第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器第第6章章 存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類6.2 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)及譯碼電路6.3 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）6.4 只讀存儲(chǔ)器(ROM)6.5 CPU與存儲(chǔ)器的連接6.6 高速緩存Cache及其工作原理習(xí)題與思考題第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.1.1 存儲(chǔ)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器和和外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)主機(jī)的一部分，一般把具有一定容量且速度較高的存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)一般把具有一定容量且速度較高的存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器器，CPUCPU可直接用指令對內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行

2、讀寫可直接用指令對內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫。在微機(jī)中通常用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)容量大、存儲(chǔ)容量大、速度較低、位于主機(jī)之外的存儲(chǔ)器速度較低、位于主機(jī)之外的存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器用來存放暫外存儲(chǔ)器用來存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，CPUCPU不能直接用指令不能直接用指令對外存儲(chǔ)器進(jìn)對外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫，行讀寫，要使用外存儲(chǔ)器中的信息，必須先將它調(diào)入內(nèi)存要使用外存儲(chǔ)器中的信息，必須先將它調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器。儲(chǔ)器。6.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類存儲(chǔ)系統(tǒng)與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，程序員擺脫了擺脫了在內(nèi)外存之間進(jìn)在內(nèi)外存之

3、間進(jìn)行地址定位的操作行地址定位的操作，通過軟件、硬件之間的結(jié)合軟件、硬件之間的結(jié)合，把內(nèi)存把內(nèi)存和外存統(tǒng)一成了一個(gè)整體，內(nèi)存和外存統(tǒng)一成了一個(gè)整體，內(nèi)存- -外存形成了一個(gè)存儲(chǔ)層外存形成了一個(gè)存儲(chǔ)層次，即次，即存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)。從整體看存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度接近于內(nèi)存的存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度接近于內(nèi)存的速度，其容量接近于外存的容量速度，其容量接近于外存的容量，而每位平均價(jià)格接近于每位平均價(jià)格接近于廉價(jià)的慢速的外存平均價(jià)格廉價(jià)的慢速的外存平均價(jià)格。內(nèi)存-外存存儲(chǔ)層次的形成，解決了存儲(chǔ)器的大容量和低成本之間的矛盾存儲(chǔ)器的大容量和低成本之間的矛盾。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在速度方面，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和CPU大約有一

4、個(gè)數(shù)量級一個(gè)數(shù)量級的差距，限制了限制了CPUCPU速度潛力的發(fā)揮速度潛力的發(fā)揮?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中為了解決為了解決內(nèi)存與內(nèi)存與CPUCPU速度不匹配的瓶頸速度不匹配的瓶頸，在CPU和內(nèi)存中間增加一層高高速緩沖器（速緩沖器（CacheCache），），這樣構(gòu)成了高速緩存（高速緩存（CacheCache）- -內(nèi)存內(nèi)存層次層次。要求要求CacheCache在速度上能跟在速度上能跟CPUCPU的運(yùn)算速度相匹配的運(yùn)算速度相匹配。高速高速緩存緩存- -內(nèi)存采用的地址映像調(diào)度技術(shù)是完全由硬件來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存采用的地址映像調(diào)度技術(shù)是完全由硬件來實(shí)現(xiàn)。從從CPUCPU的角度的角度看，看，Cache -Cache -內(nèi)存層

5、次的速度是接近于內(nèi)存層次的速度是接近于CacheCache的的。以上敘述了內(nèi)存內(nèi)存-外存外存和Cache-內(nèi)存內(nèi)存這兩種存儲(chǔ)層次，在現(xiàn)代微機(jī)中同時(shí)采用這兩種存儲(chǔ)層次，構(gòu)成Cache-內(nèi)存內(nèi)存-外存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)外存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)。這三級存儲(chǔ)系統(tǒng)的形成，滿足了現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)對存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度快、容量大且價(jià)格低廉速度快、容量大且價(jià)格低廉的要求。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.1.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類及特點(diǎn)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類及特點(diǎn)微型機(jī)的存儲(chǔ)體系中，內(nèi)存內(nèi)存一般用來存放當(dāng)前活躍的一般用來存放當(dāng)前活躍的程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)，其速度高、容量小、每位價(jià)格高其速度高、容量小、每位價(jià)格高。目前主要采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

6、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，使用隨機(jī)存取方式隨機(jī)存取方式，外存外存用于存放當(dāng)存放當(dāng)前不活躍的程序和數(shù)據(jù)前不活躍的程序和數(shù)據(jù)，其，其速度慢、容量大、每位價(jià)格低速度慢、容量大、每位價(jià)格低，一般采用軟磁盤、硬磁盤、光盤、磁帶機(jī)；緩沖存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器用用在兩個(gè)具有不同工作速度的部件之間在兩個(gè)具有不同工作速度的部件之間，在交換信息時(shí)起緩在交換信息時(shí)起緩沖作用沖作用，一般稱之為一般稱之為cache。在本章主要學(xué)習(xí)用作內(nèi)存的主要學(xué)習(xí)用作內(nèi)存的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類方法有很多種。按器件原理器件原理分，有雙極型存儲(chǔ)器和MOS型存儲(chǔ)器；按存取方式存取方式來分，有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

7、（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）；按存儲(chǔ)原理存儲(chǔ)原理來分，有靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）；近年來由Intel公司推出一種閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）的新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是既具有既具有RAM易讀易寫、體積小、集成度易讀易寫、體積小、集成度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，又有又有ROM斷電后信息不丟失等優(yōu)點(diǎn)斷電后信息不丟失等優(yōu)點(diǎn)。1. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類如圖6.1所示。圖6.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器2. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)衡量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器性能

8、的指標(biāo)很多，如功耗、可靠性、功耗、可靠性、容量、價(jià)格、集成度、存取速度容量、價(jià)格、集成度、存取速度等，但從功能和接口電路的角度來看，最重要的指標(biāo)是存儲(chǔ)器芯片的容量存儲(chǔ)器芯片的容量和存取速存取速度度。（1）存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)器（或存儲(chǔ)器芯片）存放二進(jìn)制信指存儲(chǔ)器（或存儲(chǔ)器芯片）存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)息的總位數(shù)，即：存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元數(shù)存儲(chǔ)單元數(shù)單元的位數(shù)。單元的位數(shù)。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量在計(jì)算機(jī)中計(jì)算機(jī)中通常以字節(jié)字節(jié)B（Byte）為單位）為單位，如存儲(chǔ)容量為256KB、512KB、1MB等。為了表示大容量的存儲(chǔ)器，用MB、GB、TB為單位。 在衡量半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片衡

