微機(jī)原理與接口技術(shù)_05半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、第5章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 2022-5-92本章主要內(nèi)容 5.1 存儲(chǔ)器概述 5.2 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM 5.3 只讀存儲(chǔ)器ROM 5.4 內(nèi)存接口技術(shù) 5.5 微機(jī)內(nèi)存空間的形成2022-5-935.1 存儲(chǔ)器概述2022-5-945.1.1 存儲(chǔ)器的分類(lèi) 1按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)中的作用和位置分類(lèi) 按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)中的作用和位置可分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）、輔助存儲(chǔ)器（外存）、緩沖存儲(chǔ)器等。 1）主存儲(chǔ)器（內(nèi)存） 主存儲(chǔ)器又叫內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱主存或內(nèi)存，它是主機(jī)的組成部分。 2）輔助存儲(chǔ)器（外存） 輔助存儲(chǔ)器又稱為外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱輔存或外存。 3）緩沖存儲(chǔ)器 緩沖存儲(chǔ)器設(shè)置在兩個(gè)訪問(wèn)速度不同的存儲(chǔ)部件之間，

2、用以加快部件間的信息交換。 2022-5-95 2按工作方式分類(lèi) 按存儲(chǔ)器的工作方式可分為可讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。 1）可讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器 可讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器是一種既可讀出信息又可寫(xiě)入信息的存儲(chǔ)器。如主存儲(chǔ)器、磁盤(pán)和磁帶等。 2）只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory） 只讀存儲(chǔ)器對(duì)于存儲(chǔ)在其內(nèi)部的信息只能讀出使用，不能進(jìn)行寫(xiě)入，即在使用中不能改變內(nèi)部的內(nèi)容。 2022-5-96 3按存取方式分類(lèi) 1）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory） 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，可隨機(jī)從任何位置進(jìn)行信息的存取，其存取數(shù)據(jù)的時(shí)間與信息在存儲(chǔ)器中的位置無(wú)關(guān)。 2）順序存取存儲(chǔ)器SAM（

3、Sequential Access Memory） 順序存取存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)內(nèi)容，只能按某種順序進(jìn)行存取，即存取時(shí)間與存取單元的物理位置有關(guān)。 3）直接存取存儲(chǔ)器DAM（Direct Access Memory） 直接存取存儲(chǔ)器是不必經(jīng)過(guò)順序定位就可以直接定位存取位置的存儲(chǔ)器。 2022-5-97 4按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi) 按存儲(chǔ)信息的介質(zhì)材料，可將存儲(chǔ)器分為磁存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器等。 1）磁存儲(chǔ)器 磁存儲(chǔ)器是采用磁性記錄材料制造的存儲(chǔ)器。 2）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 采用半導(dǎo)體器件和技術(shù)制造的存儲(chǔ)器為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。分為雙極型和MOS型兩種。 3）光存儲(chǔ)器 采用激光技術(shù)控制訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。 2022-5-9

4、85.1.2 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)1）CPU內(nèi)部寄存器包括通用寄存器和專用寄存器。2）Cache為了提高CPU讀寫(xiě)程序和數(shù)據(jù)的速度，在內(nèi)存和CPU之間增加了兩級(jí)高速緩存（Cache）。 3）內(nèi)存（主存）內(nèi)存和CPU直接進(jìn)行信息交換，存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序及數(shù)據(jù)。4）外存（輔存）外存用于存放當(dāng)前未運(yùn)行的程序及數(shù)據(jù)。5）虛擬內(nèi)存它是指在內(nèi)存不足的情況下，用硬盤(pán)的一部分空間模擬內(nèi)存的一種虛設(shè)內(nèi)存，并不是真正的內(nèi)存。 2022-5-995.1.3 存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織1基本結(jié)構(gòu)（1）存儲(chǔ)體：是存儲(chǔ)器芯片的基礎(chǔ)和核心。（2）地址總線：用來(lái)指出所需訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的地址。 （3）地址寄存器：存放CPU訪問(wèn)

