第5章new半导体存储器

第5章半导体存储器5.3只读存储器5.4内存管理5.5例题解析5.2随机读写存储器5.1概述2/4/202305.1概述微型计算机的存储结构寄存器——位于CPU中主存——由半导体存储器(ROM/RAM)构成辅存——指磁盘、磁带、磁鼓、光盘等大容量存储器，采用磁、光原理工作高速缓存(CACHE)——由静态RAM芯片构成本章介绍半导体存储器及组成主存的方法CPU（寄存器）CACHE（高速缓存）主存（内存）辅存（外存）2/4/202315.1.1半导体存储器的分类按制造工艺分类双极型：速度快、集成度低、功耗大MOS型：速度慢、集成度高、功耗低按使用属性分类随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失只读存储器ROM：只读、断电不丢失详细分类，请看图示2/4/20232半导体存储器的分类半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）2/4/202335.1.2存储器的性能指标1.存储器容量

存储1位二进制信息的单元称为1个存储元。对于32MB的存储器，其内部有32M×8bit个存储元。存储器芯片多为×8结构，称为字节单元。在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元的数目和每个存储单元包含的位数：存储器芯片容量=单元数×位数例如，Intel2114芯片容量为1K×4位，6264为8K×位。虽然微型计算机的字长已经达到16位、32位甚至64位，但其内存仍以一个字节为一个单元，不过在这种微型机中，一次可同时对2、4、8个单元进行访问。存储容量=字数×字长；32bits机的最大内存4G，即4G×82.存取周期

存储器的存取周期是指从接收到地址，到实现一次完整的读出或写入数据的时间，是存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔。2/4/202345.1.2存储器的性能指标3.功耗半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，但是不易散热，因此在保证速度的前提下应尽量减小功耗。一般而言，MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器。例如上述HM62256的功耗为40mW～200mW。4.可靠性

5.集成度半导体存储器的集成度是指在一块数平方毫米芯片上所制作的基本存储单元数，常以“位／片”表示，也可以用“字节／片”表示.6.其他2/4/20235只读存储器ROMROM只读存储器ROM在使用过程中,只能读出存储的信息,而不能用通常的方法写入信息,分为如下几种:⒈掩膜ROM,按用户要求掩膜制成,只能读,无法再改写,适合存储成熟的程序,大量生产时,成本低。⒉可编程ROM(PROM),为空白存储器,用户一次性写入,写入后不能更改,适合批量生产。⒊可擦除的PROM(EPROM),用户按规定方法可多次改写内容,改写时先用紫外线擦除,适合于研制和开发。102/4/202366.2只读存储器ROM2PROM),能以字节为⒋电可擦除的PROM(E单位进行擦除和改写,并可直接在机器内进行擦除和改写,方便灵活。5、闪速存储器(FlashMemory)是80年代末推出的新型存储芯片,它的主要特点是在掉电情况下可长期保存信息,具有非易失性，原理上看象ROM；但又能在线进行快速擦除与改2PROM和写,功能上象RAM,因此兼有。ESRAM的优点。其集成度与价格己接近2PROM的理想器EPROM，是替代EPROM和E件。112/4/20237只读存储器ROM——掩膜ROMVDD掩膜式ROM12熔丝式PROM图是由二极管构成的4×4位的掩膜ROM，它采用字译码方式，两位地址A1和A0输入，经字地址译码器译码后，输出四条选择线（字线）W0-W3，高电平有效，只有一条为高电平而其余三条为低电平，字线为高电平时选中一行存贮单元（包含4位，称为一个字）。位线输出即为这个字的各位。存贮矩阵是由二极管矩阵组成，当某字线为高电平时，接于该字线上的二极管就会导通，因此接有二极管的位线上就是高电平，而没有接二极管的位线上就是低电平。当输出使能（上面的一横表示低电平有效，下同）为低电平时,输出三态门打开,位线上的数据就输出到外部的数据总线D3-D0上。例如当A1A0为00时，字线W0为“1”，而字线W1-W3都为“0”，这时选中字线0，位线上输出为1110。由于二极管存贮矩阵的内容取决于制造工艺，一旦制造好以后不能再改变。图中存贮矩阵的内容为：字线0（1110），字线1（0101），字线2（1100），字线3（0011）。

