第6章存儲器及其接口

1、第第6 6章章 存儲器及其接口存儲器及其接口 存儲器是微機的重要組成部分之一，它的種類很存儲器是微機的重要組成部分之一，它的種類很多，各種存儲器存儲信息的媒體、存儲原理和方法也多，各種存儲器存儲信息的媒體、存儲原理和方法也各不相同。各不相同。 本章主要以各種微機中廣泛應用的半導體存儲器本章主要以各種微機中廣泛應用的半導體存儲器為對象，在研究存儲器及其基本電路、基礎知識的基為對象，在研究存儲器及其基本電路、基礎知識的基礎上，著重研究存儲芯片及其與礎上，著重研究存儲芯片及其與CPUCPU之間的連接與擴之間的連接與擴充問題。此外還簡要介紹了磁表面存儲器、光盤存儲充問題。此外還簡要介紹了磁表面存儲器、

2、光盤存儲器以及一些新型的存儲器。器以及一些新型的存儲器。NoImage6.1 6.1 存儲系統(tǒng)的基本概念存儲系統(tǒng)的基本概念6.2 6.2 存儲器的分類與組成存儲器的分類與組成6.3 6.3 隨機存儲器隨機存儲器6.4 6.4 只讀存儲器只讀存儲器6.5 6.5 存儲器的連接存儲器的連接6.6 6.6 幾種新型半導體存儲器幾種新型半導體存儲器6.7 6.7 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器6.8 6.8 磁表面存儲器磁表面存儲器6.9 6.9 光盤存儲器光盤存儲器NoImage1. 1. 掌握半導體存儲器的分類與組成。掌握半導體存儲器的分類與組成。2. 2. 掌握掌握RAMRAM與與ROMROM組成

3、原理與工作原理。組成原理與工作原理。3. 3. 著重理解著重理解RAMRAM與與ROMROM讀寫操作的特性及兩者間的區(qū)別。讀寫操作的特性及兩者間的區(qū)別。4. 4. 掌握存儲器的擴充技術及連接方法。掌握存儲器的擴充技術及連接方法。5. 5. 了解新型存儲器的技術發(fā)展動向與趨勢。了解新型存儲器的技術發(fā)展動向與趨勢。6. 6. 理解鍵盤保護技術。理解鍵盤保護技術。7. 7. 了解光盤分類、讀寫原理及其特點。了解光盤分類、讀寫原理及其特點。（）微機存儲系統(tǒng)有三個基本參數：（）微機存儲系統(tǒng)有三個基本參數：容量：容量：以字節(jié)數表示；以字節(jié)數表示；速度：速度：以訪問時間以訪問時間T TA A、存儲周期、存儲

4、周期T TM M或帶寬或帶寬B BM M表示；表示； T TA A從接收讀申請到讀出信息到存儲器輸出端的時間從接收讀申請到讀出信息到存儲器輸出端的時間 T TM M連續(xù)兩次啟動存儲器所需的最小時間間隔連續(xù)兩次啟動存儲器所需的最小時間間隔 T TM M T TA A 成本：成本：以每位價格表示以每位價格表示MMTwB w w數據總線寬度數據總線寬度6.1.1 6.1.1 存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構6.1 6.1 存儲系統(tǒng)的基本概念存儲系統(tǒng)的基本概念（）訪問時間（）訪問時間外存平均訪問時間外存平均訪問時間msms級級硬盤硬盤9 910ms10ms光盤光盤8080120ms120ms內存平

5、均訪問時間內存平均訪問時間nsns級級SRAM CacheSRAM Cache1 15ns5nsSDRAMSDRAM內存內存7 715ns15nsEDOEDO內存內存606080ns80nsEPROMEPROM存儲器存儲器100100400ns400ns（）存儲系統(tǒng)的層次結構（）存儲系統(tǒng)的層次結構寄存器寄存器Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器( (磁盤磁盤) )大容量存儲器大容量存儲器( (磁帶磁帶) )外存儲器外存儲器內存儲器內存儲器 存儲器訪問的局部性指處理器訪問存儲器時，無論取指存儲器訪問的局部性指處理器訪問存儲器時，無論取指令還是取數據，所訪問的存儲單元都趨向于聚集在一個較

6、小令還是取數據，所訪問的存儲單元都趨向于聚集在一個較小的連續(xù)單元區(qū)域中。的連續(xù)單元區(qū)域中。時間上的局部性時間上的局部性最近的將來要用到的信息很可能就最近的將來要用到的信息很可能就是現在正在使用的信息，主要由循環(huán)造成。是現在正在使用的信息，主要由循環(huán)造成?？臻g上的局部性空間上的局部性最近的將來要用到的信息很可能與最近的將來要用到的信息很可能與現在正在使用的信息在空間上是鄰近的。主要由順序執(zhí)行和現在正在使用的信息在空間上是鄰近的。主要由順序執(zhí)行和數據的聚集存放造成數據的聚集存放造成。存儲器的層次結構是依靠存儲器訪問的局部性實現的，存儲器的層次結構是依靠存儲器訪問的局部性實現的，存儲器的層次結構的性

7、能由命中率來衡量。存儲器的層次結構的性能由命中率來衡量。6.1.26.1.2存儲器訪問的局部性原理存儲器訪問的局部性原理 （1 1）存儲容量）存儲容量 存儲容量是存儲器的一個重要指標。存儲容量是存儲器的一個重要指標。存儲容量是指存儲容量是指存儲器可以存儲的二進制信息量，它一般是以能存儲的存儲器可以存儲的二進制信息量，它一般是以能存儲的字數乘以字長表示的。字數乘以字長表示的。即即存儲容量存儲容量= =字數字數字長字長 如一個存儲器能存如一個存儲器能存 4096 4096 個字，字長個字，字長 16 16 位，則存位，則存儲容量可用儲容量可用 4096409616 16 表示。表示。 微型計算機中

