存储器及其接口技术

1、第五章存储器及其接口技术、存储器分类、只读存储器与中央处理器接口的基本技术、高速缓存外部存储器简介、5.1存储器分类，一、概述存储器是计算机系统中具有存储功能的部件，它由大量的存储单元(也称为基本存储电路)组成，用于存储程序和以二进制数表示的数据。根据内存在计算机系统中的位置，内存可以分为两类：内部内存和外部内存。内存：存储当前操作所需的程序和数据。中央处理器可以直接访问和交换信息，容量小，访问速度快。外部存储器：存储当前未运行的程序和数据。中央处理器不能直接访问，需要专用设备交换信息，容量大，访问速度慢。计算机系统中的存储系统采用快慢搭配的方法，具有如下图所示的层次结构。半导体存储器的分类(

2、1)按存储器制造工艺分类的双极存储器：包括TTL(晶体管-晶体管逻辑)存储器、ECL(发射极耦合逻辑)存储器、I2L(集成注入逻辑)存储器等。特点：存取速率高，通常为几纳秒甚至更短，集成度比金属氧化物半导体型低，功耗高，成本高。金属氧化物存储器：可分为互补金属氧化物半导体型、NMOS型和HMOS型。特点：制造工艺简单，集成度高，功耗低，价格低，但速度低于TTL型。(2)从应用的角度对随机存取存储器和只读存储器进行分类。1.静态随机存储器：静态随机存储器的基本存储电路由双稳态触发器组成，每个双稳态元件存储1位二进制数。只要没有电源故障，信息就不会丢失，也不需要刷新电路。2.动态随机存储器：动态随

3、机存储器，其基本存储电路为单管动态存储电路，需要刷新。3.3.非易失性随机存取存储器：非易失性随机存取存储器，由静态随机存取存储器和可编程只读存储器组成。在正常运行期间，静态随机存取存储器存储信息，在断电时，静态随机存取存储器中的信息被写入可编程只读存储器，因此信息不会丢失。4.伪静态随机存取存储器：伪静态读写存储器。它是一种带有片上集成动态刷新电路的动态存储器，无需特殊的刷新电路即可用作静态随机存储器。5.多端口随机存取存储器：多端口随机存取存储器，每个端口可以独立读写随机存取存储器。6.FRAM(铁电随机存取存储器):铁电体读写存储器是一种新型的非易失性存储器，其写入速度非常快。(3)随机

4、存取存储器，(1)屏蔽只读存储器这种只读存储器是由芯片制造商根据存储在只读存储器中的信息设计和生产的。一旦制成成品，存储的信息可以读取和使用，但不能更改。这种只读存储器通常用于批量生产，生产成本相对较低。这个只读存储器通常用来在微型计算机中存储一些固定的程序或数据。(2)可编程只读存储器。用户可以用特殊设备(称为程序存储器)向其写入数据或程序，但只能写入一次。编程后，信息是永久固定的，用户只能阅读和使用它，但不能改变它的内容。(3) otprom(一次性可编程rom)是一次性可编程只读存储器。它可以作为可编程只读存储器编程一次，但它是由高可靠性的可编程只读存储器技术生产的，没有应时玻璃窗口。(

5、4)只读存储器(rom)，(4)可擦除可编程rom (ePROM)可以擦除重写的PROM。它可以通过紫外线辐射擦除存储的内容，然后重新编程并写入新的内容。擦除和重新编程可以进行多次。书写内容可长期保存(一般超过10年)，不会因停电而消失。如下图所示：(5)电可擦可编程只读存储器也叫E2PROM。电可擦可编程只读存储器是一种只读存储器，可以通过电气方法在线擦除和重新编程。它的外观如上图所示。(6)闪存闪存可编程只读存储器，简称闪存。存储单元的内容可以通过电学方法快速擦除，类似于电可擦可编程只读存储器。它不仅具有静态随机存取存储器的读写功能和速度快，而且具有只读存储器断电后不丢失信息的特点。主板上

6、的基本输入输出系统和u盘上的闪存芯片如下所示。存储容量半导体存储芯片的存储容量是指可以存储在存储器中的二进制信息量。表达式一般如下：芯片容量=芯片的存储单元数。例如，6264静态随机存取存储器的容量是8K位，即它有8K个单元(1K1024)，每个单元存储8位(一个字节)的数据。动态随机存储器芯片NMC41257的容量为256千位。微机存储系统可根据需要选择。当计算机的内存确定后，在选择大容量芯片时可以少用几个芯片，这不仅使电路连接简单，而且降低了功耗和成本。3.半导体存储器主要技术指标2。存取时间TAC(存取时间)是存取芯片中某个单元的数据所需的时间，即在中央处理器给出存储器地址信息后，取或写