2/4/20238、熔丝PROM

PROM可由用户根据自己的需要编程。图是一种用二极管和熔断丝组成的熔丝式PROM的一个存贮单元（一位）。出厂时熔断丝都是通的，即存贮的内容都是“1”。编程时，若将某存贮单元中的熔断丝通以足够大的电流，使熔断丝烧断，则该存贮单元的内容就改写为“0”。由于熔断丝烧断后不能再恢复，所以PROM只能写一次。

2/4/20239EPROMEPROM芯片顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过、以擦除芯片中保存的信息使用专门的编程器（烧写器）对EPROM芯片进行编程编程后，应贴上不透光的封条出厂时，每个基本存储单元存储的都是信息“1”，编程实际上就是将“0”写入某些基本存储单元。132/4/202310EPROM芯片2716A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss123456789101112242322212019181716151413VDDA8A9VPP-OEA10-CE/PGMDO7DO6DO5DO4DO3存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程-CE/PGM读写-OE编程电压VPP152/4/202311读写存储器RAM类型构成速度集成度应用SRAM触发器快低小容量系统DRAM极间电容慢高大容量系统NVRAM带微型电池快低小容量非易失5.2随机读写存储器2/4/202312随机存取存储器静态RAMSRAM2114SRAM6264动态RAMDRAM4116DRAM21642/4/2023135.2.1静态RAMSRAM的基本存储单元是触发器电路每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行列存储矩阵SRAM一般采用“字结构”存储矩阵：每个存储单元存放多位（4、8、16等）每个存储单元具有一个唯一的地址2/4/202314静态RAM的存储结构六管基本存储电路列选线Y数据线D数据线D’T8T7行选线XT1T5T2T6T4T3VDDBA6管基本存储单元列选通2/4/202315SRAM芯片的内部结构I/O行地址译码列地址译码A3A2A1A0A4A5A6A710015151-CS-OE-WE输入缓冲输出缓冲6管基本存储单元列选通2/4/202316SRAM芯片2114存储容量为1024×418个引脚：10

根地址线A9～A04

根数据线I/O4～I/O1片选-CS读写-WE123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4-WEA6A5A4A3A0A1A2-CSGND功能4.SRAM芯片举例2/4/202317SRAM2114的读周期数据地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUT-WE-CSTA读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间2/4/202318SRAM2114的写周期TWCTWRTAW数据地址TDTWTWDOUT

DINTDWTDH-WE-CSTW写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间TWC写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间2/4/202319SRAM芯片6264存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08

根数据线D7～D02根片选-CS1、CS2读写-WE、-OE功能+5V-WECS2A8A9A11-OEA10-CS1D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716152/4/202320(1)存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩充数据位（数据宽度）这种扩充方式称“位扩充”5.SRAM与CPU的联接2/4/202321位扩充2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE两片同时选中数据分别提供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其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为“芯片组”2/4/202322(2)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地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为“片内译码”2/4/202323片内译码地址线A9～A0存储芯片存储单元2/4/202324片内译码000H001H002H…3FDH3FEH3FFH00…0000…0100…10…11…0111…1011…11（16进制表示）A9～A0片内10位地址译码10位地址的变化：全0~全12/4/2023253.存储芯片片选端的译码存储系统常需要利用多个存储芯片进行容量的扩充，也就是扩充存储器的地址范围这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充”进行“地址扩充”时，需要利用存储芯片的片选端来对存储芯片（芯片组）进行寻址通过存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现对存储芯片（芯片组）的寻址，常用的方法有：全译码——全部高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）部分译码——部分高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）线选法——某根高位地址线与片选端关联（参与芯片译码）片选端常有效——无高位地址线与片选端关联（不参与芯片译码）2/4/202326地址扩充（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0-CE（1）A9～A0D7～D0-CE译码器00000000010000000000低位地址线高位地址线2/4/202327片选端常有效A19～A15

A14～A0

全0～全1D7～D027256EPROMA14～A0CE片选端常有效与A19～A15无关令芯片（组）的片选端常有效不与系统的高位地址线发生联系芯片（组）总处在被选中的状态虽简单易行、但无法再进行地址扩充，会出现“地址重复”2/4/202328静态随机存取存储器的联接举例

