南理工第7章半導(dǎo)體存儲器ppt課件

1、第7章 半導(dǎo)體存儲器 本章主要內(nèi)容：1、存儲器概述2、隨機存取存儲器3、只讀存儲器4、CPU與存儲器的連接存儲器概述存儲器概述 存儲器：是計算機系統(tǒng)中的記憶裝置，主存儲器：是計算機系統(tǒng)中的記憶裝置，主要用來存放程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等。更要用來存放程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等。更確切地講，存儲器是存放二進制編碼信息確切地講，存儲器是存放二進制編碼信息的硬件裝置。的硬件裝置。存儲器的類型存儲器的類型1、按工作時與、按工作時與CPU聯(lián)系密切程度分類：聯(lián)系密切程度分類： 內(nèi)存、外存。內(nèi)存、外存。 外存被列為計算機的外部設(shè)備。外存被列為計算機的外部設(shè)備。2、按存儲元件材料分類：、按存儲元件材料分類： 半導(dǎo)體存

2、儲器半導(dǎo)體存儲器(如內(nèi)存如內(nèi)存)、磁存儲器、磁存儲器(如磁盤、磁帶如磁盤、磁帶)和光和光存儲器存儲器(如光盤如光盤)。目前，微機的存儲器幾乎全部采用半導(dǎo)。目前，微機的存儲器幾乎全部采用半導(dǎo)體存儲器。體存儲器。3按存儲器讀寫工作方式分類：按存儲器讀寫工作方式分類： 隨機存儲器隨機存儲器RAM和只讀存儲器和只讀存儲器ROM。一般。一般ROM用來用來存儲程序和固定的數(shù)據(jù)，比如計算機的系統(tǒng)程序、一些固存儲程序和固定的數(shù)據(jù)，比如計算機的系統(tǒng)程序、一些固定表格等，如定表格等，如IBM PC機中的機中的BIOS程序即固化在程序即固化在ROM中；中；而而RAM用于存儲各種現(xiàn)場的輸入輸出數(shù)據(jù)，中間計算結(jié)果，用于

3、存儲各種現(xiàn)場的輸入輸出數(shù)據(jù)，中間計算結(jié)果，與外存交換的信息和作堆棧用。與外存交換的信息和作堆棧用。存儲器的類型存儲器的類型半導(dǎo)體存儲器隨機存儲器RAM只讀存儲器ROM雙極型MOS型掩膜ROM可編程ROM電可擦PROMEEPROM光可擦PROMEPROM靜態(tài)動態(tài)前往前往只讀存儲器只讀存儲器ROMROM的分類：掩膜的分類：掩膜ROM，可編程，可編程ROM(PROM)，紫外線可擦除可編程紫外線可擦除可編程ROM(EPROM)和電可擦除可和電可擦除可編程編程ROM(EEPROM 或記作或記作E2PROM)四類。四類。l 掩膜掩膜ROM：通過掩膜技術(shù)制作或不制作晶體管柵：通過掩膜技術(shù)制作或不制作晶體管柵

4、極實現(xiàn)的。極實現(xiàn)的。l PROM：為了彌補：為了彌補ROM成本高和不能改變其內(nèi)容成本高和不能改變其內(nèi)容的不足，出現(xiàn)了一種由用戶編程且只能寫入一次的的不足，出現(xiàn)了一種由用戶編程且只能寫入一次的PROM。出廠時。出廠時PROM為熔絲斷裂型，未寫入時每為熔絲斷裂型，未寫入時每個基本存儲電路都是一個帶熔絲的三極管或二極管。個基本存儲電路都是一個帶熔絲的三極管或二極管。編程后絲斷為編程后絲斷為“1”，未斷者為，未斷者為“0”。只讀存儲器只讀存儲器ROM lEPROMlEPROM：可以用編程器寫入，用紫外線燈照射：可以用編程器寫入，用紫外線燈照射擦除，可反復(fù)使用。在芯片上開有一石英窗口，當(dāng)芯擦除，可反復(fù)使

