半導(dǎo)體存儲器課件

第五章微型計算機(jī)存儲器1第五章微型計算機(jī)存儲器1微型計算機(jī)中的存儲器存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU2微型計算機(jī)中的存儲器存I/O輸I/O數(shù)據(jù)總線DB控制總線第一節(jié)存儲器概述一、存儲器的分類

存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲信息的部件，它是計算機(jī)中的重要硬件資源。

從存儲程序式的馮.諾依曼經(jīng)典結(jié)構(gòu)而言，沒有存儲器，就無法構(gòu)成現(xiàn)代計算機(jī)。

3第一節(jié)存儲器概述一、存儲器的分類

存儲器1、按用途分類兩大類：內(nèi)存（主存）外存（輔存）41、按用途分類兩大類：4內(nèi)存內(nèi)存：CPU可以通過系統(tǒng)總線直接訪問的存儲器，

用以存儲計算機(jī)當(dāng)前正在使用的程序或數(shù)據(jù)。

內(nèi)存要有與CPU盡量匹配的工作速度，容量

較小，價格較高。

內(nèi)存由順序編址的存儲單元構(gòu)成，開始的地

址為0；內(nèi)存一般又由ROM和RAM兩部分組

成。

ROM－常駐軟件（如BIOS）內(nèi)存區(qū)；

RAM－其余的內(nèi)存區(qū)。

5內(nèi)存內(nèi)存：CPU可以通過系統(tǒng)總線直接訪問的存儲器，

外存外存：用來存放相對來說不經(jīng)常使用的程序或者數(shù)據(jù)或者需要長期保存的信息。CPU需要使用這些信息時，必須要通過專門的設(shè)備（如磁盤，磁帶控制器等）把信息成批的傳送至內(nèi)存來（或相反）外存只與內(nèi)存交換信息，外存要配置專門的驅(qū)動設(shè)備才能完成對它的訪問功能,而不能被CPU直接訪問。外存由順序編址的“塊”所組成。

外存的容量大（海量存儲器），但由于它多數(shù)是機(jī)－電裝置所構(gòu)成，所以工作速度較慢。6外存外存：用來存放相對來說不經(jīng)常使用的程序或者數(shù)據(jù)或者需2、按存儲介質(zhì)分類：磁芯存儲器；半導(dǎo)體存儲器；磁表面存儲器如磁帶，磁盤，磁鼓，磁卡等；光盤存儲器（CD－ROM）；磁光式存儲器（用磁光材料）；72、按存儲介質(zhì)分類：磁芯存儲器；7*只讀型光盤（CD－ROM：CompactDisk－ReadOnlyMemory）8*只讀型光盤（CD－ROM：CompactDisk－Re3按存儲器性質(zhì)分類：隨機(jī)存儲器（RAM，RandomAccessMemory）只讀存儲器（ROM，ReadOnlyMemory）93按存儲器性質(zhì)分類：隨機(jī)存儲器（RAM，RandomAcRAM隨機(jī)存取存儲器(RandomAccessmemory)CPU能根據(jù)RAM的地址將數(shù)據(jù)隨機(jī)地寫入或讀出。電源切斷后，所存數(shù)據(jù)全部丟失。(1)SRAM靜態(tài)RAM(StaticRAM)靜態(tài)RAM速度非?？欤灰娫创嬖趦?nèi)容就不會自動消失(2)DRAM動態(tài)RAM(DynamicRAM)DRAM的內(nèi)容在10(-3,-6)秒之后自動消失，因此必須周期性的在內(nèi)容消失之前進(jìn)行刷新(Refresh)。10RAM隨機(jī)存取存儲器(RandomAccessmemor2．ROM只讀存儲器(ReadOnlyMemory)ROM存儲器是將程序及數(shù)據(jù)固化在芯片中，數(shù)據(jù)只能讀出，不能寫入，也不會丟失，ROM中通常存儲操作系統(tǒng)的程序(BIOS)或用戶固化的程序。按集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可分為下面三種：PROM可編程ROM(PrgramableROM)

將設(shè)計的程序固化進(jìn)去后，ROM內(nèi)容不可更改。EPROM可擦除、可編程ROM〔ErasablePROM)可編程固化程序，且在程序固化后可通過紫外光照擦除，以便重新固化新數(shù)據(jù)EEPROM電可擦除可編程ROM可編程固化程序，并可利用電壓來擦除芯片內(nèi)容，以重新編程固化新數(shù)據(jù)。112．ROM只讀存儲器(ReadOnlyMemory)RO

