微機(jī)系統(tǒng)與接口課件2012-2013學(xué)年第4章

第4章半導(dǎo)體存儲器教學(xué)重點(diǎn):

半導(dǎo)體存儲器的分類芯片SRAM6116和DRAM2164

芯片EPROM2764和EEPROM2817A

半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接4.1半導(dǎo)體存儲器概述CPUCACHE主存（內(nèi)存）輔存（外存）存儲器是用來存儲微型計算機(jī)工作時使用的信息（程序和數(shù)據(jù)）的部件，正是因為有了存儲器，計算機(jī)才有信息記憶功能。越靠近CPU的存儲器速度越快而容量越小。兩大類——內(nèi)存、外存內(nèi)存——存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：快，容量小，隨機(jī)存取，CPU可直接訪問。通常由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成RAM、ROM外存——存放非當(dāng)前使用的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：慢，容量大，順序存取/塊存取。需調(diào)入內(nèi)存后CPU才能訪問。通常由磁、光存儲器構(gòu)成，也可以由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成磁盤、磁帶、CD-ROM、DVD-ROM、固態(tài)盤。寄存器組高速緩存Cache系統(tǒng)主存儲器硬盤Cache磁盤存儲器磁帶存儲設(shè)備光盤存儲設(shè)備存儲器分級組成在CPU內(nèi)部的通用寄存器集成度小的靜態(tài)RAM簡稱內(nèi)存，用于存放運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)紅區(qū)為半導(dǎo)體存儲器綠區(qū)其它介質(zhì)存儲器半導(dǎo)體存儲器由能夠表示二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”的、具有記憶功能的一些半導(dǎo)體器件組成。如觸發(fā)器、MOS管的柵極電容等。能存放一位二進(jìn)制數(shù)的器件稱為一個存儲元。若干存儲元構(gòu)成一個存儲單元。4.1.1半導(dǎo)體存儲器的分類按制造工藝雙極型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用屬性隨機(jī)存取存儲器RAM：可讀可寫、斷電丟失只讀存儲器ROM：正常只讀、斷電不丟失詳細(xì)分類，請看圖示半導(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，注意對比讀寫存儲器RAM組成單元速度集成度應(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帶微型電池慢低小容量非易失只讀存儲器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）擦除。半導(dǎo)體存儲器的主要指標(biāo)容量：每個存儲器芯片所能存儲的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。存儲器容量＝單元數(shù)×數(shù)據(jù)線位數(shù)（1、4或8位）例：Intel2114芯片的容量為1K×4位，Intel6264芯片為8K×8位。存取速度：從CPU給出有效的存儲器地址到存儲器給出有效數(shù)據(jù)需要的時間。4.1.2半導(dǎo)體存儲器芯片的結(jié)構(gòu)地址寄存地址譯碼存儲體控制電路AB數(shù)據(jù)寄存讀寫電路DBOEWECS①存儲體存儲器芯片的主要部分，用來存儲信息②地址譯碼電路根據(jù)輸入的地址編碼來選中芯片內(nèi)某個特定的存儲單元③

片選和讀寫控制邏輯選中存儲芯片，控制讀寫操作4.1.2半導(dǎo)體存儲器芯片的結(jié)構(gòu)①存儲體每個存儲單元具有一個唯一的地址，可存儲1位（位片結(jié)構(gòu)）或多位（字片結(jié)構(gòu)）二進(jìn)制數(shù)據(jù);存儲容量與地址、數(shù)據(jù)線個數(shù)有關(guān)：芯片的存儲容量＝2M×N

＝存儲單元數(shù)×存儲單元的位數(shù)

M：芯片的地址線根數(shù);

N：芯片的數(shù)據(jù)線根數(shù)。②地址譯碼電路譯碼器A5A4A3A2A1A06301存儲單元64個單元行譯碼A2A1A0710列譯碼A3A4A501764個單元單譯碼雙譯碼單譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼可簡化芯片設(shè)計主要采用的譯碼結(jié)構(gòu)雙譯碼存儲器結(jié)構(gòu)③片選和讀寫控制邏輯片選端CS*或CE*有效時，可以對該芯片進(jìn)行讀寫操作；輸出OE*控制讀操作。有效時，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸出；該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的讀控制線；寫WE*控制寫操作。有效時，數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片中；該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的寫控制線。4.2隨機(jī)存取存儲器靜態(tài)RAMSRAM6116SRAM6264動態(tài)RAMDRAM21644.2.1靜態(tài)RAMSRAM的基本存儲單元是觸發(fā)器電路每個基本存儲單元存儲二進(jìn)制數(shù)一位許多個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：每個存儲單元存放多位（4、8、16等）；每個存儲單元具有一個地址。六管靜態(tài)RAM存儲單元6個MOS管組成；T1~T4管組成雙穩(wěn)態(tài)解發(fā)器；T1、T2放大管；T3、T4負(fù)載管；T5、T6控制管；存取速度快、集成度小、功耗大；