8、的存儲器幾乎都是以字節(jié)微型計算機中的存儲器幾乎都是以字節(jié)(8 (8 位位) )進行進行編址的，編址的， 也就是說一個字節(jié)是也就是說一個字節(jié)是“基本基本”的字長，所以常的字長，所以常常只用可能存儲的字節(jié)數來表示存儲容量。常只用可能存儲的字節(jié)數來表示存儲容量。 存儲容量是反映存儲器存儲能力的指標。存儲容量是反映存儲器存儲能力的指標。 6.1.3 6.1.3 半導體存儲器技術性能指標半導體存儲器技術性能指標 （2 2）最大存取時間）最大存取時間 存儲器的存取時間定義為存儲器從接收到尋找存儲單存儲器的存取時間定義為存儲器從接收到尋找存儲單元的地址碼開始，到它取出或存入數據為止所需的時間。元的地址碼開始

9、，到它取出或存入數據為止所需的時間。通常手冊上給出這個參數的上限值，稱為最大存取時間。通常手冊上給出這個參數的上限值，稱為最大存取時間。顯然，顯然， 它是說明存儲器工作速度的指標。最大存取時間它是說明存儲器工作速度的指標。最大存取時間愈短，計算機的工作速度就愈快。愈短，計算機的工作速度就愈快。半導體存儲器的最大存半導體存儲器的最大存取時間為十幾取時間為十幾nsns到幾百到幾百nsns。 （3 3）可靠性）可靠性 可靠性是指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干擾性，可靠性是指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干擾性， 半導體存儲器由于采用大規(guī)模集成電路結構，可靠性高，平均半導體存儲器由于采用大規(guī)模集成電

10、路結構，可靠性高，平均無故障時間為幾千小時以上。無故障時間為幾千小時以上。 （4 4） 其它指標其它指標 體積小、重量輕、價格便宜、使用靈活是微型計算機的主體積小、重量輕、價格便宜、使用靈活是微型計算機的主要特點及優(yōu)點，所以存儲器的要特點及優(yōu)點，所以存儲器的體積大小、功耗、工作溫度范圍、體積大小、功耗、工作溫度范圍、 成本高低等成本高低等也成為人們關心的指標。也成為人們關心的指標。 上述指標，有些是互相矛盾的。這就需要在設計和選用存上述指標，有些是互相矛盾的。這就需要在設計和選用存儲器時，根據實際需要，盡可能滿足主要要求且兼顧其它。儲器時，根據實際需要，盡可能滿足主要要求且兼顧其它。 存儲器是

11、計算機的記憶部件，用來存儲計算機的指令、存儲器是計算機的記憶部件，用來存儲計算機的指令、數據和各種信息。數據和各種信息。 存儲器按它與存儲器按它與CPUCPU的連接方式不同可分為：的連接方式不同可分為： 內存儲器內存儲器 通過通過CPUCPU的外部總線直接與的外部總線直接與CPUCPU相連相連 外存儲器外存儲器 CPUCPU要通過要通過I/OI/O接口電路才能訪問接口電路才能訪問 按存儲器信息的器件和媒體來分有：按存儲器信息的器件和媒體來分有： 半導體存儲器、半導體存儲器、 磁表面存儲器、磁表面存儲器、 磁泡存儲器磁泡存儲器 磁芯存儲器磁芯存儲器 光盤存儲器等。光盤存儲器等。6.2 6.2 存

12、儲器的分類與組成存儲器的分類與組成 下圖為下圖為CPUCPU與存儲器的連接結構示意圖。圖中內與存儲器的連接結構示意圖。圖中內存由半導體存儲器芯片組成，外存則有磁帶、硬磁盤存由半導體存儲器芯片組成，外存則有磁帶、硬磁盤和軟磁盤等。和軟磁盤等。半導體存儲器的分類如圖所示。半導體存儲器的分類如圖所示。6.2.1 6.2.1 半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類RAMRAM在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內容根據程在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內容根據程序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故可稱讀寫存序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故可稱讀寫存儲器。儲器。 它它主要用來存放用戶程序、原始數據、中

13、間結果，也主要用來存放用戶程序、原始數據、中間結果，也用來與外存交換信息和用作堆棧等用來與外存交換信息和用作堆棧等。RAMRAM所存儲的信息在所存儲的信息在斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。 RAMRAM按工藝又可分為雙極型按工藝又可分為雙極型RAMRAM和和MOS RAMMOS RAM兩類兩類，而，而MOS RAMMOS RAM又可分為靜態(tài)又可分為靜態(tài)(Static)(Static)和動態(tài)和動態(tài)(Dynamic) (Dynamic) 兩種兩種。 雙極型雙極型RAMRAM的特點是存取速度快，但集成度低，功耗的特點是存取速度快，但集成度低，功耗大

14、，主要用于速度要求高的位片式微中；靜態(tài)大，主要用于速度要求高的位片式微中；靜態(tài)MOS RAMMOS RAM的的集成度高于雙極型集成度高于雙極型RAM,RAM,功耗低于雙極型功耗低于雙極型RAMRAM； 動態(tài)動態(tài)RAMRAM比靜態(tài)比靜態(tài)RAMRAM具有更高的集成度具有更高的集成度, ,但是它靠電路但是它靠電路中柵極電容來儲存信息，由于電容器上的電會泄它需要中柵極電容來儲存信息，由于電容器上的電會泄它需要定時進行刷新。定時進行刷新。 只讀存儲器只讀存儲器ROMROM按工藝也可分為雙極型和按工藝也可分為雙極型和MOSMOS型，但一型，但一般根據信息寫入的方式不同，而分為般根據信息寫入的方式不同，而分

15、為: : 掩模式掩模式ROM;ROM; 可編程可編程PROMPROM和可擦除和可擦除; ; 可再編程可再編程EPROMEPROM等。等。 半導體存儲器的組成框圖如圖半導體存儲器的組成框圖如圖5.35.3所示。它一般所示。它一般由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。路組成。6.2.2 6.2.2 半導體存儲器的組成半導體存儲器的組成1. 1. 存儲體存儲體 存儲體是存儲存儲體是存儲1 1或或0 0信息的電路實體，它由許多存信息的電路實體，它由許多存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址