1、存儲容量：設(shè)地址線位數(shù)為p，數(shù)據(jù)線位數(shù)為q，則：編址單元總數(shù)為－－2p位容量總數(shù)為――2p*q

2、存取速度：二、存儲器的性能指標(biāo)12

1、存儲容量：設(shè)地址線位數(shù)為p，數(shù)據(jù)線位數(shù)為q，則：二、存應(yīng)用需要：存取速度快、存儲容量大、價格/位低。但由于技術(shù)的或經(jīng)濟(jì)的方面原因，存儲器的這些特性往往是相互矛盾、相互制約的。用一種存儲器很難同時滿足這些要求。為了發(fā)揮各種不同類型存儲器的長處，避開其弱點(diǎn)，應(yīng)該把他們合理地組織起來，這就出現(xiàn)了存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的概念。

存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：13應(yīng)用需要：存取速度快、存儲容量大、價格/位低。但由于技術(shù)的或金字塔結(jié)構(gòu)：1414第二節(jié)半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器的分類情況，其中：

RAM屬揮發(fā)性（易失性）（Volatile）存儲器－電源切斷后，信息消失。ROM屬非揮發(fā)性（非易失性）（Nonvolatile）存儲器。

15第二節(jié)半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器的分類情況，其中：15半導(dǎo)體存儲器（內(nèi)存）分類半導(dǎo)體存儲器

Memory

只讀存儲器

ROM掩膜ROM可編程ROM（PROM）UV可擦除PROM（EPROM）OTP-ROM(One-TimePROM)快閃ROM（FLASH-ROM:整片/塊）電可擦除PROM（E2PROM）（字節(jié)、頁）隨機(jī)存取存儲器RAM雙極型RAMMOS型

RAMSRAM（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）DRAM（電容）SDRAM，EDO,SDRAM,DDR,RAMBUSNVRAM+SRAM+BATT根據(jù)運(yùn)行時存?。ㄗx寫）過程的不同分類

16半導(dǎo)體存儲器（內(nèi)存）分類半導(dǎo)體只讀掩膜ROM隨機(jī)存取存1、

靜態(tài)RAM（SRAM－StaticRAM）（1）靜態(tài)RAM的基本存儲單元（Cells）。（2）靜態(tài)RAM芯片舉例：6116－2K×8高速靜態(tài)CMOSRAM存儲器（3）靜態(tài)RAM組成的存儲矩陣一、RAM171、

靜態(tài)RAM（SRAM－StaticRAM）一、RA1024*1存儲器的模塊結(jié)構(gòu)：(1)存儲矩陣一個基本存儲單元存放一位二進(jìn)制信息，一塊存儲器芯片中的基本存儲單元電路按字結(jié)構(gòu)或位結(jié)構(gòu)的方式排列成矩陣。181024*1存儲器的模塊結(jié)構(gòu)：(1)存儲矩陣18地址譯碼器CPU讀／寫一個存儲單元時，先將地址送到地址總線，高位地址經(jīng)譯碼后產(chǎn)生片選信號選中芯片，低位地址送到存儲器，由地址譯碼器譯碼選中所需要的片內(nèi)存儲單元，最后在讀／寫信號控制下將存儲單元內(nèi)容讀出或?qū)懭搿?9地址譯碼器CPU讀／寫一個存儲單元時，先將地址送到地址總線，控制邏輯與三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器存儲器讀／寫操作由CPU控制，CPU送出的高位地址經(jīng)譯碼后，送到邏輯控制器的/CS端。/CS有效，允許對其進(jìn)行讀／寫操作，當(dāng)讀寫控制信號/RD，/WR送到存儲器芯片的R/W端時，存儲器中的數(shù)據(jù)經(jīng)三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器的D0-D7端送到數(shù)據(jù)總線上或?qū)?shù)據(jù)寫入存儲器。20控制邏輯與三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器存儲器讀／寫操作由CPU控制，CP（1）、DRAM的基本存儲單元（DRAM的主要特點(diǎn)）。（2）、DRAM芯片舉例。（3）、DRAM刷新控制邏輯2、

