存储器基本原理和扩展

1、存储器基本原理和扩展第第5章章存储器原理与扩展4/22/20222教学内容教学内容 本章在简要介绍半导体存储器的分类和基本存储元电路的基础上，重本章在简要介绍半导体存储器的分类和基本存储元电路的基础上，重点介绍了常用的几种典型点介绍了常用的几种典型，并简要介绍了目前常用的几种存储器器件。具体内容如下：并简要介绍了目前常用的几种存储器器件。具体内容如下：1、半导体存储器的分类、半导体存储器的分类5、存储器器件简介、存储器器件简介4/22/20223 1、了解各种半导体存储器的特点及应用场合。、了解各种半导体存储器的特点及应用场合。2、了解随机读写存储器和只读存储器的结构原理、了解随机读写存储器和

2、只读存储器的结构原理 及工作特点。及工作特点。3、掌握存储器芯片的位扩展和字扩展方法。特别、掌握存储器芯片的位扩展和字扩展方法。特别 应注意掌握存储器芯片与地址总线的连接问题。应注意掌握存储器芯片与地址总线的连接问题。4/22/20224第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/20225第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存

3、储器与CPU连接 （掌握）4/22/202265.1 概述 （了解）存储器是计算机系统的主要组成部件，是存储器是计算机系统的主要组成部件，是计算机记忆设备，用来存放程序和数据信息。计算机记忆设备，用来存放程序和数据信息。存储器主要采用磁性材料、半导体器件和光学存储器主要采用磁性材料、半导体器件和光学存储材料等介质来实现。根据存储器的存储材料、存储材料等介质来实现。根据存储器的存储材料、性能和用途不同，存储器可有多种不同的分类方法。性能和用途不同，存储器可有多种不同的分类方法。4/22/20227（1 1）根据存储介质可分为：）根据存储介质可分为： 半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。半导体

4、存储器：用半导体器件组成的存储器。 磁介质存储器：用磁性材料做成的存储器。磁介质存储器：用磁性材料做成的存储器。 光介质存储器：用光存储材料做成的存储器。光介质存储器：用光存储材料做成的存储器。（2 2）根据存储器的读写功能可分为：）根据存储器的读写功能可分为： 只读存储器（只读存储器（ROM）：存放的内容已固定，）：存放的内容已固定，只能读出不能写入的半导体存储器。只能读出不能写入的半导体存储器。 随机读写存储器（随机读写存储器（RAM）：既可读出又可写）：既可读出又可写入的半导体存储器。入的半导体存储器。4/22/20228（3）根据处理器所访问的方式可分为：）根据处理器所访问的方式可分为

5、： 内存储器：存放内存储器：存放CPU要执行的程序和数据，要执行的程序和数据，CPU 可对其直接访问。可对其直接访问。 高速缓冲存储器：提高高速缓冲存储器：提高CPU访问内存的速度，访问内存的速度， CPU可对其直接访问。可对其直接访问。 外存储器：保存计算机系统的信息和数据，外存储器：保存计算机系统的信息和数据，CPU 不能直接访问。不能直接访问。图图5.1 计算机系统的三级存储结构图计算机系统的三级存储结构图4/22/202295.1.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 半导体存储器主要采用半导体存储器主要采用MOS型工艺制造，型工艺制造，MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜

6、等特点，型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适合用作计算机内存等。半导体存储器根据保存信息适合用作计算机内存等。半导体存储器根据保存信息的原理不同可分为：的原理不同可分为：u随机读写存储器随机读写存储器 RAMRAMu只读存储器只读存储器 ROMROMu闪速存储器闪速存储器 Flash MemoryFlash Memory4/22/202210图图5.2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类4/22/2022115.1.2 半导体存储器的名词含义半导体存储器的名词含义半导体存储器中最小的存储单位是存储元，它可存储半导体存储器中最小的存储单位是存储元，它可存储一个二进制信息代码。由若干

7、个存储元组成一个二进制信息代码。由若干个存储元组成一个存储单元，存储单元，由多存储单元组成一个存储器。存储单元是存储器的最小由多存储单元组成一个存储器。存储单元是存储器的最小访问单位，即对存储器的读写访问都是对其中的一个存储访问单位，即对存储器的读写访问都是对其中的一个存储单元进行。单元进行。存储器中的一个存储单元上含有的存储元个数称为存储器存储器中的一个存储单元上含有的存储元个数称为存储器字长，计算机中常将字长，计算机中常将8 8个存储元组成一个存储单元，称为个存储元组成一个存储单元，称为1 1个个字节。一个存储器包含许多个存储单元，每个存储单元都有字节。一个存储器包含许多个存储单元，每个存

8、储单元都有一个编号，即存储单元的地址。有关存储器的名词含义如图一个编号，即存储单元的地址。有关存储器的名词含义如图5.35.3所示。所示。4/22/202212图图5.3 5.3 存储器的名词含义示意图存储器的名词含义示意图4/22/2022135.1.3 半导体存储器的主要性能指标 l 存储容量存储容量 存储器所能记忆二进制信息位的数量。存储器所能记忆二进制信息位的数量。l 存取速度（周期）存取速度（周期） 存取周期是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，用存取周期是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，用 来衡量存来衡量存储器的存取速度。储器的存取速度。l 存储器功耗存

