第十章存储器

1、计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础第第10章章 存储器存储器n10.1 概述概述n10.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）n10.3 只读存储器（只读存储器（ROM）n10.4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 存储器的分类存储器的分类一、按存储器用途分类一、按存储器用途分类二、按存储器性质分类二、按存储器性质分类计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础一、按存储器用途分类一、按存储器用途分类1. 内部存储器内部存储器内部存储器也称为内存，是主存储器，位于计算机的内部，用来存放当内部存储器

2、也称为内存，是主存储器，位于计算机的内部，用来存放当前正在使用的或经常要使用的程序和数据。程序只有放入内存，才能被前正在使用的或经常要使用的程序和数据。程序只有放入内存，才能被CPU执行。执行。CPU使用系统地址总线访问内存，而借助于使用系统地址总线访问内存，而借助于I/O端口访问外端口访问外存。内存的存取速度较快，一般是用半导体存储器件构成。内存的容量存。内存的存取速度较快，一般是用半导体存储器件构成。内存的容量大小受到地址总线位数的限制，对大小受到地址总线位数的限制，对8086系统，系统，20条地址总线可寻址内条地址总线可寻址内存空间为存空间为1M字节。字节。2. 外部存储器外部存储器外部

3、存储器也称外存，是辅助存储器。外存的特点是大容量，所存贮的外部存储器也称外存，是辅助存储器。外存的特点是大容量，所存贮的信息既可修改，也可保存，存取速度较慢，要由专用的设备来管理。用信息既可修改，也可保存，存取速度较慢，要由专用的设备来管理。用来存放需要长期保存的一些程序和数据。在微型计算机中，常见的外存来存放需要长期保存的一些程序和数据。在微型计算机中，常见的外存有硬盘、软盘及光盘有硬盘、软盘及光盘(CDROM)等。等。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础二、按存储器性质分类二、按存储器性质分类1. RAM随机存取存储器随机存取存储器CPU能根据能根据RAM的地址将数据随

4、机的写入或读出。掉电后，的地址将数据随机的写入或读出。掉电后，所存信息全部丢失。通常所说的计算机内存容量有多少字所存信息全部丢失。通常所说的计算机内存容量有多少字节，均指节，均指RAM存储器的容量。存储器的容量。（1）SRAM：速度快，集成度低，功耗也大，一般高速缓：速度快，集成度低，功耗也大，一般高速缓冲存储器用它组成。冲存储器用它组成。（2）DRAM：其内容在：其内容在10-3或或10-6秒后自动消失，因此必秒后自动消失，因此必须周期性的在内容消失之前进行周期性刷新。集成度高，须周期性的在内容消失之前进行周期性刷新。集成度高，成本低，耗电也少，但需要一个额外的刷新电路，且运行成本低，耗电也

5、少，但需要一个额外的刷新电路，且运行速度慢，速度慢，SRAM比比DRAM快快25倍，一般倍，一般PC机的标准存储机的标准存储器都采用器都采用DRAM组成。组成。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础2. ROM只读存储器只读存储器ROM只读存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读只读存储器是将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出，不能写入，掉电数据也不会丢失，通常存放操作系统的程出，不能写入，掉电数据也不会丢失，通常存放操作系统的程序（序（BIOS）或用户固化的程序。）或用户固化的程序。（1）掩膜型）掩膜型ROM：信息由厂家写入，用户不能做任何修改：信息由厂家写入，用户不

6、能做任何修改（2）PROM可编程可编程ROM：程序固化后，内容不能再变。：程序固化后，内容不能再变。（3）EPROM可擦除、可编程可擦除、可编程ROM:程序固化后可通过紫外光程序固化后可通过紫外光照擦除，以便重新固化新数据。照擦除，以便重新固化新数据。（4）EEPROM电可擦除可编程电可擦除可编程ROM:可利用电压来擦除芯片可利用电压来擦除芯片内容，以重新固化新数据。内容，以重新固化新数据。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础半导体存储器半导体存储器（Memory）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）只读存储器只读存储器