在64KB地址空间中用8片2114构成4K×8，即4KB存储区的全译码法连接方案：其地址范围为2000H～2FFFH。2/4/2023295.2.2动态MOS存储器DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容必须配备“读出再生放大电路”进行刷新每次同时对1行的存储单元进行刷新每个基本存储单元存储1位二进制数许多个基本存储单元形成行、列存储矩阵DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放1位需要8个存储芯片构成1个字节存储单元每个字节存储单元拥有1个唯一地址2/4/202330动态RAM的存储结构单管基本存储电路C2C1行选线列选线数据线T2T1单管基本存储单元2/4/202331DRAM芯片的内部结构T5T4T3T2T1VDD读出再生放大电路列128列2DINDOUT列1行128行66行65行64行2行1I/O缓冲单管基本存储单元读出再生放大电路2/4/202332DRAM芯片4116存储容量为16K×116个引脚：7根地址线A6～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通-RAS列地址选通-CAS读写控制-WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC123456781615141312111092/4/2023334116的内部结构128128C0R064选1译码128选1译码写时钟-CAS-WE-RAS0012763A6~A0DINDOUT脉冲发生脉冲发生2选1译码列地址缓冲行地址缓冲读出输出缓冲输入缓冲再生放大存储体-R0-C02/4/202334DRAM4116的读周期DOUT地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址列地址-WE-CAS-RAS

存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址，CAS*相当于片选信号读写信号WE*读有效数据从DOUT引脚输出2/4/202335DRAM4116的写周期TWCSTDS列地址行地址地址-TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWE-CAS-RAS

存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址读写信号WE*写有效数据从DIN引脚进入存储单元2/4/202336DRAM4116的刷新TRCTCRPTRAS高阻TASRTRAH行地址地址DINCASRAS采用“仅行地址有效”方法刷新行地址选通RAS*有效，传送行地址列地址选通CAS*无效，没有列地址芯片内部实现一行存储单元的刷新没有数据从输入输出存储系统中所有芯片同时进行刷新DRAM必须每隔固定时间就刷新2/4/202337DRAM芯片2164存储容量为64K×116个引脚：8根地址线A7～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通-RAS列地址选通-CAS读写控制-WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111092/4/2023385.3只读存储器ROM掩膜ROM：信息制作在芯片中，不可更改PROM：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；并允许用户多次擦除和编程EEPROM（E2PROM）：采用加电方法在线进行擦除和编程，也可多次擦写FlashMemory（闪存）：能够快速擦写的EEPROM，但只能按块（Block）进行擦除2/4/202339EPROMEPROM2716EPROM2764EEPROMEEPROM2717AEEPROM2864A典型EPROM、EEPROM芯片介绍2/4/2023405.3.2可擦可编程只读存储器EPROM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一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程编程后，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息1编程就是将某些单元写入信息02/4/2023412.典型EPROM芯片介绍2716存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE*/PGM读写OE*编程电压VPP功能VDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss2/4/2023423.高集成度EPROM

除了常使用的EPROM2764外，还常使用27128，27256，27512等。由于工业控制算机的发展，迫切需用电子盘取代硬盘，常把用户程序、操作系统固化在电子盘上，（ROMDISK），这时要用27C010（128K×8），27C020（256K×8），27C040（512K×8）大容量芯片。2/4/2023435.3.3电可擦可编程存储器2816是容量为2K×8的电擦除PROM。芯片的管脚排列与2716一致，只是在管脚定义上，数据线管脚对2816来说是双向的，以适应读写工作模式。

图5.232816的逻辑符号1.2816的基本特点2/4/2023443.2817AEEPROM存储容量为2K×828个引脚：11根地址线A10～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE*读写OE*、WE*状态输出RDY/BUSY*2/4/202345EEPROM芯片2864A存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线I/O7～I/O0片选CE*读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND123456789101112131428272625242322212019181716152/4/2023465.3.4快擦写存储器1.整体擦除快擦写存储器2.对称型块结构快擦写存储器3.带自举块快擦写存储器2/4/2023475.4内存管理5.4.180X86系列CPU的工作模式CPU数据总线地址总线寻址范围支持操作系统80868位20位1MB实方式8028616位24位16MB实、保护方式80386/80486/Pentium32位32位4096MB实、保护、V86方式2/4/2023485.4.2内存