9、储器功耗 存储器功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率。存储器功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率。l 可靠性和工作寿命可靠性和工作寿命 可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。存储器的可靠性用可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。存储器的可靠性用平均无故障间隔时间平均无故障间隔时间MTBF来衡量。来衡量。l 集成度集成度 指在一块芯片上能够集成的晶体管数目。指在一块芯片上能够集成的晶体管数目。l 性能性能/价格比价格比4/22/202214第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5

10、.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/2022155.2 随机读写存储器（了解） 随着大规模集成电路技术的发展，半导体存储器随着大规模集成电路技术的发展，半导体存储器集成度不断提高，存取速度加快，成本下降，体积缩集成度不断提高，存取速度加快，成本下降，体积缩小，容量增大。目前，计算机中的主存都是采用半导小，容量增大。目前，计算机中的主存都是采用半导体存储器体存储器RAM。根据存储信息的原理不同，半导体存。根据存储信息的原理不同，半导体存储器储器RAM可分为：可分为： u 静态存储器静态存储器 SRAM u 动态存储器动态存储器 DRAM 4/22/202216

11、5.2.1 静态存储器静态存储器 1. SRAM基本存储元基本存储元 存储元是组成存储器的基础和核心，它用来存储一存储元是组成存储器的基础和核心，它用来存储一位二进制信息位二进制信息“0”或或“1”。图。图5.4所示是用六个所示是用六个MOS管管构成的构成的SRAM存储元的电路结构示意图。该存储元是由存储元的电路结构示意图。该存储元是由两个两个MOS反相器交叉耦合而成的触发器，一个存储元存反相器交叉耦合而成的触发器，一个存储元存储一位二进制代码。这种电路结构状态稳定，并且储一位二进制代码。这种电路结构状态稳定，并且A，B两点的电位总是互为相反的，因此它能表示一位二进制两点的电位总是互为相反的，

12、因此它能表示一位二进制的的“0”或或“1”。下面我们详细分析说明该存储元的工作。下面我们详细分析说明该存储元的工作原理和读写操作过程。原理和读写操作过程。4/22/202217图图5.4 六个六个MOS管的基本存储元电路结构示意图管的基本存储元电路结构示意图4/22/202218（1）图中虚线内表示静态）图中虚线内表示静态SRAM的一个存储元电路由的一个存储元电路由6个个MOS管构成。管构成。T1和和T2为工为工作管，作管，T3和和T4为负载管，为负载管，T5和和T6为开关管。为开关管。（2）X地址译码线和地址译码线和Y地址译码线两个信号线同时有效时，该存储元被选中进行读地址译码线两个信号线同

13、时有效时，该存储元被选中进行读/写。写。T7和和T8为开为开关管，控制数据位的导通（读关管，控制数据位的导通（读/写）。写）。（3）在上电瞬间，）在上电瞬间，T3和和T4管导通，使得管导通，使得A和和B两点电压上升。由于两点电压上升。由于A和和B两点电压上两点电压上升快慢不同，当升快慢不同，当A点电压上升较快时，点电压上升较快时，T2管较早导通，使得管较早导通，使得B点处于低电平，导致点处于低电平，导致T1管截止，管截止，A点处于高电平，使得点处于高电平，使得T2管更加导通，从而形成一个管更加导通，从而形成一个A点高电平、点高电平、B点低电点低电平的稳定工作状态；反之依然。平的稳定工作状态；反

14、之依然。（4）这种电路有两个稳定状态，并且，）这种电路有两个稳定状态，并且，A和和B两点电平总是互为相反的。所以，可用两点电平总是互为相反的。所以，可用A点电平点电平的高或低来表示的高或低来表示“1”或或“0”信息，即存放一个稳定的二进制信息值。信息，即存放一个稳定的二进制信息值。（5）当进行读）当进行读/写操作时，写操作时，X地址译码线和地址译码线和Y地址译码线两个信号线同时有效，导致地址译码线两个信号线同时有效，导致T5、T6、T7、T8开关管全部导通，开关管全部导通，A和和B两点通过分别连接的位线两点通过分别连接的位线D和和/D，从而使两，从而使两点的存放信息被分别读出到点的存放信息被分

15、别读出到I/O和和/I/O线上（或反过来写入），实现该存储元的信息线上（或反过来写入），实现该存储元的信息值读值读/写操作。读出信息后，原存放信息不会被改变。写操作。读出信息后，原存放信息不会被改变。（6）静态）静态RAM的基本存储元电路中的基本存储元电路中MOS管数目比较多，故集成度较低。此外，管数目比较多，故集成度较低。此外，T1和和T2管始终有一个处于导通状态，使得静态管始终有一个处于导通状态，使得静态RAM的功耗比较大。但是静态的功耗比较大。但是静态RAM存放的信息稳存放的信息稳定，不需要刷新电路，所以存储器外围电路比较简单。定，不需要刷新电路，所以存储器外围电路比较简单。4/22/2

16、022192. SRAM的组成结构的组成结构静态静态RAM的结构：地址译码器、存储矩阵、双向数据缓的结构：地址译码器、存储矩阵、双向数据缓冲器、存储器读冲器、存储器读/写控制逻辑等组成。写控制逻辑等组成。4/22/202220u 存储矩阵存储矩阵 存储信息的载体，由基本存储元构成。存储信息的载体，由基本存储元构成。u 存储器读存储器读/写控制逻辑写控制逻辑 对对CPU发来的存储器访问控制信号译码，控制存储发来的存储器访问控制信号译码，控制存储器进行相应的操作。器进行相应的操作。u 双向数据缓冲器双向数据缓冲器 存储器数据的输入和输出通道。存储器数据的输入和输出通道。u 地址译码器地址译码器 用

