《《微型计算机原理与接口技术》-杨立-电子教案 第4章 半导体存储器及其接口》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微型计算机原理与接口技术》-杨立-电子教案 第4章 半导体存储器及其接口（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,本章主要教学内容 半导体存储器的分类和性能、存储器系统的层次结构 随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的特性、功能和原理 存储器与CPU的连接方法 高速缓冲存储器和虚拟存储器技术,第4章,半导体存储器及其接口,2,第4章,半导体存储器及其接口,4.1 存储器概述 存储器是计算机中用来存储信息的记忆部件，在运行程序时，CPU自动连续地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作，计算机每完成一条指令，至少要执行一次访问存储器的操作，并把处理结果存储在存储器中。因此，存储器是微机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交流中心。,3,第4章,半导体存储器及其接口,4.1.1 存储器的分类
2、 1. 按存储介质分类 （1）用半导体器件做成的存储器称为半导体存储器，按制造工艺可把半导体存储器分为双极型、CMOS型、HMOS型等类别。 （2）用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器等。 （3）用光学材料做成的存储器称为光表面存储器，如光盘存储器。,4,第4章,半导体存储器及其接口,2. 按存储器的存取方式分类 （1）只读存储器ROM：ROM中所存储的内容是固定不变的，即只能读出不能写入。ROM一般用来存放微机的系统管理程序、监控程序等。 （2）随机存取存储器RAM：RAM中的任意一个存储单元都可被随机读写，且存取时间与存储单元的物理位置无关，读写速度较快。RAM
3、主要用来存放输入、输出数据及中间结果并与外存储器交换信息。,5,第4章,半导体存储器及其接口,（3）顺序存取存储器（SAM）：SAM只能按照某种次序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关。由于按顺序读写的特点以及工作速度较慢，常用作外存存储器，例如磁带就是一种典型的顺序存储器。 （4）直接存取存储器（DAM）：DAM在存取数据时不必对存储介质做完整的顺序搜索而可以直接存取。例如磁盘和光盘都是典型的直接存取存储器，磁盘的逻辑扇区在每个磁道内顺序排列，邻近磁道紧接排列，读取磁盘中某扇区的内容时先要寻道定位，然后在磁道内顺序找到相应扇区。,6,第4章,半导体存储器及其接口,3. 按信息的可保存性分
4、类 根据存储器信息的可保存性可将存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。 断电后信息将消失的存储器为易失性存储器，如半导体介质的RAM。断电后仍保持信息的存储器为非易失性存储器，如半导体介质的ROM、磁盘、光盘存储器等。,7,第4章,半导体存储器及其接口,4. 按在微机系统中的作用分类 （1）主存储器：用来存放当前正在运行的程序和数据，位于主机内部。CPU通过指令可以直接访问主存储器。现代微机大多采用半导体存储器。 （2）辅助存储器：用来存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据，位于主机外部，CPU不能直接用指令对外存储器进行读写操作。辅助存储器主要有磁带、磁盘和光盘等。 （3）高速缓冲存储器
5、Cache：是计算机系统中的一个高速小容量的存储器，位于CPU和内存之间。高速缓存主要由高速静态RAM组成。,8,第4章,半导体存储器及其接口,5. 按制造工艺分类 半导体存储器可根据制造工艺的不同，分为双极型（如TTL）、MOS型等类存储器。双极型存储器集成度低，功耗大，价格高但速度快；MOS型存储器集成度高，功耗低， 速度较慢但价格低。MOS型存储器还可进一步分为NMOS（N沟道MOS）、HMOS（高密度MOS）、CMOS（互补型MOS）等不同工艺产品。其中，CMOS电路具有功耗低、速度快的特点，在计算机中应用较广。,9,第4章,半导体存储器及其接口,4.1.2 存储器的体系结构 1. 存