5、的來(lái)自地址總線的地址信息。（4）地址譯碼器：每個(gè)存儲(chǔ)單元有唯一的地址編號(hào)，譯碼器接受CPU送來(lái)的地址信號(hào)并對(duì)它進(jìn)行譯碼，選擇與此地址碼對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。2022-5-910 （5）讀寫(xiě)控制電路：用來(lái)提供片選和讀/寫(xiě)控制等信號(hào)，用來(lái)完成對(duì)被選中單元中各位的讀/寫(xiě)操作。 （6）數(shù)據(jù)寄存器：用來(lái)暫存CPU與內(nèi)存之間進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)信息，目的是為了協(xié)調(diào)CPU與存儲(chǔ)器速度上的差異。 （7）數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線用來(lái)在CPU與內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)信息。 2022-5-911 2數(shù)據(jù)組織 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，作為一個(gè)整體一次存放或取出的數(shù)據(jù)稱為“存儲(chǔ)字”，例如8位機(jī)的存儲(chǔ)字是8位字長(zhǎng)；16位機(jī)的存儲(chǔ)字是16位字長(zhǎng)；32位機(jī)

6、的存儲(chǔ)字是32位字長(zhǎng)等，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存一般是以字節(jié)編址，即一個(gè)存儲(chǔ)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)8位存儲(chǔ)單元，這樣一個(gè)16位存儲(chǔ)字就占了兩個(gè)連續(xù)的8位存儲(chǔ)單元，一個(gè)32位存儲(chǔ)字就占了四個(gè)連續(xù)的8位存儲(chǔ)單元等。 2022-5-9125.1.4 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)1存儲(chǔ)容量2存儲(chǔ)速度3可靠性4性價(jià)比5功耗2022-5-9135.2 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM2022-5-9145.2.1 靜態(tài)RAM（SRAM）1基本存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)器存放信息，其實(shí)質(zhì)是存放一位一位的二進(jìn)制碼，每一位二進(jìn)制碼只有兩個(gè)狀態(tài)：0和1。任何有兩個(gè)狀態(tài)的器件都可作為存放二進(jìn)制碼的基本存儲(chǔ)單元，靜態(tài)存儲(chǔ)器采用雙穩(wěn)態(tài)電路來(lái)作為存放一位二進(jìn)制碼

7、的基本存儲(chǔ)電路。2022-5-915 2工作原理 下面介紹基本存儲(chǔ)電路在讀操作、寫(xiě)操作和保持信息時(shí)的工作原理。 1）寫(xiě)操作 2）保存信息 3）讀出操作2022-5-916 3芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 典型芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。 2022-5-917 4典型SRAM芯片HM6116 常用的典型SRAM芯片有6116，6264，62256，62128等。6116芯片外部引腳簡(jiǎn)圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。2022-5-9185.2.2 動(dòng)態(tài)RAM（DRAM） 1基本存儲(chǔ)電路 動(dòng)態(tài)RAM利用MOS管的柵極電容存儲(chǔ)電荷的原理來(lái)存儲(chǔ)信息。因電容的充電、放電、泄漏、補(bǔ)充是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，所以稱為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRA

8、M）。由于電容有泄漏，必須不斷地補(bǔ)充電荷，這種補(bǔ)充電荷的過(guò)程即為動(dòng)態(tài)RAM的刷新。 2工作原理 1）寫(xiě)入操作 2）讀出操作 3）刷新2022-5-9195.2.3 幾種現(xiàn)代RAM 1同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器SDRAM 2擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器EDO DRAM 3雙倍數(shù)據(jù)速率同步內(nèi)存DDR SDRAM 4突發(fā)存取的高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RDRAM 5顯示隨機(jī)存儲(chǔ)器2022-5-9205.3 只讀存儲(chǔ)器ROM2022-5-9215.3.1 掩膜式ROM 掩膜式ROM芯片所存儲(chǔ)的信息是由芯片制造廠家根據(jù)用戶給定的程序或數(shù)據(jù)對(duì)芯片圖形（掩膜）進(jìn)行二次光刻所決定的，所以稱為掩膜ROM。掩膜式ROM又可