17、于选择存储矩阵中的存储单元。用于选择存储矩阵中的存储单元。4/22/202221图图5.6 单译码的电路连接示意图单译码的电路连接示意图 图图5.7 双译码的电路连接结构示意图双译码的电路连接结构示意图单译码方式：单译码方式：适合于存储单元数目较少的存储矩阵使用；适合于存储单元数目较少的存储矩阵使用； 双译码方式：双译码方式：X和和Y两个译码器，即将输入地址线分成两个译码器，即将输入地址线分成X地址和地址和Y地址两部分地址两部分分别进行译码。节省译码器的输出线，适合于存储单元数目很多的存储矩阵使用。分别进行译码。节省译码器的输出线，适合于存储单元数目很多的存储矩阵使用。4/22/2022221

18、28选1译码器4/22/202223读时序读时序写时序写时序datadata3. 静态静态RAM的读写时序的读写时序4/22/2022243. 静态静态RAM的读写时序的读写时序静态静态RAM通常可与通常可与CPU直接连接，作为内存使用。直接连接，作为内存使用。 图5.8 SRAM的读操作时序图 图5.9 SRAM的写操作时序图4/22/2022254. 静态静态RAM芯片介绍芯片介绍 常用的常用的6264芯片是高速芯片是高速SRAM芯片，它采用双列芯片，它采用双列直插式（直插式（DIP）封装，共有）封装，共有28个引脚，各引脚功能说个引脚，各引脚功能说明如下：明如下： A12A0：13根地址

19、线；根地址线； D7 D0 ：8根数据线；根数据线； CS1，/CS2：2根片选线；根片选线； /WE：1根读写线；根读写线； /OE：1根输出使能线；根输出使能线； Vcc和和Gnd ：电源和地线；：电源和地线； 4/22/202226表表5.1 6264芯片的工作方式选择。芯片的工作方式选择。工作方式工作方式CS2/CS1/OE/WED7 D0读读1001输出输出写写10 x0输入输入未选通未选通x1xx高阻高阻未选通未选通0 xxx高阻高阻注：“x”表示可以是“0”或“1”图5.11 6264芯片的逻辑电路示意图4/22/2022275.2.2 动态存储器动态存储器1. 四管动态存储元四

20、管动态存储元上面介绍了静态上面介绍了静态RAM的一个基本存储元是由的一个基本存储元是由6个个MOS管构成的。管构成的。 在计算机系统中，一般都希望存储器容量越大越好。在计算机系统中，一般都希望存储器容量越大越好。因此，在相同的面积上放置更多的存储元，能够提高存储因此，在相同的面积上放置更多的存储元，能够提高存储器的集成度。下面介绍四个器的集成度。下面介绍四个MOS管和单个管和单个MOS管构成的管构成的DRAM基本存储元电路。基本存储元电路。 四管四管DRAM基本存储元是在六管基本存储元是在六管SRAM基本存储元基本存储元电路基础上，经过电路优化而成的。电路基础上，经过电路优化而成的。 下面主要

21、分析说明该存储元的工作原理、读写操作下面主要分析说明该存储元的工作原理、读写操作和定时刷新操作过程。和定时刷新操作过程。 不讲解！不讲解！4/22/202228图图5.12 四管动态四管动态RAM基本存储元基本存储元不讲解！不讲解！4/22/202229 DRAM的刷新是在位线上增加一个预充的刷新是在位线上增加一个预充MOS管来自管来自动刷新所存储的信息值。刷新过程如下：动刷新所存储的信息值。刷新过程如下：(1)、预充、预充MOS管导通，电源管导通，电源ED给数据线上的电容给数据线上的电容CD进行充电后，预充管截止。进行充电后，预充管截止。(2)、行选择线有效，让、行选择线有效，让T5和和T6

22、两个开关管导通，然后，两个开关管导通，然后，数据线上的电容数据线上的电容CD给栅极电容给栅极电容C1或或C2补充电荷。补充电荷。(3)、行选择线无效，刷新结束。、行选择线无效，刷新结束。 通过上述刷新步骤可以看出，每次只是行选择线有效，通过上述刷新步骤可以看出，每次只是行选择线有效，而列选择线无效。所以，存储器刷新采用读操作方式进行，而列选择线无效。所以，存储器刷新采用读操作方式进行，每次可刷新所选择行上的所有存储元的内容。每次可刷新所选择行上的所有存储元的内容。不讲解！不讲解！4/22/2022302. 单管动态存储元单管动态存储元图5.13 单管动态RAM基本存储元 为了更进一步缩小存储器

23、的体积，提高单片存储器的集为了更进一步缩小存储器的体积，提高单片存储器的集成度，成度，DRAM一般采用单管动态基本存储元电路来实现。一般采用单管动态基本存储元电路来实现。单管动态单管动态RAM基本存储元电路由一个电容和一个基本存储元电路由一个电容和一个MOS管构管构成。成。不讲解！不讲解！4/22/202231 名 称 优 点 缺 点四管存储元电路外围电路比较简单，刷新时不需要另加外部逻辑管子多，占用的芯片面积大单管存储元电路元件数量少，集成度高需要有高鉴别能力的读出放大器配合工作，外围电路比较复杂单管存储元电路和四管存储元电路对比单管存储元电路和四管存储元电路对比不讲解！不讲解！4/22/2