7、有效数据所需的时间。设备手册中给出的存储器芯片的访问时间参数通常是上限值，称为最大访问时间。当中央处理器读/写随机存取存储器时，它提供给随机存取存储器芯片的读/写时间必须长于随机存取存储器芯片所需的访问时间。如果达不到这个要求，微型计算机就不能正常工作。3.功耗用低功耗的存储芯片构成存储系统，不仅可以降低对电源容量的要求，还可以提高存储系统的可靠性。可靠性为了正确运行，微型计算机要求存储器系统具有高可靠性，因为存储器中的任何错误都可能使计算机无法工作。存储器的可靠性与构成它的芯片直接相关。内存的可靠性由平均故障间隔时间(MTBF)来表征，MTBF表示两次故障之间的平均时间间隔。平均故障间隔时间

8、越长，其可靠性越高。目前使用的半导体存储芯片的平均寿命约为51，061，108小时。5.性能/价格比“性能”主要包括存储容量、访问周期和可靠性。在构建存储系统时，我们应该在满足性能要求的同时，尽最大努力选择价格低廉的芯片。5.2随机存取存储器，1。静态随机存储器基本存储电路静态随机存储器的基本存储电路由六个金属氧化物半导体管组成的双稳态触发器组成，如下图所示：1。静态读/写存储器静态随机存取存储器，图6静态随机存取存储器基本存储电路，其中T1T2为放大管，T3T4为负载管，T1T4管构成双稳态触发器。T5T6是控制管，T7T8也是控制管，它们由同一列上的存储单元共享。如果T1关闭，点A处于高电

9、平以开启T2，点B处于低电平以确保T1关闭。相反，T1开启，T2关闭，这是另一种稳定状态。因此，“1”或“0”可以用T1管的两种状态来表示。可以看出，静态随机存取存储器存储信息的特性与双稳态触发器的稳定状态密切相关。2.2的结构和组成。静态随机存取存储器中的存储单元通常以矩阵形式排列。内部由许多基本的存储电路组成。为了选择某个单元，通常使用排列成矩阵的地址解码电路来解码地址。例如，一个1288位芯片总共有1024个基本存储单元，在芯片内部以32行32列的形式排列。需要十条地址线，其中五条用于行解码(产生32条行线)，另外五条用于列解码(产生32条列线)，从而可以选择1024个基本存储单元中的任

10、何一个。例如，静态随机存取存储器芯片英特尔6116的引脚和功能如下：6116芯片的容量为2K8位，有2048个存储单元，需要11条地址线，7条用于行地址解码输入，4条用于列地址解码输入，每条列线控制8位，形成128128个存储阵列，即存储体中有16384个存储单元。6116有三条控制线：芯片选择CS、输出使能OE和读/写控制WE(低表示写操作)。结构如下：图6116引脚及功能框图，3。标准静态随机存取存储器集成电路典型的静态随机存取存储器集成电路芯片如下：(1)英特尔6264静态随机存取存储器芯片6264是一种采用互补金属氧化物半导体技术制成的8K8位静态读写存储器，其读写访问时间在20-20

11、0纳秒之间。当未选择芯片时，它可能处于低功耗状态。引脚如下图所示：图静态随机存取存储器6264引脚图，A0A12:地址信号线。D0d7: 8条双向数据线。CS1和CS2:芯片选择信号引线。只有当两个芯片选择信号同时有效时，即CS10和CS21，才能选择芯片。运行经验：输出使能信号。只有当OE0被允许时，芯片才被允许将某个单元的数据发送到芯片外的D0D7。写使能信号。当WE0时，允许将数据写入芯片；当使用WE1时，允许芯片的数据读出。NC:空英尺。表6264操作模式选择表(2)静态随机存取存储器集成电路62256 62256是一种32K8位、28引脚静态读/写存储器，采用互补金属氧化物半导体技术

12、制造，读/写访问时间在20-200纳秒范围内。当未选择芯片时，它处于低功耗状态。其引脚如下图所示：A0A14:地址信号线。Dq0dq7: 8条双向数据线。芯片选择信号引线。CS0可以选择这个芯片。运行经验：输出使能信号。当OE0时，允许芯片向芯片外的DQ0DQ7发送数据。写使能信号。当WE0时，允许将数据写入芯片；当使用WE1时，允许芯片的数据读出。表62256操作模式选择表1。动态随机存储器的基本存储电路动态随机存储器的基本存储电路由金属氧化物半导体单晶体管电路及其分布电容组成，具有高集成度、高速度、低功耗和低价格的特点。标准动态随机存取存储器集成电路中有64K位、256K位、1M位、4M位