7、（ROM）掩膜掩膜ROM可编程可编程ROM（PROM）紫外线可擦除的紫外线可擦除的PROM（EPROM）电可擦除的电可擦除的PROM（EEPROM）计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标n1. 存储容量存储容量n2. 存取时间存取时间n3. 其他指标其他指标可靠性、集成度、价格比等可靠性、集成度、价格比等 存储器是微机系统的重要部件之一，计算机在运行过程中，存储器是微机系统的重要部件之一，计算机在运行过程中，大部分的总线周期都是对存储器进行读大部分的总线周期都是对存储器进行读/写操作，因此存储器写操作，因此存储器性能的好坏在很大程度

8、上直接影响计算机的性能。衡量半导体性能的好坏在很大程度上直接影响计算机的性能。衡量半导体存储器性能的指标很多，但从功能和接口电路的角度来看，最存储器性能的指标很多，但从功能和接口电路的角度来看，最重要的有以下几项。重要的有以下几项。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字字, 字的位数称为字长。字的位数称为字长。几个基本概念：几个基本概念：存储容量（存储容量（M)：存储二值信息的总量。：存储二值信息的总量。字数：字的总量。字数：字的总量。地址：每个字的编号。地址：每个字的编号。字数字

9、数=2n （n为存储器外部地址线的线数）为存储器外部地址线的线数）存储容量（存储容量（M)字数字数位数位数计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础1. 容量容量n存储器的容量是指一个存储器芯片所能存储的二进制信息量二进制信息量。 存储器芯片容量存储器芯片容量=存储单元数存储单元数 每单元的数据位数每单元的数据位数n为了便于存放和取出数据，每个存储单元必须有一个固定地址。为了减少存储器芯片向外引出的地址线，在存储器芯片内部都自带译码器。根据二进制编码译码的原理，n根地址线根地址线可以译成可以译成2n个地址个地址（单元）。所以根据存储器芯片的存储容量（地址单元数）就可以知道该芯片向

10、外引出的地址线的根数。2114的存储容量为的存储容量为1k4,1024B=210B其地址线有其地址线有10根；根；6116和和2716的的存储容量为的的存储容量为2k8，211B其地址线有其地址线有11根根6264和和2764的的存储容量为的的存储容量为8k8，其地址线有，其地址线有13根；根；计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础地址线地址线n与地址数对照表与地址数对照表地址线根数地址线根数可编译的地址号数可编译的地址号数地址线根数地址线根数可编译的地址号数可编译的地址号数24101024=1K38112048=2K416124096=4K532138192=8K66414

11、16384=16K71281532768=32K82561665536=64K9512=0.5K计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础2. 存取时间存取时间n存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问时间或读时间或读/写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如，读出时间是指从该操作所经历的时间。例如，读出时间是指从CPU向存向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出送上数据总线为止所用的时间；写入

12、时间是指从读出送上数据总线为止所用的时间；写入时间是指从CPU向存储器发出有效地址和写命令开始，直到信息写向存储器发出有效地址和写命令开始，直到信息写入被选中单元为止所用的时间。显然，存取时间越短，存入被选中单元为止所用的时间。显然，存取时间越短，存取速度越快。取速度越快。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础3. 可靠性可靠性n可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。写的概率。通常用平均无故障时间通常用平均无故障时间MTBF（mean time between failures）来衡量可靠性。）来衡量可靠性。MTBF可以理

13、解为两次故障之可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。 4. 性能价格比性能价格比n衡量存储器综合性指标衡量存储器综合性指标 。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础存储矩阵地址译码器读/写控制电路地址码输入片选读/写控制输入/输出读写放大电路读写放大电路由大量寄存器构成的矩阵用以决定访问哪个字单元用以决定芯片是否工作用以决定对被选中的单元是读还是写读出及写入数据的通道计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数

14、数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础图9-10 RAM存储矩阵的示意图 2564（256个字，每个字4位）RAM存储矩阵的示意图。如果X0Y01，则选中第一个信息单元的4个存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础

