1、微型计算机原理及应用微型计算机原理及应用Microcomputer Principles And Application第4章 存储器第第4章章 存储器存储器4.1 存储器概述4.2 常用半导体存储器4.3 存储器与CPU的连接4.4 存储器与CPU连接实例4.1 存储器概述存储器概述4.1.1 存储器体系结构存储器体系结构4.1.2 半导体存储器的分类4.1.3 半导体存储器的性能指标功耗功耗：功耗指每个：功耗指每个存储单元的功耗存储单元的功耗，微瓦，微瓦/单元（单元（W/单元）。它不单元）。它不仅涉及到消耗功率的大小，也关系到芯片的集成度。仅涉及到消耗功率的大小，也关系到芯片的集成度。可靠
2、性可靠性：可靠性是指存储器对电磁场、温度等外界变化因素的抗干：可靠性是指存储器对电磁场、温度等外界变化因素的抗干扰能力，一般用扰能力，一般用平均无故障时间平均无故障时间来描述。来描述。体积、功耗、工作温度范围、成本高低等也是人们关心的指标。上述指体积、功耗、工作温度范围、成本高低等也是人们关心的指标。上述指标中有些是相互矛盾的，设计时，根据实际需要，尽可能满足主要要求且标中有些是相互矛盾的，设计时，根据实际需要，尽可能满足主要要求且兼顾其它。兼顾其它。存储容量存储容量：存储器可存储的二进制信息量：存储器可存储的二进制信息量:存储容量字数存储容量字数字长字长存取速度存取速度：存储器的存取速度用：
3、存储器的存取速度用最大存取时间或存取周期最大存取时间或存取周期来描述。存储器来描述。存储器存取时间定义为从接收到存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据为存取时间定义为从接收到存储单元的地址码开始，到它取出或存入数据为止所需时间。止所需时间。【例 4.1】Intel 2114芯片有10根地址总线，4根数据总线，容量为1K4。其含义是什么？解：含义为，Intel 2114芯片内有1K=210=1024个单元（与10根地址总线相对应），其中每个单元内存放4个二进制数（与4根数据总线相对应），所以其容量为10244bits。4.2 常用半导体存储器常用半导体存储器4.2.1 随机存取存储器随机存取存
4、储器RAM 半导体随机存取存储器RAM是指工作时可以任意读出或写入信息的存储器，它包括静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。1静态静态RAM（SRAM）(1)基本存储单元基本存储单元(2)静态RAM存储器内部结构图2114芯片 外部结构 ：片选信号 ：写信号 A0A9：地址线，10条 I/O0I/O3：数据线，4条 内部结构：存储体，地址译码器，数据控制【例 4.3】CPU从2114中读出地址为008H的内容，请给出2114芯片中控制信号、地址信号和数据信号的工作过程。2动态RAM(1)基本存储单元 由一个MOS管Q和一个寄生电容C组成。当电容C有电荷时，基本存储电路内存储信息为“1
5、”；没有电荷时，存储信息为“0”。(2)典型动态RAM芯片2164芯片 外部结构：采用16脚双列直插封装，容量为64K1地址线（A0A7）：8条地址线。数据线（Din/Dout）：2条数据线（Din/Dout）做为输入/输出控制线:写允许 行地址选通 列地址选通 内部结构4.2.2 只读存储器ROM 只读存储器ROM内的信息只能读出，不能写入。一般用来存放固定程序，如BIOS程序等。其最大的优点是掉电后信息不会丢失。可分为MROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash Memory等。1掩膜式只读存储器MROM 位位D3位位D2位位D1位位D0单元单元01010单元单元11101单元