5、用。在芯片上開有一石英窗口，當(dāng)芯片置于紫外線下照射時，高能光子與片置于紫外線下照射時，高能光子與EPROMEPROM中的中的電子相碰撞，將其驅(qū)散，于是，以電荷形式存儲的信電子相碰撞，將其驅(qū)散，于是，以電荷形式存儲的信息即被擦除。息即被擦除。常用的常用的EPROMEPROM芯片：芯片：27162716，27322732，27642764，2712827128和和2725627256等。等。lE2PROMlE2PROM：可以字節(jié)為單位在線電改寫與電擦：可以字節(jié)為單位在線電改寫與電擦除，并能在斷電情況下保持修改結(jié)果。常見的除，并能在斷電情況下保持修改結(jié)果。常見的E 2 P R O ME 2 P R

6、O M 芯 片 有芯 片 有 2 8 1 6 ( 2 K2 8 1 6 ( 2 K * 8 ) , 8 ) , 2817(2K2817(2K*8), 2864(8K8), 2864(8K*8)8)等。等。前往前往隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAM分類：雙極型和分類：雙極型和MOS型兩種。型兩種。雙極型：雙極型：優(yōu)點：存取速度高優(yōu)點：存取速度高缺陷：功耗大，集成度低，成本高缺陷：功耗大，集成度低，成本高主要用于高速微型計算機中；主要用于高速微型計算機中；2. MOS型：型：又可分為靜態(tài)又可分為靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)和動態(tài)RAM(DRAM)兩種，廣泛用于微機中。兩種，廣泛用于微機中。RAM:

7、 Random Access Memory隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAM l SRAMl SRAM：用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作存儲單元存放：用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作存儲單元存放11和和00，存取速度快，電路簡單，不需刷新。但集，存取速度快，電路簡單，不需刷新。但集成度較低，功耗較大，成本較高，容量有限，只適成度較低，功耗較大，成本較高，容量有限，只適用于存儲容量不大的場合。用于存儲容量不大的場合。常用的常用的SRAMSRAM芯片有：芯片有：21142114：1K1K*4461166116：2K2K*8862646264：8K8K*886212862128：16K16K*886225662256：32K32K

8、*886116(2K6116(2K*8)8)的技術(shù)指標(biāo)：采用的技術(shù)指標(biāo)：采用CMOSCMOS工工藝制造，單藝制造，單+5V+5V電源，額定功率電源，額定功率160mW160mW，典，典型存取時間型存取時間200ns200ns，2424線雙列直插式封裝。線雙列直插式封裝。隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器RAM l DRAMl DRAM：基本存儲電路為帶驅(qū)動晶體管的電容，電容：基本存儲電路為帶驅(qū)動晶體管的電容，電容上有無電荷被視為邏輯上有無電荷被視為邏輯11和和00，容量大，功耗低，結(jié)構(gòu)簡，容量大，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，生產(chǎn)成本低。但由于電容漏電，僅能維持單，集成度高，生產(chǎn)成本低。但由于電容漏電

9、，僅能維持2ms2ms左右，故需要專門電路定期進行刷新，以維持其中所左右，故需要專門電路定期進行刷新，以維持其中所存的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在用得內(nèi)存大多數(shù)是由存的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在用得內(nèi)存大多數(shù)是由DRAMDRAM構(gòu)成的。構(gòu)成的。典型的典型的DRAMDRAM芯片有：芯片有：21642164：64K64K*11Intel8203Intel8203就是專為就是專為21162116、21642164等設(shè)計的刷等設(shè)計的刷新控制電路。刷新是按行進行的，即不管系統(tǒng)中有多少個新控制電路。刷新是按行進行的，即不管系統(tǒng)中有多少個DRAMDRAM芯片，也不管存儲容量有多大，每次均對所有芯片芯片，也不管存儲容量有多大，每次均對所有芯片

10、的同一行再生。因此單片的同一行再生。因此單片DRAMDRAM有多少行，就分多少次進有多少行，就分多少次進行再生。行再生。前往前往存儲器的性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo) 存儲器的性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo) 包括存儲容量，存取速度，可靠性及性能價格比。包括存儲容量，存取速度，可靠性及性能價格比。l存儲容量：指每個存儲器芯片所能存儲的二進制存儲容量：指每個存儲器芯片所能存儲的二進制數(shù)的位數(shù)，用存儲單元數(shù)與存儲單元字長或數(shù)據(jù)數(shù)的位數(shù)，用存儲單元數(shù)與存儲單元字長或數(shù)據(jù)線位數(shù)的乘積來描述。線位數(shù)的乘積來描述。 如：如：Intel6264為為8K*8位位/片片 Intel2114為為1K*4位位/片片l存取速度：從

