第五章存储器97202讲义资料

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1、第五章 存储器,学时: 6 5.1存储器分类及性能指标 5.2半导体存储器 5.3内存储器系统设计 5.4微机存储器层次结构及管理,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。存储器容量愈大，能存放的信息就愈多，计算机的能力就愈强。 存储器作为计算机系统的重要组成部分，随着更好的存储载体材料的发现及生产工艺的不断改进，争取更大的存储容量、获得更快的存取速度、减小存储器载体的体积以及降低单位存储容量性价比等方面都获得快速的发展。,1.要求： 微机系统对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但这三者在同一个存储器中不可兼得。 2.解决： 采用分级存储器结构，通常将存储器分为CPU寄

2、存器、高速缓冲存储器、主存储器和外存存储器四级。,5.1 存储器分类及性能指标,一、存储器分类 1.内存储器和外存储器来分类 内存储器 半导体存储器 外存储器 磁存储器和光存储器,总线,CPU,内存,外存,2.按存储载体材料分类 半导体材料 半导体存储器：TTL型、MOS型、ECL型、I2L型等； 磁性材料 磁带存储器、软磁盘存储器和硬磁盘存储器等； 光介质材料 CD-ROM、DVD等。,3.按存储器的功能来分类 按存储器与CPU的关系分类 控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、外 存储器EM ；,按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM； 按数据存

3、储单元的寻址方式分类 随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ； 按半导体器件原理分类 晶体管逻辑存储器TTL 、发射极耦合存储器ECL 、单极性器件存储器MOS； 按存储原理分类 随机存取存储器RAM 、仅读存储器ROM； 按数据传送方式分类 并行存储器PM、串行存储器SM；,4.半导体存储器的分类 随机存储器 RAM 双极型存储器、MOS型存储器 仅读存储器 ROM 掩膜型 ROM、可编程型 PROM、光擦除型 EPROM和电擦除型 EEPROM等,串行存储器 移位寄存器、I2C存储器、1-wire存储器和电荷耦合器 CCD等；,存储器的分类及选用,按 存 储

4、 介 质 分 类,（按读写功能分类),（按器件原理分类）,(按存储原理分类),二、半导体存储器的主要性能指标 衡量半导体存储器性能的主要指标有存储容量、存取时间、功耗、工作电源和价格。 1.存储容量 存储容量是指存储器所能存储二进制数码的数量，即所含存储元的总数。注意存储器的容量以字节为单位，而存储芯片的容量以位为单位。 2.存取时间 存取时间是指向存储器单元写入数据及从存储器单元读出数据所需的时间，有时又称为读写周期。,3.功耗 功耗是存储器的重要指标，不仅表示存储器芯片的功耗，还确定了计算机系统中的散热问题。功耗通常是指每个存储元消耗功率的大小，单位为微瓦/位（W/位）或者毫瓦/位（mW/

5、位）。 4.工作电源 5.价格 价格包含两部分内容，单位存储单元价格和存储芯片所需外围电路的价格。,三、半导体存储器的结构特点 1.RAM的特点 易失性存储器，存放暂时性的输入、输出数据、中间运算结果、用户程序等，也用与来和外存储器交换信息并作为堆栈存储区用。 双极型RAM TTL型存储器、ECL型存储器、I2L（集成注入逻辑）型存储器。,MOS型RAM 静态SRAM、动态DRAM、不挥发型NVRAM。 2.ROM的特点 存储单元中的信息可一次写入多次读出。掉电信息不会消失。常用于存放固定的程序和数据，如系统监控程序。 掩模型ROM 可编程型PROM 光擦除型EPROM 电擦除型EEPROM,

6、5.2 半导体存储器,地址译码器： 接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片内存储单元的选址。,控制逻辑电路： 接收片选信号CS及来自CPU的读/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。 数据缓冲器： 寄存来自CPU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列规律构成。,一、随机存储器 RAM 随机存储器RAM又称为读写存储器，基本存储单元按矩阵形式排列构成存储体。 1.半导体存储器的基本存储单元 基本存储单元电路用来存储1位二进制信息，是组成存储器的基础。,静态RAM的六管基本存储单元,集成度低，但

7、速度快，价格高，常用做Cache。,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。,T1,T2,A,B,T3,T4,+5V,行选择线有效（高电 平）时，A 、B处的数据信息通过门控管T5和T6送至C、D点。,行选择线,列选择线,列选择线有效（高电 平）时，C 、D处的数据信息通过门控管T7和T8送至芯片的数据引脚I/O。,动态RAM的单管基本存储单元,集成度高，但速度较慢，价格低，一般用作主存。,电容上存有电荷时，表示存储数据A为逻辑1； 行选择线有效时，数据通过T1送至B处； 列选择线有效时，数据通过T2送至芯片的数据引脚I/O； 为防

8、止存储电容C放电导致数据丢失，必须定时进行刷新； 动态刷新时行选择线有效，而列选择线无效。（刷新是逐行进行的。）,刷新放大器,2. 静态存储器SRAM 常用的有： 6116（2K8）、6264（8K8）、62256（32K8） 6264SRAM引脚图 6264SRAM的读写控制,6264SRAM与CPU的连接,8086CPU WR RD,6264 WE OE,3. 动态存储器DRAM 2164A引脚图 地址线A0 A7 8条地址线采用分时复用的 方法获得存储单元寻址所需的16 条地址线的高8位和低8位地址线。 数据线 数据存DIN和数据取DOUT,控制线WE、CAS、RAS WE为读写数据允许