15、础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I/O4910I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础21141085A06A17A24A33A42A51A617A716A815A914131211I/O1I/O2I/O3I/O41A62A53A44A35A06A17A281817161514131211I

16、/O4910I/O3I/O2I/O1A9A8A7VCCWR/CSCSWR/计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础存储器的容量：字数位数 。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础2114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9.D0D1D2D3D4D5D6D72114RAM1Kx4I/O0I/O1I/O2I/O3CSWR/A0A1A9.A0A1A9CSWR/计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 字扩展 将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，而位数不变的存储器。 例：由10248的 RAM扩展为40968的RAM

17、。 共需四片10248的 RAM芯片。 10248的 RAM有10根地址输入线A9A0。 40968的RAM有12根地址输入线A11A0。选用2线-4线译码器，将输入接高位地址A11、A10，输出分别控制四片RAM的片选端。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 图9-13 RAM字扩展 由10248的 RAM扩展为40968的RAM计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 (3) 字位扩展 例：将10244的RAM扩展为20488 RAM。 位扩展需2片芯片，字扩展需2片芯片，共需4片芯片。字扩展只增加一条地址输入线A10，可用一反相器便能实现对两片RAM

18、片选端的控制。 字扩展是对存储器输入端口的扩展， 位扩展是对存储器输出端口的扩展。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础图9-14 RAM的字位扩展 将10244的RAM扩展为20488 RAM计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础10.3 只读存储器（ROM）一、掩膜一、掩膜ROM(Read Only Memory)二、二、PROM(可编程的可编程的ROM)三、三、EPROM(可擦除的可擦除的 PROM)四、四、EEPROM(电子式可清除的电子式可清除的PROM)计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础存储矩阵存储矩阵 地址译码地址译码器

19、器地址输地址输入入7.1.1 ROM的定义与基本结构数据输出数据输出控制信号输控制信号输入入输出控制电路输出控制电路地址译码器地址译码器存储矩阵存储矩阵输出控制电路输出控制电路计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础1）ROM（二极管PROM）结构示意图 D3 D2 D1 D0 +5V R R R R OE A0 A1 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 2 线线- -4 线线 译译码码器器 存储存储矩阵矩阵位线位线字线字线输出控制电路输出控制电路M=4 4地址译码器地址译码器计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 D3 D2 D1 D0 +5V R R R

20、R OE A0 A1 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 2 线线- -4 线线 译码器译码器 字线与位线的交点都是一个字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管存储单元。交点处有二极管相当存相当存1 1，无二极管相当存，无二极管相当存0 0当当OE=1时输出为高阻状态时输出为高阻状态000101111101111010001101地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容当当OE=0时时计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础计计算算机机电电路路基基础础数数

21、字字电电子子技技术术础础本章主要内容： 可编程阵列逻辑PAL 、通用阵列GAL的结构与特点； 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础1. PLD在数字集成芯片中的位置 数字 SSI、 MSI集成 LSI、VLSI电路 ASIC 全定制ASIC 门阵列 半定制ASIC 标准单元 PLD计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础（1）数字集成电路按照芯片设计方法的不同分类： 通用型SSI、MSI集成电路； LSI、VLSI集成电路，如微处理器、单片机等； 专用集成电路ASIC（LSI或VLSI）。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 （2）AS

22、IC分类 全定制ASIC：硅片没有经过预加工，其各层掩模都是按特定电路功能专门制造的。 半定制ASIC：按一定规格预先加工好的半成品芯片，然后再按具体要求进行加工和制造，包括门阵列、标准单元和可编程逻辑器件(PLD)三种。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础2. 可编程逻辑器件(PLD)（1）定义：PLD是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以利用软、硬件开发工具对器件进行设计和编程，使之实现所需要的逻辑功能。（2）PLD的基本结构框图 其中输入缓冲电路可产生输入变量的原变量和反变量，并提供足够的驱动能力。 图10-1 PLD的基本结构框图计计算算机机电电路路基基

