫外线可擦除允许用户多次写入信息的只读存储器(EPROM)

1、特点：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；26CompanyLogo§5.3.3可擦除可编程的ROM一种

2、典型的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片

2716、2732、2764、27128、27256、27512等。2K×8位4K×8位

8K×8位

16K×8位

32K×8位

仅容量不同，工作方式、引脚的作用都相同。工作方式选择表

引脚模式

/VPP

VCC输出O0～O7读LL+5V数据输出编程校验L0+5V数据输出待用HX+5V高阻编程LVpp+5V数据输入编程禁止HVpp+5V高阻27CompanyLogo2、典型的可擦除可编程的ROM(EPROM)芯片地址线：A0-A11数据线：O0-O7片选信号：CE输出允许信号：OE编程电源：VPP28CompanyLogo地址线：A0-A1128CompanyLogo§5.3.4

电可擦除可编程的ROM

和EPROM相比的最大特点是无需从应用系统中拆卸下来而是“在线”地进行电改写。改写后的信息可以快速读出，可以长期非易失性地保持信息。

1、特点：在线改写，简单，在单一5V电源下即可完成；擦除与写入同步，约10ms。有些E2PROM设有写入结束标志以供查询或申请中断；一般为并行总线传输，但也有采用串行数据传送的；具备RAM、ROM的优点,但写入时间较长。29CompanyLogo§5.3.4电可擦除可编程的ROM和EPRO

2、典型芯片（28系列）

2816、2817A：2K×8bit2832：4K×8bit28512：64K×8bit2817A的内部结构如图所示。地址线：A0-A10数据线：I/O0-I/O7片选信号：CE输出允许信号：OE写入允许信号：WE准备就绪/忙控制信号：RDY/BUSY30CompanyLogo2、典型芯片（28系列）2817A的内部结构如图所示。地址§5.3.5闪速存储器（FlashMemory）一种新型非挥发性存储器；吸收了EPROM结构简单的特点，又吸收了E2PROM电擦除的特点；具备RAM的高速性，还兼有ROM的非挥发性。可以整块芯片电擦除、耗电低、集成度高、体积小、可靠性高；无需后备电池支持、可重新改写、重复使用性好(至少可反复使用10万次以上)；广泛应用在Pentium及其以上级别的主板中，应用在超小型专用便携式电脑(代替微型硬盘)中；取代ROM及特种专用微型硬盘已成为一种发展趋势。31CompanyLogo§5.3.5闪速存储器（FlashMemory）一§5.4存储器的连接与扩充选片确定芯片数芯片的地址分配如何把芯片连接起来在微机系统要组成一个存储器系统，就是通过总线将RAM、ROM芯片和CPU连接起来，使之协调工作。首先要考虑:

32CompanyLogo§5.4存储器的连接与扩充选片在微机系统要组成一个存储器系§5.4.1存储器芯片选择

1、类型选择RAM——存储用户的调试程序、程序的中间运算结果及掉电时无需保护的I/O数据及参数等。SRAM—与CPU连接简单，无需接口电路，在小型系统中、智能仪表中采用。②DRAM—集成度高，但需刷新电路，与CPU的接口复杂，仅在需要较大存贮容量的计算机产品中应用。

ROM——具有非易失性。

①

EPROM—存放系统（监控）程序，无需在线修改的参数。②

E2PROM—数据、参数等有掉电保护要求的数据。33CompanyLogo§5.4.1存储器芯片选择1、类型选择R

2、存储器芯片与CPU的时序配合

应尽可能选择与CPU时序相匹配的芯片。

CPU时序：

CPU进行读写操作时，什么时候送地址信号,什么时候从数据线上读数据,其时序是固定的。存储器芯片时序：从外部输入地址信号有效，到把内部数据送至数据总线上的时序也是固定的，由存储器的内部结构和制造工艺决定。34CompanyLogo2、存储器芯片与CPU的时序配合

在微机系统要组成一个存储器系统，就是通过总线将RAM、ROM芯片和CPU连接起来，使之协调工作。首先要考虑:

选片确定芯片数芯片的地址分配如何把芯片连接起来§5.4存储器的连接与扩充35CompanyLogo在微机系统要组成一个存储器系统，就是通过总线将R§5.4.1存储器芯片选择

1、类型选择

RAM——存储用户的调试程序、程序的中间运算结果及掉电时无需保护的I/O数据及参数等。①SRAM—与CPU连接简单，无需接口电路，在小型系统中、智能仪表中采用。②

