第五章半导体存储器

1、第五章第五章 半导体存储器半导体存储器本章学习目标本章学习目标半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体存储器的主要指标半导体存储器的主要指标存储芯片的介绍存储芯片的介绍存储系统的设计存储系统的设计存储器的连接与扩充存储器的连接与扩充1、存储器的分类、存储器的分类存储器是用来存存储器是用来存储微型计算机工储微型计算机工作时使用的信息作时使用的信息（程序和数据）（程序和数据）的部件，正是因的部件，正是因为有了存储器，为有了存储器，计算机才有信息计算机才有信息记忆功能。记忆功能。越靠近越靠近CPUCPU的存储的存储器速度越快而容器速度越快而容量越小。量越小。 CPUCache主存储器主存储器辅助存

2、储器辅助存储器大容量存储器大容量存储器外存储器外存储器内存储器内存储器内存与外存：内存与外存：外存能长期保存信息。内存指主板外存能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失或断电，数据就会丢失 。外存平均访问时间外存平均访问时间ms级级 硬盘硬盘910ms 光盘光盘80120ms内存平均访问时间内存平均访问时间ns级级 SRAM Cache15ns EPROM存储器存储器100400nsRAM静态静态RAM（SRAM）动态动态

3、RAM（DRAM ）ROM掩膜型掩膜型ROM可编程可编程ROM（PROM）紫外线可擦除紫外线可擦除ROM（EPROM）电可擦除电可擦除ROM（E2PROM)快擦写存储器（快擦写存储器（Flash Memory）半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体存储器因其存取速度快、集成度高、功耗小、价格低常用作内存。 随机存取存储器随机存取存储器特点：存储单元的内容可特点：存储单元的内容可读出或写入，但其保存的读出或写入，但其保存的信息断电后不再保存，即信息断电后不再保存，即具有具有“易失性易失性”。SRAM的基本存储电路，的基本存储电路，在有电源条件下，存入的在有电源条件下，存入的数据可一直保存。数

4、据可一直保存。 DRAM的基本存储电路利的基本存储电路利用用MOS管和电容存储信息，管和电容存储信息，电容泄漏须刷新。电容泄漏须刷新。 SRAM的特点：读写速度的特点：读写速度快，通常用来做快，通常用来做Cache（高速缓冲存储器）（高速缓冲存储器）DRAM的特点：的特点：集成度高，集成度高，功耗小；需要刷新电路，功耗小；需要刷新电路，使用较麻烦；存取速度慢，使用较麻烦；存取速度慢，主要用来做内存。主要用来做内存。组成单元组成单元速度速度SRAM触发器触发器快快DRAM极间电容极间电容慢慢只读存储器只读存储器特点：在一般工作状态下，特点：在一般工作状态下，ROM中的信息只能读中的信息只能读出，

5、不能写入。但其保存的信息断电后仍然保存，出，不能写入。但其保存的信息断电后仍然保存，即具有即具有“非易失性非易失性”。常用于存放固定的程序和。常用于存放固定的程序和参数表，如微机开机的引导程序等。参数表，如微机开机的引导程序等。ROM的写入有不同方式：的写入有不同方式： 1）生产时确定其内容）生产时确定其内容掩模掩模ROM 2）由用户编程确定，只能一次编程）由用户编程确定，只能一次编程PROM 3）由特定电路（写入器）擦除及写入）由特定电路（写入器）擦除及写入EPROM 4）电擦除及写入）电擦除及写入EEPROM，Flash Memory2、半导体存储器的主要指标、半导体存储器的主要指标存储容

6、量存储容量：一块存储器芯片所能存储的二进制位：一块存储器芯片所能存储的二进制位数。数。 存储器容量存储单元数每单元数据位数存储器容量存储单元数每单元数据位数如：存储芯片有如：存储芯片有2048个单元，每单元存放个单元，每单元存放8位二进制数，则位二进制数，则容量为容量为20488位位 ，即，即2KB。例例 Intel 2114芯片的容量为芯片的容量为1K4位，位，Intel 6264芯片为芯片为8K8位。位。存取速度存取速度：从：从CPU给出有效的存储器地址到存储给出有效的存储器地址到存储器给出有效数据需要的时间器给出有效数据需要的时间其他指标其他指标 : 集成度、功耗、可靠性、价格等。集成度