動態(tài)RAM（DRAM－DynamicRAM）21（1）、DRAM的基本存儲單元（DRAM的2222動態(tài)RAM的構(gòu)成動態(tài)RAM與靜態(tài)RAM一樣，由許多基本存儲單元按行和列排列組成短陣。最簡單的動態(tài)RAM的基本存儲單元是一個晶體管和一個電容，因而集成度高，成本低，耗電少，但它是利用電容存儲電荷保存信息的，電容通過MOS管的柵極和源極會緩慢放電而丟失信息，必須定時對電容充電，也稱作刷新。23動態(tài)RAM的構(gòu)成動態(tài)RAM與靜態(tài)RAM一樣，由許多基本存儲單動態(tài)RAM的刷新24動態(tài)RAM的刷新24DRAM訪問時序?yàn)榱颂岣呒啥?，減少芯片的管腳數(shù)，DRAM的地址分成行(Row)地址和列(Column)地址。在訪問時總是先由行選通信號#RAS把行地址給到DRAM，然后再由列選通信號#CAS給出列地址，并結(jié)合讀寫控制信號進(jìn)行讀寫操作所以刷新和兩次地址的給出是DRAM的操作特點(diǎn)。25DRAM訪問時序?yàn)榱颂岣呒啥?，減少芯片的管腳數(shù)，DRAM的第三節(jié)存儲器的工作時序1．SRAM器件對存儲器讀周期和寫周期時序的要求選擇存儲器時最重要的參數(shù)是存取時間，在存儲器讀周期中，具體是指讀取時間，在存儲器寫周期中就是指寫入時間。訪問存儲器所需要的時間是指存儲器接收到穩(wěn)定的地址輸入到讀／寫操作所需時間。26第三節(jié)存儲器的工作時序1．SRAM器件對存儲器讀周期和寫8KX8bits的SRAM結(jié)構(gòu)IS61C64B278KX8bits的SRAM結(jié)構(gòu)IS61C64B2728282929SRAM讀時間參數(shù)30SRAM讀時間參數(shù)303131SRAM寫操作時間參數(shù)32SRAM寫操作時間參數(shù)32存儲器讀周期33存儲器讀周期33存儲器寫周期34存儲器寫周期34SDRAM的訪問方式舉例讀操作步驟：Active(bank,Row),ColumnAddr,BurstRead35SDRAM的訪問方式舉例讀操作步驟：Active(bank1、程序訪問的局部性（Localityofreference）對大量典型程序的運(yùn)行情況的分析結(jié)果表明，在一個較短的時間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。指令地址的分布本來就是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復(fù)執(zhí)行多次，因此，對這些地址的訪問就自然具有時間上集中分布的特性。第四節(jié)高速緩存技術(shù)361、程序訪問的局部性（LocalityofreferenCACHE技術(shù)的目的系統(tǒng)設(shè)計時，為了使CPU全速運(yùn)行，可采用CACHE技術(shù)，將經(jīng)常訪問的代碼和數(shù)據(jù)保存到SRAM組成的高速緩沖器中，把不常訪問的數(shù)據(jù)保存到DRAM組成的大容量存儲器中，這樣使存儲器系統(tǒng)的價格降低，同時又提供了接近零等待的性能。37CACHE技術(shù)的目的系統(tǒng)設(shè)計時，為了使CPU全速運(yùn)行，可采

CACHE技術(shù)是為了把主存儲器看成是高速存儲器而設(shè)置的小容量局部存儲器。利用某些程序訪問存儲器在時間上和空間上有局部區(qū)域的特性：子程序的反復(fù)調(diào)用，變量的重復(fù)使用?？梢园袰ACHE看作是主存儲器中面向CPU的一組高速暫存寄存器，保存有一份主存儲器的“內(nèi)容拷貝”，該“內(nèi)容拷貝”是最近曾被CPU使用過的。38CACHE技術(shù)是為了把主存儲器看成是高速存儲器而設(shè)置的小容CACHE組成一部分存放由主存儲器來的數(shù)據(jù)另一部分存放該數(shù)據(jù)在主存儲器中的地址由關(guān)聯(lián)性，高速緩沖存儲器結(jié)構(gòu)分為（僅作了解即可）：全相聯(lián)直接映象成組相聯(lián)39CACHE組成一部分存放由主存儲器來的數(shù)據(jù)39CACHE的數(shù)據(jù)更新通寫式（WriteThrough）回寫式（WriteBack）40CACHE的數(shù)據(jù)更新通寫式（WriteThrough）401、