6、储体系的组成 计算机对存储器的基本要求是容量大、速度快和成本低，尽量少出错，平均无故障间隔时间要长。但是要想在一个存储器中同时兼顾这些指标是很困难的，为了解决存储器的容量、速度和价格之间的矛盾，人们除了不断研制新的存储器件和改进存储性能外，还从存储系统体系上研究合理的结构模式。如果把多种类型的存储器有机地组成存储体系，可以如图4-1所示。,10,图4-1存储体系的组成,11,第4章,半导体存储器及其接口,2. 存储系统的多级层次结构 我们可以把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储
7、器中，形成存储系统的多级层次结构。 目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图4-2所示。,12,13,第4章,半导体存储器及其接口,4.1.3 主要性能指标 存储器的主要性能指标反映了计算机对它们的要求，计算机一般对存储系统提出如下性能指标要求： 1. 存储容量 是指存储器可以存储的二进制信息总量。目前使用的存储容量达MB（兆字节）、GB（千兆字节）、TB（兆兆字节）或更大的存储空间。存储容量通常以字节（Byte）为单位来表示，各层次之间的换算关系为： 1KB=210B=1024B；1MB=220B=1024KB；
8、1GB=230B=1024MB；1TB=240B=1024GB,14,第4章,半导体存储器及其接口,2. 存取速度 存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。 （1）存取时间：是指完成一次存储器读/写操作所需要的时间，故又称读写时间。具体是指从存储器接收到寻址地址开始，到取出或存入数据为止所需要的时间。 （2）存取周期：是连续进行读/写操作的所需的最小时间间隔。当CPU采用同步时序控制方式时，对存储器读、操作的时间安排，应不小于读取和写入周期中的最大值。这个值也确定了存储器总线传输时的最高速率。,15,第4章,半导体存储器及其接口,3. 价格 存储器的价格也是人们比较关心的指标。一般来说
9、，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格较低。 存储器总价格正比于存储容量，反比于存取速度。速度较快的存储器，其价格也较高，容量也不可能太大。因此，容量、速度、价格三个指标之间是相互制约的。 衡量存储器性能的其它指标还有制造工艺、体积、重量、功耗、品质等，要综合考虑这些因素，满足系统的主要要求并兼顾其它，尽量提高性能价格比。,16,第4章,半导体存储器及其接口,4.2 随机存取存储器RAM 随机存取存储器可以随机地对每个存储单元进行读写，但断电后信息会丢失。根据存储原理又可分为静态RAM和动态RAM。静态RAM存放的信息在不停电的情况下能长时间保留不变，只要不掉电所保存的信息就不会丢失。而动态R
10、AM保存的内容即使在不掉电的情况下隔一定时间后也会自动消失，因此要定时对其进行刷新。,17,第4章,半导体存储器及其接口,4.2.1 静态RAM（SRAM） 常用的典型SRAM芯片有2114（1K4）6116（2K8）、6264（8K8）、62128（16K8）62256（32K8）等多种。 1.SRAM的基本存储单元和电路结构 图4-3是一种SRAM的基本存储结构，该电路由6个MOS管组成双稳态触发器电路，在这个电路中，T1T6构成一个基本存储单元，T1和T2扭接，T3和T4接成有源负载，电路左右对称。,18,19,第4章,半导体存储器及其接口,由T1T4构成的双稳态触发器，可以存储一位二进
11、制信息。该电路有两个稳定状态：当T1截止时，A点为高电平，使T2导通，B0保证Tl可靠截止；当T1导通，T2截止时，B点为高电平，A0，这也是种稳定状态。这样，可用T1管的两种状态来表示“1”或“0”：Tl截止T2导通的状态为“1”状态，Tl导通T2截止的状态为“0”状态。 T5、T6管作为两个控制门，起两个开关的作用，对两个稳定状态进行控制。,20,第4章,半导体存储器及其接口,该电路的工作原理为：当选择线输出为高电平时，门控管T5、T6导通，触发器与I/O线接通，即A点接通I/O线，B点接通。 （1）写入时，写入信号从I/O线和线输入。若要写入“1”，使I/O线为“1”，为“0”，通过T5