7、、功耗、可靠性、价格等。3、存储芯片的介绍、存储芯片的介绍SRAM基本的存储电路基本的存储电路 一个一个基本存储电路基本存储电路能存储一能存储一位二进制数，而一个八位的位二进制数，而一个八位的二进制数则需八个基本存储二进制数则需八个基本存储电路，称为一个电路，称为一个存储单元存储单元。每个单元规定一个地址编号。每个单元规定一个地址编号。存储芯片内部基本结构存储芯片内部基本结构 地址译码器存 储矩 阵读/写驱动电路控制电路三 态数 据缓冲器地址总线数据总线控制总线存储体多个基本存储单元矩阵排列组成。 外围电路接收来自CPU的地址信号和读/写信号，选中对应单元，完成数据存取操作。1 242 233

8、 224 215 206 197 6116 188 179 1610 1511 1412 13 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0I/O0I/O1I/O2GNDVccA8A9WEOEA10CSI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3例例 Intel 6116芯片芯片 引脚信号： 地址信号A10A0 数据线I/O7I/O0 控制信号： 片选信号CS 写选通信号WE 输出允许信号OE工作方式：读出逻辑：CS=0.OE=0,WE=1写入逻辑：CS=0.OE=1,WE=0高阻：CS1典型的静态典型的静态RAM芯片：芯片： 6116（2K8位）、位）、6264（8K8位）、位）、62256（

9、32K8位）、位）、628128（128K8位）等。位）等。 例例 6116芯片的容量为芯片的容量为2K8位：有位：有214个基本存个基本存储电路，有储电路，有211个存储单元，形成个存储单元，形成12816个存储个存储阵列。需要阵列。需要11根地址线，根地址线，7根用于行地址译码，根用于行地址译码，4根用于列地址译码，可以选择根用于列地址译码，可以选择2048个存储单元中个存储单元中的任意一个。每个存储单元有的任意一个。每个存储单元有8位，是通过数据线位，是通过数据线写入或读出的。写入或读出的。4、存储系统的设计、存储系统的设计1）存储芯片的选片）存储芯片的选片 根据存储系统容量要求、应用场

10、合、速度要求、根据存储系统容量要求、应用场合、速度要求、价格、体积、功耗等方面综合考虑。价格、体积、功耗等方面综合考虑。 芯片类型选择：一般，小系统中多使用芯片类型选择：一般，小系统中多使用SRAM而而DRAM的集成度较高多用于中、大系统中。的集成度较高多用于中、大系统中。掩模掩模ROM、PROM成本低多用于较成熟程序，成本低多用于较成熟程序，EEPROM、闪存则用于保存不常修改的数据。、闪存则用于保存不常修改的数据。 2）存储器与）存储器与CPU连接时，需注意的问题：连接时，需注意的问题： CPU总线的带负载能力、总线的带负载能力、CPU时序与存储器存时序与存储器存取速度之间的配合、存储器组

11、织的地址分配取速度之间的配合、存储器组织的地址分配5、存储器的连接与扩充、存储器的连接与扩充CPU与存储器的连接，主要是与存储器的连接，主要是CPU的系统总线与的系统总线与存储器的连接方法，特别注意的是存储器的连接方法，特别注意的是存储器芯片地存储器芯片地址分配和片选端的处理。址分配和片选端的处理。存储器与系统总线的连接：存储器与系统总线的连接：三总线结构：地址总线、数据总线、控制总线三总线结构：地址总线、数据总线、控制总线1）地址总线：低位地址线：等于存储芯片地址线数目）地址总线：低位地址线：等于存储芯片地址线数目 高位地址线：用于选择不同的存储芯片高位地址线：用于选择不同的存储芯片 2）数