9、量半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片時(shí)，由于不同的存儲(chǔ)芯片的集成由于不同的存儲(chǔ)芯片的集成方式不同方式不同，有些芯片一個(gè)單元可以存放8個(gè)二進(jìn)制位，有的只能存放 4個(gè)二進(jìn)制位，有的只能存放1個(gè)二進(jìn)制位，所以在衡量存儲(chǔ)芯片的容量時(shí)不能單純地用字節(jié)來衡量在衡量存儲(chǔ)芯片的容量時(shí)不能單純地用字節(jié)來衡量。通常采通常采用比特（用比特（Bit）作為芯片的容量單位）作為芯片的容量單位。如N8、N4、N1這樣的形式來表示芯片的容量。其中N表示存儲(chǔ)單元數(shù)，后面的數(shù)字則表示一個(gè)單元可以存放二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（2）存取時(shí)間存取時(shí)間存取時(shí)間是反映存儲(chǔ)器工作速度的一個(gè)重要指標(biāo)反映存儲(chǔ)器工作速度的一個(gè)重要指標(biāo)，是指從指從

10、CPU給出有效的存儲(chǔ)器地址啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器讀給出有效的存儲(chǔ)器地址啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器讀/寫操寫操作，到該操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間作，到該操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間。具體來說，對一次讀操讀操作的存取時(shí)間作的存取時(shí)間就是就是讀出時(shí)間讀出時(shí)間，即從地址有效到數(shù)據(jù)輸出有效之間的時(shí)間，通常在101102ns之間。而對一次寫操寫操作作，存取時(shí)間就是，存取時(shí)間就是寫入時(shí)間寫入時(shí)間。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（3）存取周期指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器讀指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器讀/寫操作所需的最小間寫操作所需的最小間隔時(shí)間隔時(shí)間。對于讀操作讀操作，就是讀周期時(shí)間讀周期時(shí)間；對于寫操作寫操作，就是寫周期時(shí)間寫周期時(shí)間。通常，存取

11、周期應(yīng)大于存取時(shí)間存取周期應(yīng)大于存取時(shí)間，因?yàn)榇鎯?chǔ)器在讀出或者寫入數(shù)據(jù)之后還要用一定的時(shí)間來完成內(nèi)部操作，這一時(shí)間稱為恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間。讀出或者寫入時(shí)間加上讀出或者寫入時(shí)間加上恢復(fù)時(shí)間才是讀寫周期恢復(fù)時(shí)間才是讀寫周期。由此可見，存取時(shí)間和存取周期存取時(shí)間和存取周期是兩個(gè)不同的概念。是兩個(gè)不同的概念。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（4）可靠性可靠性指存儲(chǔ)器對環(huán)境溫度與電磁場等變化的抗干擾存儲(chǔ)器對環(huán)境溫度與電磁場等變化的抗干擾能力能力。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由于采用大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)由于采用大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)，可靠可靠性較高，平均無故障時(shí)間一般都在幾千小時(shí)以上性較高，平均無故障時(shí)間一般都在幾千小時(shí)以上。（5）

12、集成度對于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器來說，集成度是一個(gè)重要的衡量指集成度是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)標(biāo)。集成度是指在平方毫米芯片上集成基本電路的數(shù)量指在平方毫米芯片上集成基本電路的數(shù)量。衡量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的其它技術(shù)指標(biāo)還有功耗、性價(jià)比等指標(biāo)，其中功耗含維持功耗和操作功耗。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器3. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)下面根據(jù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類來介紹其特點(diǎn)。（1）RAM的分類及特點(diǎn)。RAM按器件原理可分為雙極型雙極型和MOS型型兩類。 雙極型RAM。雙極型RAM主要包括TTL型、ECL型存儲(chǔ)器。它的特點(diǎn)是存取速度高，但集成度低、功耗大、存取速度高，但集成度低、功耗大、成本高成本高。目前主要用于速

13、度要求高的微型機(jī)中主要用于速度要求高的微型機(jī)中。 MOS型RAM。MOS型RAM分為靜態(tài)靜態(tài)SRAM和動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)DRAM兩種。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器靜態(tài)靜態(tài)SRAM的特點(diǎn)的特點(diǎn)靜態(tài)RAM一般用6管構(gòu)成管構(gòu)成的觸發(fā)器觸發(fā)器作為基本存儲(chǔ)單元。集成度介于雙極型集成度介于雙極型RAM與動(dòng)態(tài)與動(dòng)態(tài)RAM之間之間，不需要刷新不需要刷新，易于用電池作備用電源，以解決斷電后繼續(xù)保存信息的問易于用電池作備用電源，以解決斷電后繼續(xù)保存信息的問題題，功耗低于雙極型功耗低于雙極型RAM，但高于動(dòng)態(tài)，但高于動(dòng)態(tài)RAM。動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)DRAM的特點(diǎn)的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)DRAM采用單管單管作基本存儲(chǔ)單元，依靠寄生電容依靠寄生電容存儲(chǔ)電

14、荷來存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)電荷來存儲(chǔ)信息，因而存在泄漏電流，信息在一定時(shí)因而存在泄漏電流，信息在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)自然丟失間內(nèi)會(huì)自然丟失，故必須定時(shí)刷新，通常刷新間隔為必須定時(shí)刷新，通常刷新間隔為2ms。集成度比雙極型集成度比雙極型RAM和靜態(tài)和靜態(tài)RAM都高都高，功耗較靜態(tài)功耗較靜態(tài)RAM低，價(jià)格比靜態(tài)低，價(jià)格比靜態(tài)RAM便宜。便宜。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器集成隨機(jī)存儲(chǔ)器集成隨機(jī)存儲(chǔ)器IRAM（Integrated RAM）。IRAM是將動(dòng)態(tài)將動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新邏輯電路和存儲(chǔ)器的刷新邏輯電路和DRAM集成在一起集成在一起，具有具有DRAM的高的高集成度，不需要外部刷新電路和使用方便等特點(diǎn)集成度，不需要外部

15、刷新電路和使用方便等特點(diǎn)；（2） ROM的分類及特點(diǎn) 掩膜只讀存儲(chǔ)器掩膜只讀存儲(chǔ)器MROM（Mask ROM）。掩膜只讀存儲(chǔ)器MROM是制造芯片廠家用定做掩膜對存儲(chǔ)器進(jìn)行編程，一旦制造完畢，其內(nèi)容就不可更改； 可編程只讀存儲(chǔ)器可編程只讀存儲(chǔ)器PROM（Programmable ROM）?？删幊讨蛔x存儲(chǔ)器PROM 允許用戶使用特殊方法一次性寫入，一旦寫入也不可更改； 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 可擦除只讀存儲(chǔ)器可擦除只讀存儲(chǔ)器EPROM（Erasable Programmable ROM）。EPROM允許用戶多次寫入信息，寫入操作由專用允許用戶多次寫入信息，寫入操作由專用的寫入設(shè)備完成的寫入設(shè)

16、備完成。寫入之前應(yīng)先擦除原來寫入的信息寫入之前應(yīng)先擦除原來寫入的信息。一種一種擦除方式為紫外光擦除擦除方式為紫外光擦除，用紫外光照射15分鐘左右，芯片中的信息被擦除，成為一塊空白的EPROM，可再次寫入信息。這類EPROM又叫UV EPROM。另一種擦除方式為電擦除另一種擦除方式為電擦除，即用特定的電信號(hào)對其進(jìn)行擦除，可在線操作，因此很方便，這類EPROM又叫EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）。它的特點(diǎn)是寫入時(shí)電壓要求較高寫入時(shí)電壓要求較高（一般為（一般為15V25V），寫入速度較慢而不能像），寫入速度較慢而不能像RAM那樣作那樣作隨機(jī)