6116（2K×8位）

6264（8K×8位）靜態(tài)RAM的基本電路SRAM芯片6116讀出邏輯：CS*=0,OE*=0,WE*=1寫入邏輯：CS*=0,OE*=1,WE*=0高阻：CS*＝1SRAM芯片6116有2K×8位=16384個存儲位，2K表示芯片內(nèi)的地址有11位（A0~A10），8位表示一個單元有8個二進(jìn)制位；芯片內(nèi)有128×128的存儲單元矩陣。它有11條地址線，7條用于行地址譯碼，4條用于列地址譯碼，每條列地址譯碼線控制8個基本存儲單元（128×16×8）；6116芯片的工作方式：SRAM芯片6264存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CS1*、CS2讀寫WE*、OE*功能+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716154.2.2動態(tài)RAMDRAM的基本存儲單元是單個場效應(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；每次同時對一行的存儲單元進(jìn)行刷新；每個基本存儲單元存儲二進(jìn)制數(shù)一位；許多個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：每個存儲單元存放一位；需要8個存儲芯片構(gòu)成一個字節(jié)單元；每個字節(jié)存儲單元具有一個地址。動態(tài)RAM的基本單元動態(tài)RAM是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲信息；由于只用一個管子，所以功耗很低，存儲容量可做得很大。它是由T1管和寄生電容Cs組成的。

①讀操作時，地址譯碼電路使某條字選擇線為高電平，T1管導(dǎo)通，則存儲在Cs上的信息通過T1管送到D線上，再通過放大，即可得到存儲的信息。動態(tài)RAM的基本單元②寫操作時，使字選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，待寫入的信息由位線D（數(shù)據(jù)線）存入Cs。Cs上的信息被讀出后，其寄存的電壓由0.2V下降為0.1V，所以這是一種破壞性讀出，讀出后必須重寫。③刷新操作。由于電容上的信息隨時間增加慢慢消失所以這種存儲單元必須定期刷新，以保持他所存的信息。刷新操作實(shí)際上也是一次讀操作。不過這時信息并不讀到數(shù)據(jù)線上。目前計算機(jī)的內(nèi)存大多采用這種單管的動態(tài)存儲器。DRAM芯片2164存儲容量為64K×116個引腳：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WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A712345678161514131211109DRAM芯片2164內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3只讀存儲器EPROMEPROM2764EEPROMEEPROM2817AEEPROM2864A4.3.1EPROM頂部開有一個圓形的石英窗口，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，每個基本存儲單元都是信息1編程就是將某些單元寫入信息0DSSiO2GN襯底24VP+P+++浮柵MOSDS浮柵管字線位線輸出位線Vcc存儲原理EPROM芯片2764存儲容量為8K×828個引腳：13根地址線A12～A08根數(shù)據(jù)線D7～D0片選CE*編程PGM*讀寫OE*編程電壓VPP功能VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615EPROM芯片2725612345678910111213141516171819202122232425262728VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDD3D4D5D6D7CEA10OEA11A9A8A13A14Vcc27256引腳圖A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CEOED7D6D5D4D3D2D1D027256邏輯圖4.3.2E2PROM用加電方法，進(jìn)行在線（無需拔下，直接在電路中）擦寫（擦除和編程一次完成）有字節(jié)擦寫、塊擦寫和整片擦寫方法并行EEPROM：多位同時進(jìn)行串行EEPROM：只有一位數(shù)據(jù)線EEPROM芯片2817A存儲容量為2K×828個引腳：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*功能NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GNDVccWE*NCA8A9NCOE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O312345678910111213142827262524232221201918171615EEPROM芯片2864A存儲容量為8K×828個引腳：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*功能VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716154.4半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接這是本章的重點(diǎn)內(nèi)容SRAM、EPROM與CPU的連接譯碼方法同樣適合I/O端口4.4.1存儲芯片與CPU的連接存儲芯片的數(shù)據(jù)線存儲芯片的地址線存儲芯片的片選端存儲芯片的讀寫控制線1.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：一次不能從一個芯片中訪問到8位數(shù)據(jù)；利用多個芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位；這個擴(kuò)充方式簡稱“位擴(kuò)充”。位擴(kuò)充多個位擴(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，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”。3.存儲芯片片選端的譯碼存儲系統(tǒng)常需利用多個存儲芯片擴(kuò)充容量也就是擴(kuò)充了存儲器地址范圍；進(jìn)行“地址擴(kuò)充”，需要利用存儲芯片的片選端對多個存儲芯片（組）進(jìn)行尋址；這個尋址方法，主要通過將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)；這種擴(kuò)充簡稱為“字?jǐn)U充”。字?jǐn)U充片選端常有效A19～A15 A14～A0 全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE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)”地址重復(fù)一個存儲單元具有多個存儲地址的現(xiàn)象；原因：有些高位地址線沒有用、可任意；使用地址：出現(xiàn)地址重復(fù)時，常選取其中既好用、又不沖突的一個“可用地址”；例如：00000H～07FFFH；選取的原則：高位地址全為0的地址。高位地址譯碼才更好⑴譯碼和譯碼器譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸出”的過程；譯碼電路可以使用門電路組合邏輯；譯碼電路更多的是采用集成譯碼器；常用的2:4譯碼器74LS139；常用的3:8譯碼器74LS138；常用的4:16譯碼器74LS154。⑵全譯碼所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址包括低位地址線對芯片內(nèi)各存儲單元的譯碼尋址（片內(nèi)譯碼），高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址（片選譯碼）采用全譯碼，每個存儲單元的地址都是唯一的，不存在地址重復(fù)譯碼電路可能比較復(fù)雜、連線也較多示例全譯碼示例A15A14A13A16CBAE3138