24、022323. 动态动态RAM芯片介绍芯片介绍 2164是动态存储器是动态存储器DRAM芯片，它采用双列直插式芯片，它采用双列直插式封装，共有封装，共有16个引脚，工作电源个引脚，工作电源+5V，各引脚功能说明，各引脚功能说明如下：如下：A7A0：8根地址线；根地址线；Din，Dout：输入和输出数据线；：输入和输出数据线；/RAS：1根行地址选择线；根行地址选择线；/CAS：1根列地址选择线；根列地址选择线；/WE：1根写信号线；根写信号线；VDD，Vss：电源和地线；：电源和地线；NC：无用线。：无用线。图5.14 2164芯片的引脚分配图不讲解！不讲解！4/22/2022334. DRA

25、M与与CPU的连接的连接 DRAM DRAM集成度很高，但需硬件刷新电路支持工作。图集成度很高，但需硬件刷新电路支持工作。图5.165.16为为DRAMDRAM与与CPUCPU的连接逻辑框图。图中的虚线框内称之为的连接逻辑框图。图中的虚线框内称之为DRAMDRAM控制器。它是控制器。它是CPUCPU与与DRAMDRAM中间的接口电路，即将中间的接口电路，即将CPUCPU的信号变换成适合的信号变换成适合DRAMDRAM的连接信号。的连接信号。CPUCPU借助这个借助这个DRAMDRAM控制器，可把控制器，可把DRAMDRAM看做像看做像SRAMSRAM一样去使用。一样去使用。图5.16 DRAM

26、与CPU的连接逻辑框图4/22/2022345. 动态动态RAM的读写时序的读写时序图5.17 DRAM的读操作时序图 图5.17 DRAM的读操作时序图4/22/202235第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/2022365.3 只读存储器（了解）ROM的分类的分类只读存储器简称只读存储器简称ROM，它只能读出，不能，它只能读出，不能写入。它的最大优点是具有不易失性。写入。它的最大优点是具有不易失性。根据编程方式不同，根据编程方式不同，

27、ROM通常分为三类：通常分为三类： 掩模式掩模式ROM： 又称又称 mask ROM 一次编程一次编程ROM： 又称又称 PROM 多次编程多次编程ROM： 又称又称 EPROM,EEPROM4/22/2022375.3.1 掩膜式掩膜式ROM Mask ROM是生产厂家按用户定制的要求，在芯是生产厂家按用户定制的要求，在芯片的生产过程中写入固定信息值，因而使用时只可读片的生产过程中写入固定信息值，因而使用时只可读出，不能修改。出，不能修改。 Mask ROM的优点是可靠性高，集成度高，批量生的优点是可靠性高，集成度高，批量生产成本低，适宜于大批量的定型专用产品。缺点是不可产成本低，适宜于大批

28、量的定型专用产品。缺点是不可重写，不适用于需要多次修改的研究开发过程。重写，不适用于需要多次修改的研究开发过程。4/22/2022385.3.2 一次编程式一次编程式ROM 一次编程式只读存储器一次编程式只读存储器PROM出厂时所有存储单出厂时所有存储单元内容全为元内容全为“1”或或“0”，用户可用专用的，用户可用专用的PROM编编程器将信息写入。这种写入是破坏性的，也就是说程器将信息写入。这种写入是破坏性的，也就是说只能进行一次编程，无法进行更改。根据编程原理只能进行一次编程，无法进行更改。根据编程原理PROM可分为两种结构类型：可分为两种结构类型： 一种是熔丝烧断型一种是熔丝烧断型 一种是

29、一种是PN结击穿型结击穿型 由于由于PROM可靠性差，加上只能一次性编程，所以产可靠性差，加上只能一次性编程，所以产品已经淘汰。品已经淘汰。4/22/2022395.3.3 多次编程式多次编程式ROM PROM虽然可供用户进行一次编程，但仍有局虽然可供用户进行一次编程，但仍有局限性。为了便于研究工作，实验各种限性。为了便于研究工作，实验各种ROM程序方程序方案，可擦除、可多次编程式案，可擦除、可多次编程式ROM在实际中得到了在实际中得到了广泛应用。这种存储器利用专用的编程器进行信息广泛应用。这种存储器利用专用的编程器进行信息擦除和信息再写入，写入信息后的芯片便可作为只擦除和信息再写入，写入信息

30、后的芯片便可作为只读存储器来使用。目前，根据擦除芯片内信息的方读存储器来使用。目前，根据擦除芯片内信息的方式不同，可擦除、可多次编程式式不同，可擦除、可多次编程式ROM分为两种类分为两种类型：型： 紫外线擦除方式、可多次编程式，即紫外线擦除方式、可多次编程式，即EPROM 电擦除方式、可多次编程式，即电擦除方式、可多次编程式，即EEPROM4/22/2022401. EPROM存储器存储器 图图5.19为一个为一个P沟道实现的沟道实现的EPROM的基本存储元物理构造示意图。它是在的基本存储元物理构造示意图。它是在N型基体片上型基体片上生长了两个高浓度的生长了两个高浓度的P型区，通过欧姆接触，分