16、單元號。而每個存儲單元由若干相同的位組成，每個單元號。而每個存儲單元由若干相同的位組成，每個位需要一個存儲元件。位需要一個存儲元件。 存儲器的地址用一組二進制數表示，其地址線的存儲器的地址用一組二進制數表示，其地址線的位數位數n n與存儲單元的數量與存儲單元的數量N N之間的關系為：之間的關系為：N = 2N = 2n n n n地址線數與存儲單元數的關系列于下表中：地址線數與存儲單元數的關系列于下表中：2.2.地址選擇電路地址選擇電路 地址選擇電路包括地址碼緩沖器，地址譯碼地址選擇電路包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。器等。 地址譯碼器用來對地址碼譯碼。地址譯碼器用來對地址碼譯碼。 地址譯碼方

17、式有兩種：地址譯碼方式有兩種： (1)(1)單譯碼方式（或稱字結構）單譯碼方式（或稱字結構） 它的全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出它的全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對應地址碼的存儲單元。的字選擇線直接選中對應地址碼的存儲單元。(2)(2)雙譯碼方式（或稱重合譯碼）雙譯碼方式（或稱重合譯碼） 它將地址碼分為它將地址碼分為X X和和Y Y兩部分，用兩個譯碼電路分兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。別譯碼。 向譯碼向譯碼又稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它又稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元。 向向譯碼又稱列譯碼，其輸出

18、線稱列選擇線，它譯碼又稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元選中一列的所有單元。 只有只有X X向和向和Y Y向的選擇線同時選中的那一位存儲單向的選擇線同時選中的那一位存儲單元元, ,才能進行讀或寫操作。才能進行讀或寫操作。 3.3.讀讀/ /寫電路與控制電路寫電路與控制電路 讀讀/ /寫電路包括讀寫電路包括讀/ /寫放大器、數據緩沖器（三態(tài)雙寫放大器、數據緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等。它是數據信息輸入和輸出的通道。向緩沖器）等。它是數據信息輸入和輸出的通道。 外界對存儲器的控制信號有讀信號（）、寫信外界對存儲器的控制信號有讀信號（）、寫信號（）和片選信號（）等，通過控制電路以控號（

19、）和片選信號（）等，通過控制電路以控制存儲器的讀或寫操作以及片選。只有片選信號處于有制存儲器的讀或寫操作以及片選。只有片選信號處于有效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。 隨機隨機( (讀寫讀寫) )存儲器按信息存儲方式可分為靜態(tài)存儲器按信息存儲方式可分為靜態(tài)RAM RAM (Static RAM, (Static RAM, 簡稱簡稱SRAM)SRAM)和動態(tài)和動態(tài)RAM (Dynamic RAM, RAM (Dynamic RAM, 簡稱簡稱DRAM)DRAM)。 （1 1） SRAMSRAM的特點的特點F 讀寫速度快；讀寫速度快；F 所用管子數目多，單個器件容

20、量?。凰霉茏訑的慷?，單個器件容量小；F T1T1、T2T2總有一個處于到通狀態(tài)，功耗較大總有一個處于到通狀態(tài)，功耗較大；F SRAMSRAM通常用來做通常用來做CacheCache。6.3 6.3 隨機存儲器隨機存儲器6.3.1 6.3.1 靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM（SRAMSRAM）（2 2）SRAMSRAM的基本存儲電路的基本存儲電路 SRAMSRAM的基本存儲電路，是由個的基本存儲電路，是由個RAMRAM管組成的管組成的RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器. .如圖如圖5.55.5所示：所示： 從上頁圖可以開出：用來存儲從上頁圖可以開出：用來存儲 1 1 位二進制信息位二進制信息(0 (0 或或 1)1)

21、的基本存儲電路，是組成存儲器的基礎。的基本存儲電路，是組成存儲器的基礎。T1, T3T1, T3及及T2, T4T2, T4兩兩個個NMOSNMOS反相器交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。其中反相器交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。其中T3, T4T3, T4為負載管，為負載管，T1, T2T1, T2為反相管，為反相管，T5, T6T5, T6為選通管。為選通管。T1T1和和T2T2的狀的狀態(tài)決定了存儲的態(tài)決定了存儲的 1 1 位二進制信息。位二進制信息。 這對交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是，當一個晶體管導通這對交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是，當一個晶體管導通時，另一個就截止；反之亦然。時，另一個就截止；反

22、之亦然。假設假設T1T1導通，導通，T2T2截止時的狀截止時的狀態(tài)代表態(tài)代表 1 1；相反的狀態(tài)即；相反的狀態(tài)即T2T2導通，導通，T1T1截止時的狀態(tài)代表截止時的狀態(tài)代表 0 0，即即A A點的電平高低分別代表點的電平高低分別代表 1 1 或或 0 0。 當行線當行線X X和列線和列線Y Y都為高電平時，開關管都為高電平時，開關管T5, T6, T7, T8T5, T6, T7, T8均導通，該單元被選中，于是便可以對它進行讀或寫操作。均導通，該單元被選中，于是便可以對它進行讀或寫操作。 讀操作讀操作：當讀控制信號為高電平而寫控制信號為低電平：當讀控制信號為高電平而寫控制信號為低電平時，時，

23、T1T1和和T2 T2 斷開，斷開，T3T3導通，于是觸發(fā)器的狀態(tài)導通，于是觸發(fā)器的狀態(tài)(A(A點的電平點的電平) )便通過便通過T6, T8 T6, T8 和和T3 T3 讀出至數據線上，且觸發(fā)器的狀態(tài)不因讀出至數據線上，且觸發(fā)器的狀態(tài)不因讀出操作而改變。讀出操作而改變。 寫操作寫操作：當寫控制信號為高電平而讀控制信號為低電平：當寫控制信號為高電平而讀控制信號為低電平時，時，T1T1和和T2T2導通，導通，T3T3斷開，可進行寫操作。若數據線為高電斷開，可進行寫操作。若數據線為高電平，則平，則T2T2輸出的高電平通過輸出的高電平通過T8, T6T8, T6加至加至T1T1的柵極，具有反相的柵