DRAM—集成度高，但需刷新电路，与CPU的接口复杂，仅在需要较大存贮容量的计算机产品中应用。ROM——具有非易失性。

①

EPROM—存放系统（监控）程序，无需在线修改的参数。②

E2PROM—数据、参数等有掉电保护要求的数据36CompanyLogo§5.4.1存储器芯片选择1、类型选择ROM——

2、存储器芯片与CPU的时序配合

应尽可能选择与CPU时序相匹配的芯片。

CPU时序：

CPU进行读写操作时，什么时候送地址信号,什么时候从数据线上读数据,其时序是固定的。存储器芯片时序：从外部输入地址信号有效，到把内部数据送至数据总线上的时序也是固定的，由存储器的内部结构和制造工艺决定。37CompanyLogo2、存储器芯片与CPU的时序配合§5.4.2存储器容量扩充例:

采用N╳m位的存储器芯片组成N╳km位的存储器芯片组，需要:

N╳kmbit

芯片数为：=k(片)N╳mbit

1、位扩充

当配置的存储器的单元数和采用的存储器芯片的单元数一样，但位数不同时，要进行位扩展。当单片存储器芯片的容量不能满足系统容量要求时，可多片组合以扩充位数或存贮单元数。38CompanyLogo§5.4.2存储器容量扩充例:采用N╳m位的存接线特点：

地址线：k片芯片的地址范围相同，地址线的连接一样；各芯片的地址线Ao～Ai并接在一起分别和CPU地址线连接。片选信号：各芯片的片选端CS都应并接在一起,连接到CPU相应的控制线上；数据线：K片芯片的数据线独立。39CompanyLogo接线特点：39CompanyLogo所需芯片数为8片。这8片芯片的地址线A0～A9分别连在一起，各芯片的片选信号以及读/写控制信号也都分别连在一起，只有数据线是各自独立的，每片代表一位。例：用1K×1的静态RAM芯片位扩充形成1KB的存储器。40CompanyLogo所需芯片数为8片。这8片芯片的地址线A0～A9分别连在一起，例

采用N╳m位的存储器芯片组成kN╳m位的存储器芯片组，需要

kN╳mbit

芯片数为：=k(片)N╳mbit2、单元数扩充（字扩充）

当配置的存储器的位数和采用的存储器芯片的位数一样，但单元数不同时，要进行单元数扩展。接线特点：k片芯片的地址线、读写控制线并联后同接相应信号；k片芯片的地址范围不同，各芯片的片选信号不同，各片片选信号CS应连接不同的片选控制信号；各芯片的数据线连接相同。41CompanyLogo例采用N╳m位的存储器芯片组成kN╳m例:

用1K×8的芯片扩充组成4KB的存储器。构成容量为4KB的存储器需要4KB/1KB=4片4个1K×8芯片组的地址线A0～A9，数据线D0～D7，及读／写信号WE都是分别连在一起的。通过译码器，产生4个片选信号，分别选择4个1K×8的芯片组。42CompanyLogo例:用1K×8的芯片扩充组成4KB的存储器。4个1K×8

3、字位扩充

主存储器要求容量较大，而存储器芯片的字数和字长均不能满足主存储器要求时,

需要在字数和位数上同时扩展，以构成主存储器。例：采用N╳m位的存储器芯片构成kN╳jm位的存储器系统，需要多少片N╳m位的存储器芯片？43CompanyLogo3、字位扩充例：采用N╳m位的存储器芯片构成解:N╳m位的存储器芯片组成N╳jm位的存储器芯片组，进行位扩充，需要j片芯片组成一组；

N╳jm位的存储器芯片组组成kN╳jm位的存储器，进行单元数扩充，需要k组；采用N╳m位的存储器芯片构成kN╳jm位的存储器系统，总共需要k╳j片芯片。存储体总单元数存储体位数芯片单元数芯片位数×所需芯片=44CompanyLogo解:N╳m位的存储器芯片组成N╳jm位的

Intel2164的容量是64K×1

首先需要位扩充，用8片2164组成64KB的内存模块；用两组64K×8位的模块进行字扩充。总共需要这样的芯片16片。例采用Intel2164芯片构成容量为128KB的内存。45CompanyLogoIntel2164的容量是64K×1例§5.4.3