17、存取存儲(chǔ)器使用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器使用；第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器（閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）。閃速存儲(chǔ)器簡稱閃存，是由Intel公司推出目前被廣泛使用的一種新型存儲(chǔ)芯片。它的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下可以長期保存數(shù)據(jù)，又在不加電的情況下可以長期保存數(shù)據(jù)，又具有非易失性具有非易失性，還可以在線進(jìn)行快速擦寫與重寫，兼有還可以在線進(jìn)行快速擦寫與重寫，兼有EPROM和和SRAM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。目前大量應(yīng)用于可移動(dòng)存儲(chǔ)器。大量應(yīng)用于可移動(dòng)存儲(chǔ)器。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.2.1 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)是指把不同存儲(chǔ)容量、存取速度把不同存儲(chǔ)

18、容量、存取速度和價(jià)格的存儲(chǔ)器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲(chǔ)器和價(jià)格的存儲(chǔ)器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲(chǔ)器，并通過管理并通過管理軟件和輔助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體軟件和輔助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的程序使所存放的程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲(chǔ)器中和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲(chǔ)器中?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次主要由高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、主存儲(chǔ)器和輔助存、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器組成儲(chǔ)器組成。6.2 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)及譯碼電路存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)及譯碼電路第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.2中顯示了新型微機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器組織新型微機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器組織。它呈現(xiàn)金字塔形結(jié)構(gòu)金字塔形結(jié)構(gòu)，越往上存儲(chǔ)器件的速度

19、越快，越往上存儲(chǔ)器件的速度越快，CPUCPU的訪的訪問頻度越高問頻度越高；同時(shí)，每位存儲(chǔ)容量的價(jià)格也越高，系統(tǒng)的每位存儲(chǔ)容量的價(jià)格也越高，系統(tǒng)的擁有量越小。擁有量越小。圖6.2 微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)層次圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖中可以看到，CPU中的寄存器位于該塔的頂端，它有最快的存取速度，但數(shù)量極為有限；向下依次是高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器。位于塔底的存儲(chǔ)設(shè)備，其容量最大，每位存儲(chǔ)容量的價(jià)格最低，但速度可能也是較慢或最慢的。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器對于現(xiàn)代的微型計(jì)算機(jī)來說，狹義上說其存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)包括三層：高速緩存（高速緩存（Cache）、內(nèi)存儲(chǔ)器）、內(nèi)存儲(chǔ)器（Mem

20、ory）、外存儲(chǔ)器（）、外存儲(chǔ)器（Secondary-Memory）。廣義上再添加上CPU內(nèi)部的寄存器內(nèi)部的寄存器（Register），構(gòu)成微處理器的四層存儲(chǔ)體系。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存緩存 主存和主存主存和主存 輔存輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次上，如圖6.3所示。圖6.3 緩存主存層次和主存輔存層次結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器從CPU角度角度來看，緩存主存這一層次的速度接近于緩存，高于主存；其容量和位價(jià)卻接近于主存。這就從速速度和成本的矛盾中度和成本的矛盾中獲得了理想的解決辦法。主存主存 輔存這輔存這一層次一層次，從整體分析整體分析，其速度接近于主存，容量接近于輔存，位價(jià)

21、接近于低速、廉價(jià)的輔存位價(jià)，這又解決了速度、速度、容量、成本這三者矛盾容量、成本這三者矛盾?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾乎都具有這兩個(gè)存儲(chǔ)層次，構(gòu)成了緩存、主存、輔存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.2.2 存儲(chǔ)器譯碼方式存儲(chǔ)器譯碼方式1.譯碼器的譯碼原理譯碼器的譯碼原理譯碼譯碼：把輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成所對應(yīng)的控制信號(hào)把輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成所對應(yīng)的控制信號(hào)和信息，也稱為解碼和信息，也稱為解碼。譯碼器是一個(gè)有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的組合電路，譯碼器結(jié)構(gòu)框圖如圖6.4所示。圖6.4 譯碼器結(jié)構(gòu)框圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器當(dāng)輸入輸入n位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼時(shí)，有有m個(gè)輸出信

22、號(hào)個(gè)輸出信號(hào)，對應(yīng)一對應(yīng)一組輸入二進(jìn)制代碼有且僅有一個(gè)輸出為有效電平，其它輸組輸入二進(jìn)制代碼有且僅有一個(gè)輸出為有效電平，其它輸出均為相反電平出均為相反電平，有效電平可以是高電平，也可以是低電平。輸入代碼的位數(shù)n與輸出信號(hào)m的對應(yīng)關(guān)系為：2nm。這樣才能保證對應(yīng)一組輸入二進(jìn)制代碼有且僅有一個(gè)輸出與之對應(yīng)。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器通常使用的譯碼器的輸入與輸出滿足關(guān)系2n=m。如2-4 譯碼器，輸入是兩位二進(jìn)制代碼A1A0，輸出m=4個(gè)表示代碼原意的信號(hào)Y0、Y1、Y2和Y3，對應(yīng)一組輸入二進(jìn)制代碼有且僅有一個(gè)輸出為有效電平，其它輸出均為相反電平，如規(guī)定有效電平為高電平，則可得譯碼器的邏輯對應(yīng)

23、關(guān)系函數(shù)：210Y =A A310Y =A A010Y =A A110Y = A A第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器根據(jù)邏輯關(guān)系函數(shù)可畫出譯碼器的邏輯圖如圖6.5所示。圖中加入了一個(gè)選通輸入控制端E，低電平有效。當(dāng)E=0時(shí)譯碼器按譯碼函數(shù)輸出。當(dāng)E=1時(shí)譯碼器禁止輸出，所有輸出端均為0。圖6.5 兩位二進(jìn)制譯碼器圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 74LS-138是常用的一種3-8譯碼器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6.6所示?，F(xiàn)以74LS138為例介紹其功能和應(yīng)用。圖中A2A1A0為地址輸入端，在譯碼狀態(tài)下的8個(gè)二進(jìn)制編碼輸出端依次為 。 從邏輯圖可以看出74LS138在片選信號(hào)無效時(shí)全為高電平1，此時(shí)芯片處于不

24、工作狀態(tài)；當(dāng)片選信號(hào)處于有效時(shí)，只有一個(gè)為低電平0有效，其余7個(gè)輸出引腳全為高電平。圖6.6 74LS138譯碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖0Y7Y第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器2. 存儲(chǔ)器的譯碼方式存儲(chǔ)器的譯碼方式 存儲(chǔ)器的地址譯碼方式主要存儲(chǔ)器的地址譯碼方式主要有兩種方式有兩種方式：一種是單譯碼方式單譯碼方式（一維譯碼）（一維譯碼）；另一種是雙譯碼雙譯碼方式（二維譯碼）方式（二維譯碼）。單譯碼方式中，N根地址輸入線經(jīng)全譯碼有2N個(gè)輸出，可以選中2N個(gè)單元，例如，8個(gè)單元需要A2A1A0三根地址線，經(jīng)過全譯碼后可以產(chǎn)生8個(gè)選擇線，選擇8個(gè)存儲(chǔ)單元的譯碼結(jié)構(gòu)如圖6.7所示。圖6.7 單譯碼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)

