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1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术第五章第五章 半导体存储器半导体存储器何小海、严华主编何小海、严华主编科学出版社科学出版社主要内容主要内容n n概述（分类、性能、分层、组成等）概述（分类、性能、分层、组成等）n n读写存储器读写存储器n n只读存储器只读存储器n n存储器与微处理器的连接存储器与微处理器的连接n n高速缓存高速缓存CacheCachen n虚拟存储器虚拟存储器1.1.概述概述n n存储器是计算机系统中必不可少的组成部存储器是计算机系统中必不可少的组成部分。分。1.1 1.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类n n按制造工艺按制造工艺n n双极型：双极型：速度快速度快、集
2、成度低、功耗大、集成度低、功耗大n nMOSMOS型：速度慢、型：速度慢、集成度高集成度高、功耗低功耗低n n按使用属性按使用属性n 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 n只读存储器只读存储器ROMROM：正常只读、：正常只读、断电不丢失断电不丢失分类框图分类框图半 导 体 存 储 器随机存储器 RAM只读存储器 ROM其它存储器 SAM,Flash双极型RAMMOS型RAM静态RAM动态RAM掩模式ROMPROMEPROME2PROM组合RAM1.1.1 1.1.1 读写存储器读写存储器RAMRAM组成单元组成单元 速度速度 集成度集成度应用应
3、用SRAMSRAM触发器触发器快快低低小容量系统小容量系统DRAMDRAM极间电容极间电容慢慢高高大容量系统大容量系统NVRAMNVRAM 带微型电池带微型电池 慢慢低低小容量非易失小容量非易失1.1.21.1.2只读存储器只读存储器ROMROMn n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n nPROMPROM：允许一次编程，此后不可更改：允许一次编程，此后不可更改n nEPROMEPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许：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户多次擦除和编程n nEEPROMEEPROM（E E2 2PROMPROM
4、）：采用加电方法在线进行）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写擦除和编程，也可多次擦写n nFlash 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）擦除）擦除1.2 1.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n n容量容量n n存取速度存取速度n n可靠性可靠性n n功耗功耗1.2 1.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n n容量容量n n容量是指存储器芯片上能存储的二进制数位数容量是指存储器芯片上能存储的二进制数位数n n一般用一般用nmnm表示
5、表示n nn n表示概芯片有多少个单元，与芯片的地址引脚有关表示概芯片有多少个单元，与芯片的地址引脚有关n nMM表示每个单元可存储的二进制位数，与芯片的数据表示每个单元可存储的二进制位数，与芯片的数据引脚有关引脚有关n n存取速度存取速度n n可靠性可靠性n n功耗功耗1.2 1.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n n容量容量n n存取速度存取速度n n指从指从CPUCPU给出有效的存储器地址到存储器输出给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间，一般以有效数据所需要的时间，一般以nsns为单位为单位n n存取时间越小，存取速度越快存取时间越小，存取速度越快n n可
6、靠性可靠性n n功耗功耗1.2 1.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n n容量容量n n存取速度存取速度n n可靠性可靠性n n指存储器对电磁场和温度变化等的抗干扰能力指存储器对电磁场和温度变化等的抗干扰能力 ，一般用平均故障间隔时间，一般用平均故障间隔时间MTBFMTBF衡量衡量n n功耗功耗1.2 1.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n n容量容量n n存取速度存取速度n n可靠性可靠性n n功耗功耗n n指每个存储元消耗功率的大小，单位为微瓦指每个存储元消耗功率的大小，单位为微瓦/ /位位（W/BitW/Bit）或者毫瓦）或者毫瓦/ /位（位（mW/Bit
7、mW/Bit）1.31.3内存分层内存分层CPUCACHE主存（内存）辅存（外存）1.41.4半导体存储器的组成半导体存储器的组成地 址 译 码 器存储体控制 逻辑电路n位 地址数 据 缓 冲 器m位 数据R/WCS0 12n-10 1m-12.2.读写存储器读写存储器RAMRAMn n2.1 SRAM2.1 SRAMn nCache (SRAM)Cache (SRAM)n n一般的单片机系统、单板机系统及早期低档微一般的单片机系统、单板机系统及早期低档微 机均采用机均采用 SRAMSRAM作为存储器的作为存储器的RAMRAM子系统子系统n n2114(1K42114(1K4位位) )，214
8、2(1K42142(1K4位位) )，6116(2K86116(2K8位位) )，6224(8K86224(8K8位位)读写存储器读写存储器61166116n n61166116引脚和功能图引脚和功能图输出三态门 8个读写存储器读写存储器61166116n n61166116工作方式工作方式CS/CS/ 片选片选OOE/E/ 读出读出W W / / E E 读写读写方式I/O引脚HXX未选中（待用）高阻 LLH打开右边8门 读出Dout LHL打开左边8门 写入Din2.2.读写存储器读写存储器RAMRAMn n2.2 DRAM2.2 DRAMn n为了降低芯片的功耗，保证足够高的集成度，为了