6、单元20101单元单元30110 在存储矩阵的行列交叉点上，有的有MOS管，有的没有MOS管。有MOS管的地方存放的是数据“0”，没有MOS管的地方存放的是数据“1”。这是因为若有MOS管，当此单元被选中时，则相应的MOS管就导通，此时Di输出为0；而没有MOS管的，此时Di输出为1。2 可编程只读存储器OTPROM仅可供用户进行一次编程仅可供用户进行一次编程 熔丝式OTPROM基本存储电路示意图，由三极管和熔丝组成，可存储一位信息。出厂时，每根熔丝是连着的，存储的信息为“1”。读出：选中该单元，使得字线为高电平，则Txy管导通。若熔丝没有烧断，则位线被拉到Vcc的高电平，读出信息为“1”；若
7、熔丝被烧断，则位线被下拉电阻拉至低电平，读出信息为“0”。用户编程：给定地址，使得字线为高电平，从而选中该单元。若要写入“0”，则位线上送低电平“0”，当熔丝通过的电流达到20mA50mA，熔丝烧断，则存储的信息为“0”；当要写入“1”时，相应的位线上送高电平“1”，熔丝不被烧断，任然保持“1”的状态3紫外线可擦除的只读存储器EPROM(1)EPROM存储单元结构及工作原理：用电信号编程而用紫外线擦除的只读存储器芯片（2）典型EPROM芯片Intel 2764A（8K8Bit）外部结构：双列直插28脚芯片Vcc：工作电压，+5V；Vpp：编程电压，12.5V；NC：不用脚；：片选信号，：输出允
8、许信号，：编程脉冲输入端，A0A12：13条地址线，可寻址213=8K存储空间；O0O7：8条数据线。4.电可擦除的只读存储器E2PROM 组成E2PROM的基本电路和EPROM类似，不同的是在浮栅附近再增加一个栅极做为控制极。给控制极加正电压，使浮栅和漏极之间形成厚度不足200A的隧道氧化物，利用隧道效应，电子便注入浮栅，数据被写入。如果给控制删一个负压，则浮栅上的电荷流向漏极，信息被擦除。典型E2PROM芯片 AT28C64BVcc：+5V单电源供电；A0A12：13条地址总线；I/O0I/O7：8条数据线；：片选信号，低电平，选中该芯片 :输出数据允许线，低电平有效。:写信号，低电平有效
9、。AT28C64B工作过程：工作过程：数据读出数据读出：当 =0且 =0且 =1时，即可将选中的单元中的数据读出。与RAM及EPROM的读出过程是一样的。编程写入编程写入：有字节写入和页写入两种方式。擦除擦除：擦除和写入是同一种操作，只不过擦除是向单元中写入“1”。如果想将某一字节擦除，则只要执行写入操作，只不过写入的数据是“1”；典型E2PROM芯片 24C64 24C64（8K8）是串行行接口E2PROM芯片，采用DIP封装，数据传输采用I2C总线。Vcc：电源A0A2：地址总线。片选或页面选择地址输入。当接一片AT24C64时A0A2接地。SCL：串行移位时钟输入端，用于与输入/输出的数
10、据同步。当SCL为高电平时，SDA线上的数据保持稳定，此时“数据有效”；当SCL为低电平时，SDA线上的数据允许改变。SDA：串行数据输入/输出数据口。WP：硬件写保护引脚，为低电平（接地）时正常写操作；为高电平时对部分存储区进行硬件写保护。5 快速擦除读/写存储器FLASH Memory FLASH存储器也称为闪烁存储器，简称闪存，是一款电可擦除的非易失性新型存储器。具有快速编程、存储密度高，存取速度快、成本低、单一供电等特点。用FLASH存储器生产的半导体固态盘（U盘）已成为现今最常用的外存之一。从原理上说，FLASH Memory属于ROM型存储器。（1）Flash Memory存储单元