25、系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 單譯碼方式單譯碼方式適合存儲(chǔ)單元較少的存儲(chǔ)器適合存儲(chǔ)單元較少的存儲(chǔ)器，這種連接方連接方式簡單式簡單。因?yàn)榇鎯?chǔ)單元是按照一維空間排列方式排列存儲(chǔ)單元是按照一維空間排列方式排列，所以這種譯碼方式也叫做線性譯碼方式這種譯碼方式也叫做線性譯碼方式。對于集成度較高的集成度較高的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元較多的存儲(chǔ)芯片來說存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元較多的存儲(chǔ)芯片來說，如果使用這樣譯碼方式就需要一個(gè)龐大的譯碼電路龐大的譯碼電路，例如一個(gè)4K8的存儲(chǔ)芯片需要一個(gè)12-4096譯碼器，用線性譯碼顯然是不合適的。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 在芯片集成度較高的今天，芯片內(nèi)部都不采用單譯碼方都不采用單譯碼方式式，而

26、是將原來的單譯碼的地址線分成兩組原來的單譯碼的地址線分成兩組，一組作為行一組作為行地址譯碼選擇地址譯碼選擇，另一組作為列地址譯碼選擇另一組作為列地址譯碼選擇，這樣構(gòu)成一種二維地址譯碼方式二維地址譯碼方式，這種方式也叫做雙譯碼方式雙譯碼方式，其結(jié)構(gòu)如圖6.8所示。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.8 雙譯碼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 雙譯碼方式采用了兩個(gè)譯碼器采用了兩個(gè)譯碼器。存儲(chǔ)單元已經(jīng)不是線存儲(chǔ)單元已經(jīng)不是線性排列方式，采用二維的矩陣方式性排列方式，采用二維的矩陣方式，行地址有效選中一行，行地址有效選中一行，列地址有效選中一列，列地址有效選中一列，其行、列地址都有效表示單元被選

27、其行、列地址都有效表示單元被選中中。在超大規(guī)模集成芯片中，基本都是采用這樣的二維譯在超大規(guī)模集成芯片中，基本都是采用這樣的二維譯碼方式。碼方式。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可進(jìn)一步分為靜態(tài)靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）兩類。6.3.1靜態(tài)存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器 靜態(tài)存儲(chǔ)電路靜態(tài)存儲(chǔ)電路是由兩個(gè)增強(qiáng)型的增強(qiáng)型的NMOS反相器交叉反相器交叉耦合而成的觸發(fā)器耦合而成的觸發(fā)器，如圖6.9所示。6.3 隨機(jī)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.9 靜態(tài)存儲(chǔ)電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 其中T1、T2為工作管，T3、

28、T4為負(fù)載管，T5、T6為控制管，T7、T8也為控制管，它們?yōu)橥涣芯€上的存儲(chǔ)單元共用。這個(gè)電路具有兩個(gè)不同的穩(wěn)定狀態(tài)兩個(gè)不同的穩(wěn)定狀態(tài)：若T1截止則A=1（高電平），它使T2飽和導(dǎo)通，于是B=0（低電平），而B=0又保證了T1截止。所以，這種狀態(tài)是穩(wěn)定的。同樣，T1導(dǎo)通，T2截止的狀態(tài)也是相互保證而穩(wěn)定的。因此，可可以用這兩種不同狀態(tài)分別表示以用這兩種不同狀態(tài)分別表示1或或0。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器該基本存儲(chǔ)電路的工作過程如下： （1）當(dāng)該存儲(chǔ)電路被選中時(shí)， X地址譯碼線為高電平，門控管T5、T6導(dǎo)通，Y地址譯碼線也為高電平，門控管T7、T8導(dǎo)通，觸發(fā)器與I/O線（位線）接通，即A點(diǎn)與

29、I/O線接通，B點(diǎn)與接通； （2）寫入時(shí)，寫入數(shù)據(jù)信號(hào)從I/O線和線進(jìn)入。若要寫入1，則使I/O線為1（高電平），為0（即低電平），它們通過T5、T6、T7、T8管與A、B點(diǎn)相連，即A=1、 B=0，從而使T1截止，T2導(dǎo)通。而當(dāng)寫入信號(hào)和地址譯碼信號(hào)消失后，該狀態(tài)仍能保持。若要寫入0，則使I/O線為0，為高，這時(shí)T1導(dǎo)通，T2截止，只要不斷電，這個(gè)狀態(tài)也會(huì)一直保持下去，除非重新寫入一個(gè)新的數(shù)據(jù)。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 （3）對寫入內(nèi)容進(jìn)行讀出時(shí)，需要先通過地址譯碼使單元選擇線為高電平，于是T5、T6、T7、T8導(dǎo)通，A點(diǎn)的狀態(tài)被送到I/O線上，B點(diǎn)的狀態(tài)被送到線上，這樣，就讀取了原來存

30、儲(chǔ)器的信息。讀出以后，原來存儲(chǔ)器內(nèi)容不變，所以，這種讀出是一種非破壞性讀出。 由于SRAM的基本存儲(chǔ)電路中所含晶體管較多，故的基本存儲(chǔ)電路中所含晶體管較多，故集成集成度較低度較低；而且由由T1、T2管組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器總有一個(gè)管子管組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器總有一個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以，會(huì)持續(xù)地消耗電能，從而使會(huì)持續(xù)地消耗電能，從而使SRAM的的功耗較大功耗較大，這是SRAM的兩個(gè)缺點(diǎn)。靜態(tài)RAM的主要優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，不需要外加刷新電路，從而簡化了外電路設(shè)計(jì)工作穩(wěn)定，不需要外加刷新電路，從而簡化了外電路設(shè)計(jì)。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 SRAM的芯片有不同的規(guī)格，常用的有2101（25

31、64位）、2102（1K1位）、2114（1K4位）、4118（1K8位）、6116（2K8位）、6264（8K8位）和62256（32K8位）等。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，SRAM的集成度也在不斷增大。現(xiàn)以Intel2114和HM6116為例進(jìn)行簡單介紹。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 1. Intel 2114RAM 2114 SRAM的容量是10244=4Kbit。它的框圖和引腳配置如圖6.10所示。圖6.10 2114 SRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器片選引腳CS，當(dāng)其為低電平時(shí)，該片被選中；讀寫控制引腳R/W，當(dāng)其為高電平時(shí)，對選中的單元進(jìn)行讀出；當(dāng)其為低電平時(shí)，

