第5章-半导体存储器-2014

微机原理及应用

北京科技大学计算机与通信工程学院

第5章半导体存储器重点掌握和理解的知识：（1）重点掌握存储器的结构原理（2）重点掌握存储器译码及芯片地址空间的计算方法（3）理解并掌握典型存储芯片的外部特征及应用特点（4）理解并掌握不同类型存储芯片的工作原理及内部结构特点（5）理解并掌握存储芯片的扩充方式以及与CPU的信号连接方法第5章半导体存储器主要内容：存储与存储器概述读写存储器RAM只读存储器ROM主存储器的设计存储体系的组织概述主要内容：半导体存储器分类存储器的主要性能指标主存储器的基本结构存储器分类1.辅存（ExternalMemory，也称外存）基本功能：存放暂时不被执行的程序和数据使用特点：CPU不能直接访问需配置专门的驱动设备进行读取顺序存取存储器SAM数据信息以文件形式存放数据信息按存放的先后顺序存取容量大，存取慢、价格低（如磁带等）直接存取存储器DAM按存储器中的存储区域（块）存取信息存储区域内按顺序存储容量大，存取快（如磁盘等）存储器分类2.主存（MainMemory，也称内存）基本功能和特点：存放正在执行或将要执行的程序和数据与CPU直接交换数据信息均采用半导体存储器RAM（读写存储器或随机存储器）静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAMROM（只读存储器）掩膜编程ROM可编程存储器PROM可擦除可编程存储器EPROM电擦除可编程存储器EEPROM存储器的主要性能指标存储器容量字表示（Word）：64K字=64K×16位字节表示（Byte）：64KB=64K×8位存储容量单位：1KB=210B、1MB=220B、1GB=230B、1TB=240B存储速度存储时间：从接到读写信号到完成读写操作所用的时间存储周期：CPU连续两次读写存储器的最小时间间隔存取时间多取决于材料和工艺的不同；一般在几个ns～数百ns存储器容量计算举例例5-1某存储器芯片的地址线为16位，存储字长为8位，则其存储容量为多少？一般的，若某存储器芯片有M位地址总线、N位数据总线，表示存储单元的个数为2M个，每个存储单元可存储N位二进制信息；则存储容量表示为：2M×N位若存储器芯片中M为16位，N为8位，则其存储容量为：64K×8位存储器的主要性能指标可靠性存储器的可靠性用平均故障间隔时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailures）来衡量；MTBF越长，可靠性越高性能/价格比性能主要包括上述三项指标—存储容量、存储速度和可靠性对不同用途的存储器有不同的要求有的存储器要求存储容量大，选择芯片时就以存储容量为主有的存储器如高速缓冲器，则要求以存储速度为主主存储器的基本结构存储体由存储单元组成每个存储单元存放一个字节的数据存储单元的编号称为地址由地址总线决定选择读写操作的目的存储单元存储单元数N=2n个（n为地址总线的位数）地址译码器将n位地址码译为N个存储单元中的一个具体编号三态数据缓冲器暂时(缓冲)存放写入或读出的数据时序控制电路按照CPU的读写命令和时序,发出读/写控制信号主存储器的基本结构存储体（2n字节存储单元）数据缓冲器/寄存器读写放大电路地址锁存器/寄存器n位地址总线…控制总线M位数据总线时序/控制总线地址译码器信息存储的主体和核心，是存储单元的集合体；存储单位是字节接收CPU送来的Ｎ位地址信号，并译出存储单元中的具体地址，选择并确定与具体地址相对应的存储单元提供片选和读/写等控制逻辑信号，完成对被选中单元中各位数据的读／写操作寄存器分别用于暂存待读出或待写入的数据和CPU送来的地址主存储器芯片的主要引脚静态RAM存储电路由用4~8个MOS管组成，集成度低、结构复杂用电路的结构保证存储的信息,只要不断电，内容不会丢失；不需要刷新存取速度快，但价格较高一般用作高速缓冲存储器SRAM基本存储电路高低分开