24、極，具有反相的的T1T1輸出低電平通過輸出低電平通過T7, T5T7, T5加至加至T2T2的柵極。不管的柵極。不管T1, T2T1, T2原來原來狀態(tài)如何，迫使狀態(tài)如何，迫使T1T1導通、導通、T2T2截止，使觸發(fā)器置成截止，使觸發(fā)器置成1 1狀態(tài)。若數狀態(tài)。若數據線為低電平時，則與上述情況相反，迫使據線為低電平時，則與上述情況相反，迫使T1T1截止，截止，T2T2導通，導通，使觸發(fā)器置成使觸發(fā)器置成0 0狀態(tài)。狀態(tài)。（3 3）SRAMSRAM的組成的組成 SRAMSRAM的結構組成原理圖如圖的結構組成原理圖如圖5.65.6所示：所示： 利用基本存儲電路排成陣列，再加上地址譯碼電路利用基本存

25、儲電路排成陣列，再加上地址譯碼電路和讀寫控制電路就可以構成讀寫存儲器。和讀寫控制電路就可以構成讀寫存儲器。 下面以下面以4 4行行4 4列的列的1616個基本存儲電路構成個基本存儲電路構成16161 1靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM為例來說明為例來說明RAMRAM原理，見下頁圖所示。這是一個原理，見下頁圖所示。這是一個 16161 1的的存儲器存儲器( (即一共即一共1616個字，而每個字僅為個字，而每個字僅為1 1位位) )，它由以下幾，它由以下幾部分組成：部分組成： 16 161SRAM1SRAM原理圖原理圖 (1) 16(1) 16個基本存儲電路組成的個基本存儲電路組成的4 44 4存儲矩陣；存儲

26、矩陣； (2) 2(2) 2套套( (行與列行與列) )地址譯碼電路；地址譯碼電路； (3) 4(3) 4套列開關管套列開關管( (即圖中的即圖中的T7, T8T7, T8，這里每個列方向，這里每個列方向 4 4 個基本存儲電路共用一套個基本存儲電路共用一套) )； (4) (4) 一套讀寫控制電路。一套讀寫控制電路。 該存儲器的控制信號有兩個，一個為片選信號該存儲器的控制信號有兩個，一個為片選信號 ，低，低電平有效，用來選擇應訪問的芯片。電平有效，用來選擇應訪問的芯片。 有效時，該芯片被有效時，該芯片被選中，才能進行讀寫操作。另一個是寫允許信號選中，才能進行讀寫操作。另一個是寫允許信號 或讀

27、寫或讀寫控制信號控制信號R/ R/ ， 規(guī)定低電平時存儲器進行寫操作；高電平規(guī)定低電平時存儲器進行寫操作；高電平時存儲器進行讀操作。數據線為一條，雙向，三態(tài)。時存儲器進行讀操作。數據線為一條，雙向，三態(tài)。 WCSCSWE 當給定地址碼以后，當給定地址碼以后， 例如例如A A3 3A A2 2A A1 1A A0 0=0000, =0000, 則則A A1 1A A0 0經行地經行地址譯碼電路使址譯碼電路使0 0行線為高電平，行線為高電平，A A3 3A A2 2經列地址譯碼電路使經列地址譯碼電路使0 0列列線為高電平，于是線為高電平，于是0 0基本存儲電路被選中。這時若基本存儲電路被選中。這時

28、若CSCS為高電為高電平，不管平，不管WEWE為什么狀態(tài)，讀控制、寫控制均為低電平，三態(tài)為什么狀態(tài)，讀控制、寫控制均為低電平，三態(tài)門門 1 1、2 2、3 3 均斷開，該片不工作；若均斷開，該片不工作；若CSCS為低電平且為低電平且WE WE 為低電平時，寫控制為高電平，可進行寫操作；若為低電平時，寫控制為高電平，可進行寫操作；若CS CS 為低電平且為低電平且WEWE為高電平時，讀控制為高電平，可進行讀操作。為高電平時，讀控制為高電平，可進行讀操作。 同理，當地址碼同理，當地址碼A A3 3A A2 2A A1 1A A0 0=0100 =0100 時，時，4 4基本存儲電路被選基本存儲電路

29、被選中；中； 當當A A3 3A A2 2A A1 1A A0 0=1100=1100時，時，1212基本存儲電路被選中。基本存儲電路被選中。 （4 4）SRAMSRAM的讀的讀/ /寫過程寫過程 讀出過程讀出過程: : 地址碼地址碼A0A0A11A11加到加到RAMRAM芯片的地址輸入端，經芯片的地址輸入端，經X X與與Y Y地址譯碼器譯碼，產生行選與列選信號，選中某一存儲單地址譯碼器譯碼，產生行選與列選信號，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，經一定時間，出現在元，該單元中存儲的代碼，經一定時間，出現在I IO O電路電路的輸入端。的輸入端。I/OI/O電路對讀出的信號進行放大、整形，送

30、至電路對讀出的信號進行放大、整形，送至輸出緩沖寄存器。緩沖寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒輸出緩沖寄存器。緩沖寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒有開門信號，所存數據還不能送到有開門信號，所存數據還不能送到DBDB上。上。 在送上地址碼的同時，還要送上讀在送上地址碼的同時，還要送上讀/ /寫控制信號寫控制信號（R/WR/W或或RDRD、WRWR）和片選信號（）和片選信號（CSCS）。讀出時，使）。讀出時，使R/WR/W，CSCS，這時，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存，這時，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存信息送至信息送至DBDB上。于是，存儲單元中的信息被讀出。上。于是，存儲單元中的信息被讀