11、结构及工作原理基本存储电路基本存储电路由一只MOS管构成，当浮置栅极内有电子时，S和D极导通，为“0”状态；当浮置栅极内无电子时，S和D极不导通，为“1”状态。擦除擦除：在源极和控制栅极之间接+12V电压，浮置栅极内电子向源极扩散，导致浮置栅极内电子丢失，S和D极之间的导电沟道消失，状态由“0”变为“1”。写入写入：在控制栅极和S极之间接一个正向电压，电压值D和S极之间的正向电压，则来自S极的电子向浮置栅极扩散，使得浮置栅极带上足够多的电子，同时在衬底S与D极之间感应出导电层，使得S和D极之间导通，状态由“1”变“0”，完成写“0”的操作。读读：读的时候，只需要在S和D极之间加5V或3V（不同
12、芯片要求不同）的电压，而S极和控制栅极之间不加电压，即可读出。典型Flash Memory芯片AT29C010（1Mbit）I/O0I/O7：数据总线，8条，双向，三态。A0A16：地址线，17条，可寻址1MB空间。其中A7A16提供 1024个分区地址；A0A6提供每个 分区内的128字节 单元地址；：片选信号；：读选通信号；：写信号线；Vcc ：工作电压+5V。4.3 存储器与存储器与CPU的连接的连接计算机系统的内存设计问题。需要解决三大计算机系统的内存设计问题。需要解决三大问题：问题：如何选择存储器芯片？如何选择存储器芯片？如何将小容量的存储器芯片扩充为一个大容量的内存如何将小容量的存
13、储器芯片扩充为一个大容量的内存系统？系统？存储器芯片如何与存储器芯片如何与CPU连接？连接？4.3.1 存储器芯片的选择1存储器芯片类型的选择存储器芯片类型的选择 对于专用设备，其内部的系统程序、数据都是固定不变的ROM芯片。对于需要存储中间结果的设备，则需要RAM芯片。所需容量小且对速度要求高，SRAM；如果所需容量大，DRAM。对于需要在线修改、在线升级的设备，FLASH Memory、E2PROM。对容量、速度要求不高，E2PROM；对容量、速度要求高，FLASH Memory。2.存储器芯片容量的选择存储器芯片容量的选择 原则上是在满足容量的前提下尽量少用芯片3.存储器芯片速度的选择存
14、储器芯片速度的选择 要根据CPU的速度选择合适的存储器芯片速度，达到合理的匹配4.存储器芯片功耗的选择存储器芯片功耗的选择 功耗的选择要根据计算机系统的实际应用情况来决定。4.3.2芯片的扩充1.位扩充：将存储器芯片扩充成存储系统所需的位数。例如：用2114(1K4)构成1K8位的存储器系统例如：如果用例如：如果用1K1的存储器芯片构成的存储器芯片构成1K8位的位的存储器系统。存储器系统。2.字扩充：存储容量的扩充。例如：用例如：用2114(1K4)构成构成2K8的存储器系统。的存储器系统。解：首先满足位扩充的要求，将2114(1K4)扩充成1K8，需要2片芯片（虚线框部分）然后再满足字扩充的
15、要求，扩充成2K8。所以就需要2个1K8，一共要4片2114芯片。2个片选信号不同个片选信号不同4.3.3存储器芯片与CPU的连接存储器与CPU连接时，主要是地址总线、控制总线和数据总线的连接。由于片选信号产生方式不同：有线选法、部分译码法全译码法三种方法。1.线选法是指高位地址中的某一条或者几条直接作为存储器的片选信号使用。线选法是最简单的方法，缺点是造成内存地址的不连续及重叠地址。【例 4.3】使用1片RAM 6116芯片（2K8）和1片EPROM 2716（2K8）为一个具有16条地址线（A0A15）的8位微机系统构成一个4K8的内存系统，采用线选法，请画出CPU与存储器6116、271
16、6的连线图，并给出6116、2716的地址范围。解：首先，画出6116和2716芯片图及CPU芯片示意图然后，连接数据总线接着，连接控制总线最后，连接地址总线 A11做为6116的片选，A13做为2716的片选,A0A10做为片内选择线地址分配情况地址分配情况:A15A14A13A12A11A10 A0 6116地地址范围址范围10 0 0 1 12000H27FFH2716地地址范围址范围010 0 1 10800H0FFFH 片片 选选片片 内内 选选 择择 6116与2716的地址是不连续的。存储单元有重叠地址。2.部分译码法将CPU提供的地址线，除去片内选择所用到的地址线后，剩余的地址