32、對選中的單元進(jìn)行寫入。數(shù)據(jù)的輸入和輸出是采用雙向數(shù)據(jù)總線，有I/O0I/O3共4個(gè)數(shù)據(jù)引腳。單向地址總線A0A9，共10個(gè)地址引腳。芯片內(nèi)部的地址譯碼是兩級譯碼結(jié)構(gòu)，分為列選和行選，其中A4A9共6根地址引腳用于行譯碼，A0A3共4根地址引腳用于列譯碼，譯碼后在芯片內(nèi)部排成64條行選線和16條列選線，這樣通過二維譯碼器可選中其內(nèi)部的任何一個(gè)單元。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的所有的引腳都可以分為地址引腳地址引腳（Address）、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)引腳引腳（Data）和控制引腳控制引腳（Control）。其中地址引腳數(shù)地址引腳數(shù)是由芯由芯片內(nèi)部的單元數(shù)決定的，地址引腳線數(shù)片內(nèi)部的單元數(shù)決定的，地址引

33、腳線數(shù)n與單元數(shù)與單元數(shù)m的關(guān)系為的關(guān)系為m=2n；數(shù)據(jù)引腳線數(shù)數(shù)據(jù)引腳線數(shù)由每個(gè)存儲(chǔ)單元能夠存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位由每個(gè)存儲(chǔ)單元能夠存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)決定，數(shù)決定，每一位對應(yīng)一根數(shù)據(jù)引腳線每一位對應(yīng)一根數(shù)據(jù)引腳線；控制引腳線可以分為兩類：片選片選 （Chip Select）信號(hào)或 （Chip Enable）信號(hào)信號(hào)，芯片芯片讀寫控制讀寫控制 （Write Enable）或 信號(hào)。 有些芯片還會(huì)帶有輸出允許輸出允許 （Output Enable）或輸出禁輸出禁止止 （Output Disable）信號(hào)。芯片要被芯片要被CPU正常訪問，首先正常訪問，首先芯片要被選中，即片選芯片要被選中，即片選 有

34、效有效；如果在讀操作讀操作，輸出允許信號(hào)輸出允許信號(hào)也需要處于有效狀態(tài)也需要處于有效狀態(tài)。CSCEWER/WOEODCS第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 HM6116是日立公司生產(chǎn)的一種典型CMOS靜態(tài)RAM，存儲(chǔ)容量為2K8位。共有三個(gè)檔次的產(chǎn)品：HM6116p-2、HM6116p-3、HM6116p-4，它們的引腳排列及邏輯符號(hào)如圖6.11所示。圖6.11 HM6116的引腳排列及邏輯符號(hào)第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器表6-1 HM6116真值表工作方式工作方式I/O線狀態(tài)線狀態(tài)功率狀態(tài)功率狀態(tài)H沒選中高 阻備用狀態(tài)LL寫 入DIN運(yùn)行狀態(tài)LHL讀 出DOUT運(yùn)行狀態(tài)LHH高 阻運(yùn)行狀態(tài)當(dāng) 高電

35、平時(shí)，不管 及 為何種狀態(tài)，6116芯片都不能被選中，處于備用狀態(tài)。當(dāng) 低電平時(shí)，芯片處于運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)包括寫入（ 為低， 為任意狀態(tài)），讀出（ 為高， 為低）和不讀不寫（或稱等待）3種情況，詳見下表6-1所示 。CEWEOECEWEOEWEOECEWEOE第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器1. 動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器（動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器（DRAM） DRAM是利用電容存儲(chǔ)電荷的原理利用電容存儲(chǔ)電荷的原理來保存信息的，它將晶體管電容的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)分別作為晶體管電容的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)分別作為1和和0。DRAM的基本單元電路簡單，最簡單的DRAM單元只需只需1個(gè)管子個(gè)管子構(gòu)成，這使DRAM器件的芯片容量

36、很高芯片容量很高，而且功耗低功耗低。但是由于電容會(huì)逐漸放電，所以對對DRAM必須不斷讀出和再寫入，以使必須不斷讀出和再寫入，以使泄放的電荷得到補(bǔ)充，也就是進(jìn)行泄放的電荷得到補(bǔ)充，也就是進(jìn)行刷新刷新。一次刷新過程實(shí)際一次刷新過程實(shí)際上就是對存儲(chǔ)器進(jìn)行一次放大上就是對存儲(chǔ)器進(jìn)行一次放大，由于不需要信息傳輸，所以，這個(gè)過程很快這個(gè)過程很快。常用的動(dòng)態(tài)RAM有三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元或單管單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)單元兩種。目前大量的動(dòng)態(tài)目前大量的動(dòng)態(tài)RAM都采用單管。都采用單管。6.3.2 動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.12 DRAM存儲(chǔ)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)

37、系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元如圖6.12（a）所示，它由T1、T2、T3組成基本單元。T2是存儲(chǔ)管，用它的柵極與襯底間的寄生電容Cg存儲(chǔ)信息，T1是寫數(shù)控制管，T3是讀數(shù)控制管。每個(gè)基本單元有兩條字選線（讀選擇線和寫選擇線）、兩條數(shù)據(jù)線（寫數(shù)據(jù)線和讀數(shù)據(jù)線）。T4為一列上的存儲(chǔ)單元所公用，由它來控制對輸出電容CD進(jìn)行預(yù)充電。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器寫入信息時(shí)，寫選擇線為1，T1導(dǎo)通；寫入的數(shù)據(jù)通過T1管存儲(chǔ)到T2管的Cg電容中。讀出信息時(shí)，先給預(yù)充脈沖，使T1導(dǎo)通，使讀數(shù)據(jù)線的寄生電容Cg充電到VDD，然后啟動(dòng)讀選線（使其為1），進(jìn)行讀出操作。單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元如圖6.12（b）所

38、示，它由T1管和寄生電容Cg構(gòu)成。寫入信息時(shí)，字選擇線為1，T1導(dǎo)通，寫入數(shù)據(jù)由位線（數(shù)據(jù)線）存入Cg中。讀出信息時(shí)，字選擇線為1，存于Cg中的電荷通過導(dǎo)通的T1輸出到數(shù)據(jù)線上，再經(jīng)過讀出放大器輸出。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器2. DRAM的刷新的刷新所有的所有的DRAM都是利用電容存儲(chǔ)電荷的原理來保存信都是利用電容存儲(chǔ)電荷的原理來保存信息息。雖然利用MOS管間的高阻抗可以使電容上的電荷得以維持，但由于電容總存在泄漏現(xiàn)象，時(shí)間長了其存儲(chǔ)的電荷會(huì)消失，從而使其所存信息自動(dòng)丟失。所以，必須定必須定時(shí)對時(shí)對DRAM的所有基本存儲(chǔ)電路進(jìn)行補(bǔ)充電荷，即進(jìn)行刷的所有基本存儲(chǔ)電路進(jìn)行補(bǔ)充電荷，即進(jìn)行刷新