9、分為MOS型和雙極型兩種。MOS型功耗小，但速度比較慢，微機(jī)系統(tǒng)中用的ROM主要是這種類(lèi)型。雙極型速度比MOS快，但功耗大，只用在速度要求比較高的系統(tǒng)中。2022-5-9225.3.2 可編程ROM （Programmable ROM） PROM中的信息是在芯片制成后用戶根據(jù)需要編程寫(xiě)入的。這種ROM一般由三極管矩陣組成，芯片出廠時(shí)，開(kāi)關(guān)管與位線之間以熔絲相連。用戶可根據(jù)需要，自行寫(xiě)入信息（熔斷或保留熔絲以區(qū)分1或0），但只能寫(xiě)入一次（熔斷后不能再連通）。PROM的寫(xiě)入要由專用的電路（大電流，高電壓）和程序完成。為了與RAM的隨機(jī)寫(xiě)入過(guò)程區(qū)別，稱PROM的寫(xiě)入過(guò)程為編程。 2022-5-923

10、5.3.3 可擦寫(xiě)PROM （Erasable PROM） 掩膜ROM和PROM中的信息一旦寫(xiě)入，就無(wú)法改變，但在實(shí)際操作過(guò)程中往往一個(gè)新設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試用后，都需要做些適當(dāng)?shù)男薷?，如果把這些程序放在PROM或ROM中，就無(wú)法修改了。而EPROM利用編程器寫(xiě)入信息后，就可以長(zhǎng)久保存，當(dāng)其內(nèi)容要修改時(shí)，可以利用擦抹器（由紫外線燈照射）將其內(nèi)容擦除，各位存儲(chǔ)內(nèi)容恢復(fù)為高電平（FFH），再根據(jù)需要，利用編程器重新寫(xiě)入。EPROM可紫外線多次擦除，多次改寫(xiě)，但寫(xiě)入的次數(shù)是有限的。2022-5-9245.3.4 電擦寫(xiě)EPROM （E2PROM） E2PROM的工作原理與EPROM類(lèi)似

11、，當(dāng)浮空柵上沒(méi)有電荷時(shí)，管子的漏極和源極之間不導(dǎo)電，若設(shè)法使浮空柵帶上電荷，則管子就導(dǎo)通。在E2PROM中，使浮空柵帶上電荷和消去電荷的方法與EPROM中是不同的。在E2PROM中漏極上面增加了一個(gè)隧道二極管，它在第二柵與漏極之間的電壓UG作用下（在電場(chǎng)的作用下），可以使電荷通過(guò)它流向浮空柵（即起編程作用）；若UG的極性相反也可以使電荷從浮空柵流向漏極（起擦除作用）。而編程與擦除所用的電流是極小的，可用極普通的電源供給UG。 2022-5-9255.3.5 閃存（Flash ROM） Flash ROM是1988年Intel公司采用ETOX 技術(shù)研制成功的新型存儲(chǔ)器。它是從EPROM演化而來(lái)的

12、，制作Flash ROM的處理過(guò)程與EPROM的處理過(guò)程有95%的兼容性。因而，F(xiàn)lash ROM與EPROM一樣屬于可更新的非易失性存儲(chǔ)器，且它是在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)電可重寫(xiě)的非易失性存儲(chǔ)器。Flash ROM采用單管存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，比高密度的DRAM存儲(chǔ)單元小30%，更比電可改寫(xiě)的EPROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。它與E2PROM的主要功能區(qū)別是E2PROM可按字節(jié)擦除及更新，而Flash ROM卻只能分塊進(jìn)行電擦除和重寫(xiě)。 2022-5-9265.3.6 典型ROM芯片（2764） Intel 2764是EPROM芯片，具有28個(gè)引腳，13根地址線A0A12，8根數(shù)據(jù)線O0O7，所以容量為2138b，即8K8b