31、出。 寫入過程寫入過程: : 地址碼加在地址碼加在RAMRAM芯片的地址輸入端，選中相應的芯片的地址輸入端，選中相應的存儲單元，使其可以進行寫操作。存儲單元，使其可以進行寫操作。 將要寫入的數據放在將要寫入的數據放在DBDB上。上。 加上片選信號加上片選信號CSCS及寫入信號及寫入信號R/WR/W。這兩。這兩個有效控制信號打開三態(tài)門使個有效控制信號打開三態(tài)門使DBDB上的數據進入輸入電上的數據進入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。 （4 4）靜態(tài)）靜態(tài)RAMRAM芯片舉例芯片舉例 靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM芯片有芯片有21142114、

32、21422142、61166116、62646264等。等。 例如：常用的例如：常用的Intel 6116 Intel 6116 是是CMOSCMOS靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM芯片，芯片，屬雙列直插式、屬雙列直插式、2121引腳封裝。它的存儲容量為引腳封裝。它的存儲容量為2K2K8 8位，位，其引腳及內部結構框圖如圖其引腳及內部結構框圖如圖5.75.7所示：所示： DRAMDRAM芯片是以芯片是以MOSMOS管柵極電容是否充有電荷來存管柵極電容是否充有電荷來存儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管組成，以三管和單管較為常用。由于它所需要的管子組成

33、，以三管和單管較為常用。由于它所需要的管子較少，故可以擴大每片存儲器芯片的容量，并且其功較少，故可以擴大每片存儲器芯片的容量，并且其功耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數采用動態(tài)耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數采用動態(tài)RAMRAM芯芯片。片。6.3.2 6.3.2 動態(tài)動態(tài)RAMRAM（DRAMDRAM）1 1） DRAM DRAM芯片的結構芯片的結構存儲矩陣存儲矩陣地址總線地址總線I/O緩沖器緩沖器數據總線數據總線讀寫控制讀寫控制/動態(tài)刷新電路動態(tài)刷新電路RAS地址鎖存器地址鎖存器CASWE 2 2） DRAM DRAM的特點的特點 所用管子少，芯片位密度高；所用管子少，芯片位密度高； 功耗小；

34、功耗?。?需要刷新；需要刷新； 存取速度慢；存取速度慢； DRAM DRAM主要用來做內存。主要用來做內存。3 3）DRAMDRAM的種類的種類 FPM DRAM FPM DRAM 存取時間存取時間80-100ns80-100ns EDO DRAM EDO DRAM存取時間存取時間50-70ns 50-70ns SDRAM SDRAM存取時間存取時間6-10ns6-10ns(1(1）動態(tài)基本存儲電路）動態(tài)基本存儲電路 三管動態(tài)基本存儲電路三管動態(tài)基本存儲電路三管動態(tài)基本存儲電路如圖三管動態(tài)基本存儲電路如圖5.85.8所示，它由個管所示，它由個管子和兩條字選擇線，兩條數據線組成。子和兩條字選擇線

35、，兩條數據線組成。 寫入操作時，寫入操作時，寫選擇寫選擇線上為高電平，線上為高電平，1 1導通。導通。待寫入的信息由寫數據線待寫入的信息由寫數據線通過通過1 1加到加到2 2管的柵極管的柵極上，對柵極電容上，對柵極電容CgCg充電。充電。若寫入，則若寫入，則CgCg上充有電上充有電荷；若寫入，則荷；若寫入，則CgCg上無上無電荷。寫操作結束后，電荷。寫操作結束后，1 1截止，信息被保存在電容截止，信息被保存在電容CgCg上。上。 讀出操作時，讀出操作時，先在先在4 4管柵極管柵極加上預充電脈沖，使加上預充電脈沖，使4 4管導通，管導通，讀數據線因有寄生電容讀數據線因有寄生電容CDCD而預充而預

36、充到（到（V VDDDD）。然后使讀選擇線為）。然后使讀選擇線為高電平，高電平，3 3管導通。若管導通。若2 2管柵管柵極電容極電容CgCg上已存有上已存有“”信息，信息，則則2 2管導通。這時，讀數據線上管導通。這時，讀數據線上的預充電荷將通過的預充電荷將通過3,3,2 2而泄放，而泄放，于是，讀數據線上為。若于是，讀數據線上為。若2 2管管柵極電容上所存為柵極電容上所存為“”信息，信息，則則2 2管不導通，則讀數據線上為管不導通，則讀數據線上為。因此，經過讀操作，在讀數。因此，經過讀操作，在讀數據線上可以讀出與原存儲相反的據線上可以讀出與原存儲相反的信息。若再經過讀出放大器反相信息。若再經

37、過讀出放大器反相后，就可以得到原存儲信息了。后，就可以得到原存儲信息了。 對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉電，電，CgCg的電荷也會在幾毫秒之內逐漸泄漏掉，而的電荷也會在幾毫秒之內逐漸泄漏掉，而丟失原存信息。為此，必須丟失原存信息。為此，必須每隔每隔msmsmsms定定時對時對CgCg充電，以保持原存信息不變，此即動態(tài)存充電，以保持原存信息不變，此即動態(tài)存儲器的刷新（或叫再生）。儲器的刷新（或叫再生）。 刷新要有刷新電路，如圖刷新要有刷新電路，如圖5.85.8所示，若周期性所示，若周期性地讀出信息，但不往外輸出（這由讀信號為高地讀出信息，但不往外輸出