39、操作，以保證存儲(chǔ)的信息不變。新操作，以保證存儲(chǔ)的信息不變。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 所謂刷新刷新，就是每隔一定時(shí)間（一般每隔一定時(shí)間（一般2ms）對）對DRAM的所有單元進(jìn)行讀出，經(jīng)讀出放大器放大后再重新寫入原的所有單元進(jìn)行讀出，經(jīng)讀出放大器放大后再重新寫入原電路中，以維持電容上的電荷，進(jìn)而使所存信息保持不變電路中，以維持電容上的電荷，進(jìn)而使所存信息保持不變。雖然每次進(jìn)行的正常讀/寫存儲(chǔ)器的操作也相當(dāng)于進(jìn)行了刷新操作，但由于CPU對存儲(chǔ)器的讀/寫操作是隨機(jī)的，并不能保證在2 ms時(shí)間內(nèi)對內(nèi)存中所有單元都進(jìn)行一次讀/寫操作，以達(dá)到刷新效果。所以，對對DRAM必須設(shè)置專必須設(shè)置專門的外部控制電

40、路和安排專門的刷新周期來系統(tǒng)地對門的外部控制電路和安排專門的刷新周期來系統(tǒng)地對DRAM進(jìn)行刷新。進(jìn)行刷新。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片刷新時(shí)，結(jié)構(gòu)上是采用按行刷新按行刷新，即一次對一行的各個(gè)單元同時(shí)進(jìn)行刷新，刷新一行所需要的時(shí)間稱為刷新周期刷新周期。刷新一塊芯片所需要的周期數(shù)由芯片的刷新一塊芯片所需要的周期數(shù)由芯片的內(nèi)部矩陣結(jié)構(gòu)決定的內(nèi)部矩陣結(jié)構(gòu)決定的。如果芯片的集成度較大，內(nèi)部通常再被劃分成較小的矩陣，這樣所有的矩陣同時(shí)進(jìn)行刷新。 根據(jù)動(dòng)態(tài)芯片刷新安排與CPU對存儲(chǔ)芯片的讀寫之間的關(guān)系，刷新方式主要有集中刷新方式集中刷新方式、分散刷新方式分散刷新方式和異步刷新方式異步刷新方

41、式三種：第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（1）集中刷新方式。集中刷新方式是在DRAM的最大刷新時(shí)間間隔中，集中在一個(gè)時(shí)間段對芯片的每一行都進(jìn)行刷新，其余時(shí)間用于正常的讀寫操作。集中刷新方式優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)器的利用率高存儲(chǔ)器的利用率高，控制比較簡單控制比較簡單，但在刷新過程中，在刷新過程中，不能對存儲(chǔ)器進(jìn)行正常的讀寫訪問不能對存儲(chǔ)器進(jìn)行正常的讀寫訪問。這種方式不適合實(shí)時(shí)這種方式不適合實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的系統(tǒng)使用。性較強(qiáng)的系統(tǒng)使用。（2）分散刷新方式。分散刷新方式是將各個(gè)刷新周期安排在每個(gè)正常的讀寫周期之后。這種刷新方式的時(shí)序控制這種刷新方式的時(shí)序控制比較簡單，對存儲(chǔ)器的讀寫沒有長時(shí)間的比較簡單，對存儲(chǔ)器的讀寫沒有

42、長時(shí)間的“死區(qū)死區(qū)”。但刷但刷新過于頻繁，存儲(chǔ)器的效率過低。新過于頻繁，存儲(chǔ)器的效率過低。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（3）異步刷新方式。在異步刷新方式下，各個(gè)刷新周期安排在異步刷新方式下，各個(gè)刷新周期安排在最大刷新時(shí)間間隔的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上在最大刷新時(shí)間間隔的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上。它是根據(jù)存儲(chǔ)器需要同時(shí)刷新的最大行數(shù)，計(jì)算出每一行的間隔時(shí)間，通過定時(shí)電路向CPU提出一個(gè)刷新請求，然后進(jìn)行一次刷新操作?，F(xiàn)在大多現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的是異步刷新方式。數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的是異步刷新方式。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器3. DRAM芯片舉例芯片舉例DRAM集成度較高，對于同樣的引腳數(shù)，其單片容量往往集成度較高，對于

43、同樣的引腳數(shù)，其單片容量往往比比SRAM高。高。內(nèi)部存儲(chǔ)單元按矩陣形式排列成存儲(chǔ)體，內(nèi)部存儲(chǔ)單元按矩陣形式排列成存儲(chǔ)體，通通常采用行、列地址復(fù)合選擇尋址法常采用行、列地址復(fù)合選擇尋址法。目前常用的有4164（64K1Bit）、41256（256K1Bit）、41464（64K4Bit）和414256（256K4Bit）等類型?，F(xiàn)以DRAM 4164和414256芯片為例進(jìn)行介紹。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.13 DRAM 4164的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（1）DRAM 4164的存儲(chǔ)芯片結(jié)構(gòu)。DRAM 4164的結(jié)構(gòu)如下圖6.13所示。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(1) DRAM 4164的存儲(chǔ)芯片

44、結(jié)構(gòu) DRAM 4164的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-13所示。4164是64K*1位的芯片。其中其中8條地址線分兩次送條地址線分兩次送入入16位地址進(jìn)行尋址位地址進(jìn)行尋址。第一組8位地址為行地址，由行地址選行地址選通信號(hào)通信號(hào) 選通送至芯片內(nèi)部行地址鎖存器內(nèi)鎖存；第二組第二組8位地址為列地址，由列地址選通信號(hào)位地址為列地址，由列地址選通信號(hào) 選通送入列地址鎖存器內(nèi)鎖存。行、列地址譯碼器共同選通某一存儲(chǔ)單元，完成讀寫操作。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，寫入數(shù)據(jù)時(shí)， 上輸入低電平上輸入低電平，數(shù)據(jù)加載在Din 數(shù)據(jù)線上，數(shù)據(jù)被寫入指定單元；讀出數(shù)據(jù)時(shí)讀出數(shù)據(jù)時(shí)， 上輸入高電平，被訪問存儲(chǔ)單元的信息通過Dout線輸出。 RAS

45、CASWEWERAS第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（2）414256的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片結(jié)構(gòu)。414256的內(nèi)部組成如圖6.14所示。圖6.14 DRAM 414256的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器414256的基本組成是5125124的存儲(chǔ)器陣列。在此基礎(chǔ)上設(shè)有讀出放大器與I/O門控制電路、行地址緩沖器/譯碼器、列地址緩沖器/譯碼器、數(shù)據(jù)輸入/輸出緩沖器、刷新控制/計(jì)數(shù)器以及時(shí)鐘發(fā)生器等。存儲(chǔ)器訪問時(shí)，行地址和列地址分兩次輸入。首先由由RAS信號(hào)鎖存由地址線信號(hào)鎖存由地址線A8A0輸入的輸入的9位行地址位行地址，然后再由由CAS信號(hào)鎖存由地址線信號(hào)鎖存由地址線A8A0輸入的輸入的9位列地址