多管构成

结构复杂

集成度低

无需刷新

成本较高被选中时：X=1,Y=1

T5T6导通、T7T8导通

A点与I/O数据线接通

B点与I/O数据线接通

T1T2T3T4组成双稳态的触发器

当Tl管截止时，A为高B为低

当Tl管导通时，A为低B为高

A与B总是反相的写入时,将两个反相信号送A和B;读可通过A或B完成

常用SRAM芯片型号型号容量型号容量61162K*8位6212816K*8位6132，62324K*8位62256，5C25632K*8位6164，62643264，71648K*8位64C512，7451264K*8位

静态RAM6116芯片6116是一种2048×8位的高速静态CMOS随机存取存储器，其基本特征是：（1）高速度存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns(分别以6116-10、6116-12、6116-15、6116-20为标志)（2）低功耗运行时为150mW，空载时为100mW（3）管脚引出与标准的2K×8b的芯片（例如2716芯片）兼容（5）完全静态——无需时钟脉冲与定时选通脉冲6116芯片结构框图及引脚图数据线：双向、三态，8条地址线：11条控制线：CS，OE，WE，24引脚存储容量为2KB列线只有4位；可编16根列线；因6116是8位存储的芯片，故一根列线控制8位，即一根列线(如0101)，控制某一根行线(如1011010)上的8个位；这也还是一个128*128的矩阵;2K个存储单元,各存8位128行7条地址线寻址可寻址128条行线128列4条地址线寻址共可寻址16条列线1条列线将控制8列即同时可读写8位SRAM上的引脚信号数据线：I/O0到I/O7，由RAM中一个存储单元的位数决定；地址线：A0到A10，决定了RAM中存储单元个数；控制线：

CE：片选，有效时，芯片才工作

WE：读写控制，为0时写，为1时读

OE：输出控制，为0时，允许输出3.6116的工作过程读操作★片选CS=0有效,表示被选中★由CPU送来的地址信号经地址输入线A10~A0送入地址锁存器★该地址被先后送入行(7位)、列(4位)地址译码器★根据译码值，选中一个存储单元（8位）的数据★待控制信号OE=0时，被选中的数据被送至I/O（数据）线上3.6116的工作过程写操作★写入时，片选信号CS=0，表示选中该芯片★由CPU送来的地址信号经地址输入线A10~A0送入地址锁存器★经译码器译码，确定写入单元（8位）的地址★当WE=0,表示是写操作★将此时I/O线上的数据送入被选中的存储单元6116工作方式真值表动态RAM动态RAM：由一个或多个MOS管组成基本存储单元，依靠MOS管的栅极电容来存储信息，因为栅极电阻高，使信息可以在栅极上保留一段时间但栅极电容上的信息还是要丢失的，因此动态RAM需要定时地刷新由于集成度高，成本低，适合制作大规模和超大规模集成电路动态RAM信号存储在电容CS上行选择信号有效时可以刷新读出时列选择信号必须有效行线列线均为1时，被选中

T1T2导通；CS与I/O线接通

写：通过放大电路对CS，充电或放电

读：放大电路将检测CS，有无电菏流出为了降低芯片的功耗，保证足够的集成度，减少芯片对外封装引脚数目和便于刷新控制，DRAM芯片都设计成位结构形式，即每个存储单元只有一位数据位。一个芯片上含有若干个存储单元，如4K×1位，8K×1位，16K×1位，64K×1位或256K×1位等动态RAMDRAM典型芯片介绍2164是典型的芯片16引脚容量为：64K*1位;4个128*128的存储矩阵8条地址线;为实现16位(64K)的寻址,地址线分时复用:行地址选通信号----送8位行地址锁存器列地址选通信号----送8位列地址锁存器DRAM典型芯片介绍基本特征存取时间为150 ns/200 ns（分别以2164A-15、2164A-20为标志）低功耗，工作时最大为275 mW，维持时最大为27.5 mW每2 ms

需刷新一遍，每次刷新512个存储单元，2 ms内需有128个刷新周期2164芯片的引脚A0～A7：8根地址引脚，用来接收8位的行、列地址RAS：行地址选通信号，低电平有效CAS：列地址选通信号，低电平有效