12、、T6管与A、B点相连，从而使T1截止，T2导通，当写入信号和地址译码信号消失后，T5、T6截止，该状态仍能保持；若要写入“0”，使I/O线为“0”，为“1”，这使T1导通，T2截止，只要不断电，这个状态会一直保持下去。,21,第4章,半导体存储器及其接口,（2）读出时，先通过地址译码使选择线为高电平，T5、T6导通，A点的状态送到I/O线上，B点的状态送到线上，这样就读取了原来存储的信息。信息读出以后，原来存储内容仍然保持不变。 SRAM的主要优点是工作稳定，不需外加刷新电路，可简化外部电路设计。SRAM的缺点是集成度较低，功耗较大。,22,第4章,半导体存储器及其接口,2. SRAM芯片I
13、ntel 6116 Intel 6116的容量为2K8位，有2048个存储单元，需11根地址线，其中7根用于行译码，4根用于列译码，每条列线控制8位。 6116的引脚及功能框图如图4-5所示。 图4-5中的6l16有24条引脚，其中有主要的三条控制线：片选信号、输出允许和读写控制。,23,图4-5 Intel 6116的引脚及功能框图,24,第4章,半导体存储器及其接口,6116存储器芯片的工作过程如下： （1）读出时，地址输入线A10A0输入的地址信号送到行、列地址译码器，经译码后选中一个存储单元，打开右面的8个三态门，被选中单元的8位数据经I/O电路和三态门送到D7D0输出。 （2）写入时
14、，选中某一存储单元的方法和读出相同，打开左边的三态门，从D7D0输入的数据经三态门和输入数据控制电路送到I/O电路，从而写到存储单元的8个存储位中。 （3）没有读写操作时，片选信号“1”，处于无效状态。输入输出三态门呈高阻，存储器芯片与系统总线“脱离”。,25,第4章,半导体存储器及其接口,4.2.2 动态RAM（DRAM） Intel 2164是一种典型的DRAM芯片，容量为64Kl位，片内有65536个存储单元，每个单元存放1位数据，用8片2164就可以构成64K字节的存储器。 Intel 2164的内部结构如图4-7所示。,26,图4-7 DRAM 芯片2164内部结构,27,第4章,半
15、导体存储器及其接口,4.3 只读存储器ROM 只读存储器（ROM）是一种只能读出不能写入信息的存储器，所存储的信息可以长久保存，掉电后存储信息仍不会改变。一般存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。 按存储单元的结构和生产工艺的不同，ROM可分成掩膜只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、光可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（E2PROM）等种类。,28,第4章,半导体存储器及其接口,4.3.1 掩膜只读存储器ROM 掩膜式ROM中的信息是在生产厂家制造过程中写入的。掩膜ROM制成后，存储的信息就不能再改写了，用户在使用时只能进行读出操作。 4.3.2
16、 可编程只读存储器PROM PROM在出厂时，晶体管阵列的熔丝均为完好状态。编程时，通过字线选中某个晶体管。当写入信息时，可在VCC端加高电平。若某位写“0”，则向相应位线送低电平，此时管子导通，控制电流使该位熔丝烧断，即存入“0”；若某位写“1”，向相应位线送高电平，此时管子截止，使熔丝保持原状，即存入“1”。,29,第4章,半导体存储器及其接口,4.3.3 可擦除可编程只读存储器EPROM EPROM的特点是：芯片的顶部开有一个圆形的石英窗口，通过紫外线的照射可将片内所存储的原有信息擦除。根据需要可利用EPROM的专用编程器（也称为“烧写器”）对其进行编程，因此这种芯片可反复使用。 常用的EPROM有2716（2K8位）、2764（8K8位）、27256（32K8位）、27512（64K8位）等典型芯片。,30,第4章,半导体存储器及其接口,4.3.4 电可擦除可编程只读存储器E2PROM E2PROM是一种新型的ROM器件，也是近年来被广泛应用的一种可用电擦除和编程的只读存储器，其主要特点是能在应用系统中进行在线读写，并在断电情
