微机原理05-存储器

1、第第5章章第第5 5章：半导体存储器及其接口章：半导体存储器及其接口教学重点n存储芯片与总线的连接存储芯片与总线的连接第第5 5章章： 半导体存储器概述半导体存储器概述除采用磁、光原除采用磁、光原理的辅存外，其理的辅存外，其它存储器主要都它存储器主要都是采用半导体存是采用半导体存储器储器本章介绍采用半本章介绍采用半导体存储器及其导体存储器及其组成主存的方法组成主存的方法CPUCACHE主存（内存）主存（内存）辅存（外存）辅存（外存）第第5 5章：章：5.1 半导体存储器半导体存储器存储器的分类方法和评价指标存储器的分类方法和评价指标半导体存储器的分类半导体存储器的分类按制造工艺按制造工艺双极型

2、：双极型：速度快速度快、集成度低、功耗大、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、型：速度慢、集成度高、功耗低功耗低按使用属性按使用属性随机存取存储器随机存取存储器RAM：可读可写可读可写、断电丢失、断电丢失只读存储器只读存储器ROM：正常只读、：正常只读、断电不丢失断电不丢失详细分类，请看图示第第5 5章：章：半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体半导体存储器存储器只读存储器只读存储器 （ROM）随机存取存储器随机存取存储器（RAM）静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM（DRAM） 非易失非易失RAM（NVRAM）伪静态伪静态RAM （PSRAM）双口双口RAM铁电存储器（铁电存

3、储器（FeRAM）掩膜式掩膜式ROM一次性可编程一次性可编程ROM（PROM） 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程电擦除可编程ROM（EEPROM）闪速存储器（闪速存储器（Flash Memory）详细展开，注意对比第第5 5章：章：随机读写存储器随机读写存储器RAM组成单元组成单元速度速度集成度集成度应用应用SRAM触发器触发器快快低低小容量系统小容量系统DRAM极间电容极间电容慢慢高高大容量系统大容量系统NVRAM带微型电池带微型电池慢慢低低小容量非易失小容量非易失第第5 5章：章：只读存储器只读存储器ROM掩膜掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改信息制作在

4、芯片中，不可更改PROM：允许一次编程，此后不可更改允许一次编程，此后不可更改EPROM：用紫外光擦除，擦除后可编程；用紫外光擦除，擦除后可编程；并允许用户多次擦除和编程并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：）：采用加电方法在采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写线进行擦除和编程，也可多次擦写Flash Memory（闪存）：能够快速擦写的（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（，但只能按块（Block）擦除）擦除第第5 5章：章：5.1.2 半导体存储器芯片的结构半导体存储器芯片的结构地地址址寄寄存存地地址址译译码码存储体存储体控制电路控制电路AB数数据据寄寄

5、存存读读写写电电路路DBOE WE CS 存储体存储体存储器芯片的主要部分，用来存储信息存储器芯片的主要部分，用来存储信息 地址译码电路地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元定的存储单元 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑选中存储芯片，控制读写操作选中存储芯片，控制读写操作第第5 5章：章：存储体存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，可存每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储储1位（位片结构）或多位（字片结构）二位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储

6、容量芯片的存储容量存储单元数存储单元数存储单元的位数存储单元的位数2MN M：芯片的：芯片的地址线根数地址线根数 N：芯片的：芯片的数据线根数数据线根数 译译码码器器A5A4A3A2A1A06301存储单元存储单元64个单元个单元行行译译码码A2A1A0710列译码列译码A3A4A501764个单元个单元单译码双译码第第5 5章：章：地址译码电路地址译码电路单译码结构单译码结构双译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构主要采用的译码结构第第5 5章：章：片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑片选端片选端CS*或或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作有效时，可

7、以对该芯片进行读写操作输出输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线该控制端对应系统的读控制线写写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线该控制端对应系统的写控制线第第5 5章：章：5.2.1 静态静态RAMSRAM的基本存储单元是触发器电路的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储二进制数一位每个基本存储单元存储二进制数一位许多个基本存储单元形成行列存储矩阵许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用一般采用“字结构字结构”存储矩阵：存储矩阵：每个存储单元存放多