WE：写允许控制信号，输入DIN：数据输入引脚，被写入的数据从此写入存储DOUT：数据输出引脚，读出的数据从此输出到数据总线VDD：+5V电源引脚Vss：接地引脚N/C：空引脚无片选信号；以RAS和CAS替代2164DRAM内部结构64Kbit的选择：128×128×4↑RA7和CA74中选1↑RAS中的7位↑CAS中的7位在行地址控制下刷新，每次刷新128×4

个单元RAS=0，传行地址；CAS=0，传列地址读写控制信号WE，当WE=1为读，WE=0为写2164DRAM内部结构框图内存条★内存条是将若干片大容量的DRAM芯片设计并组装在一个条形的印制电路板上★使用时只需将内存条插在主板的内存条插座上即可★内存条按封装形式分为两类：SIMM和DIMM(单/双列直插式存储模块)

只读存储器ROM非易失性存储器，主要存放不经常修改的固定程序和数据，如监控程序、PC机的BIOS程序等基本结构与SRAM相似，但要解决“非易失”问题以字节为基本单元有多种类型的ROM（解决“非易失”问题的方法不同）掩膜ROM；可编程的只读存储器PROM可擦除的EPROM；电擦除的PROM

不同类型的ROM简介1.掩模ROMP128图5-6◆掩模ROM芯片所存储的信息是在芯片制造生产时确定的，用户不能修改◆下图为一个44位MOS管的ROM的存储矩阵及存储内容44位掩模ROM矩阵及存储内容以字选线上有无管子，区分和存储信息;制造时都有,都是1;出厂时作好,或1或0;不可再更改!D3D2D1D0字线00110字线10101字线21010字线30000字线与位线字线是存储单元的选择线，由译码电路确定，当某条字线被选中后，为高电平状态；此时，位线的高或低电平状态就是该位数据的值（1或0）位线是一个位的数据输出线（或高电平或低电平，或1或0）2.可编程PROM◆

PROM芯片是允许用户编程一次的只读存储器◆该功能的实现是由于结构元器件采用了“串联在电子管上的可熔断金属丝”◆编程时，由熔断脉冲电流使其熔断；一旦烧断将不可“恢复”◆熔丝式PROM芯片的基本存储电路如下页图所示2.可编程PROM★初始状态为未烧断,电路导通,位线反映的数据为高电平,”1”★当烧断后,电路不通,位线上的数据为低电平,”0”★不可重复,只断一次3.光可擦除可编程的EPROMP128图5-8EPROM的基本工作原理◆

EPROM芯片为紫外线擦除可编程的ROM芯片◆

EPROM的编程方法与PROM不同，其信息的存储是通过电荷分布来决定的，编程的过程实际上是一次电荷注入的过程◆编程结束，由于绝缘层的包围，注入的电荷无法泄漏，电荷分布维持不变。因而，存储的信息在电源撤除后仍不变，具有非易失性EPROM芯片的典型基本存储电路◆出厂时浮栅上无电荷，D、S间不导通，当字选线被选中为高电平时，位线输出为高电平1◆编程写入时，在高压电源和编程脉冲的作用下，电荷注入到浮栅上，形成导电沟道，从而使浮栅MOS管导通，输出为低电平0EPROM芯片的典型基本存储电路◆需要擦除时,可用紫外线照射,聚集的电荷将获得较大能量，形成电流可穿过PN结而泄漏，恢复原始状态，即高电平状态◆“光照”需要专门的设备,即擦除和重写需要使用专用设备◆擦除并重写必须是“整片”进行紫外线光照射，EPROM芯片的典型外观示意图平时需要盖住!典型EPROM芯片常用

Intel_EPROM芯片型号规格Intel2732AIntel2732A是一种4K×8bit的EPROM12条地址线A11～A08条数据线O7～O0。CE为芯片允许信号，用来选择芯片OE/VPP为输出允许信号，用来把输出数据送上数据线只有当这两条控制线同时有效时，才能从输出端得到读出的数据2732A的工作方式2732A有6种工作方式EPROM编程条件将信息写入EPROM称为编程需要：写入电压：VPP存储地址：A12～A0写入数据：O7

