第05章存储器.ppt

1、第5章 存储器系统,微机原理与接口技术,2,总目录,第5章 存储器系统,3,5.1存储器概述,5.1.1存储器的分类 5.1.2主要性能指标 5.1.3内存的一般结构,4,5.1.1 存储器的分类,存储器是计算机系统中用来存放程序和数据的装置，叫存储器。英文单词是Memory、Storage。,在现代计算机中，内部存储器处于重要的地位。 存储器以二进制保存数据。,5,5.1.1 存储器的分类（续）,存储器,主存储器,辅助存储器,RAM,ROM,SRAM,DRAM,ROM,PROM,EPROM,EEPROM,硬盘,光盘,U 盘,（内存）,（外存）,6,1.按存储介质分为：,2.按存储内容可变性分

2、为：,5.1.1 存储器的分类（续）,半导体存储器常作主存 磁表面存储器磁带,磁盘 光存储器光盘,随机存储器(RAM)既能读出又能写入 只读存储器(ROM)只能读出不能写入,Random Access Memory Read Only Memory,7,3.按RAM工艺又分为：,4. MOS型RAM又分为：,双极型RAM 双极型随机存储器 MOS型RAM金属氧化物型随机存储器,静态RAM (SRAM) 静态随机存储器 动态RAM (DRAM) 动态随机存储器,Static 静态的。 Dynamic 动态的 。,8,5.按作用分为：,高速缓存（CACHE） 速度最快。 主存（内存）直接和CPU交

3、换信息,且按存储单元读/写数据,速度快。 辅存（外存）不能直接和CPU交换信息，作主存的外援,存放暂时不执行的程序和数据,它只是在需要时与主存进行批量数据交换,容量大,速度慢。,6.ROM分为：,5.1.1 存储器的分类（续）,9,容量越来越大,速度越来越快,10,11,比较一下,双极型SRAMDRAM,DRAMSRAM双极型,集成度,速度,12,(1) 掩模ROM,(2) PROM,(3) EPROM,(4) EEPROM,Read Only Memory分为：,掩模工艺 制造,可一次编程,电可擦去的PROM,可擦去的PROM,(5) FLASH,闪存,13,Read Only Memory

4、,(1)掩模工艺ROM Mask Programmed ROM (2)PROM Programmable ROM (3)EPROM Erasable Programmable ROM (4)EEPROM Elactrically- Erasable PROM (5)FLASH ROM,14,5.1.2主存储器的技术指标,存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。 而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。,注意：微机中可编址的最基本单位是Byte。,15,1、存储容量： 一个存储器中可以容纳的存储单元总数。 单位： bit 二进制位数。 8 b

5、it= 1 Byte 字节,最小的存储容量单位是位（bit）， 最基本的存储单元单位是字节（Byte）。,16,这里指的是存贮器芯片的存贮容量，其表示方式一般为： 芯片的存贮单元数每个存贮单元的位数。,存储容量（续1）,比如： 512K8 bit 64M 8 bit,17,存储容量（续2）,1 Kilo =210=1024,1 Mega=220=10241024,1 Giga =230=102410241024,1 Tera =240 =1024102410241024,18,存储容量（续3）,它们之间的换算关系为：,1 Byte=8 bit1 KB= 1024 Byte1 MB= 1024

6、KB1 GB= 1024 MB 1 TB= 1024 GB,19,存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，又称为读写周期。 SDRAM: 12ns 10ns 8ns RDRAM:1ns 0.625ns,2、存取速度,此值越小，速度越快。单位：ns。 如：HM62256 为 120-200ns。 目前，微机的内存条速度达几个 ns。,20,3、存储器带宽,单位时间内所存取的信息量。 通常以 bit/s 或 Byte/s 作度量单位。,存取时间、存储周期和存储器带宽 反映了主存的速度指标,21,4、可靠性 可靠性是用平均故障间隔时间来衡量（MTBF, Mean Time Betw