8、位（每个存储单元存放多位（4、8、16等）等）每个存储单元具有一个地址每个存储单元具有一个地址SRAM 2114SRAM 6264第第5 5章：章：SRAM芯片芯片2114存储容量为存储容量为1024418个个引脚：引脚：10根地址线根地址线A9A04根数据线根数据线I/O4I/O1片选片选CS*读写读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND第第5 5章：章：SRAM芯片芯片6264存储容量为存储容量为8K828个个引脚：引脚：13根地址线根地址线A12A08根数据线根数据线D

9、7D0片选片选CS1*、CS2读写读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615第第5 5章：章：5.3.1 EPROM顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息线透过擦除原有信息一般使用专门的编程器（烧写器）编程一般使用专门的编程器（烧写器）编程编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条出厂未编程前，每个基本存储单元都是信出厂未编程前，每个

10、基本存储单元都是信息息 “1”编程就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息0EPROM 2716EPROM 2764第第5 5章：章：EPROM芯片芯片2716存储容量为存储容量为2K824个个引脚：引脚：11根地址线根地址线A10A08根数据线根数据线DO7DO0片选片选/编程编程CE*/PGM读写读写OE*编程电压编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss第第5 5章：章：EPROM芯片芯片2764存储

11、容量为存储容量为8K828个个引脚：引脚：13根地址线根地址线A12A08根数据线根数据线D7D0片选片选CE*编程编程PGM*读写读写OE*编程电压编程电压VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615第第5 5章：章：5.4 半导体存储器与半导体存储器与CPU的连接的连接这是本章的重点内容这是本章的重点内容SRAM、EPROM与与CPU的连接的连接译码方法同样适合译码方法同样适合I/O端口端口第第5 5章：

12、章：5.4.1 存储芯片的地址译码存储芯片的地址译码1. 存储芯片的存储芯片的数据线数据线2. 存储芯片的存储芯片的地址线地址线3. 存储芯片的存储芯片的片选端片选端4. 存储芯片的存储芯片的读写控制线读写控制线第第5 5章：章：1. 存储芯片数据线的处理存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好若芯片的数据线正好8根：根：一次可从芯片中访问到一次可从芯片中访问到8位数据位数据全部数据线与系统的全部数据线与系统的8位数据总线相连位数据总线相连若芯片的数据线不足若芯片的数据线不足8根：根：一次不能从一个芯片中访问到一次不能从一个芯片中访问到8位数据位数据利用多个芯片扩充数据位利用多个芯片扩充数据位这

13、个扩充方式简称这个扩充方式简称“位扩充位扩充”2114（1）A9A0I/O4I/O1片选片选D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECE多个位扩充的存储芯片的数据线多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体这些芯片应被看作是一个整体常被称为常被称为“芯片组芯片组”第第5 5章：章：位扩充位扩充第第5 5章：章：2. 存储芯片地址线的连接存储芯片地址线的连接芯片的地址线通常应全部与系统的低位芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在

14、存储芯寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为片内完成的，我们称为“片内译码片内译码”第第5 5章：章：片内译码片内译码A9A0存储芯片存储芯片000H001H002H3FDH3FEH3FFH全全0全全1000000000000000000010000000010111111110111111111101111111111范围（范围（16进制进制)A9 A0第第5 5章：章：3. 存储芯片片选端的处理存储芯片片选端的处理存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量，存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量，也就是扩充了主存储器也就是扩充了主存储器地址地址范围范围这种扩充简称为这种扩充简称为“

15、地址扩充地址扩充”或或“字扩充字扩充”进行进行“地址扩充地址扩充”，需要利用存储芯片的，需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行片选端对多个存储芯片（组）进行寻址寻址这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的选端与系统的高位地址线高位地址线相关联来实现相关联来实现第第5 5章：章：地址扩充（字扩充）地址扩充（字扩充）片选端片选端D7D0A19A10A9A0A9A0D7D0CE1K8（1）A9A0D7D0CE译码器000000000100000000001K8（2）A19 A18 A17 A16 A15 A14A0 全全0全全1D7D027256