～O0

控制信号：CE主存储器的设计要解决的问题：确定主存储器的结构选择主存储器的组成芯片存储器芯片与系统总线的连接方式存储器系统设计确定主存储器的结构：首先应该确定整机存储容量，再根据需要确定选用存储芯片的类型和数量划分RAM、ROM区，画出地址分配图并根据地址分配图确定译码方法最后选用合适器件，画出译码电路图存储器系统设计存储器芯片的选择：根据存储器的容量和芯片的容量决定需要存储器芯片的数目：

T=总容量/单片容量 注意：总容量是存储器单元数×8

如：64KB存储器需要2164（64K×1位）：

(64K×8)/(64K×1)=8片根据需要选择静态或动态RAM芯片选择涉及的问题主存一般由一片或多片存储芯片组成，选择主存芯片一般要考虑以下几个方面的问题：各种芯片的应用特点，外部参数芯片的读取速度与CPU速度的配合一致单个芯片的容量存储芯片与CPU的连接存储芯片与CPU连接的实质是：如何与CPU的三大总线之间连接的问题应考虑的问题包括CPU总线的负载能力CPU时序与芯片存取速度的配合地址分配问题片选的确定CPU地址总线的译码方式存储器的扩充CPU的总线负载能力CPU的总线负载能力是有限的对于较小系统，芯片可与CPU直接连接对于较大系统，应增加驱动电路或设置缓冲区域，提高CPU的负载能力CPU时序与存储芯片的速度

如果CPU的时序与存储器芯片的存取速度不能良好匹配，则应增加控制电路，以便在不能良好匹配情况下，产生控制信号，CPU将增加一个或若干个TW周期。主存储器设计存储器地址分配对于8086CPU存储器地址和外设地址是分开考虑的。但对有些CPU，必须将存储器和外设的地址统一考虑。8086的低端存储区(00000H~003FFH)是用作中断向量（地址）表，不能用作一般的程序区8086的高端(FFFF0H)是复位后的程序入口，使用时必须要注意主存储器设计存储器芯片和CPU的连接数据线：CPU的数据总线和存储器的数据线直接连接。当存储器芯片的数据线不足8位时，需要几个芯片并联，使数据线数目和CPU需要的一致存储器芯片并联时，地址线、控制线是并联的，但数据线是单独地接到数据总线这时的要求是同样的地址能选中并联在一起的几个芯片的同一个存储单元主存储器设计8086CPU与存储器连接的控制信号主要有：地址锁存信号ALE、选择信号，读/写信号和准备就绪信号READY等，存储器控制信号将与CPU上述的一些对应信号线相连存储器构成示意例地址分配问题主存储器的组成芯片类型和数量确定后，需要将CPU地址总线的位数按照一定原则和方法分别安排和分配到不同的各芯片中。形成各芯片的地址空间地址空间的确定与地址译码直接相关存储器的片选问题存储器是由多片存储芯片构成在对存储单元寻址时，应首先选定是哪一片再从该芯片中选择其中的某一个单元前者称为“片选”；后者称为“字选”用CPU地址总线的低位实现“字选”称为“芯片内部译码”，由片内译码器完成用CPU地址总线的高位实现“片选”称为“芯片外部译码”芯片外部译码的意义将输入的一组二进制地址编码，变换为一个特定的控制信号，即： 将输入的CPU一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的控制信号，用于选中某一个存储器芯片，从而进一步确定该存储器芯片在内存中的地址范围。译码方法可分为线选译码专用译码器译码全地址译码部分地址译码线选直接译码线选法就是用除片内寻址外的高位地址线直接分别接至各个存储芯片的片选端，当某地址线信号为“0”时，就选中与之对应的存储芯片特点：不需要地址译码器，线路简单，适用于连接存储芯片较少的场合线选译码举例线选译码2764芯片内部地址译码需要13条地址线其余的7条地址线只使用A13和A14，其他可取任意值假定A15到A19均取0，则1#2764的地址空间为04000H—05FFFH2#2764的地址空间为02000H—03FFFH允许取任意值，于是就会出现芯片地址空间上的“重叠”A19A18A17A16A15A14A13A121/01/0计算地址空间范围的方法地址范围＝高地址线的取值+片内的基本地址基本地址=片内地址线全取0时的值到全取1时的值线选译码举例2732芯片；4K*8位；12条地址线8088CPU线选译码例四片存储器芯片的地址分别是：