9、，低电平输入时写有效；高电平输入时读有效； CAS为行地址选通，低电平输入有效； RAS为列地址选通，低电平输入有效。 电源线 Vcc、Vss 2164ADRAM芯片的供电电压为5V,2164ADRAM的读写时序,DRAM控制器 完成两个功能：地址复用、刷新,二、只读存储器ROM 掩模型ROM 可编程型PROM 光擦除型EPROM 电擦除型EEPROM,1. 掩模型ROM 固定掩膜ROM的基本存储单元用单管构成，集成度较高。由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读。用户不能修改其内容。 2.可编程型PROM 用双极型三极管构成基本存储单元。用户可进行一次编程。存储

10、单元电路由熔丝相连，当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。,3. EPROM光擦除型 由浮栅雪崩注入的FAMOS器件构成。用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。,只读存储器ROM,27系列EPROM芯片管脚排列,A0A15为地址线 O0O7为数据线,VPP是编程电压输入端，编程时一般接12.5V左右的编程电压。正常读出时，VPP接工作电源,是输出允许,通常连接内存读信号,为片选信号和编程脉冲输入端的复用管脚，在读出操作时是片选信号，在编程时是编程脉冲输入端

11、。编程时，应在该管脚上加一个50ms左右的TTL负脉冲,UV-EPROM操作真值表,4. 电擦除型EEPROM 既可全片擦除也可字节 擦除，可在线擦除信息， 又能失电保存信息，具 备RAM、ROM的优点。但 写入时间较长。,三、常用存储器件 快擦写存储器FLASH 多端口存储器 内存条,原理上：FLASH属于ROM型，但可随时改写信息 功能上：FLASH相当于RAM 特点： 可按字节、区块（Sector）或页面（Page）进行擦除和编程操作 快速页面写入：先将页数据写入页缓存，再在内部逻辑的控制下，将整页数据写入相应页面 由内部逻辑控制写入操作，提供编程结束状态 具有在线系统编程能力 具有软件

12、和硬件保护能力 内部设有命令寄存器和状态寄存器 内部可以自行产生编程电压（VPP），所以只用VCC供电,FLASH存储器：,28F256芯片引脚功能:,A0A16：地址输入线，片内有地址锁存器，在写入周期时，地址被锁存 DQ0DQ7：数据输入/输出线,：片选，低电平有效,：输出允许输入线，低电平有效,VCC：工作电源 VPP：擦除/编程电源，当其为高压12.0V时，才能向指令寄存器中写入数据。当VPP VCC2V时，存储单元的内容不变,：写允许输入线，低电平有效,28F256功能表:,VID可以是地电位，通过一个电阻直接接地，或者使V。 VPPL是满足芯片编程要求的编程电压，11. 4V12.

13、6V。 VPPH是标识码读出的激活电压，要求11.5V13.0V,28F256命令表:, 为被校验单元的地址， 为被读存储单元的地址， 为被写入存储单元的地址， 为从指定存储单元读出的数据， 为被校验存储单元的数据， 为要写入的数据， 为被编程存储单元的数据,多端口存储器：,双端口 RAM 两个端口都具有可独立存取的SRAM功能，多用于多机系统的通信缓冲器、DSP系统、高速磁盘控制器等。 FIFO存储器 具有输入和输出两个相对独立的端口，常用于高速通信系统、图像处理系统、数据采集系统等。 MPRAM存储器 三端口RAM、四端口RAM，称为MPRAM。,内存条：,所谓内存条就是将多片存储器芯片焊

14、在一小条印制电 路板上做成的部件，将内存条按规定的接口插槽，插入 计算机主板上构成内存储器 系统。 SIP（Single In-line Package，单排直插式）内存条 SIMM（Single In-line Memory Modules，单排直插式内存模块）内存条 DIMM（Double In-line Memory Modules，双列直插式内存模块）内存条,内存条中所用的存储器芯片类型,5.3 内存储器系统设计 一、存储器设计应考虑的几个问题 1.存储芯片的选用 2.存储器与CPU的连接 3.地址的分配 4.片选控制,存储芯片的选用： 存储器芯片类型选择 存储器芯片容量选择 存储器芯

15、片速度选择 存储器芯片功耗选择,存储器与CPU的连接：,数据线、地址线、控制线的连接 是否需要数据缓冲器 片内地址 存储器的读写控制 RD、WE; 总线的负载能力 存储器芯片与CPU的时序匹配,二、片选控制方法,存储芯片,存储模块,存储体,位扩展：因每个字的位数不够而扩展数据输出线的数目； 字扩展：因总的字数不够而扩展地址输入线的数目，所以也称为地址扩展；,存储芯片的位扩展：,用64K1bit的芯片扩展实现64KB存储器,进行位扩展时，模块中所有芯片的地址线和控制线互连形成整个模块的地址线和控制线，而各芯片的数据线并列（位线扩展）形成整个模块的数据线（8bit宽度）。,1. 存储器容量的扩展,

16、存储芯片的字扩展：,用8K8bit的芯片扩展实现64KB存储器,进行字扩展时，模块中所有芯片的地址线、控制线和数据线互连形成整个模块的低位地址线、控制线和数据线 ， CPU的高位地址线（扩展的字线）被用来译码以形成对各个芯片的选择线 片选线 。,2. 存储器模块设计,确定芯片型号及数量 根据容量、速度、价格、功耗等要求，确定芯片的具体型号和数量。如考虑选用SRAM还是DRAM，是否需要E2PROM、FLASH等等。,思考：若要求扩展64K容量的内存，以下几种选择哪种最优？ 64K1的芯片数量N=(64K8)/(64K1)=18片;需位扩展 8K8的芯片数量N=(64K8)/(8K8)=81片；需字扩展 16K4的芯片数量N=(64K8)/(16K4)=42片；需字位扩展,芯片的种类和数量应越少越好；在芯片数量相同的情况下应考虑总线的负载能力和系统连接的复杂