7、een Failures） 5、功耗 功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小。,22,1、主存储器芯片的一般结构,5.1.3内存的一般结构,23,5.2SRAM存储器,5.2.1SRAM基本单元 5.2.2SRAM逻辑结构 5.2.3SRAM芯片 5.2.4常用译码器,24,SRAM（Static RAM） 静态读写存储器。,Static 静态的,5.2.1 SRAM基本单元,T1，T2控制管 T3，T4负载管,交叉耦合构成双稳态,26,组成 双稳态 选中 写操作 读操作,SRAM基本单元的工作原理,27,存储阵列 地址译码电路 读写电路 控制逻辑电路 数据缓冲器,5.2.2SRAM逻辑结构,2

8、8,基本的SRAM逻辑结构（续1）,在较大容量的存储器中，往往把各个字的同一位组织在一个芯片中。,（1） 存储阵列,同时又排成矩阵结构。故又称存储矩阵。,29,基本的SRAM逻辑结构（续2）,（2）地址译码,两种形式：,单译码结构,双译码结构,30,31,比如 212= 4096 地址线需 12 根（二进制） 译码器的输出叫字选择线。共有4096根。 所以单译码方式只使用于小容量存储器。 参看P69 图3.2,单译码结构：,32,有两级译码,双译码结构：,X 向译码器（行）,Y 向译码器（列）,行选择线64根,列选择线64根,仍然为4096单元,4096!,33,34,基本的SRAM逻辑结构（

9、续3）,(3) 读写电路,Chip Select,片选 低电平有效,一片的容量很有限，往往是 多片组成。就有了片选。,35,读写电路（续）,=Write Enable 写允许，低电平有效,=Output Enable 读允许，低电平有效,36,读写电路（续2）,写操作,读操作,37,读与写的互锁逻辑,读时不写 写时不读,38,（4） I/O电路：,处于数据总线和被选中的单元之间，用于控制被选中单元的读出或写入。并具有放大信息的作用。,39,（5）驱动器：,一条X 线上要挂上该行上所有存储元。故电容负载很大，为此要加驱动器。,40,（6）输出驱动电路：,存储器片子要 连到数据总线上，有时候将其与

10、DB断开。故要 用到三态门缓冲器。,41,片内地址线： 比如：A12A0 数据线： 比如：D7D0 控制线： 比如：,SRAM的三组外部引脚,42,5.2.3 SRAM芯片,1、SRAM特 点,只要不掉电信息会一直保存，不需要 刷新； 读写速度快； 集成度低，功耗大。 常用作高速缓存。,43,2典型SRAM芯片,芯片类型： SRAM 芯片型号： INTEL 6264 容量： 8K8bit 引线图： 如图所示,SRAM不需要刷新。 并且易于掉电保护。,44,6116引脚图 6264引脚图,GND,GND,45,A0A12 13条地址信号输入线,D0D7 8条数据线,、CS2 两条片选信号的引线。

11、,输出允许信号。,写允许信号。,容量为：8K8bit,46,6264真值表,47,62128引脚图 62256引脚图,GND,GND,48,49,628128,50,51,3.SRAM的时序,52,6264(6164)的工作过程,图5.11 SRAM6264数据写入波形,53,图5.12 SRAM6264数据读出波形,54,6264芯片与系统的连接,55,4典型SRAM芯片2,芯片类型： SRAM 芯片型号： INTEL 2114 容量： 1K4bit 引线图： 如图所示,56,57,58,A0A9 10条地址信号输入线,I/O1I/O4 4条数据线,读写控制输入线,片选信号的引线,容量为：1

12、K4bit,59,5、SRAM与CPU的连接,60,利用CPU的所有地址线来连接存储芯片。每一个存储器单元惟一地对应CPU的一个地址。比如：下图地址空间为： F0000H-F1FFFH 8KB,（1）全地址译码方式,图 SRAM6264的全地址译码连接,62,图 另一种译码器,63,(2) 部分地址译码方式 分析图5.4所示的连接图，可以发现，此时的8KB芯片6264所占据的内存地址空间为: DA000HDBFFFH DE000HDFFFFH FA000HFBFFFH FF000HFFFFFH,64,图 SRAM6264的部分地址译码连接,65,5.2.4 译码器芯片,1、常用译码器芯片,2:

13、4译码器： 74LS139 3:8译码器： 74LS138 4:16译码器： 74LS154,66,2、 74LS138,67,C、B、A 选择输入端,- 8个输出端,G1 、 、 使能输入端,68,工作特点 当 G1、 ， 有效时，芯片工作。 工作时YCBA=0,G1=1,69,74LS138功能表,70,70,3、 74LS154,71,4、利用译码器连接,译码器电路 利用厂家提供的现成的译码器芯片。 利用厂家提供的数字比较器芯片。 利用ROM做译码器。 利用PLD。,72,图5.5 两片6116与8位总线的连接图,GND,73,5.3 DRAM存贮器,5.3.1DRAM概述 5.3.2典

14、型DRAM芯片 5.3.3DRAM的连接使用 5.3.4内存条,74,5.3.1 DRAM概述,速度较快,集成度高,功耗小,价格低,需要刷新,用作常规内存,1、DRAM概述,75,Cs信息电容 Cd分布电容,2、动态存储单元,76,写操作：字选线为高，T1导通，数据信息通过数据线进入存储单元； 读操作：字选线为高，T1导通，C上的电荷输出到数据线上。 刷新：电容Cs上的电荷会泄漏，所以要定时对存储单元进行刷新操作，补充电荷。,Refresh 刷新,77,芯片类型： DRAM 芯片型号： INTEL2164A 容量： 64K1bit 引线图： 如图所示,DRAM需要刷新。 芯片控制引脚和地址引脚

15、与SRAM不同。,5.3.2 典型DRAM 芯片,78,图5.36 DRAM2164引线图,1、2164A的外部引脚,79,2164A的内部结构,80,A0A7 8条地址信号输入线,DIN+DOU 2条数据线,行地址锁存信号。,列地址锁存信号,81,ROW ADDRESS Strobe,COLUMN ADDRESS Strobe,行地址选通,列地址选通,82,图 Intel 2164A 结构框图,2、2164A的内部结构,83,84,地址总线 数据总线,85,3. DRAM的工作过程 读出数据。 写入数据。 读-改-写操作 刷新。,86,图 DRAM2164的读出过程,87,88,图 DRAM

16、2164的写入过程,89,90,在指令中，常常需要对指定单元的内容读出并修改后写回到原单元中，这种指令称为读改写指令。如： AND BX, AX ADD SI, BX 为了加快操作速度，在动态存储器中专门设计了针对读改写指令的时序，遇到读改写指令，存储器自动用该时序进行操作。,读改写操作：,91,图 DRAM2164的读改写操作的时序,92,读改写操作 类似于读操作和写操作的结合，在行选通和列选通同时有效的情况下: 写信号高电平，先读出 在CPU内修改后, 写信号变低，再实现写入。,93,图5.39 DRAM2164的刷新过程,Refresh,94,95,刷新操作：,由于存储单元中存储信息的电

17、容上的电荷会泄漏，所以要在一定的时间内，对存储单元进行刷新操作，补充电荷。,96,DRAM,97,4. 2164A在系统中的连接,与系统连接图,98,下面以PCX T微型机动态存贮器为例，说明该系统中DRAM的工作及刷新过程。 1. 行列控制信号的形成 2. DRAM的读写 3. 刷新,5.3.3DRAM的连接使用,99,图5.40 PC/XT机DRAM行（ ）列（ ）形成电路,100,图5.41 DRAM读写简化电路,101,将多个DRAM芯片，安装在一块小电路板上，就构成内存条。,5.3.4 内存条,内存条为后期发展的、在目前流行使用的存储器印刷电路小板条。主板上不再安装基本内存，而是根据