9、降低芯片的功耗，保证足够高的集成度，减少芯片对外封装引脚数目和便于刷新控制，减少芯片对外封装引脚数目和便于刷新控制， DRAMDRAM芯片都设计成位结构形式，即每个存储芯片都设计成位结构形式，即每个存储单元只有一位数据位，一个芯片上含有若干个单元只有一位数据位，一个芯片上含有若干个 单元。如单元。如4K14K1位，位，8K18K1位，位，16K116K1位，位，64K164K1位，位，256K1256K1位等。位等。 DRAMDRAM的刷新的刷新n nDRAMDRAM是以是以MOSMOS管栅极和衬底间的电容上管栅极和衬底间的电容上的电荷的电荷来存储信息的，由于来存储信息的，由于MOSMOS管栅
10、极上管栅极上的电荷会因的电荷会因漏电漏电而泄放，故存储单元中信而泄放，故存储单元中信息只能保持若干毫秒。息只能保持若干毫秒。 n n要求在要求在l3msl3ms中周期性地刷新存储单元中周期性地刷新存储单元 。n n在刷新操作时，刷新是按行进行的。在刷新操作时，刷新是按行进行的。典型的典型的DRAM 4164DRAM 4164（64K1 64K1 ）n n如果想要构成一个如果想要构成一个64K64K的储存器，的储存器，8 8片片位扩展；位扩展；8 8根地址根地址 线分时复用；线分时复用；RAS/RAS/和和CAS/CAS/（行列选通信号）（行列选通信号）分时分时选通选通 行、列地址送到地址锁存器
11、。行列地址译码器共同产生行、列地址送到地址锁存器。行列地址译码器共同产生 实际储存单元地址。写入时数据加在实际储存单元地址。写入时数据加在DinDin，WE/WE/为低电为低电 平；输出时，平；输出时，WEWE输入高电平，通过输入高电平，通过DoutDout输出。输出。n n没有没有CSCS信号线，选通信号线信号线，选通信号线RAS/RAS/和和CAS/ CAS/ 兼作片选信号兼作片选信号n n只有一个读写控制信号只有一个读写控制信号WE/WE/。高读、低写。高读、低写。n n分成分成4 4个个 128128128128的矩阵，的矩阵，7 7个行地址和个行地址和7 7个列地址，各选个列地址，各
12、选 中中4 4个矩阵的一个地址单元（个矩阵的一个地址单元（1 1位），再用行列地址的最位），再用行列地址的最 高位高位A A7 7，做为，做为4 4个矩阵的其中一个。个矩阵的其中一个。n n当只加上行选通信号，不加列选通，使指定的当只加上行选通信号，不加列选通，使指定的4 4行存储行存储 单元只被刷新，而不读写，数据的输出端为高阻态。一单元只被刷新，而不读写，数据的输出端为高阻态。一 般提供专门的刷新电路，保证在般提供专门的刷新电路，保证在2ms2ms内刷新一遍内刷新一遍n n下图是由下图是由cpucpu控制刷新的接口逻辑框图。控制刷新的接口逻辑框图。n nDRAMDRAM接口接口 逻辑框图逻
13、辑框图地址多路复用、刷新定时器、刷新地址计数器、仲裁器、控制信号 发生器和总线收发器 除了cpu通过一定控制逻辑实现，还可以通过专用的DRAM控制器实 现，W4006AF自动产生控制DRAM芯片接口及刷新所需要的各种定 时信号。3.3.只读存储器只读存储器ROM ROM n n只读存储器（只读存储器（ROMROM）的信息在使用时是不）的信息在使用时是不能被改变的，即只能读出，不能写入，故能被改变的，即只能读出，不能写入，故 一般只能存放固定程序，如监控程序，一般只能存放固定程序，如监控程序，PCPC微机系统中的微机系统中的BIOSBIOS程序等。程序等。n nROMROM的特点是非易失性，即掉
14、电后再上电的特点是非易失性，即掉电后再上电时存储信息不会改变。时存储信息不会改变。 3.1EPROM3.1EPROMn n顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线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透过擦除原有信息n n一般使用专门的编程器（烧写器）编程一般使用专门的编程器（烧写器）编程n n编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条n n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 “ “1”1”n n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0 0EPROM27128EPROM27128（16K816K8） OE 为输出允
15、许，CE为片选，PGM为编场控制线，P195页图510为cpu和EPROM 的连接方式（三种、以2764为例）3.2E3.2E2 2PROM PROM n n一种可一种可用电用电擦除和编程的只读存储器。擦除和编程的只读存储器。n n兼有兼有RAMRAM和和ROMROM的双重特点的双重特点。n n不用从电路板上拔下，就可在线直接用电不用从电路板上拔下，就可在线直接用电信号进行擦除，对其进行的编程也是在线信号进行擦除，对其进行的编程也是在线操作，因此它的改写步骤简单，其它性能操作，因此它的改写步骤简单，其它性能 与与EPROMEPROM类似。类似。掉电时数据不丢失掉电时数据不丢失。 E E2 2P
16、ROM 2864APROM 2864A容量8K8，13条地址线。 8根数据输入、输出端 CE器件选择 WE为允许写入控制端 OE为允许数据输出控制端表5-2 2864A的工作方式 P196 RDY/数据线 功能读（ 250ns）低低高高阻输出维持（节 能60%）高无关无关高阻高阻字节写入低高低 至少 2ms低高输入（片）擦 除字节写入前自动擦除，不考虑地址线，数据 端置1 OE置低电平，WE脉冲比字节擦写要 宽，为515ms。其他和字节擦写时相同。3.3 3.3 闪速存储器闪速存储器n nE E2 2PROMPROM的改进产品的改进产品n n与与EPROMEPROM比较：系统加电情况下可擦除和重比较：系统加电情况下可擦除和重复编程，而不需要特殊的高电压；复编程，而不需要特殊的高电压；n n与与E E2 2PROMPROM比较：成本低、密度大、存取速度比较：成本低、密度大、存取速度高、功耗小；高、功耗小；n n必须按块擦除必须按块擦除（