31、别引出源极型区，通过欧姆接触，分别引出源极(S)和漏极和漏极(D)。在。在S极和极和D极之极之间，有一个多晶硅做的栅极，它的周围被二氧化硅绝缘物所包围，栅极是浮空的。这样的间，有一个多晶硅做的栅极，它的周围被二氧化硅绝缘物所包围，栅极是浮空的。这样的管子制造好时，多晶硅栅极上没有电荷，所以管子制造好时，多晶硅栅极上没有电荷，所以D极和极和S极之间是不导通的。极之间是不导通的。图5.19 EPROM的基本存储元物理构造示意图 图5.20 EPROM基本存储元电路结构示意图不讲解！不讲解！4/22/202241 由这种由这种EPROM做成的存储器芯片，在封装上与一做成的存储器芯片，在封装上与一般集

32、成电路不同，其顶部中间部分有一个石英玻璃窗口，般集成电路不同，其顶部中间部分有一个石英玻璃窗口，用于对存储器的擦除操作。当用紫外线近距离直射窗口用于对存储器的擦除操作。当用紫外线近距离直射窗口大约大约20分钟时，电路中的浮空多晶硅栅极上的积聚电子分钟时，电路中的浮空多晶硅栅极上的积聚电子全部形成光电流泄漏掉，全部形成光电流泄漏掉，D极和极和S极之间不再导通，即极之间不再导通，即读出值为读出值为“1”，恢复到初始状态。，恢复到初始状态。 存放用户信息的存放用户信息的EPROM存储器为了防止因光线长期照射存储器为了防止因光线长期照射而引起的信息破坏，需用遮光胶纸贴于石英窗口上。一个而引起的信息破坏

33、，需用遮光胶纸贴于石英窗口上。一个EPROM的封装外形如图的封装外形如图5.21(a)所示。所示。图5.21 Intel 2764芯片的封装外形图 不讲解！不讲解！4/22/2022422. EEPROM存储器介绍存储器介绍 EEPROM是一种采用金属氮氧化硅工艺生产是一种采用金属氮氧化硅工艺生产的可电擦除，可再编程的只读存储器，具有在线的可电擦除，可再编程的只读存储器，具有在线（或称在系统，即不用从电路板上拔出来）对单（或称在系统，即不用从电路板上拔出来）对单个存储单元电擦除和再编程的能力。擦除时只需个存储单元电擦除和再编程的能力。擦除时只需加高电压对指定单元产生电流，形成加高电压对指定单元

34、产生电流，形成“电子隧电子隧道道”，即可将该单元信息擦除，其他未通电流的，即可将该单元信息擦除，其他未通电流的单元内容保持不变。单元内容保持不变。不讲解！不讲解！4/22/202243第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/2022445.4 Flash存储器存储器 闪速存储器又称闪速存储器又称Flash存储器，它是一种非易失性存储器存储器，它是一种非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM），是在），是在EPROM与与E

35、EPROM 基础上发展起来的。基础上发展起来的。Flash存储器集其它类非易失性存储器的存储器集其它类非易失性存储器的特点于一身。与特点于一身。与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优相比较，闪速存储器具有明显的优势势在系统中可电擦除和可重复编程，而不需要特殊的高在系统中可电擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压；与电压；与EEPROM相比较，闪速存储器具有编程速度快，成相比较，闪速存储器具有编程速度快，成本低、密度大的特点。本低、密度大的特点。Flash存储器以其集成度高、制造成本存储器以其集成度高、制造成本低、使用方便等诸多优点广泛地应用于办公设备、通信设备、低、使用方便等诸多优点广泛地

36、应用于办公设备、通信设备、医疗设备、家用电器等领域。医疗设备、家用电器等领域。不讲解！不讲解！4/22/2022455.4.1 Flash存储器类型及特点存储器类型及特点1. Flash存储器的类型存储器的类型 Flash存储器有多种实现技术，目前主要有两存储器有多种实现技术，目前主要有两种技术类型：种技术类型： l NOR型型Flash存储器存储器l NAND型型Flash存储器存储器4/22/2022462. 基本工作原理基本工作原理 两种类型的两种类型的Flash存储器都是用三端器件作为存储器都是用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极。它们与场存储单元，分别为源极、漏极和栅极。它

37、们与场效应管的工作原理相同，主要是利用电场效应来效应管的工作原理相同，主要是利用电场效应来控制源极与漏极之间的通与断。不同点是，场效控制源极与漏极之间的通与断。不同点是，场效应管为单栅极结构，而应管为单栅极结构，而Flash为双栅极结构，即在为双栅极结构，即在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。浮置栅栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成，极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成，图图5.22所示为所示为Flash存储器的基本存储元物理构造存储器的基本存储元物理构造示意图示意图 不讲解！不讲解！4/22/202247图5.22 Flash存储器的存储

38、元物理构造示意图 与场效应管一样，Flash存储器也是一种电压控制型器件。NAND型Flash存储器内容的擦除和写入均是基于隧道效应。图5.22中，电流穿过N型基体与浮置栅极之间的SiO2绝缘层，对浮置栅极进行充电，则完成数据写操作。相反，浮置栅极进行放电，则实现数据擦除操作。同理，NOR型Flash存储器数据的擦除也是通过浮置栅极的放电操作实现。但NOR型Flash存储器在写入数据时则是采用热电子注入方式，即电流从浮置栅极到源极。不讲解！不讲解！4/22/2022483. NOR型型Flash存储器的特点存储器的特点 以以Intel和和AMD为代表的为代表的NOR型型Flash存储器是最早出