存储器芯片的地址分配

地址范围指首地址（起始地址）〜末地址地址范围和存储器容量有关,末地址为（首地址+单元数-1）

容量为NKB（NK×8位）存储器的地址范围为：首地址〜首地址+(N×

K–1)例1:一个8088系统配置了16K×8位的存储器，其起始地址为10000H，则该存储器末地址为46CompanyLogo§5.4.3存储器芯片的地址分配地址范围指例2:8088系统配置16KB存储器，其中4KBROM，12KBRAM，ROM首地址为00000H，RAM地址和ROM地址连续。若选用2K╳8位的ROM、RAM芯片，写出各存储器芯片的地址范围。解:芯片数量:

2片ROM和6片RAM，地址范围:

00000H〜03FFFH

ROM的地址范围:#1ROM的地址范围:#2ROM的地址范围:00000H～03FFFH04000H～07FFFH08000H〜00FFFH

RAM的地址范围：01000H〜03FFFH#1RAM的地址范围：#2RAM的地址范围：#3RAM的地址范围：#4RAM的地址范围：#5RAM的地址范围：#6RAM的地址范围：01000H〜017FFH01800H〜01FFFH02000H〜027FFH02800H〜02FFFH03000H〜037FFH03800H〜03FFFH47CompanyLogo例2:8088系统配置16KB存储器，其中4KBROM，§5.4.4存储器芯片的片选信号多个存储芯片组成存储器时，CPU对某一存储单元的寻址方式:通过片选信号选择存储芯片;通过片内寻址从该存储芯片中选择某一存储单元。

片内寻址是经芯片内部的地址译码电路实现的，存储器芯片容量决定芯片需要多少根地址线（低位地址线）进行片内译码寻址；

片选是由地址的高位部分提供，通过存储器外部的有关电路而产生的。片选信号的产生方法：(主要有三种)线选法、部分译码和全译码。48CompanyLogo§5.4.4存储器芯片的片选信号片选信号的产生方法：(

1、全译码法所有高位地址线译码，译码输出产生片选信号。

用于译码的器件称为译码器，74LS138为典型的译码器。

控制信号输入信号输出信号G1G2AG2BCBAY0Y1Y2┅┅Y7

100000011┅┅1100001101┅┅1100010110┅┅1┆┆┆┆

┆┆┆┆100111111┅┅0

其它代码

×××111┅┅149CompanyLogo1、全译码法用于译码的器件称为译码器，74LS13

例：采用6116存储芯片(2K×8)用全译码法实现8KB的存储器系统。存储器的首地址为80000H。

分析：译码电路：芯片6116的片内地址线为A0～A10，将剩余的高位地址A19～A11进行完全译码。系统的存储器地址范围为：80000H〜81FFFH系统所需6116存储器芯片=8KB/2KB=4片#16116的地址范围为：#26116的地址范围为：#36116的地址范围为：#46116的地址范围为：地址分配：80000H〜807FFH80800H〜80FFFH81000H〜817FFH81800H〜81FFFH50CompanyLogo例：采用6116存储芯片(2K×8)用全译码法实现8KB的根据各片地址范围分析各芯片的高位地址线A11〜A19的区别：

A19┄┄A11A10┄┄A0

#1100000000

00000000000

#2100000001

00000000001

#3100000010

00000000010

#4100000011

┇┇┇

11111111111

根据各芯片的高位地址线代码有多种硬件接线方法：51CompanyLogo根据各片地址范围分析各芯片的高位地址线A11〜A1采用全译码方式的存储器系统硬件原理图如图所示：52CompanyLogo采用全译码方式的存储器系统硬件原理图如图所示：52Compa2、部分译码法

一部分高位地址线译码，译码输出产生片选信号。存储单元有多个地址即地址重叠。例：采用6116存储芯片(2K×8)实现8KB的存储器系统的实例。

A19┄┄A11A10┄┄A0#110000000000000000000#210000000100000000001

#310000001000000000010

#4100000011┇┇┇

11111111111

用A11、A12两根地址线进行译码实现部分译码。53CompanyLogo2、部分译码法例：采用6116存储芯片(2K×8)实现8K采用部分译码方式的存储器系统硬件原理图如图所示：54CompanyLogo采用部分译码方式的存储器系统硬件原理图如图所示：54Comp

3、线选法

用高位地址线直接作芯片的片选信号。有地址重迭和几片芯片的地址不连续现象。例：采用6116存储芯片(2K×8)实现8KB的存储器系统的实例。分析：6116芯片的片内地址线11根，分别接A0～A10；