12、据总线：）数据总线：8086：16位，位，8088：8位位3）控制总线：）控制总线：RD、WR、IO/M（M/IO）位数扩充位数扩充 当实际存储芯片每个单元的位数和应用系统需要当实际存储芯片每个单元的位数和应用系统需要内存单元字长不等时采用的方法。内存单元字长不等时采用的方法。 例例 用用1K4的的RAM芯片扩充形成芯片扩充形成1K8的存储系的存储系统：统： 所需芯片的片数：所需芯片的片数：8/4=2 片片 存储器容量扩充方法存储器容量扩充方法位数扩充位数扩充2114（1）A9A0I/O4I/O1片选片选D3D0D7D4A9A02114（2）A9A0I/O4I/O1CECEA0A12CS1CS

13、2 0#WEOED0D7A0A12CS1CS2 1#WEOED0D7A0A12CS1CS2WEOED0D7D8D15单元数扩充单元数扩充 当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，但存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元但存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数量。的数量。 例例 用用2K8的的2716 EPROM存储器芯片组成存储器芯片组成8K8的存储器系统的存储器系统 ： 所需芯片的片数：所需芯片的片数：8K/2K=4 片片单元数扩充单元数扩充片选端片选端D7D0A19A10A9A0（2）A9A0D7D0CE（1）A9A0D7D0CE译码器0

14、0000000010000000000A0A7I/OCE11A02I/OA0A7I/OCE13A04I/OA0A7I/OCE15A06I/OA0A7I/OCE17A08I/OCE2CE2CE2CE2译码器A0A7A8A9D0D7.地址总线数据总线存储器芯片片选端的处理存储器芯片片选端的处理全译码法：全译码法：片内寻址未用的全部高位地址线都参片内寻址未用的全部高位地址线都参加译码，译码输出作为片选信号。加译码，译码输出作为片选信号。部分译码法：部分译码法：用片内寻址外的高位地址的一部分用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号。译码产生片选信号。线选法：线选法：高位地址线不经过译码，直接（或

15、经反高位地址线不经过译码，直接（或经反相器）分别接各存储器芯片的片选端来区别各芯相器）分别接各存储器芯片的片选端来区别各芯片。片。全译码法全译码法 全译码的优点是每个芯片的地址范围是全译码的优点是每个芯片的地址范围是唯一确定。缺点是译码电路比较复杂唯一确定。缺点是译码电路比较复杂。部分译码部分译码 部分译码较全译码简单，但存在地址重部分译码较全译码简单，但存在地址重叠区叠区。线选法线选法 软件上必须保证这些片选线每次寻址时只软件上必须保证这些片选线每次寻址时只能有一位有效，也会造成地址重叠。能有一位有效，也会造成地址重叠。74LS138译码器译码器例例 2764为为8K 8的的EPROM芯片，

16、如下图，则存储芯片，如下图，则存储器芯片的地址范围？器芯片的地址范围？举例举例例例 在某型号在某型号CPU微机系统中，微机系统中， 用用Intel 6116芯片组芯片组成成8KB RAM，假设假设CPU数据总线有数据总线有8根，地址总根，地址总线有线有16根，试问：根，试问：1、需要几片、需要几片6116？2、地址线和数据线各为多少根？、地址线和数据线各为多少根？3、每一片的地址范围是多少？是否有重叠区？、每一片的地址范围是多少？是否有重叠区？4、如何连线？（包括地址线、数据线和控制线）、如何连线？（包括地址线、数据线和控制线）A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0

17、A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A11A 15A0A 10IO/MWRD7D 05:32译码器CPU313010611661166116611623全译码法全译码法A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

18、 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16116 的地址范围000007FFH； 6116 的地址范围08000FFFH6116 的地址范围100017FFH； 6116 的地址范围18001FFFHA0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A0 A10CSWED7 D0A14A 15A0A 10IO/MWRD7D 02:4译码器CPU10611661166116611623部分译码法

19、部分译码法A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 * * * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1如果如果*的地址线都设为的地址线都设为“0”，则，则6116 的地址范围000007FFH； 61