18、用户需要在专用的插座上插入内存条。,102,103,SIMM (Single In_Line Memory Modules) 单排直插式存储器模块 DIMM (Double In_Line Memory Modules ） 双排直插式存储器模块,104,80386时代是SIMM30线。8bit规格和16bit规格。 80486时代是SIMM72线。32bit规格。 Pentium时代是DIMM168线。64 bit规格。 DDR DIMM 是184PIN。 64 bit规格。 DDR2 DIMM 是240PIN。 64 bit规格。 DDR3最高能够达到1600Mhz的规格。 引脚数目 ： 2

19、40。 数据线宽度：64 bit规格。 工作电压： 1.5V 核心频率： 200MHZ 传输带宽： 12800MB/s,Dual Data Rate,105,30线SIMM 72线SIMM 168线DIMM 184线DIMM,106,5.4 只读存储器,5.4.1 掩膜ROM 5.4.2 可编程ROM 5.4.3 EPROM 5.4.4 EEPROM 5.4.5 FLASH,107,只读存储器（ROM） 是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的。,Read Only Memory,只要一接通电源，里面的程序和数据就能读出使用。,108,5.4.1 掩

20、膜ROM,109,5.4.1 掩膜ROM（续）,110,可编程ROM（PROM）是一种允许用户编程一次的ROM，其存储单元通常用二极管或三极管实现。如图所示存储单元的双极型三极管的发射极串接了一个可熔金属丝，出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。只能进行一次编程。,5.4.2 PROM 可编程只读存储器,111,5.4.2 PROM 可编程只读存储器（续）,112,113,在实际工作中，一个新设计的程序往往需要经历调试、修改过程，如果将这个程序写在ROM和PROM中，就很不方便了。EPROM是一种可以多次进行擦除和重写的ROM。,5.4.3EPROM 可擦除可编程只读存储器,114,5.4.3

21、EPROM 可擦除可编程只读存储器（续）,115,drain electrode 漏极 场效应晶体管FET的漏极，相当于三极管的 发射极 。,source electrode源极 场效应晶体管（Field Effect Transistor） 的源极，相当于三极管的集电极 。,gate electrode 栅极 场效应晶体管FET的栅极，相当于三极管的基极 。在SIO2包围中浮空栅。,116,在漏源极之间加上+25V的电压 结合编程脉冲，形成高压脉冲 漏源极被瞬间击穿，电子通过SiO2绝缘层注入到浮动栅，浮动栅内有大量的负电荷。 当高电压去除后，由于浮动栅周围是SiO2绝缘层，负电荷无法泄漏，

22、在N基体内形成导电沟道。,编程 使栅极带电荷： 高压+脉冲,1EPROM原理：,117,EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口 当一定光强的紫外线透过窗口照射时，给电子足够的能量。所有存储电路中浮栅上的电荷会形成光电流泄放掉，使浮栅恢复初态。 一般照射2030分钟后，读出各单元的内容均为FFH，说明EPROM中内容已被擦除。,擦除 方法：紫外线照射,1EPROM原理（续）：,118,119,22764芯片,芯片类型： EPROM 芯片型号： intel2764 容量： 8K8bit 引线图： 如图所示,120,2716引脚图 2764引脚图,GND,GND,121,A0A12 13条地址信号输入

23、线,D0D7 8条数据线,片选允许输入端,输出允许端,为编程脉冲输入端,122,27128引脚图 27256引脚图,GND,GND,123,2764在使用时，仅用于将其存贮的内容读出。其过程与RAM的读出十分类似。即送出要读出的地址，然后使 和 均有效(低电平)，则在芯片的D0D7上就可以输出要读出的数据。其过程如下所示。,32764的连接使用,124,EPROM的读出过程,126,4EPROM的编程 (1) 擦除 (2) 编程 标准编程。,图5.16 EPPOM27C040,512K8bit=4Mbit,127,A0A18 19条地址信号输入线,D0D7 8条数据线,VPP 编程高电压,输出