13、、16M位和64M位。基本存储电路如下图所示：2 .动态读写存储器动态随机存取存储器，是动态随机存取存储器的单管基本存储电路。T1和C1构成基本的存储电路，C1是T1的电极间分布电容。当C1有电荷时，存储在存储单元中的信息是1，当没有电荷时，它指示0。T2是列选择管，C2是数据线上的分布电容，一般有C2C1。当T1和T2导通时，数据线导通，并且基本存储单元可以被读取或写入。C1容量小，充电后的电压约为0.2V，电压维持时间短，会泄漏约2毫秒，导致信息丢失，需要刷新。2.动态内存集成芯片2164A动态内存英特尔2164A是一款64K1位芯片，具有65536个基本存储电路，每个电路存储1位二进制信

14、息。要构建一个64KB的内存，需要8块2164A。2164A芯片的存储体应该构成一个256256的存储矩阵。为了提高工作速度(有必要减少行和列上的分布电容)，存储矩阵被分成四个128128矩阵，每个矩阵配备有128个读出放大器，每个放大器具有一组输入/输出控制(读/写控制)电路。引脚结构如下图所示：图英特尔2164A引脚图，A0-A7:地址信号输入引脚，分时接收中央处理器发送的8位行列地址；行地址选通信号的输入引脚，在低电平有效，也用作芯片选择信号。列地址选通信号输入引脚，低电平有效，表示当前正在接收列地址(此时应保持低电平)；写许可控制信号输入引脚，当处于低电平时，执行写操作；否则，执行读取

15、操作。数据输入引脚；DOUT:数据输出引脚；VDD: 5V电源引脚；Vss:接地；不适用：未使用的引脚。2164A的读/写操作由WE信号控制。在读取操作期间，WE处于高电平，所选单元的内容通过三态输出缓冲器从DOUT引脚输出。在写操作中，WE为低电平，DIN引脚上的信息通过数据输入缓冲器写入所选单元。2164A没有芯片选择信号，但实际上使用行地址和列地址选通信号RAS和CAS作为芯片选择信号。可以看出，芯片选择信号被分解成两部分：行选择信号和列选择信号。图2164A显示了内部结构图。多端口内存有多个端口，如双端口、三端口和四端口内存，每个端口都可以读写内存。DS1609是一个8位双端口静态随机

16、存取存储器，存储容量为512字节，有两个端口A和B.1.引脚和操作时序引脚和操作时序如下图所示：3 .多端口存储器，图DS1609双端口静态随机存取存储器，ad7ad0a:端口a的8位地址和数据多路复用引线，Ad7bad0b:端口b的8位地址和数据多路复用引线。OEB OEA:输出许可信号，低电平有效。写许可信号，在低级有效。CEB东航：芯片选择信号，低电平有效。读操作，图DS1609读时序，图DS1609写时序，写操作，2。两端口双端口存储器的同时操作存在A端口和B端口同时操作其存储单元的问题，其解释如下：(1)允许不同的存储单元同时读取或写入。(2)允许同时读取同一单元。(3)当一个端口写

17、入一个单元而另一个端口同时读取该单元时，读取的数据或者是旧数据或者是新写入的数据。因此，在这种情况下不会有混乱。(4)当两个端口同时向同一单元写入数据时，会导致竞争并产生错误。因此，这种情况应该以某种方式避免。消除竞争对于DS1609，当一个单元同时写入数据时，竞争就发生了。为了防止竞争的发生，可以设置两个额外的接口，这可以确保一个端口是只写的，另一个是只读的。该接口可由具有三态门输出的锁存器实现，如74LS373和74LS374。如果可能，您还可以在DS1609中设置两个单元：一个单元的A端口是只写的，B端口是只读的；另一方面，端口B只写，端口A只读。当端口A向DS1609写入数据时，首先读取端口B的写入状态。如果B端口不写，它将把自己的写数据写入存储单元。当B端口写入时，还需要查询A端口的状态。这个过程可以用下面的流程图来说明。4.连接用途下图中，DS1609与8088 CPU直接相连，另一端口与单片机相连，形成一个多机系统。5.3只读存储器只读存储器，这种存储芯片使用一个掩码过程来确定在生产过程中存储在每个存储单元中的二进制