39、现的一类，存储器是最早出现的一类，具有以下特点：具有以下特点：l 程序和数据可存放在一块芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行。l 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，NOR技术的Flash存储器的擦除和编程速度较慢。4. NAND型型Flash存储器的特点存储器的特点 以三星和东芝为代表的以三星和东芝为代表的NAND型型Flash存储器，有以下特点：存储器，有以下特点：l 以页为单位进行读和编程操作，以块为单位进行擦除操作，具有快编程和快擦除功能，块擦除时间是2ms，而NOR技术的块擦除时间达几百m

40、s。l 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度相对比较慢，且不能按字节随机编程。适合于纯数据和文件存储。l 芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器。l 芯片包含有失效块，失效块不会影响有效块的性能，但需要屏蔽。不讲解！不讲解！4/22/2022495.4.2 Flash芯片介绍芯片介绍1. SST39VF160芯片芯片2. FlashK9F2808U0C芯片芯片SST39VF160是SST公司的CMOS多功能Flash存储器，由SST特有的高性能SuperFlash技术制造而成。具有固定的擦除和编程时间，存储容量为1M16位，工作电压为2.7V3.6V，擦

41、除/编程寿命10万次。该芯片属于NOR型Flash存储器，具有SRAM接口，采用48脚TSOP封装。 K9F2808U0C是三星公司生产的NAND型Flash存储器，存储容量为16M8位，工作电压为2.7V3.6V。528字节的页编程时间为200us，16K字节的块擦除时间为2ms，页面的数据以每字50ns的速度被读出。数据输入/输出、地址输入和操作指令输入均是通过共用的8位I/O总线完成，所以NAND型Flash存储器的操作比较复杂。芯片内写控制自动实现所有编程和擦除功能，擦除/编程寿命10万次。 不讲解！不讲解！4/22/202250第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（

42、了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/2022515.5 5.5 存储器扩展存储器扩展 存储器芯片的存储容量都是有限的，要构成所需容存储器芯片的存储容量都是有限的，要构成所需容量的存储器，往往单个芯片不能满足存储单元数目或字量的存储器，往往单个芯片不能满足存储单元数目或字长的需求，甚至存储单元和字长数都不能满足需求。所长的需求，甚至存储单元和字长数都不能满足需求。所以，需要用多个存储器芯片进行组合来满足存储容量需以，需要用多个存储器芯片进行组合来满足存储容量需求。针对不同容量需求所进行的存储器芯

43、片组合称为存求。针对不同容量需求所进行的存储器芯片组合称为存储器的扩展。存储器芯片的扩展方式包括：储器的扩展。存储器芯片的扩展方式包括：u 位扩展（位扩展（横向扩展横向扩展）u 字扩展（字扩展（纵向扩展纵向扩展）u 字位同时扩展字位同时扩展 4/22/2022525.5.1 位扩展（位扩展（字长方向的扩展字长方向的扩展） 单块存储芯片上的存储单元数目满足存储器需单块存储芯片上的存储单元数目满足存储器需求，而字长不能满足需求，需进行的存储器扩展称求，而字长不能满足需求，需进行的存储器扩展称为位扩展。例如：已有为位扩展。例如：已有8K1的的SRAM芯片，需要组芯片，需要组成成8K8的存储器，这里芯

44、片的存储单元数目与存的存储器，这里芯片的存储单元数目与存储器需求一致，但字长不够，需要进行位扩展来实储器需求一致，但字长不够，需要进行位扩展来实现。图现。图5.33所示为所示为8K1 SRAM芯片，采用位扩展组芯片，采用位扩展组成成8K8的存储器电路连接示意图。的存储器电路连接示意图。 4/22/202253图5.33 位扩展组成的8K8存储器电路连接示意图 由图看出，位扩展方式存储器的电路连接特点是：所有芯片的地址线和读/写线都连接到总线的对应位上，所有芯片共用一个片选信号，而各芯片的数据线需要分别连接到数据总线的D7D0位上。4/22/2022545.5.2 字扩展（字扩展（单元个数方向的

45、扩展单元个数方向的扩展） 单块存储芯片上的存储字长满足存储器需单块存储芯片上的存储字长满足存储器需求，而存储单元数目不能满足需求，需进行的求，而存储单元数目不能满足需求，需进行的存储器扩展称为字扩展，字扩展就是存储单元存储器扩展称为字扩展，字扩展就是存储单元数量的扩展。图数量的扩展。图5.34所示为所示为16K8 SRAM芯片，芯片，采用字扩展方式，组成采用字扩展方式，组成64K8的存储器电路连的存储器电路连接示意图。接示意图。 由图看出，字扩展方式存储器的电路连接特点由图看出，字扩展方式存储器的电路连接特点是：所有芯片的数据线、地址线和读是：所有芯片的数据线、地址线和读/写线都连接到写线都连

46、接到总线的对应位上，而由片选信号来指定各片地址范总线的对应位上，而由片选信号来指定各片地址范围。围。4/22/202255图5.34 字扩展组成的64K8存储器电路连接示意图 图中每个16K8位SRAM芯片，都有14位地址线，经过字扩展后，组成64K8位的存储器，则需要16位地址线。其中，这16位地址线的低14位（A13A0）直接与各芯片的地址线连接，用于进行片内寻址。另外的高2位地址线（A15和A14）经24译码器译出4位片选线，分别与4个芯片的片选信号相连接，用来选定各芯片在整个存储空间中所属的地址范围。4/22/2022565.5.3 字位同时扩展字位同时扩展 在实际应用中，单块存储芯片