13、（8KB），8K個(gè)單元，每單元8位。 從使用的角度來(lái)看，2764芯片主要有4種工作方式。 1）讀方式 2）備用方式 3）編程方式 4）校驗(yàn)方式2022-5-9275.4 內(nèi)存接口技術(shù)2022-5-9285.4.1 連接中考慮的問(wèn)題 1CPU的總線負(fù)載能力 2CPU的時(shí)序和存儲(chǔ)器存儲(chǔ)時(shí)序之間的配合 3存儲(chǔ)器地址分配和片選控制 4控制信號(hào)的連接2022-5-9295.4.2存儲(chǔ)器的工作時(shí)序 1存儲(chǔ)器的讀周期 SRAM讀出方式的時(shí)序參數(shù)如下圖所示。2022-5-930 2存儲(chǔ)器寫(xiě)周期 存儲(chǔ)器寫(xiě)入方式的時(shí)序參數(shù)如下圖所示。2022-5-9315.4.3存儲(chǔ)器與CPU的連接方法 內(nèi)存芯片與CPU連接的基

14、本方法如右圖所示。2022-5-9325.4.4 集成譯碼器及其應(yīng)用 集成譯碼器74LS138是38線譯碼/分配器，其引腳簡(jiǎn)圖如右圖所示。 例：將2片6116通過(guò)74LS138連到8086上，地址范圍如下，試畫(huà)出該芯片與CPU的硬件連接圖。（解答詳見(jiàn)課本第5.4.4節(jié)例1）2022-5-9335.4.5 片選控制的譯碼方法 1全譯碼法 全譯碼法是指CPU的所有地址線都參與地址譯碼，存儲(chǔ)器芯片每個(gè)單元有唯一地址，即無(wú)地址間斷和地址重疊現(xiàn)象。 2部分譯碼法 部分譯碼法是指CPU有的地址線不參與地址譯碼，這些未參加譯碼的地址線與存儲(chǔ)器地址無(wú)關(guān)，取值可0可1。2022-5-934 3線選法 當(dāng)存儲(chǔ)器容

15、量不大，所使用的存儲(chǔ)芯片數(shù)量不多，而CPU尋址空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存儲(chǔ)器容量時(shí)，可用高位地址線直接作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)，每一根地址線選通一塊芯片，這種方法稱為線選法。 4混合譯碼法 混合譯碼法是將線選法與部分譯碼法相結(jié)合的一種方法。該方法將用于片選控制的高位地址分為兩組，其中一組的地址（通常為較低位）采用部分譯碼法，經(jīng)譯碼后的每一個(gè)輸出作為一塊芯片的片選信號(hào)；另一組地址為較高位，采用線選法，每一位地址線作為一塊芯片的片選信號(hào)。 2022-5-9355.5 微機(jī)內(nèi)存空間的形成2022-5-9365.5.1 8位微機(jī)內(nèi)存空間的形成 例：要求用2732和6116形成16KB的ROM和8KB的RAM，共24KB內(nèi)存空間，試畫(huà)出采用全譯碼法的硬件連接圖并計(jì)算每個(gè)芯片的地址范圍。（詳解見(jiàn)課本第5.5.1節(jié)例3） 解： （1）總體分析。 （2）數(shù)據(jù)線的連接。 （3）地址線的連接。 （4）控制線的連接。2022-5-9375.5.2 16位微機(jī)內(nèi)存空間的形成 116位微機(jī)系統(tǒng)中奇偶分體 對(duì)16位微機(jī)系統(tǒng)，CPU可以字節(jié)訪問(wèn)，即要求一次訪問(wèn)1字節(jié)，也可以字訪問(wèn)，要求一次訪問(wèn)1個(gè)字（16位，兩個(gè)