16、EPROMA14A0CE第第5 5章：章：片选端常有效片选端常有效n令芯片（组）的片选端常有效令芯片（组）的片选端常有效n不与系统的高位地址线发生联系不与系统的高位地址线发生联系n芯片（组）总处在被选中的状态芯片（组）总处在被选中的状态n虽简单易行、但无法再进行地址虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现扩充，会出现“地址重复地址重复” 表示任意（表示任意（0或或1均可）均可）第第5 5章：章：地址重复地址重复地址重复：一个存储单元具有多个存储地址地址重复：一个存储单元具有多个存储地址原因：有些高位地址线没有用、可任意原因：有些高位地址线没有用、可任意使用地址：出现地址重复时，常选取其中既使用

17、地址：出现地址重复时，常选取其中既好用、又不冲突的一个好用、又不冲突的一个“可用地址可用地址”例如：例如：00000H 07FFFH选取一个可用地址的原则：高位地址全为选取一个可用地址的原则：高位地址全为0高位地址译码才更好第第5 5章：章：译码和译码器译码和译码器译码：将某个特定的译码：将某个特定的“编码输入编码输入”翻译为翻译为唯一唯一“有效输出有效输出”的过程的过程译码电路可以使用译码电路可以使用门电路组合逻辑门电路组合逻辑译码电路更多的是采用集成译码电路更多的是采用集成译码器译码器常用的常用的2:4译码器：译码器： 74LS139常用的常用的3:8译码器：译码器： 74LS138常用的

18、常用的4:16译码器：译码器：74LS154第第5 5章：章：全译码全译码全译码：全译码：所有的系统地址线均参与对存储所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址，包括单元的译码寻址，包括片内译码：片内译码：低位地址线对芯片内各存储单元的低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址译码寻址片选译码：片选译码：高位地址线对存储芯片的译码寻址高位地址线对存储芯片的译码寻址采用全译码，采用全译码，每个存储单元的地址都是唯每个存储单元的地址都是唯一的，一的，不存在地址重复不存在地址重复译码电路可能比较复杂、连线也较多译码电路可能比较复杂、连线也较多第第5 5章：章：部分译码部分译码部分译码：部分译码：只有部分

19、高位地址线参与对存只有部分高位地址线参与对存储芯片的译码储芯片的译码每个存储单元将对应多个地址每个存储单元将对应多个地址（地址重（地址重复），需要选取一个可用地址复），需要选取一个可用地址可简化译码电路的设计可简化译码电路的设计但系统的部分地址空间将被浪费但系统的部分地址空间将被浪费第第5 5章：章：线选译码线选译码线选译码：线选译码：只用少数几根高位地址线进行芯只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）虽构成简单，但地址空间严重浪费虽构成简单，但地址空间严重浪费必然会出现地址重复（一个存储单元对应多必然会出现地址重复（一个存储单元

20、对应多个存储地址）个存储地址）一个存储地址会对应多个存储单元一个存储地址会对应多个存储单元多个存储单元共用的存储地址不应使用多个存储单元共用的存储地址不应使用第第5 5章：章：片选端译码小结片选端译码小结在系统中，主要与地址发生联系：包括在系统中，主要与地址发生联系：包括地址空间的选择地址空间的选择（例如接系统的（例如接系统的IO/M*信号）和信号）和高位地址的译码选择高位地址的译码选择（与（与系统的高位地址线相关联）系统的高位地址线相关联） 几种片选端处理方式的比较：几种片选端处理方式的比较：全译码：特点：全译码：特点：地址唯一，地址空间连续，译码电路复杂地址唯一，地址空间连续，译码电路复杂

21、部分译码：特点：部分译码：特点：地址重复，地址空间连续，译码电路简地址重复，地址空间连续，译码电路简单单线选译码：特点：线选译码：特点：地址重复，存储芯片三片及以上时地址地址重复，存储芯片三片及以上时地址不连续不连续片选端常有效：特点：片选端常有效：特点：地址重复，地址空间连续，不需译地址重复，地址空间连续，不需译码电路，不可进行地址扩充码电路，不可进行地址扩充第第5 5章：章：4. 存储芯片的读写控制存储芯片的读写控制芯片芯片OE*与系统的读命令线相连与系统的读命令线相连当芯片被选中、且读命令有效时，当芯片被选中、且读命令有效时，存储芯片将开放并驱动数据到总线存储芯片将开放并驱动数据到总线芯