掩膜式ROM：由制造廠家對芯片圖形（掩膜）進(jìn)行二次光刻而制成。用戶不能修改寫入的內(nèi)容。少量生產(chǎn)時，價格較高。2、

PROM（ProgrammableROM）：由用戶一次性寫入，一旦寫入就無法修改。3、

EPROM（ErasablePROM）

（1）

EPROM基本存儲單元（2）EPROM芯片舉例（2764A）

第五節(jié)只讀存儲器ROM411、

掩膜式ROM：由制造廠家對芯片圖形（掩膜）進(jìn)行二次光電可擦除可編程ROM(EEPROM)EPROM盡管可以擦除后重新進(jìn)行編程，但擦除時需用紫外線光源，使用起來仍然不太方便。電可擦除的可編程ROM，簡稱EEPROM(E2PROM)，它的外形管腳與EPROM相似僅擦除過程不需要用紫外線光源。42電可擦除可編程ROM(EEPROM)EPROM盡管可以擦除后EEPROM芯片舉例（2764A）Intel2764是8K×8的EPROM，A12-A0：地址線D7-D0：數(shù)據(jù)線/CE：芯片允許/OE：輸出允許/PGM：編程脈沖控制端，VPP：編程時電壓輸入。VCC：電源電壓，十5伏43EEPROM芯片舉例（2764A）Intel2764是8KEEPROMVSRAM?

EEPROM能否取代RAM?EEPROM結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對成本要比RAM高的多EEPROM的擦寫次數(shù)有限，一般在數(shù)百次左右最重要的一點(diǎn)，速度太慢，讀取速度相差10倍，寫入速度相差更多44EEPROMVSRAM?

EEPROM能否取代RAM?EEPROM的新成員FlashROMFlash的特點(diǎn)，采用不同工藝設(shè)計，擦寫不需要高電壓讀取速度比EEPROM快相對EEPROM成本更低，密度更大擦寫壽命更長，一般在1-10萬次左右缺點(diǎn)：擦寫必須按塊（sector）操作，而EEPROM可以按字節(jié)刪除45EEPROM的新成員FlashROMFlash的特點(diǎn)，采用FlashROM的兩種主要類型NOR型FlashNAND型Flash46FlashROM的兩種主要類型NOR型Flash46NOR型以Intel和AMD為主要發(fā)展者擁有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線，可以以字節(jié)為單位讀取或者寫入，但是擦除必須以塊為單位進(jìn)行壽命一般在1萬次左右缺點(diǎn)：擦除時間長（典型時間800ms）、密度較低成本較高47NOR型以Intel和AMD為主要發(fā)展者47NAND型以Samsung和TOSHIBA為代表擦除的時間較快，典型時間2ms成本低，密度較高壽命在10萬次左右缺點(diǎn)：以塊為單位進(jìn)行讀寫和擦除，不能進(jìn)行字節(jié)的讀寫讀取速度較慢48NAND型以Samsung和TOSHIBA為代表48NOR和NAND的不同用途NOR可按字節(jié)讀取，可以實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)的存取，做到程序的片上執(zhí)行(XIP,eXecuteInPlace)，NOR讀取速度高，寫入速度低，多用于系統(tǒng)的BIOS等不需要經(jīng)常更新的地方NAND容量大，價格低，寫入速度快，但讀取速度較低，常用于數(shù)據(jù)的存儲，如U盤，F(xiàn)lash卡等49NOR和NAND的不同用途NOR可按字節(jié)讀取，可以實(shí)現(xiàn)程序與第六節(jié)CPU與存儲器的連接CPU總線的負(fù)載能力CPU的時序和存儲器存取速度之間的配合存儲器的地址分配和片選存儲芯片的數(shù)據(jù)線存儲芯片的地址線存儲芯片的片選端控制信號的連接存儲芯片的讀寫控制線50第六節(jié)CPU與存儲器的連接CPU總線的負(fù)載能力50存儲芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好16根：一次可從芯片中訪問到16位數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的16位數(shù)據(jù)總線相連若芯片的數(shù)據(jù)線不足16根：一次不能從一個芯片中訪問到16位數(shù)據(jù)利用多個芯片擴(kuò)充數(shù)據(jù)位這種擴(kuò)充方式簡稱為位擴(kuò)充51存儲芯片數(shù)據(jù)線的處理若芯片的數(shù)據(jù)線正好16根：51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52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)選中線選示例A14-A13=00的情況不能出現(xiàn)，00000-01FFFH的地址不可使用53線選示例53線性選擇方式01號芯片尋址空間:XX0xxxxxxxxxxxxx0000-1FFFH，4000-5FFFH，8000一9FFFH，C000一DFFFH02號芯片尋址空間：2000—3FFFH，6000一7FFFH，A000一BFFFH，C000—FFFFH假設(shè)地址一共16位54線性選擇方式01號芯片尋址空間:假設(shè)地址一共16位54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”55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)的低位地址總片內(nèi)譯碼56片內(nèi)譯碼56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“地址擴(kuò)充”。57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)充容量也就地址擴(kuò)充58地址擴(kuò)充58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最常用的3-8譯碼器74LS138常用的4-16譯碼器74LS15459譯碼和譯碼器譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯一“有效輸門電路譯碼60門電路譯碼60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)