11、存取速度：從CPU給出有效存儲器地址到存儲器給出有效存儲器地址到存儲器給出有效數(shù)據(jù)所用時間。給出有效數(shù)據(jù)所用時間。存儲器的分級結(jié)構(gòu)存儲器的分級結(jié)構(gòu)三級存儲器結(jié)構(gòu)：三級存儲器結(jié)構(gòu)： 即高速緩沖存儲器即高速緩沖存儲器(Cache)、內(nèi)存和輔存。、內(nèi)存和輔存。 CPU能直接訪問的存儲器有高速緩存和內(nèi)存，而能直接訪問的存儲器有高速緩存和內(nèi)存，而輔存中的信息必須先調(diào)入內(nèi)存才能由輔存中的信息必須先調(diào)入內(nèi)存才能由CPU進行處進行處理。理。l高速緩存：簡稱快存，多由靜態(tài)隨機存儲器高速緩存：簡稱快存，多由靜態(tài)隨機存儲器SRAM組成，和內(nèi)存相比，它存取速度快，但容組成，和內(nèi)存相比，它存取速度快，但容量小。量小。l

12、內(nèi)存：和快存交換指令和數(shù)據(jù)，快存再和內(nèi)存：和快存交換指令和數(shù)據(jù)，快存再和CPU打打交道。內(nèi)存多由動態(tài)隨機存儲器構(gòu)成。交道。內(nèi)存多由動態(tài)隨機存儲器構(gòu)成。半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu) 地址譯碼器地址譯碼器存存 儲儲 矩矩 陣陣三態(tài)緩沖器三態(tài)緩沖器控制邏輯控制邏輯R/WCSD0D1Dn-1A0A1An-1半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體存儲器的組成：存儲矩陣半導(dǎo)體存儲器的組成：存儲矩陣(也稱存儲體也稱存儲體)、地址譯碼器、地址譯碼器、控制邏輯和三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖寄存器控制邏輯和三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖寄存器l存儲矩陣：是大量存儲元件存儲矩陣：是大量存儲元件(由能存儲一位二進制代碼的物由能存儲一位二

13、進制代碼的物理器件理器件)組成的有機組合，排成一定形式的陣列并進行編址，組成的有機組合，排成一定形式的陣列并進行編址，構(gòu)成存儲矩陣。構(gòu)成存儲矩陣。l地址譯碼器：用來接收來自地址譯碼器：用來接收來自CPU的地址信號，產(chǎn)生地址譯碼的地址信號，產(chǎn)生地址譯碼信號，選中存儲矩陣中的一個或幾個基本存儲電路，以便進信號，選中存儲矩陣中的一個或幾個基本存儲電路，以便進行讀寫操作。行讀寫操作。l三態(tài)雙向緩沖器：用作數(shù)據(jù)輸入三態(tài)雙向緩沖器：用作數(shù)據(jù)輸入/輸出控制電路，以使其連輸出控制電路，以使其連接到數(shù)據(jù)總線上。接到數(shù)據(jù)總線上。l控制電路：通過控制電路：通過RAM的外引線端，接受來自的外引線端，接受來自CPU或外

14、部電或外部電路的控制信號，經(jīng)組合變換后，對上述電路進行控制。路的控制信號，經(jīng)組合變換后，對上述電路進行控制。半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu) 1. 進行讀寫操作時：進行讀寫操作時：CPU及其接口電路送來芯片選擇信號及其接口電路送來芯片選擇信號CS和讀寫控和讀寫控制信號制信號R/W，單方向打開三態(tài)緩沖器，對該存儲，單方向打開三態(tài)緩沖器，對該存儲單元進行操作；單元進行操作；2. 不進行讀寫操作時：不進行讀寫操作時：CS無效，控制邏輯使三態(tài)緩沖器處于高阻狀態(tài)，無效，控制邏輯使三態(tài)緩沖器處于高阻狀態(tài)，存儲矩陣與數(shù)據(jù)線脫開。存儲矩陣與數(shù)據(jù)線脫開。存儲器與存儲器與CPU的接口的接口 存儲器與存儲器與C