38、（這由讀信號為高電平來保證），經三態(tài)門（由刷新信號為電平來保證），經三態(tài)門（由刷新信號為低電平時使其導通）反相，再寫入低電平時使其導通）反相，再寫入CgCg，就可實現刷，就可實現刷新。新。 器件工作溫度增高會使放電速度變快。器件工作溫度增高會使放電速度變快。 刷新時間間隔一刷新時間間隔一般要求在般要求在 1100 ms1100 ms內，工作溫度為內，工作溫度為7070時，典型的刷新時時，典型的刷新時間間隔為間間隔為 2 ms2 ms。一般。一般C=0.2 pFC=0.2 pF，若允許，若允許C C兩端電壓變化差為兩端電壓變化差為V=1VV=1V，泄漏電流，泄漏電流I=10I=10-10-10

39、A A，則，則 T=T=msIUC2101102 . 01012 因此，因此，2ms2ms以內必須對存儲信息進行刷新。盡管一行中的以內必須對存儲信息進行刷新。盡管一行中的各個基本存儲電路在讀出或寫入時都進行了刷新，但對存儲各個基本存儲電路在讀出或寫入時都進行了刷新，但對存儲器中各行的訪問具有隨機性，無法保證一個存儲器模塊中的器中各行的訪問具有隨機性，無法保證一個存儲器模塊中的每一個存儲單元都能在每一個存儲單元都能在 2ms2ms內進行一次刷新。內進行一次刷新。只有通過專門只有通過專門的存儲器刷新周期對存儲器進行定時刷新才能保證存儲器刷的存儲器刷新周期對存儲器進行定時刷新才能保證存儲器刷新的系統(tǒng)

40、性。新的系統(tǒng)性。 在存儲器刷新周期中，將一個行地址發(fā)送給存儲器器件，在存儲器刷新周期中，將一個行地址發(fā)送給存儲器器件，然后執(zhí)行一次讀操作，便可完成對選中的行中各基本存儲電然后執(zhí)行一次讀操作，便可完成對選中的行中各基本存儲電路的刷新。路的刷新。刷新周期和正常的存儲器讀周期的不同之處刷新周期和正常的存儲器讀周期的不同之處主要主要有以下幾點：有以下幾點： (1) (1) 在刷新周期中輸入至存儲器器件的地址一般并不來在刷新周期中輸入至存儲器器件的地址一般并不來自地址總線，而是由一個以計數方式工作的寄存器提供。自地址總線，而是由一個以計數方式工作的寄存器提供。 每經過一次每經過一次( (即一行即一行)

41、)存儲器刷新，該計數器加存儲器刷新，該計數器加 1 1，所以，所以它可以順序提供所有的行地址，每一行中各個基本存儲電路它可以順序提供所有的行地址，每一行中各個基本存儲電路的刷新是同時進行的，所以不需要列地址。而在正常的讀周的刷新是同時進行的，所以不需要列地址。而在正常的讀周期中，期中， 地址來自地址總線，地址來自地址總線， 既有行地址，又有列地址。既有行地址，又有列地址。 (2) (2) 在存儲器刷新周期中，在存儲器刷新周期中， 存儲器模塊中每塊芯片的存儲器模塊中每塊芯片的刷新是同時進行的，這樣可以減少刷新周期數。而在正常的刷新是同時進行的，這樣可以減少刷新周期數。而在正常的讀周期中，只能選中

42、一行存儲器芯片。讀周期中，只能選中一行存儲器芯片。 (3) (3) 在存儲器刷新周期中，存儲器模塊中各芯片的數據在存儲器刷新周期中，存儲器模塊中各芯片的數據輸出呈高阻狀態(tài)，即片內數據線與外部數據線完全隔離。從輸出呈高阻狀態(tài)，即片內數據線與外部數據線完全隔離。從用于刷新的時間來說，刷新可采用用于刷新的時間來說，刷新可采用“集中集中”或或“分散分散”兩種兩種方式的任何一種。方式的任何一種。 集中刷新方式是在信息保存允許的時間范圍集中刷新方式是在信息保存允許的時間范圍(2 ms)(2 ms)內，內， 集中一段時間對所有基本存儲電路一行一行地順序進行刷新，集中一段時間對所有基本存儲電路一行一行地順序進

43、行刷新， 刷新結束后再開始工作周期。刷新結束后再開始工作周期。 散刷新方式是把各行的刷新分散刷新方式是把各行的刷新分散在散在 2 ms2 ms的期間內完成。的期間內完成。 動態(tài)動態(tài)RAMRAM的缺點是需要刷新邏輯，而且刷新周期存儲器模的缺點是需要刷新邏輯，而且刷新周期存儲器模塊不能進行正常讀塊不能進行正常讀/ /寫操作。寫操作。但由于動態(tài)但由于動態(tài)RAMRAM集成度高、功耗低集成度高、功耗低和價格便宜，和價格便宜， 所以在大容量的存儲器中普遍采用。所以在大容量的存儲器中普遍采用。 單管動態(tài)基本存儲電路單管動態(tài)基本存儲電路 單管動態(tài)基本存儲電路如圖單管動態(tài)基本存儲電路如圖5.95.9所示，它所示

44、，它1 1管和管和寄生電容寄生電容CsCs組成。組成。 寫入時，寫入時，使字選線上為高使字選線上為高電平，電平，T1T1管導通，待寫入的信管導通，待寫入的信息由位線息由位線D D（數據線）存入（數據線）存入CsCs。 讀出時，讀出時，同樣使字選線上同樣使字選線上為高電平，為高電平，T1T1管導通，則存儲管導通，則存儲在在CsCs上的信息通過上的信息通過T1T1管送到管送到D D線線上，再通過放大，即可得到存上，再通過放大，即可得到存儲信息。儲信息。 為了節(jié)省面積，電容為了節(jié)省面積，電容CsCs不可能做得很大，一不可能做得很大，一般使般使CsCsCdCd。這樣，讀出。這樣，讀出“1”1”和和“0

