第5章 半導(dǎo)體存儲器

第5章半導(dǎo)體存儲器5.3只讀存儲器5.4內(nèi)存管理5.5例題解析5.2隨機(jī)讀寫存儲器5.1概述第5章半導(dǎo)體存儲器教學(xué)重點(diǎn)芯片SRAM2114和DRAM4116

芯片EPROM2764和EEPROM2817ASRAM、EPROM與CPU的連接2/5/202315.1概述微型計(jì)算機(jī)的存儲結(jié)構(gòu)寄存器——位于CPU中主存——由半導(dǎo)體存儲器(ROM/RAM)構(gòu)成輔存——指磁盤、磁帶、磁鼓、光盤等大容量存儲器，采用磁、光原理工作高速緩存(CACHE)——由靜態(tài)RAM芯片構(gòu)成本章介紹半導(dǎo)體存儲器及組成主存的方法CPU（寄存器）CACHE（高速緩存）主存（內(nèi)存）輔存（外存）5.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類按制造工藝分類雙極型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用屬性分類隨機(jī)存取存儲器RAM：可讀可寫、斷電丟失只讀存儲器ROM：只讀、斷電不丟失詳細(xì)分類，請看圖示圖5.1半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)體存儲器只讀存儲器（ROM）隨機(jī)存取存儲器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）詳細(xì)展開，注意對比5.1.2存儲器的性能指標(biāo)1.存儲器容量

存儲1位二進(jìn)制信息的單元稱為1個(gè)存儲元。對于32MB的存儲器，其內(nèi)部有32M×8bit個(gè)存儲元。存儲器芯片多為×8結(jié)構(gòu)，稱為字節(jié)單元。在標(biāo)定存儲器容量時(shí)，經(jīng)常同時(shí)標(biāo)出存儲單元的數(shù)目和每個(gè)存儲單元包含的位數(shù)：存儲器芯片容量=單元數(shù)×位數(shù)例如，Intel2114芯片容量為1K×4位，6264為8K×位。雖然微型計(jì)算機(jī)的字長已經(jīng)達(dá)到16位、32位甚至64位，但其內(nèi)存仍以一個(gè)字節(jié)為一個(gè)單元，不過在這種微型機(jī)中，一次可同時(shí)對2、4、8個(gè)單元進(jìn)行訪問。2.存取周期

存儲器的存取周期是指從接收到地址，到實(shí)現(xiàn)一次完整的讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的時(shí)間，是存儲器進(jìn)行連續(xù)讀或?qū)懖僮魉试S的最短時(shí)間間隔。3.功耗半導(dǎo)體存儲器屬于大規(guī)模集成電路，集成度高，體積小，但是不易散熱，因此在保證速度的前提下應(yīng)盡量減小功耗。一般而言，MOS型存儲器的功耗小于相同容量的雙極型存儲器。例如上述HM62256的功耗為40mW～200mW。4.可靠性

5.集成度半導(dǎo)體存儲器的集成度是指在一塊數(shù)平方毫米芯片上所制作的基本存儲單元數(shù)，常以“位／片”表示，也可以用“字節(jié)／片”表示，6.其他讀寫存儲器RAM類型構(gòu)成速度集成度應(yīng)用SRAM觸發(fā)器快低小容量系統(tǒng)DRAM極間電容慢高大容量系統(tǒng)NVRAM帶微型電池快低小容量非易失5.2隨機(jī)讀寫存儲器隨機(jī)存取存儲器靜態(tài)RAMSRAM2114SRAM6264動(dòng)態(tài)RAMDRAM4116DRAM21645.2.1靜態(tài)RAMSRAM的基本存儲單元是觸發(fā)器電路每個(gè)基本存儲單元存儲1位二進(jìn)制數(shù)許多個(gè)基本存儲單元形成行列存儲矩陣SRAM一般采用“字結(jié)構(gòu)”存儲矩陣：每個(gè)存儲單元存放多位（4、8、16等）每個(gè)存儲單元具有一個(gè)唯一的地址靜態(tài)RAM的存儲結(jié)構(gòu)六管基本存儲電路列選線Y數(shù)據(jù)線D數(shù)據(jù)線D’T8T7行選線XT1T5T2T6T4T3VDDBA6管基本存儲單元列選通SRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O行地址譯碼列地址譯碼A3A2A1A0A4A5A6A710015151-CS-OE-WE輸入緩沖輸出緩沖6管基本存儲單元列選通SRAM芯片2114存儲容量為1024×418個(gè)引腳：10