46、位列地址，經(jīng)譯碼選中某一存儲(chǔ)單元，在讀/寫控制信號(hào)的控制下，可對該單元的4位數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出或者寫入。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器讀出時(shí)須預(yù)充電，因此每次讀寫操作均可進(jìn)行一次刷新。MCM414256需要每需要每8ms刷新一次刷新一次。刷新時(shí)通過在刷新時(shí)通過在512個(gè)行地址間按順序循環(huán)進(jìn)行刷新，可以個(gè)行地址間按順序循環(huán)進(jìn)行刷新，可以分散刷新，也可以連續(xù)刷新分散刷新，也可以連續(xù)刷新。分散刷新也稱為分布刷新，是指每15.6s刷新一行；連續(xù)刷新是對512行集中刷新。 MCM414256必須每8ms進(jìn)行一次快速刷新，MCM41M256每64 ms進(jìn)行一次快速刷新。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（

47、3）增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片EDRAM（Enhanced DRAM）。增強(qiáng)型EDRAM是在DRAM芯片上集成了一個(gè)芯片上集成了一個(gè)SRAM的小容量的小容量Cache盡盡管這一新技術(shù)并不復(fù)雜，管這一新技術(shù)并不復(fù)雜，卻帶來卻帶來DRAM芯片性能顯芯片性能顯著改進(jìn)著改進(jìn)。圖6.15給出一個(gè)1M4位EDRAM的結(jié)構(gòu)框圖。 圖6.15 DRAM 414256的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器訪問1M4位的EDRAM芯片需20位內(nèi)存地址位內(nèi)存地址。在行選通信號(hào)作用下，內(nèi)存地址的高11位經(jīng)A0A10地址引腳輸入，作為行地址并被鎖存，并同時(shí)保存在最后讀出行地并同時(shí)保存在最后讀出行地址鎖存器中址鎖存器中。 DRA

48、M陣列的2048行中此地址指定行的全部數(shù)據(jù)512 4位，被讀取到SRAM Cache中暫存。內(nèi)存地址的低9位，在列選通信號(hào)作用經(jīng)A0A8地址引腳輸入，作為列地址并被鎖存。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 讀允許信號(hào)有效時(shí)，512個(gè)4位組的SRAM Cache中某一4位組被此列地址選中，其4位組經(jīng)D0D3送出芯片。下一次讀取時(shí)，輸入的行地址立即與最后讀出行地址鎖存下一次讀取時(shí)，輸入的行地址立即與最后讀出行地址鎖存器的內(nèi)容進(jìn)行器的內(nèi)容進(jìn)行11位的比較，位的比較，若相符則若相符則SRAM Cache命中，命中，由輸入的列地址從由輸入的列地址從Cache選擇某一位組送出即可選擇某一位組送出即可。只在比較不

49、相符時(shí)，才需要如剛才所述那樣驅(qū)動(dòng)才需要如剛才所述那樣驅(qū)動(dòng)DRAM陣列陣列。更更新新SRAM Cache和最后讀出行地址門鎖器的內(nèi)容，并送和最后讀出行地址門鎖器的內(nèi)容，并送出指定的出指定的4位組位組。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器顯然，以SRAM Cache保存一行內(nèi)容的辦法，對成塊對成塊傳送非常有利傳送非常有利。如果連續(xù)的地址高序位相同，屬于同一行地址，那么連續(xù)變動(dòng)的列地址就會(huì)使SRAM Cache中相應(yīng)位組連續(xù)讀出，這稱為猝發(fā)（突發(fā)）式讀取猝發(fā)（突發(fā)）式讀取。這種結(jié)構(gòu)還帶來另外兩個(gè)好處：一是在一是在SRAM Cache讀出期間可同時(shí)對讀出期間可同時(shí)對DRAM陣列進(jìn)行刷新陣列進(jìn)行刷新；二是芯片內(nèi)

50、的數(shù)二是芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出路徑（由據(jù)輸出路徑（由SRAM到到I/O）與數(shù)據(jù)輸入路徑（由）與數(shù)據(jù)輸入路徑（由I/O到到列寫選擇和讀出放大器）是分開的，允許在寫操作完成的列寫選擇和讀出放大器）是分開的，允許在寫操作完成的同時(shí)來啟動(dòng)同一行的讀操作同時(shí)來啟動(dòng)同一行的讀操作。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在學(xué)習(xí)RAM芯片時(shí)，需要掌握一個(gè)原則，學(xué)習(xí)RAM芯片引腳結(jié)構(gòu)時(shí)，可以把芯片的引腳線按照功能分成3組，地址線、數(shù)據(jù)地址線、數(shù)據(jù)線和控制線線和控制線。地址線數(shù)可以從一個(gè)芯片容量獲取地址線數(shù)可以從一個(gè)芯片容量獲取，例如，一個(gè)8K8的芯片其容量8K=213，這樣就可以知道其地址線為13根。 如果芯片的集成度較高，它

51、們的地址線通常與它們的地址線通常與 和和 分分組使用，結(jié)構(gòu)上只有一半地址線數(shù)組使用，結(jié)構(gòu)上只有一半地址線數(shù)；數(shù)據(jù)線的數(shù)目代表一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線的數(shù)目代表一個(gè)存儲(chǔ)單元能夠存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)單元能夠存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，如果線是單向的，通常由如果線是單向的，通常由DIN和和DOUT兩部分組成，在使用時(shí)可以統(tǒng)一考慮兩部分組成，在使用時(shí)可以統(tǒng)一考慮；控制線考慮主要的控制線考慮主要的兩根兩根，一根是片選信號(hào)一根是片選信號(hào) ，有些芯片的名稱為 ，其作用都是相同的，另外一根是 信號(hào)，有的芯片名稱是 ，其作用也都是相同的，高電平為讀有效、低電平寫為有效。容量決定地址線容量決定地址線數(shù)，存儲(chǔ)單元位數(shù)決定數(shù)據(jù)線數(shù)。

52、數(shù)，存儲(chǔ)單元位數(shù)決定數(shù)據(jù)線數(shù)。RASCASCSCER/WWE第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.4.1 掩膜掩膜ROM所謂掩膜掩膜ROM，是指生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶需要在指生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶需要在ROM的制作階段，通過的制作階段，通過“掩膜掩膜”工序?qū)⑿畔⒆龅叫酒?，適合工序?qū)⑿畔⒆龅叫酒?，適合于批量生產(chǎn)和使用于批量生產(chǎn)和使用。這類ROM可由二極管、雙極型晶體二極管、雙極型晶體管和管和MOS電路組成電路組成，其工作原理是類似的。 圖6.16為一個(gè)簡單的44位MOS管ROM，采用單譯碼結(jié)構(gòu)。兩位地址線A1、A0譯碼后可譯出四種狀態(tài)，輸出4條選擇線，分別選中4個(gè)單元，每個(gè)單元有4位輸出。 6.4 只讀存儲(chǔ)器