45、”0”時電平差時電平差別不大，故需要鑒別能力高的讀出放大器。此外，別不大，故需要鑒別能力高的讀出放大器。此外，CsCs上的信息被讀出后，其記存的電壓由上的信息被讀出后，其記存的電壓由0.2V0.2V下降下降為為0.1V0.1V。這是一個破壞性讀出，要保持原存信息，。這是一個破壞性讀出，要保持原存信息，讀出后必須重寫。因此，使用單管電路，其外圍讀出后必須重寫。因此，使用單管電路，其外圍電路比較復雜。但由于使用管子最少，電路比較復雜。但由于使用管子最少，4K4K以上容以上容量較大的量較大的RAMRAM，大多采用單管電路。，大多采用單管電路。 （2 2）動態(tài)）動態(tài)RAMRAM芯片舉例芯片舉例 Int

46、el 2116Intel 2116單管動態(tài)單管動態(tài)RAMRAM芯片的引腳和邏輯符芯片的引腳和邏輯符號如圖號如圖5.105.10所示。所示。Intel 2116 Intel 2116 單管動態(tài)單管動態(tài)RAMRAM芯片引腳名稱見表芯片引腳名稱見表5.25.2。 Intel 2116 Intel 2116 芯片的存儲容量為芯片的存儲容量為16K16K1 1位，需要位，需要1414條地址輸入線，但條地址輸入線，但21162116只有只有1616條引腳。由于受封條引腳。由于受封裝引線的限制，只用了裝引線的限制，只用了A A0 0到到A A6 67 7條地址輸入線，數據條地址輸入線，數據線只有線只有1 1

47、條條(1(1位位) )，而且數據輸入，而且數據輸入(D(DININ) )和輸出和輸出(D(DOUTOUT) )端端是分開的，他們有各自的鎖存期。寫允許信號是分開的，他們有各自的鎖存期。寫允許信號WEWE為為低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。 如表如表5.25.2指出，它需要指出，它需要3 3種電源。種電源。Intel 2116Intel 2116的內部結構如圖的內部結構如圖5.115.11所示：所示：綜上所述，動態(tài)基本存儲電路所需管子的數目比靜綜上所述，動態(tài)基本存儲電路所需管子的數目比靜態(tài)的要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。態(tài)的要少，

48、提高了集成度，降低了成本，存取速度快。但由于要刷新，需要增加刷新電路，外圍控制電路比較但由于要刷新，需要增加刷新電路，外圍控制電路比較復雜。靜態(tài)盡管集成度低些，但靜態(tài)基本存儲電復雜。靜態(tài)盡管集成度低些，但靜態(tài)基本存儲電路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較簡單。究竟選用哪種，要綜合比較各方面的因素簡單。究竟選用哪種，要綜合比較各方面的因素決定。決定。 ROMROM的存儲元件如圖的存儲元件如圖5.125.12所所示：它可以看作是一個單向導通示：它可以看作是一個單向導通的開關電路。當字線上加有選中的開關電路。當字線上加有選中信號時，如果電子

49、開關是斷開信號時，如果電子開關是斷開的，位線上將輸出信息；如的，位線上將輸出信息；如果是接通的，則位線經果是接通的，則位線經接地，將輸出信息接地，將輸出信息0 0。6.4 6.4 只讀存儲器只讀存儲器6.4.1 6.4.1 只讀存儲器存儲信息的原理和組成只讀存儲器存儲信息的原理和組成 ROMROM的組成結構與的組成結構與RAMRAM相似，一般也是由地址譯碼電相似，一般也是由地址譯碼電路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。圖路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。圖5.135.13是有是有1616個存儲單元、字長為個存儲單元、字長為1 1位的位的ROMROM示意圖。示意圖。1616個個

50、存儲單元，地址碼應為存儲單元，地址碼應為4 4位，因采用復合譯碼方式，其行位，因采用復合譯碼方式，其行地址譯碼和列地址譯碼各占兩位地址碼。地址譯碼和列地址譯碼各占兩位地址碼。 對某一固定地址單元而言，僅有一根行選線和一根對某一固定地址單元而言，僅有一根行選線和一根列選線有效，其相交單元即為選中單元列選線有效，其相交單元即為選中單元，再根據被選中，再根據被選中單元的開關狀態(tài)，數據線上將讀出單元的開關狀態(tài)，數據線上將讀出0 0或或1 1信息例如，若地信息例如，若地址址3 30 0為為01100110，則行選線，則行選線2 2及列選線及列選線1 1有效（輸有效（輸出低電平），圖中，有出低電平），圖中

51、，有* *號的單元被選中，其開關是號的單元被選中，其開關是接通的，故讀出的信息為。接通的，故讀出的信息為。當片選信號有效時，打開當片選信號有效時，打開三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數據總線三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數據總線上。上。圖中所示僅是圖中所示僅是1616個存儲單元的個存儲單元的1 1位，位，8 8個這樣的陣列，個這樣的陣列，才能組成一個才能組成一個16168 8位的位的ROMROM存儲器。存儲器。（1 1）不可編程掩模式）不可編程掩模式MOSMOS只讀存儲器只讀存儲器 不可編程掩模式不可編程掩模式MOS ROMMOS ROM又稱為固定存儲器，其內部又稱為固定存儲

52、器，其內部存儲矩陣的結構如圖存儲矩陣的結構如圖5.135.13所示。所示。它是由器件制造廠家根據它是由器件制造廠家根據用戶事先編好的機器碼程序，把用戶事先編好的機器碼程序，把0 0、1 1信息存儲在掩模圖形信息存儲在掩模圖形中而制成的中而制成的ROMROM芯片。芯片。這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中每個每個MOSMOS管所存儲的信息管所存儲的信息0 0或或1 1被固定下來，不能再改變，而被固定下來，不能再改變，而只能讀出。如果要修改其內容，只有重新制作。因此，它只能讀出。如果要修改其內容，只有重新制作。因此，它只適用于大批量生產，不適用于科學研究。只適用于大批量