根地址線A9～A04

根數(shù)據(jù)線I/O4～I(xiàn)/O1片選-CS讀寫-WE123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4-WEA6A5A4A3A0A1A2-CSGND功能4.SRAM芯片舉例SRAM2114的讀周期數(shù)據(jù)地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUT-WE-CSTA讀取時(shí)間從讀取命令發(fā)出到數(shù)據(jù)穩(wěn)定出現(xiàn)的時(shí)間給出地址到數(shù)據(jù)出現(xiàn)在外部總線上TRC讀取周期兩次讀取存儲器所允許的最小時(shí)間間隔有效地址維持的時(shí)間SRAM2114的寫周期TWCTWRTAW數(shù)據(jù)地址TDTWTWDOUT

DINTDWTDH-WE-CSTW寫入時(shí)間從寫入命令發(fā)出到數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲單元的時(shí)間寫信號有效時(shí)間TWC寫入周期兩次寫入存儲器所允許的最小時(shí)間間隔有效地址維持的時(shí)間SRAM芯片6264存儲容量為8K×828個(gè)引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D02

根片選-CS1、CS2讀寫-WE、-OE功能+5V-WECS2A8A9A11-OEA10-CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716151.存儲芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好8根：一次可從芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)總線相連若芯片的數(shù)據(jù)線不足8根：一次不能從一個(gè)芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)利用多個(gè)芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位（數(shù)據(jù)寬度）這種擴(kuò)充方式稱“位擴(kuò)充”5.SRAM與CPU的聯(lián)接位擴(kuò)充2114（1）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1片選D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I(xiàn)/O1CECE兩片同時(shí)選中數(shù)據(jù)分別提供多個(gè)位擴(kuò)充的存儲芯片的數(shù)據(jù)線連接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的不同位數(shù)其它連接都一樣這些芯片應(yīng)被看作是一個(gè)整體常被稱為“芯片組”2.存儲芯片地址線的連接芯片的地址線通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連尋址時(shí)，這部分地址的譯碼是在存儲芯片內(nèi)完成的，我們稱為“片內(nèi)譯碼”片內(nèi)譯碼地址線A9～A0存儲芯片存儲單元片內(nèi)譯碼000H001H002H…3FDH3FEH3FFH00…0000…0100…10…11…0111…1011…11（16進(jìn)制表示）A9～A0片內(nèi)10位地址譯碼10位地址的變化：全0~全13.存儲芯片片選端的譯碼存儲系統(tǒng)常需要利用多個(gè)存儲芯片進(jìn)行容量的擴(kuò)充，也就是擴(kuò)充存儲器的地址范圍這種擴(kuò)充簡稱為“地址擴(kuò)充”或“字?jǐn)U充”進(jìn)行“地址擴(kuò)充”時(shí)，需要利用存儲芯片的片選端來對存儲芯片（芯片組）進(jìn)行尋址通過存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)對存儲芯片（芯片組）的尋址，常用的方法有：全譯碼——全部高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）部分譯碼——部分高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）線選法——某根高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）片選端常有效——無高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（不參與芯片譯碼）地址擴(kuò)充（字?jǐn)U充）片選端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0-CE（1）A9～A0D7～D0-CE譯碼器00000000010000000000低位地址線高位地址線片選端常有效A19～A15

A14～A0

全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE片選端常有效與A19～A15無關(guān)令芯片（組）的片選端常有效不與系統(tǒng)的高位地址線發(fā)生聯(lián)系芯片（組）總處在被選中的狀態(tài)雖簡單易行、但無法再進(jìn)行地址擴(kuò)充，會出現(xiàn)“地址重復(fù)”

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器的聯(lián)接舉例

在64KB地址空間中用8片2114構(gòu)成4K×8，即4KB存儲區(qū)的全譯碼法連接方案：其地址范圍為2000H～2FFFH。連接圖如圖5.11所示。5.2.2動(dòng)態(tài)MOS存儲器DRAM

的基本存儲單元是單個(gè)場效應(yīng)管及其極間電容必須配備“讀出再生放大電路”進(jìn)行刷新每次同時(shí)對1行的存儲單元進(jìn)行刷新每個(gè)基本存儲單元存儲1位二進(jìn)制數(shù)許多個(gè)基本存儲單元形成行、列存儲矩陣DRAM一般采用“位結(jié)構(gòu)”存儲體：每個(gè)存儲單元存放1位需要8個(gè)存儲芯片構(gòu)成1個(gè)字節(jié)存儲單元每個(gè)字節(jié)存儲單元擁有1個(gè)唯一地址動(dòng)態(tài)RAM的存儲結(jié)構(gòu)單管基本存儲電路C2C1行選線列選線數(shù)據(jù)線T2T1單管基本存儲單元DRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)T5T4T3T2T1VDD讀出再生放大電路列128列2DINDOUT列1行128行66行65行64行2行1I/O緩沖單管基本存儲單元讀出再生放大電路DRAM芯片4116存儲容量為16K×116個(gè)引腳：7