22、片芯片WE*与系统的写命令线相连与系统的写命令线相连当芯片被选中、且写命令有效时，当芯片被选中、且写命令有效时，允许总线数据写入存储芯片允许总线数据写入存储芯片第第5 5章：章：5 存储芯片与存储芯片与CPU的配合的配合存储芯片与存储芯片与CPU总线的连接，还有两总线的连接，还有两个很重要的问题：个很重要的问题：CPU的总线负载能力的总线负载能力CPU能否带动总线上包括存储器在内的能否带动总线上包括存储器在内的连接器件？连接器件？存储芯片与存储芯片与CPU总线时序的配合总线时序的配合CPU能否与存储器的存取速度相配合？能否与存储器的存取速度相配合？第第5 5章：章： 5 存储芯片与存储芯片与C

23、PU的配合的配合分析存储器的存取速度是否满足分析存储器的存取速度是否满足CPU总线时序的要求总线时序的要求如果不能满足：如果不能满足：考虑更换存储芯片考虑更换存储芯片总线周期中插入等待状态总线周期中插入等待状态TW综合示例综合示例时序配合是连接中的难点第第5 5章：章：教学要求教学要求1. 了解各类半导体存储器的应用特点了解各类半导体存储器的应用特点2. 熟悉半导体存储器芯片的结构熟悉半导体存储器芯片的结构3. 熟悉熟悉SRAM和和EPROM的引脚功能的引脚功能4. 掌握存储芯片与掌握存储芯片与CPU连接的方法，特别是连接的方法，特别是片选端的处理片选端的处理习题习题5 5.1 5.3 5.1

24、0 5.13 结束结束32K8的的SRAM芯片芯片622561 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151616171718181919202021212222232324242525262627272828A14A14A12A12A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0D0D0D1D1D2D2GNDGNDD3D3D4D4D5D5D6D6D7D7CSCSA10A10OEOEA11A11A9A9A8A8A13A13WEWEVccVcc6225662256引脚图引脚图A14A14A13A13A12A12A11A11A

25、10A10A9A9A8A8A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0OEOECSCSWEWED7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D06225662256逻辑图逻辑图SRAM 2114的功能的功能工作方式工作方式CS*WE*I/O4 I/O1未选中未选中读操作读操作写操作写操作10010高阻高阻输出输出输入输入SRAM 6264的功能的功能工作方式工作方式CS1*CS2WE*OE*D7 D0未选中未选中未选中未选中写操作写操作读操作读操作1000110110高阻高阻高阻高阻输入输入输出输出EPROM 2716的功能的功能工作方式工作方式CE*/PGM

26、OE*VCCVPPDO7 DO0待用待用15V5V高阻高阻读出读出005V5V输出输出读出禁止读出禁止015V5V高阻高阻编程写入编程写入正脉冲正脉冲15V25V输入输入编程校验编程校验005V25V输出输出编程禁止编程禁止015V25V高阻高阻EPROM 2764的功能的功能工作方式工作方式CE*OE*PGM*A9VPPDO7 DO0读出读出0015V输出输出读出禁止读出禁止0115V高阻高阻待用待用15V高阻高阻Intel标识标识0012V15V输出编码输出编码标准编程标准编程01负脉冲负脉冲25V输入输入Intel编程编程01负脉冲负脉冲25V输入输入编程校验编程校验00125V输出输出

27、编程禁止编程禁止125V高阻高阻门电路译码门电路译码A1A0F0 F1 F2 F3A19A18A17A16A15（b）（a）A0Y0Y1Y译码器译码器74LS1381 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151616A AB BC CE1E1E2E2E3E3Y7Y7GNDGNDY6Y6Y5Y5Y4Y4Y3Y3Y2Y2Y1Y1Y0Y0VccVcc74LS13874LS138引脚图引脚图Y0Y0Y1Y1Y2Y2Y3Y3Y4Y4Y5Y5Y6Y6Y7Y7E3E3E2E2E1E1C CB BA A74LS13874LS138原理图原理图74LS1