53、只讀存儲(chǔ)器(ROM)第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.16 掩膜ROM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 在圖中所示的矩陣中，行和列的交點(diǎn)，有的連有管子，有的沒有，這是工廠根據(jù)用戶提供的程序?qū)π酒瑘D形根據(jù)用戶提供的程序?qū)π酒瑘D形(掩掩膜膜)進(jìn)行二次光刻所決定的進(jìn)行二次光刻所決定的，所以稱為掩膜掩膜ROM。若地址線A1A0=00B，則選中0號(hào)單元，即字線0為高電平，若有管子與其相連(如位線2和0)，其相應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，位線輸出為0，而位線1和3沒有管子與字線相連，則輸出為1。 故存儲(chǔ)器的內(nèi)容取決于制造工藝存儲(chǔ)器的內(nèi)容取決于制造工藝，圖6.16存儲(chǔ)矩陣的內(nèi)容如表6-2所示。 第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及

54、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器表6-2 掩膜ROM存儲(chǔ)矩陣的內(nèi)容單元 位D3D2D1D001010111012010130110第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.4.2 可擦編程只讀存儲(chǔ)器可擦編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM) 在實(shí)際工作中，一個(gè)新設(shè)計(jì)的程序往往需要經(jīng)歷調(diào)試、需要經(jīng)歷調(diào)試、修改過程修改過程，如果將這個(gè)程序?qū)懺赗OM和PROM中，就很不方便了。EPROM是一種可以多次進(jìn)行擦除和重寫的可以多次進(jìn)行擦除和重寫的ROM。在EPROM中，信息的存儲(chǔ)是通過電荷分布來決定信息的存儲(chǔ)是通過電荷分布來決定的，所以編程過程就是一個(gè)電荷聚集過程的，所以編程過程就是一個(gè)電荷聚集過程。編程結(jié)束后，編程結(jié)束后，盡管撤除了電源，但由

55、于絕緣層的包圍，聚集的電荷無法盡管撤除了電源，但由于絕緣層的包圍，聚集的電荷無法泄露，因此電荷分布維持不變。泄露，因此電荷分布維持不變。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 EPROM具有可修改性，在它的正面，有一個(gè)石英玻璃窗口，當(dāng)用紫外線紫外線光源通過窗口對它照射對它照射1520分鐘后分鐘后，其內(nèi)部電荷分布被破壞，聚集在各基本存儲(chǔ)電路中的電荷形成光電流泄露聚集在各基本存儲(chǔ)電路中的電荷形成光電流泄露走，使電路恢復(fù)為初始狀態(tài)，片內(nèi)所有位變?yōu)槿?，使電路恢?fù)為初始狀態(tài)，片內(nèi)所有位變?yōu)槿?，從而擦除，從而擦除了寫入的信息了寫入的信息。經(jīng)擦除后的EPROM芯片可在EPROM編程器上寫入新的內(nèi)容，即重新編程重新

56、編程。 1. EPROM的存儲(chǔ)單元電路的存儲(chǔ)單元電路 通常EPROM存儲(chǔ)電路是利用浮柵浮柵MOS管管構(gòu)成的，又稱FAMOS管(Floating gate Avalanche Injection Metal-Oxide-Semiconductor，即浮柵雪崩注入MOS管)，其構(gòu)造如圖6.17(a)所示。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.17 浮柵MOS EPROM存儲(chǔ)電路第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 該電路和普通P溝道增強(qiáng)型MOS管相似，只是浮柵管的柵極沒有引出端，而被SiO2絕緣層所包圍，稱為“浮柵”。在原始狀態(tài)，該管柵極上沒有電荷，沒有導(dǎo)通溝道，D和S是不導(dǎo)通的。如果將源極和襯底接地，在襯底

57、和漏極形成的PN結(jié)上加一個(gè)約24 V的反向電壓，可導(dǎo)致雪崩擊穿，產(chǎn)生許多高能量的電子，這些電子比較容易越過絕緣薄層進(jìn)入浮柵。 注入浮柵的電子數(shù)量由所加電壓脈沖的幅度和寬度來控制，如果注入的電子足夠多，這些負(fù)電子在硅表面上感應(yīng)出一個(gè)連接源漏極的反型層，使源漏極呈低阻態(tài)。當(dāng)外加電壓取消后，積累在浮柵上的電子沒有放電回路，因而在室溫和無光照的條件下可長期地保存在浮柵中。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器將一個(gè)浮柵管和MOS管串起來組成如圖6.17 (b)所示的存儲(chǔ)單元電路。于是浮柵中注入了電子的MOS管源漏極導(dǎo)通，當(dāng)行選線選中該存儲(chǔ)單元時(shí)，相應(yīng)的位線為低電平，即讀取值為0，而未注入電子的浮柵管的源漏極是不

58、導(dǎo)通的，故讀取值為1。在原始狀態(tài)，沒有經(jīng)過編程，浮柵中沒注入電子，位線上總是l。消除浮柵電荷的辦法是利用紫外線光照射消除浮柵電荷的辦法是利用紫外線光照射，由于紫外線由于紫外線光子能量較高，從而可使浮柵中的電子獲得能量，光子能量較高，從而可使浮柵中的電子獲得能量，形成光電形成光電流從浮柵流入基片，使浮柵恢復(fù)初態(tài)流從浮柵流入基片，使浮柵恢復(fù)初態(tài)。EPROM芯片上方有一個(gè)石英玻璃窗口，只要將此芯片放入一個(gè)靠近紫外線燈管的小盒中，一般照射10分鐘左右，讀出各單元的內(nèi)容均為FFH，則說明該EPROM已擦除。第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器2. 典型典型EPROM芯片介紹芯片介紹 EPROM芯片有多種型號(hào)，如

59、2716(2 K8 bit)、2732(4 K8 bit)、2764(8 K8 bit)、27128(16 K8 bit)、27256(32 K8 bit)等。下面以2764A為例，介紹EPROM的性能和工作方式。 Intel 2764A有13條地址線，8條數(shù)據(jù)線，2個(gè)電壓輸入端Vcc和Vpp，一個(gè)片選端 ，此外還有輸出允許 和編程控制端 ，其功能框圖如圖6.18所示。CEOEPGM第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器圖6.18 2764A功能框圖NoImage第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 （1）讀方式 讀方式是讀方式是2764A通常使用的方式通常使用的方式，此時(shí)兩個(gè)電源引腳Vcc和Vpp都接至+5

60、V，PGM接至高電平，當(dāng)從2764A的某個(gè)單元讀數(shù)據(jù)時(shí)，先通過地址引腳接收來自先通過地址引腳接收來自CPU的地址信號(hào)的地址信號(hào)，然后使控制信號(hào) 、 都有效，于是經(jīng)過一個(gè)時(shí)間間隔，指定單元的內(nèi)容即可讀到數(shù)據(jù)總線上。CEOE第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 Intel 2764A有六種工作方式，如表6-3所示。CE OEPGM表6-3 2764A的工作方式選擇表方式 引腳A12A0VppVcc引腳功能引腳功能讀LLHVcc5V數(shù)據(jù)輸出禁止輸出LHHVcc5V高阻備用HVcc5V高阻編程LHL12.5V數(shù)據(jù)輸入校驗(yàn)LLH12.5V數(shù)據(jù)輸出禁止編程H12.5V高阻第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 （2）備用方