17、线中的一部分参加译码，作为片选信号使用。【例 4.4】用1片RAM 6116芯片（2K8）1片EPROM 2716（2K8）为一具有16条地址线（A0A15）的8位微机系统构成一个4K8的内存系统，采用部分译码法，画出CPU与存储器6116、2716连线图，给出6116、2716地址范围。部分译码法：直接从CPU的高位（A11A15）中任意取得三条地址总线（A11、A12、A13）经过译码器译码后做为片选信号，其它高位地址线（A14、A15）没有使用。地址分配情况:A15A14A13A12A11A10 A0 6116地 址地 址范围范围0000 0 1 10000H07FFH2716地 址地
18、址范围范围0010 0 1 10800H0FFFH 片片 选选片片 内内 选选 择择 6116与2716的地址是连续的（选择的高位地址不同，也有可能造成地址不连续，这主要由译码器的逻辑决定的）。存储单元有重叠地址。3.全译码法 将CPU提供的地址总线中的地址线，除去片内选择的地址线之外的其它地址线全部参加译码，作为片选信号使用。全译码法使得每个地址单元对应的地址都是唯一的，而且是连续的。缺点是硬件电路较复杂。【例 4.5】使用1片RAM 6116芯片（2K8）和1片EPROM 2716（2K8）为一个具有16条地址线（A0A15）的8位微机系统构成一个4K8的内存系统，采用全译码法，请画出CP
19、U与存储器6116、2716的连线图，并给出6116、2716的地址范围。全译码法：将CPU的高位（A11A15）的5条地址线全部用上，经过3-8译码器译码后,做为片选信号。（74LS138译码器的连线方式不同，会得到不同的地址范围）。地址分配情况地址分配情况:A15A14A13A12A11A10 A0 6 1 1 6地 址地 址范围范围000000 0 1 10000H07FFH2 7 1 6地 址地 址范围范围000010 0 1 10800H0FFFH 片片 选选片片 内内 选选 择择 6116与2716的地址是连续的。存储单元无重叠地址（地址是唯一确定的）但电路比较复杂。4.4 存储器
20、与存储器与CPU连接实例连接实例【例 4.6】采用2114（1K4）芯片，设计一容量为4K8存储器系统。要求2114芯片的首地址为00000H，CPU采用8088的最小工作模式 构成4K8的存储器系统，需要几片2114芯片？画出连线电路图（采用全译码方法，译码器任选），并给出每组2114（1K8）所构成的地址范围。A19A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A0 第一组第一组2114地址范地址范围围0000000000001100000H003FFH第二组第二组2114地址范地址范围围0000000001001100400H007FFH第三组第三组211
21、4地址范地址范围围0000000010001100800H00BFFH第四组第四组2114地址范地址范围围0000000011001100C00H00FFFH 片选片选片片内内选择选择 本章小结本章小结 存储器是计算机系统中不可缺少的重要组存储器是计算机系统中不可缺少的重要组成部分。现代计算机通常把不同类型不同成部分。现代计算机通常把不同类型不同容量的存储器按照一定的体系结构组织起容量的存储器按照一定的体系结构组织起来，形成统一的存储体系。来，形成统一的存储体系。本书重点介绍了半导体存储器本书重点介绍了半导体存储器RAM和和ROM的基本原理和特点。并通过数据总线、控的基本原理和特点。并通过数据总线、控制总线和地址总线的连接实现了半导体存制总线和地址总线的连接实现了半导体存储器与储器与CPU的连接。的连接。