47、上的存储单元数目和字在实际应用中，单块存储芯片上的存储单元数目和字长均不能满足存储器需求时，就需要同时进行位扩展和字长均不能满足存储器需求时，就需要同时进行位扩展和字扩展，即字位同时扩展。扩展，即字位同时扩展。 例，现有例，现有1K4 SRAM存储器芯片，要构成某计算机存储存储器芯片，要构成某计算机存储系统所需系统所需4K8的存储器，下面介绍如何通过的存储器，下面介绍如何通过1K4芯片构成芯片构成4K8的存储器。的存储器。 单块单块1K4芯片的存储单元数目是芯片的存储单元数目是1K，字长是，字长是4位。所位。所需的存储器是需的存储器是4K8。因此，该单块芯片的存储单元数目不。因此，该单块芯片的

48、存储单元数目不满足要求，需要将存储单元数目从满足要求，需要将存储单元数目从1K扩展到扩展到4K；字长也不；字长也不满足要求，需要将字长从满足要求，需要将字长从4位扩展到位扩展到8位。所以，采用位。所以，采用1K4芯片构成芯片构成4K8的存储器，需要进行字扩展和位扩展，即字的存储器，需要进行字扩展和位扩展，即字位同时扩展。位同时扩展。4/22/202257图5.35 1K4芯片位扩展构成1K8存储模块的电路连接示意图 第一步，先进行位扩展第一步，先进行位扩展，由1K4芯片采用位扩展方式构成1K8的存储模块。由位扩展方式可知，要达到存储模块所需的每个存储单元8位，需要使用2块1K4芯片来扩展构成1

49、K8的存储模块，扩展电路连接如图5.35所示。由图看出，两个单芯片的4位数据总线扩展后构成8位数据总线。4/22/202258图5.36 1K8存储模块字扩展构成4K8存储器的电路连接示意图第二步，再进行字扩展第二步，再进行字扩展，由1K8的存储模块采用字扩展方式构成4K8存储器。通过计算可知，共需4个1K8的存储模块来扩展构成4K8的存储器，其扩展电路连接如图5.36所示。由图可知，经过字扩展后，寻址空间由1K增加到4K，地址总线也由10位增加到12位。其中，地址线的高两位经过译码器后产生所需的4个片选信号。4/22/202259 上述分两步实现了存储器的扩展，第一步用上述分两步实现了存储器

50、的扩展，第一步用2块芯片实现位扩展，第二块芯片实现位扩展，第二步用步用4个存储模块实现字扩展，计算可得共需使用个存储模块实现字扩展，计算可得共需使用8块芯片完成存储器的字位扩块芯片完成存储器的字位扩展。展。 如果选用如果选用1K4 SRAM芯片，采用字位同时扩展方式，直接构成芯片，采用字位同时扩展方式，直接构成4K8存储器，则其电路连接如图存储器，则其电路连接如图5.37所示。所示。图5.37 字位同时扩展构成4K8存储器电路连接示意图 4/22/202260 图中，将8个1K4 SRAM芯片分成了4组（每个虚线框为一组，共有4组），每组2片。组内采用位扩展法构成1K8的存储模块，4个这样的存

51、储模块采用字扩展法便组成了4K8的存储器。所组成的4K8存储器共需12位地址线，其中，地址线低10位（A9A0）用作4个存储模块的片内寻址，地址线高2位（A11A10）经24译码器译出4根片选线，分别与这4组存储模块的片选信号相连接，用来 选定4个存储模块在整个存储地址空间中所属的地址范围。 总结上述的字位同时扩展电路设计方法，并推广到一般总结上述的字位同时扩展电路设计方法，并推广到一般情况，可得知：若使用情况，可得知：若使用jk位存储器芯片构成一个容量为位存储器芯片构成一个容量为MN位的存储器（位的存储器（Mj，Nk），那么共需要），那么共需要jk位存储器芯位存储器芯片的数量是：（片的数量是

52、：（M/j）（N/k）个。连接时可将这些芯片分成）个。连接时可将这些芯片分成（M/j）个组，每组有（）个组，每组有（N/k）个芯片，组内采用位扩展法，组）个芯片，组内采用位扩展法，组间采用字扩展法。间采用字扩展法。4/22/202261第五章 存储器原理与扩展5.1 概述5.2 随机存储器（了解）5.3 只读存储器（了解）5.4 Flash存储器（了解）5.5 存储器的扩展（掌握）5.6 存储器与CPU连接 （掌握）4/22/2022625.6 存储器与CPU连接 在微机系统中，在微机系统中，CPU对存储器读对存储器读/写操作，写操作，是通过是通过CPU总线读总线读/写周期完成的。写周期完成的

53、。CPU总线包总线包括：地址总线，数据总线，控制总线，又称三总括：地址总线，数据总线，控制总线，又称三总线。线。CPU总线的读总线的读/写操作，首先由地址总线给写操作，首先由地址总线给出地址信号，然后发出读出地址信号，然后发出读/写控制信号，最后在写控制信号，最后在数据总线上进行数据的读数据总线上进行数据的读/写操作。所以，存储写操作。所以，存储器必须正确的连接到器必须正确的连接到CPU总线上，才能进行读总线上，才能进行读/写访问。写访问。 4/22/2022635.6.1 连接时应注意的问题连接时应注意的问题存储器在与存储器在与CPU总线连接时，应注意下述几点问题总线连接时，应注意下述几点问