23、础础数数字字电电子子技技术术础础 （3）按集成度分类： 低密度PLD(LDPLD)：结构简单，成本低、速度高、设计简便，但其规模较小(通常每片只有数百门)，难于实现复杂的逻辑。 表10-1 按编程部位分类LDPLD分类与阵列或阵列输出电路可编程类型可编程只读存储器PROM固定可编程固定半场可编程现场可编程逻辑阵列FPLA可编程可编程固定全场可编程可编程阵列逻辑PAL可编程固定固定半场可编程通用阵列逻辑GAL可编程固定逻辑宏单元（OLMC）半场可编程计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 高密度PLD(HDPLD)：分类分类结构形式结构形式类型类型可擦除可编程逻辑器件可擦除可编

24、程逻辑器件(EPLD)与或阵列与或阵列阵列型阵列型复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)与或阵列与或阵列阵列型阵列型现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA)门阵列门阵列单元型单元型 （4）PLD器件的优点 缩短设计周期，降低设计风险 高可靠性和可加密性 降低了产品生产的总费表表10-2: HDPLD的分类的分类计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 （5）常采用可编程元件(存储单元)的类型： 一次性编程的熔丝或反熔丝元件； 紫外线擦除、电可编程的EPROM(UVEPROM)存储单元，即UVCMOS工艺结构； 电擦除、电可编程存储单元，一类是E2PROM即E2CM

25、OS工艺结构，另一类是快闪(Flash)存储单元； 基于静态存储器(SRAM)的编程元件。 其中，类和类目前使用最广泛。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础图10-2 几种常用逻辑符号表示方法（a）输入缓冲器（b） 与门 （c） 或门（d） 三种连接 （6）几种常见的逻辑符号表示方法计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础1.可编程阵列逻辑（PAL） （1）PAL的结构 与阵列可编程； 或阵列固定 输出电路固定 图10-3 PAL的结构计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 （2）PAL的输出结构 专用输出结构。输出端只能输出信号，不能兼

26、作输入。只能实现组合逻辑函数。目前常用的产品有PAL10H8、PAL10L8等。 计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 可编程I/O结构。输出端有一个三态缓冲器，三态门受一个乘积项的控制。 当三态门禁止，输出呈高阻状态时，I/O引脚作输入用； 当三态门被选通时，I/O引脚作输出用。图10-5 可编程的I/O结构计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 寄存器输出结构。输出端有一个D触发器，在使能端的作用下，触发器的输出信号经三态门缓冲输出。能记忆原来的状态，从而实现时序逻辑功能。图10-6 寄存器输出结构计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础

27、础 异或寄存器型输出结构。 输出部分有两个或门，它们的输出经异或门后再经D触发器和三态缓冲器输出，这种结构便于对与或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现对寄存器状态进行维持操作，适用于实现计数器及状态。（A 0=A，A 1=A ）图10-7 异或寄存器型输出结构计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 （3）PAL的命名 PAL共有21种，通过不同的命名可以区别。 图10-8 PAL的命名计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础 （4）PAL的优点： 提高了功能密度，节省了空间。通常一片PAL可以代替412片片SSI或24片片MSI。同时，虽然PAL只有20多种型

28、号，但可以代替90的通用器件，因而进行系统设计时，可以大大减少器件的种类。 提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。 有上电复位功能和加密功能，可以防止非法复制。计计算算机机电电路路基基础础数数字字电电子子技技术术础础20世纪80年代初，美国Lattice半导体公司研制。 GAL的结构特点：输出端有一个组态可编程的输出逻辑宏单元OLMC，通过编程可以将GAL设置成不同的输出方式。这样，具有相同输入单元的GAL可以实现PAL器件所有的输出电路工作模式，故而称之为通用可编程逻辑器件。 GAL与PAL的区别： PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件，而GAL是E2 PROM工艺，可重复编程； PAL的输出是固定的，而GAL用一个可编程的输出逻辑宏单元（O