根地址線A6～A01

根數(shù)據(jù)輸入線DIN1

根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通-RAS列地址選通-CAS讀寫控制-WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC123456781615141312111094116的內(nèi)部結(jié)構(gòu)128128C0R064選1譯碼128選1譯碼寫時(shí)鐘-CAS-WE-RAS0012763A6~A0DINDOUT脈沖發(fā)生脈沖發(fā)生2選1譯碼列地址緩沖行地址緩沖讀出輸出緩沖輸入緩沖再生放大存儲體-R0-C0DRAM4116的讀周期DOUT地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址列地址-WE-CAS-RAS

存儲地址需要分兩批傳送行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址，CAS*相當(dāng)于片選信號讀寫信號WE*讀有效數(shù)據(jù)從DOUT引腳輸出DRAM4116的寫周期TWCSTDS列地址行地址地址

-TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWE-CAS-RAS

存儲地址需要分兩批傳送行地址選通信號RAS*有效，開始傳送行地址隨后，列地址選通信號CAS*有效，傳送列地址讀寫信號WE*寫有效數(shù)據(jù)從DIN引腳進(jìn)入存儲單元DRAM4116的刷新TRCTCRPTRAS高阻TASRTRAH行地址地址DINCASRAS采用“僅行地址有效”方法刷新行地址選通RAS*有效，傳送行地址列地址選通CAS*無效，沒有列地址芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一行存儲單元的刷新沒有數(shù)據(jù)從輸入輸出存儲系統(tǒng)中所有芯片同時(shí)進(jìn)行刷新DRAM必須每隔固定時(shí)間就刷新DRAM芯片2164存儲容量為64K×116個(gè)引腳：8

根地址線A7～A01

根數(shù)據(jù)輸入線DIN1

根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通-RAS列地址選通-CAS讀寫控制-WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111095.3只讀存儲器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：允許一次編程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可編程；并允許用戶多次擦除和編程EEPROM（E2PROM）：采用加電方法在線進(jìn)行擦除和編程，也可多次擦寫FlashMemory（閃存）：能夠快速擦寫的EEPROM，但只能按塊（Block）進(jìn)行擦除EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A典型EPROM、EEPROM芯片介紹5.3.2可擦可編程只讀存儲器

EPROM頂部開有一個(gè)圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息一般使用專門的編程器（燒寫器）進(jìn)行編程編程后，應(yīng)該貼上不透光封條出廠未編程前，每個(gè)基本存儲單元都是信息1編程就是將某些單元寫入信息02.典型EPROM芯片介紹2716存儲容量為2K×824個(gè)引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線DO7～DO0片選/編程CE*/PGM讀寫OE*編程電壓VPP功能VDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss3.高集成度EPROM

除了常使用的EPROM2764外，還常使用27128，27256，27512等。由于工業(yè)控制算機(jī)的發(fā)展，迫切需用電子盤取代硬盤，常把用戶程序、操作系統(tǒng)固化在電子盤上，（ROMDISK），這時(shí)要用27C010（128K×8），27C020（256K×8），27C040（512K×8）大容量芯片。5.3.3電可擦可編程存儲器下面以Intel2816為例，說明EEPROM的基本特點(diǎn)和工作方式。2816是容量為2K×8的電擦除PROM，它的邏輯符號如圖5.23所示。芯片的管腳排列與2716一致，只是在管腳定義上，數(shù)據(jù)線管腳對2816來說是雙向的，以適應(yīng)讀寫工作模式。

圖5.232816的邏輯符號1.2816的基本特點(diǎn)3.2817AEEPROM圖5.242817A引腳圖存儲容量為2K×828個(gè)引腳：11根地址線A10～A08根數(shù)據(jù)線I/O7～I(xiàn)/O0片選CE*讀寫OE*、WE*狀態(tài)輸出RDY/BUSY*EEPROM芯片2864A存儲容量為8K×828個(gè)引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線I/O7～I(xiàn)/O0片選CE*讀寫OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716155.3.4快擦寫存儲器1.整體擦除快擦寫存儲器2.對稱型塊結(jié)構(gòu)快擦寫存儲器3.帶自舉塊快擦寫存儲器5.4內(nèi)存管理5.4.180X86系列CPU的工作模式CPU數(shù)據(jù)總線地址總線尋址范圍支持操作系統(tǒng)80868位20位1MB實(shí)方式8028616位24位16MB實(shí)、保護(hù)方式80386/80486/Pentium32位32位4096MB實(shí)、保護(hù)、V86方式表5-10不同CPU的尋址范圍5.4.2內(nèi)存空間的管理

Intel80X86系列CPU組成的微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存空間如圖5.33所示。圖5.33內(nèi)存空間分布1.常規(guī)內(nèi)存常規(guī)內(nèi)存（ConventionalMemory）在內(nèi)存分配表中占用最前面的位置，從0KB到640KB（地址000000H～109FFFFH），共占640KB的容量。它在內(nèi)存的最前面并且在DOS可管理的內(nèi)存區(qū)，因此又稱之為LowDosMemory