24、允许信号,片允许信号，编程时，此 端加编程脉冲。,128,图5.17 EPPOM27C040的编程时序,129,图5.18 27C040快速编程流程图,130,5.4.4 EEPROM,131,1EEPROM概述,制造工艺： 双层浮空栅 擦除和编程： 用高电压 存储原理： 隧道效应 现场片： 是,132,浮栅隧道氧化层MOS管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。,当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。,擦除和写

25、入均利用隧道效应,133,现场片,134,2典型EEPROM芯片,芯片类型： EPROM 芯片型号： NMC98C64A 容量： 8K8bit 引线图： 如图5.19所示,135,图 EEPROM98C64A,(1) 98C64A的引脚,136,A0A12 13条地址信号输入线,D0D7 8条数据线,片选允许输入端,输出允许端,写允许端,137,EEPROM98C64A工作过程如下所述。 读出数据。 写入数据。,(2) 98C64A的工作过程,138,图5.20 EEPROMNMC98C64A的写入时序,139,EEPRO可以很方便地接到微机系统中。图5.21就是将98C64A连接到8088总

26、线上的连接图。,3连接使用,140,图5.21EEPROM 98C64A的连接使用,141,图5.21EEPROM 98C64A的连接使用,142,例如下面的程序可将55H写满98C64。 START： MOV AX，0E00H MOV DS，AX MOV SI，0000H MOV CX，2000H,4编程,143,GOON： MOVAL，55H MOVSI，AL CALLT20MS；延时20ms INCSI LOOPGOON HLT,144,闪速存储器（Flash Memory）是一种新型的半导体存储器，由于它具有可靠的非易失性、电擦除性以及低成本，对于需要实施代码或数据更新的嵌入式应用是一

27、种理想的存储器。,5.4.5 FLASH,145,5.4.5 FLASH（续）,1FLASH特点：,容量大 编程速度快 获得广泛的应用,EEPROM最大的缺点是编程时间太长,146,固有的非易失性 它不同于静态RAM，不需要备用电池来确保数据存留，也不需要磁盘作为动态RAM的后备存储器。,(2) 经济的高密度 Intel的1M位闪速存储器的成本按每位计要比静态RAM低一半以上。闪速存储器的成本仅比容量相同的动态RAM稍高，但却节省了辅助存储器（磁盘）的额外费用和空间。,147,(3) 可直接执行 由于省去了从磁盘到RAM的加载步骤，查询或等待时间仅决定于闪速存储器，用户可充分享受程序和文件的高

28、速存取以及系统的迅速启动。,(4) 固态性能 闪速存储器是一种低功耗、高密度且没有移动部件的半导体技术。便携式计算机不再需要消耗电池以维持磁盘驱动器运行，或由于磁盘组件而额外增加体积和重量。用户不必再担心工作条件变坏时磁盘会发生故障。,148,2典型FLASH芯片,芯片类型： FLASH 芯片型号： 28F040 容量： 512K8bit 引线图： 如图5.22所示,其内部可分成16个32KB的块(或一页)。 每一块可独立进行擦除。,149,图5.22 闪速EEPROM28F040引线图,150,A0A18 19条地址信号输入线,DQ0DQ7 8条数据线,VPP 编程高电压,输出允许信号,片允

29、许信号，编程时，此 端加编程脉冲。,151,工作类型。 读出类型。 写入编程类型。 命令和状态。,3工作过程,152,表5.2 28F040的命令,153,表5.3 状态寄存器各位含义,154,表5.4 28F040工作条件,155, 只读存贮单元。 编程写入。 擦除。 整片擦除。 块擦除。 其他。,图5.23 28F040字节编程,4主要功能的实现,156,图5.24 28F040的擦除,157,用作外存贮器。 用于内存。,5应用,158,5.5 存储器扩展综合,5.5.1存储器的扩展 5.5.2与系统总线的相连 5.5.3片选信号的产生 5.5.4存储器综合设计,159,5.5.1 存储器的扩展,1位扩展：,多个芯片组成一个整体 位数增加单元数不变 同时被选中,又被称为-位并联,160,161,162,图5-17