53、生產，不適用于科學研究。6.4.2 6.4.2 只讀存儲器的分類只讀存儲器的分類 （2 2）可編程存儲器）可編程存儲器 為了克服上述掩模式為了克服上述掩模式MOS ROMMOS ROM芯片不能修改內容的芯片不能修改內容的缺點，設計了一種可編程序的只讀存儲器缺點，設計了一種可編程序的只讀存儲器PROMPROM (Programmable ROM(Programmable ROM），用戶在使用前可以根據自己的），用戶在使用前可以根據自己的需要編制需要編制ROMROM中的程序。熔絲式中的程序。熔絲式PROMPROM的存儲電路相當于的存儲電路相當于圖圖5.125.12的元件原理圖，其中的的元件原理圖，

54、其中的電子開關電子開關S S改為一段熔絲改為一段熔絲，熔絲可用鎳鉻絲或多晶硅制成。熔絲可用鎳鉻絲或多晶硅制成。 假定在制造時，每一單元都由熔絲接通，則存儲的假定在制造時，每一單元都由熔絲接通，則存儲的都是信息。如果用戶在使用前根據程序的需要，利用都是信息。如果用戶在使用前根據程序的需要，利用編程寫入器對選中的基本存儲電路通以編程寫入器對選中的基本存儲電路通以20mA20mA50mA50mA的電的電流，將熔絲燒斷，則該單元將存儲信息。這樣，便完流，將熔絲燒斷，則該單元將存儲信息。這樣，便完成了程序修改。由于熔絲燒斷后，無法再接通，所以，成了程序修改。由于熔絲燒斷后，無法再接通，所以，PROMPR

55、OM只能一次編程只能一次編程. .編程后，不能再修改。編程后，不能再修改。 （3 3）可擦除、可再編程的只讀存儲器）可擦除、可再編程的只讀存儲器 PROMPROM芯片雖然可供用戶進行一次修改程序，但仍很芯片雖然可供用戶進行一次修改程序，但仍很局限。為了便于研究工作，試驗各種局限。為了便于研究工作，試驗各種ROMROM程序方案，就程序方案，就研制了一種可擦除、可再編程的研制了一種可擦除、可再編程的ROMROM，即，即EPROMEPROM（Erasable PROMErasable PROM）。）。 在在EPROMEPROM芯片出廠時，它是未編程的。若芯片出廠時，它是未編程的。若EPROMEPRO

56、M中寫中寫入的信息有錯或不需要時，可用兩種方法來擦除原存的入的信息有錯或不需要時，可用兩種方法來擦除原存的信息。一種是信息。一種是利用專用的紫外線利用專用的紫外線燈對準芯片上的石英窗燈對準芯片上的石英窗口照射口照射10102020分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復出分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復出廠的狀態(tài)，經過照射后的廠的狀態(tài)，經過照射后的EPROMEPROM，就可再寫入信息。寫，就可再寫入信息。寫好信息的好信息的EPROMEPROM為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口上。這種方法只能把存儲的信息全部擦除后再重新寫入，上。這種方法只能把存儲的信息全部擦除后再

57、重新寫入，它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時間也越長。間也越長。 紫外線擦除紫外線擦除EPROMEPROM的時間較長，并且不能只擦除個別單元的時間較長，并且不能只擦除個別單元的信息。的信息。 近幾年來，采用金屬氮氧化物硅（近幾年來，采用金屬氮氧化物硅（MNOSMNOS）工藝生）工藝生產的產的MNOSMNOS型型PROMPROM，它是一種，它是一種利用電來改寫利用電來改寫的可編程只讀存儲的可編程只讀存儲器，即器，即EEPROMEEPROM（E E2 2PROMPROM），這種只讀存儲器），這種只讀存儲器的的E2PROME2PROM的主

58、要特的主要特點是能在應用系統(tǒng)中進行在線讀寫，并可按字節(jié)進行擦除和點是能在應用系統(tǒng)中進行在線讀寫，并可按字節(jié)進行擦除和改寫。改寫。 E E2 2PROMPROM除了并行傳送數據芯片外，還有各種容量串行傳送除了并行傳送數據芯片外，還有各種容量串行傳送數據芯片。串行數據芯片。串行E E2 2PROMPROM具有體積小、成本低、電路連接簡單、具有體積小、成本低、電路連接簡單、占用系統(tǒng)地址線和數據線少等優(yōu)點。占用系統(tǒng)地址線和數據線少等優(yōu)點。 但是，但是，E E2 2PROMPROM有存取速度慢，完成改寫程序需要較復雜的有存取速度慢，完成改寫程序需要較復雜的設備等缺點，現在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的

59、設備等缺點，現在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的E E2 2PROMPROM技術。技術。（1 1）Intel 2716Intel 2716的引腳與內部結構的引腳與內部結構 2716 EPROM2716 EPROM芯片的容量為芯片的容量為2K2K8 8位，采用位，采用NMOSNMOS工藝和雙工藝和雙列直插式封裝，其引腳、邏輯符號及內部結構見圖列直插式封裝，其引腳、邏輯符號及內部結構見圖5.145.14（a a）、（）、（b b）及（）及（c c）。）。6.4.3 EPROM6.4.3 EPROM芯片實例芯片實例-Intel 2716-Intel 2716（2 2）27162716的工作方式的工作

60、方式27162716的工作方式見表的工作方式見表5.35.3所示：所示： 本章要解決兩個問題：本章要解決兩個問題： 一個是如何用容量較小、字長較短的芯片，組一個是如何用容量較小、字長較短的芯片，組成微機系統(tǒng)所需的存儲器；成微機系統(tǒng)所需的存儲器； 另一個是存儲器與的連接方法與應注意另一個是存儲器與的連接方法與應注意的問題。的問題。6.5 6.5 存儲器的連接存儲器的連接（1 1）位數的擴充）位數的擴充 用位或位的存儲器芯片構成位的存儲器，可用位或位的存儲器芯片構成位的存儲器，可采采用位并聯的方法用位并聯的方法。例如，可以用片。例如，可以用片位的芯片組位的芯片組成容量為成容量為位的存儲器，如圖位的