A15A14A13A12A11………A0 芯片地址Ⅰ1110 0……0E000H~EFFFH 1……1Ⅱ1101 0……0D000H~DFFFH 1……1Ⅲ1011 0……0B000H~BFFFH 1……1Ⅳ0111 0……07000H~7FFFH 1……1地址重叠的意义A19～A16可取16种不同的组合，因此，每一片2732都对应着16个不同的地址空间这样多个存储地址可以选中同一个存储字的情况称为“地址重叠”与非门译码器2716容量为2K×8A10～A0直接相连A19～A11经译码，在IO/M低电平时产生片选CE芯片地址空间:

FF800H～FFFFFH

3-8译码器简介74L138译码器16引脚8个译码输出引脚，低电平信号6个信号输入引脚；只有G1=1、G2A=0、G2B=0时，才允许A、B、C输入并译码；共可产生8个译码输出Y0---Y7，均为低电平信号3个输入信号，8种译码输出三个控制端子译码器真值表G1G2AG2BCBA输出100000Y0=0其余均为1100001Y1=0其余均为1100010Y2=0其余均为1100011Y3=0其余均为1100100Y4=0其余均为1100101Y5=0其余均为1100110Y6=0其余均为1100111Y7=0其余均为1其他值均输出全1译码器译码输出全地址译码用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址，而且地址是连续的存储器芯片译码器低位地址高位地址全部地址片选信号全地址译码举例8088CPU全地址译码举例此时，单片2764（8K×8位，EPROM）在高位地址A19~A13=1110000时被选中，因此其拥有唯一地址范围为0E0000H~0E1FFFH部分地址译码用多余地址线的一部分加到译码器，用译码器的输出控制存储器芯片的片选端各芯片的地址可以保证是连续的由于还有一部分地址线没有参加寻址，这些地址线的信号值可以是任意的；结果是使得每个芯片的地址区不是唯一的，也就是存在着地址的重叠区部分地址译码举例（5-8）●本例采用部分译码对2个2764芯片（8K×8位）进行寻址●地址总线的A12～A0与芯片的地址线对应相连，在译码器的输入端，未使用高位地址线A19、A16，可以任意选择0或1●所以，每个芯片将同时具有22=4个可用且不同的地址范围部分地址译码举例（5-8）假设将未用的地址A19取值为1，A16取值为0。可以计算确定这2片2764所构成的存储地址空间范围分别为：1#：80000H～81FFFH2#：84000H～85FFFH

部分地址译码举例8088CPU部分地址译码例设“未用的地址线”取“0”，则四个存储器芯片的地址范围为：#1：08000H～087FFH#2：08800H～08FFFH#3：09000H～097FFH#4：0A000H～0A7FFH部分地址译码举例同一物理存储器占用两组地址：

F0000H~F1FFFHB0000H~B1FFFH

A18不参与译码；可取1或0A19A17A16A15A14A13&≥1到6264CE存储器的扩充CPU的数据总线一般为8、16、32位；故存储器一般被组织成为按字节组织的存储体字长为8位的CPU，需要一个存储体（8088CPU）字长为16位的CPU，需要两个存储体（8086CPU）芯片的存储单元存储的数据位数一般为1、4、8位；而且一个芯片的容量也是有限的存储体是由“存储器芯片”经扩充而成的位扩充与字扩充位扩充芯片的位数不足一个字节将多个芯片组成一组，地址线、片选线、读写