2764A19A18A17A12～A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全0全100011100001110地址范圍A12～A0A19A18A17A16A15A14A13⑶部分譯碼只有部分（高位）地址線參與對存儲芯片的譯碼每個存儲單元將對應(yīng)多個地址（地址重復(fù)），需要選取一個可用地址可簡化譯碼電路的設(shè)計但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費(fèi)示例部分譯碼示例138A17

A16A11～A0A14

A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19～

A15A14～

A12A11～A0一個可用地址1234××10×××10×××10×××10×000001010011全0～全1全0～全1全0～全1全0～全120000H～20FFFH21000H～21FFFH22000H～22FFFH23000H～23FFFH⑷線選譯碼只用少數(shù)幾根高位地址線進(jìn)行芯片的譯碼，且每根負(fù)責(zé)選中一個芯片（組）雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴(yán)重浪費(fèi)必然會出現(xiàn)地址重復(fù)一個存儲地址會對應(yīng)多個存儲單元多個存儲單元共用的存儲地址不應(yīng)使用示例線選譯碼示例A14A12～A0A13(1)2764(2)2764

CECEA19～

A15A14A13A12～A0一個可用地址12××××××××××1001全0～全1全0～全104000H～05FFFH02000H～03FFFH切記：A14A13＝00的情況不能出現(xiàn)00000H～01FFFH的地址不可使用片選端譯碼小結(jié)存儲芯片的片選控制端可以被看作是一根最高位地址線；在系統(tǒng)中，主要與地址發(fā)生聯(lián)系：包括地址空間的選擇（接系統(tǒng)的IO/M*信號）和高位地址的譯碼選擇（與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)）；對一些存儲芯片通過片選無效可關(guān)閉內(nèi)部的輸出驅(qū)動機(jī)制，起到降低功耗的作用。4.存儲芯片的讀寫控制芯片OE*與系統(tǒng)的讀命令線相連：當(dāng)芯片被選中、且讀命令有效時，存儲芯片將開放并驅(qū)動數(shù)據(jù)到總線；芯片WE*與系統(tǒng)的寫命令線相連：當(dāng)芯片被選中、且寫命令有效時，允許總線數(shù)據(jù)寫入存儲芯片。4.4.2存儲芯片與CPU的配合存儲芯片與CPU總線的連接，還有兩個很重要的問題：CPU的總線負(fù)載能力CPU能否帶動總線上包括存儲器在內(nèi)的連接器件；存儲芯片與CPU總線時序的配合CPU能否與存儲器的存取速度相配合。1.總線驅(qū)動CPU的總線驅(qū)動能力有限；單向傳送的地址和控制總線，可采用三態(tài)鎖存器和三態(tài)單向驅(qū)動器等來加以鎖存和驅(qū)動；雙向傳送的數(shù)據(jù)總線，可以采用三態(tài)雙向驅(qū)動器來加以驅(qū)動。2.時序配合分析存儲器的存取速度是否滿足CPU總線時序的要求；如果不能滿足：考慮更換芯片；總線周期中插入等待狀態(tài)TW。切記：時序配合是連接中的難點(diǎn)將6116SRAM放在8088CPU最低地址（00000H~007FFH）分析：地址變化情況參加片內(nèi)譯碼參加片外譯碼例題1A0~A10CPUCSA11A196116…將IBM-PC機(jī)（8086CPU）的內(nèi)存容量擴(kuò)展64KB，并將地址安排在60000H開始的地址中。解：

1）芯片選擇*選SRAM6264（8K8）；*芯片數(shù)量64K÷8K=8片。

2）地址分配確定地址空間為60000H~6FFFFH。每兩片6264占一個連續(xù)空間，可劃分地址空間為4個區(qū)域。

3）系統(tǒng)連接例題2地址分配表D0~D7D8~D15A1~A13Y0Y1Y2Y3G1G2AG2BCBA3:8譯碼器A0BHEA18A17A16A15A14RDWRD0~D15M/IOA198086CPUM3M1M2M4M0M7M6M5A0~A12CSWEOED0~D7本章小節(jié)1.了解各類半導(dǎo)體存儲器的應(yīng)用特點(diǎn)；2.

熟悉半導(dǎo)體存儲器芯片的結(jié)構(gòu)；3.掌握SRAM2116、DRAM2164、EPROM2764、EEPROM2817A的引腳功能；4.掌握