54、题:1. CPU总线的带负载能力总线的带负载能力 CPU在设计时，一般输出线的带负载能力是有限在设计时，一般输出线的带负载能力是有限的。采用的。采用MOS管的半导体存储器，直流负载很小，主管的半导体存储器，直流负载很小，主要是电容负载。所以，在简单系统中，要是电容负载。所以，在简单系统中，CPU可直接与可直接与存储器相连，而在复杂系统中，存储器相连，而在复杂系统中，CPU需要通过驱动器需要通过驱动器来增强输出带负载的能力。来增强输出带负载的能力。4/22/2022642. CPU与存储器之间的时序配合与存储器之间的时序配合 CPU对存储器读写访问都有固定的时序要求。具对存储器读写访问都有固定的

55、时序要求。具体地说，当体地说，当CPU读操作时，从读操作时，从CPU发出地址和读信号后，发出地址和读信号后，存储器必须在限定时间内输出有效数据；而当存储器必须在限定时间内输出有效数据；而当CPU写操写操作时，存储器必须在写脉冲规定的时间内将数据写入指作时，存储器必须在写脉冲规定的时间内将数据写入指定存储单元上。否则，就无法保证准确地传送数据。所定存储单元上。否则，就无法保证准确地传送数据。所以，需要选择能够满足以，需要选择能够满足CPU读读/写时序要求的存储器芯写时序要求的存储器芯片来使用。片来使用。4/22/2022653. CPU与与DRAM的连接（需要刷新）的连接（需要刷新） 当采用当采

56、用SRAM芯片做系统存储器时，可以直接与芯片做系统存储器时，可以直接与CPU总线连接；而采用总线连接；而采用DRAM芯片时，因为芯片时，因为DRAM存储存储器需要定时刷新，所以，一般需要通过器需要定时刷新，所以，一般需要通过DRAM控制器连控制器连接到接到CPU总线上。此外，由于不同类型的存储器其控制总线上。此外，由于不同类型的存储器其控制信号不完全相同。不同型号信号不完全相同。不同型号CPU的读的读/写控制信号也不一写控制信号也不一样。在进行存储器连接时，要注意这些信号连接的正确样。在进行存储器连接时，要注意这些信号连接的正确性。性。4/22/2022664. 存储器的组织方式（构建存储体）

57、存储器的组织方式（构建存储体） 在各种微机系统中，数据总线可能是在各种微机系统中，数据总线可能是8位、位、16位或位或32位等，存储容量可能需要位等，存储容量可能需要64K、640K或或4M等。因此，等。因此，就可能需要使用多片存储器进行组织，构成微机系统就可能需要使用多片存储器进行组织，构成微机系统所需的存储容量。例：用所需的存储容量。例：用8片片16K8位位RAM构成构成128K8Bit 、64K16Bit或或32K32Bit的存储器。的存储器。5. 地址空间划分及存储器连接地址空间划分及存储器连接 微机系统的地址空间上，包含有微机系统的地址空间上，包含有ROM区、区、RAM区等。区等。R

58、OM区用来存放基本程序（如：区用来存放基本程序（如：BIOS），），RAM区用来存放区用来存放工作程序和数据。而工作程序和数据。而RAM区又分为系统区和用户区。所以合区又分为系统区和用户区。所以合理划分内存地址空间，正确连接各种类型的存储器到指定的理划分内存地址空间，正确连接各种类型的存储器到指定的地址空间是必要的。地址空间是必要的。4/22/2022675.6.2 地址空间划分及存储器连接地址空间划分及存储器连接1. 地址空间的划分地址空间的划分 CPU在设计时，在设计时，。在微机系统中，。在微机系统中，CPU型号不同，其地址型号不同，其地址总线数目不同，可寻址的空间大小也不一样。总线数目不

59、同，可寻址的空间大小也不一样。 表5.5 各型号CPU可寻址的空间表CPU型号型号数据总线数据总线地址总线地址总线寻址空间寻址空间Intel 80888位位20位位1 MBIntel 8028616位位24位位16 MBIntel 8038632位位32位位4 GBIntel 8058664位位36位位64 GBARM7TDMI32位位32位位4 GBARM9TDMI32位位32位位4 GB4/22/202268图5.25 LPC2200芯片的地址空间分配图 LPC2200芯片的芯片的CPU采用采用ARM7TDMI核，共有核，共有32条地址线，可寻址条地址线，可寻址的地址空间为的地址空间为0

60、x0000_00000 xFFFF_FFFF，共，共4GB。 系统的地址空间主要划分为：片内存储区、片外储存区和外设地址区。系统的地址空间主要划分为：片内存储区、片外储存区和外设地址区。片内和片外又可分为片内和片外又可分为ROM区和区和RAM区。区。 4/22/2022692. 存储器的连接存储器的连接对于一个指定的存储器地址空间，如何将选对于一个指定的存储器地址空间，如何将选定的存储器芯片连接到该地址空间上去，通常是定的存储器芯片连接到该地址空间上去，通常是采用片选信号线，同时附加不同数目的地址线配采用片选信号线，同时附加不同数目的地址线配合来完成。片选信号线用于选通指定的存储器地合来完成。