15、PU連接時需考慮的問題：連接時需考慮的問題：1CPU總線的帶負載能力總線的帶負載能力CPU通過總線與通過總線與ROM、RAM及輸入及輸入/輸出接口相連接時的負載能輸出接口相連接時的負載能力；力；2存儲器組織、地址分配存儲器組織、地址分配依系統(tǒng)要求的存儲依系統(tǒng)要求的存儲容量選擇相應(yīng)的存儲芯片接口時，其總線的具體容量選擇相應(yīng)的存儲芯片接口時，其總線的具體連接方法以及如何對存儲器的存儲單元進行地址連接方法以及如何對存儲器的存儲單元進行地址分配；分配；3CPU時序與存儲器存取速度之間的配合時序與存儲器存取速度之間的配合CPU與存儲器接口時工作速度是否匹配。與存儲器接口時工作速度是否匹配。CPU與存儲器

16、的連接與存儲器的連接l l地址線：地址線的位數(shù)決定了芯片可尋址的范地址線：地址線的位數(shù)決定了芯片可尋址的范圍。圍。l l數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線：RAMRAM芯片的數(shù)據(jù)線一般為芯片的數(shù)據(jù)線一般為11條，靜條，靜態(tài)態(tài)RAMRAM芯片也有芯片也有44條和條和88條。若為條。若為11條，則條，則稱為位片。若有稱為位片。若有88位數(shù)據(jù)線，則芯片的引出線位數(shù)據(jù)線，則芯片的引出線已指定相應(yīng)數(shù)據(jù)位的名稱；若為已指定相應(yīng)數(shù)據(jù)位的名稱；若為44位則可為數(shù)位則可為數(shù)據(jù)總線的低據(jù)總線的低44位和高位和高44位。位。l l控制線：片選信號，讀寫控制信號，對動態(tài)控制線：片選信號，讀寫控制信號，對動態(tài)RAMRAM還有行、列地址選通

17、信號。還有行、列地址選通信號。CPU與存儲器的連接與存儲器的連接 由于集成度的限制，目前單片存儲器的容量很由于集成度的限制，目前單片存儲器的容量很有限，對于一個大容量的存儲系統(tǒng)，往往需要若有限，對于一個大容量的存儲系統(tǒng)，往往需要若干片組成，而讀寫操作時，通常只與其中一片干片組成，而讀寫操作時，通常只與其中一片(或幾片或幾片)打交道，這就存在一個片選問題，即要打交道，這就存在一個片選問題，即要考慮的主要問題為存儲器的地址分配和選片問題?？紤]的主要問題為存儲器的地址分配和選片問題。 片選主要通過地址譯碼方法來完成。主要有：片選主要通過地址譯碼方法來完成。主要有： 線選法，全譯碼法，部分譯碼法線選法

18、，全譯碼法，部分譯碼法CPU與存儲器的連接與存儲器的連接 1線選法線選法 將地址線高位直接連在存儲芯片的片選端，然后再依將地址線高位直接連在存儲芯片的片選端，然后再依地址低位對其進行片內(nèi)尋址。線選法的特點是線路簡單，地址低位對其進行片內(nèi)尋址。線選法的特點是線路簡單，選擇芯片不需外加譯碼電路，可用于較小的微機系統(tǒng)中。選擇芯片不需外加譯碼電路，可用于較小的微機系統(tǒng)中。2全譯碼法全譯碼法 將低位地址線接到存儲器芯片的地址輸入端，以進行將低位地址線接到存儲器芯片的地址輸入端，以進行存儲器芯片的片內(nèi)存儲單元的尋址，再將存儲器芯片的片內(nèi)存儲單元的尋址，再將CPU地址總線地址總線中剩下的高位地址線全部接到地址譯碼器的輸入端。把中剩下的高位地址線全部接到地址譯碼器的輸入端。把經(jīng)譯碼器譯碼后的輸出作為各芯片的片選信號。在存儲經(jīng)譯碼器譯碼后的輸出作為各芯片的片選信號。在存儲芯片較多時，采用這種方法。芯片較多時，采用這種方法。