28、38的功能表的功能表片选输入片选输入编码输入编码输入输出输出E3 E2* E1*C B AY7* Y0*1 0 00 0 011111110（仅（仅Y0*有效）有效）0 0 111111101（仅（仅Y1*有效）有效）0 1 011111011（仅（仅Y2*有效）有效）0 1 111110111（仅（仅Y3*有效）有效）1 0 011101111（仅（仅Y4*有效）有效）1 0 111011111（仅（仅Y5*有效）有效）1 1 010111111（仅（仅Y6*有效）有效）1 1 101111111（仅（仅Y7*有效）有效）非上述情况非上述情况11111111（全无效）（全无效）全译码示例全译

29、码示例A15 A14A13A16CBAE3138 2764A19A18A17A12A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全全0全全10 0 0 1 1 1 00 0 0 1 1 1 0地址范围地址范围A12 A0A19A18A17A16A15A14 A13部分译码示例部分译码示例138A17 A16A11A0A14 A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19 A15A14 A12A11 A0一个可用地址一个可用地址123410101010000001010011全全0 全全1全全0 全全1全

30、全0 全全1全全0 全全120000H 20FFFH21000H 21FFFH22000H 22FFFH23000H 23FFFH线选译码示例线选译码示例A14A12A0A13(1)2764(2)2764 CECEA19 A15A14 A13A12 A0一个可用地址一个可用地址121 00 1全全0 全全1全全0 全全104000H 05FFFH02000H 03FFFH切记： A14 A1300的情况不能出现00000H01FFFH的地址不可使用5.1.3 存储器的技术指标和分类存储器的技术指标和分类存储器的技术指标存储器的技术指标主要技术指标：速度、容量、存储成本。主要技术指标：速度、容量

31、、存储成本。（1）速度针对不同的存储器件和部件，）速度针对不同的存储器件和部件，该指标有不同的表示方法。例如：半导体该指标有不同的表示方法。例如：半导体存储芯片用存取周期和读出时间来评价，存储芯片用存取周期和读出时间来评价，内存条和内存总线用工作频率和带宽来评内存条和内存总线用工作频率和带宽来评价，硬盘存储器用主轴转速、平均寻道时价，硬盘存储器用主轴转速、平均寻道时间和数据传输率来评价。带宽指单位时间间和数据传输率来评价。带宽指单位时间里数据的传送数量，单位是位里数据的传送数量，单位是位/秒（秒（b/s）或）或字节字节/秒（秒（B/s）。）。5.1.1 存储器的技术指标存储器的技术指标（2）容

32、量用）容量用B、KB、MB、GB、TB等等表示，其中表示，其中B（Byte）表示字节。）表示字节。（3）存储成本一般用每兆字节的价格来）存储成本一般用每兆字节的价格来表示。表示。5.1. 存储器的分类存储器的分类存储器的种类很多，根据工作原理和应用属性可区分为不存储器的种类很多，根据工作原理和应用属性可区分为不同类型，有以下同类型，有以下6种分类方法。种分类方法。1. 按读写方式分类：按读写方式分类：（1）随机存取存储器（）随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）可以从任意位置进行读写，其读写时间与所处位置无关，可以从任意位置进行读写，其读写时间与所处位置无关，如半导体存储器。如半导体存储器。（2）顺序存取存储器（）顺序存取存储器（Serial Access Memory, SAM）只）只能顺序进行读写的存储器。其读写时间与所处位置密切相能顺序进行读写的存储器。其读写时间与所处位置密切相关，如磁带存储器。关，如磁带存储器。（3）直接存取存储器（）直接存取存储器（Direct Access Memory, DAM）主）主要指磁盘、光盘存储器。他们的寻道操作是随机的，但寻要指磁盘、光盘存储器。他们的寻道操作是随机的，但寻道后要顺序读写。以存储块（扇区，一般为道后要顺序读