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1、第四章半导体存储器第一页，本课件共有44页一、存储器分类一、存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存储程序和数据用来存储程序和数据存储元存储元存储单元存储单元存储器存储器一个二进制代码位，一个二进制代码位，是最小的存储单位是最小的存储单位由若干个存储元组成由若干个存储元组成1、按存储介质分类、按存储介质分类半导体存储器半导体存储器磁表面存储器磁表面存储器例：磁盘存储器，磁带存储器例：磁盘存储器，磁带存储器第一节第一节 概概 述述第二页，本课件共有44页2、按存取方式分类、按存取方式分类随机存储器随机存储器顺序存储器顺序存储器半顺序存储器半顺序存储器半导体
2、存储器，磁芯存储器半导体存储器，磁芯存储器磁带存储器磁带存储器3、按存储器的读写功能分类、按存储器的读写功能分类只读存储器（只读存储器（ROM）随机存储器（随机存储器（RAM）4、按信息的可保存性分类、按信息的可保存性分类永久性存储器永久性存储器非永久性存储器非永久性存储器磁盘存储器，磁盘存储器，ROMRAM即：直接存取存储器（即：直接存取存储器（DAMDAM）访问时读）访问时读/写部件先写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。访问时间与数据位置有关。磁盘存储器磁盘存储器第三页，本课件共有44页5、按串、并行存取方式分
3、类、按串、并行存取方式分类并行存储器并行存储器串行存储器串行存储器6、按在计算机系统中的作用分类、按在计算机系统中的作用分类主存储器主存储器控制存储器控制存储器辅助存储器辅助存储器缓冲存储器缓冲存储器分类分类3第四页，本课件共有44页半导体存储器半导体存储器双极型双极型半导体存储器半导体存储器MOS半导体存储器半导体存储器静态静态MOS存储器存储器(SRAM)动态动态MOS存储器存储器(DRAM)非易失非易失MOS存储器存储器（NVRAM）双极型半导体存储器：读写速度快，集成度低，功耗大。双极型半导体存储器：读写速度快，集成度低，功耗大。MOS型半导体存储器：读写速度慢，集成度高，功耗小。型半
4、导体存储器：读写速度慢，集成度高，功耗小。二、半导体存储器分类二、半导体存储器分类第五页，本课件共有44页三、只读存储器分类三、只读存储器分类掩膜编程的掩膜编程的ROM现场编程现场编程ROM可改写的可改写的PROM简称简称ROM，结构简单，集成度高，容易接口，价钱，结构简单，集成度高，容易接口，价钱便宜。便宜。适合于存储成熟的固定程序和数据适合于存储成熟的固定程序和数据产品出厂时，没有存储任何信息，使用时由用户根据产品出厂时，没有存储任何信息，使用时由用户根据需要自行写入信息，一旦写入，不可更改需要自行写入信息，一旦写入，不可更改速度高，功耗大，典型应用是作为高速计算机的微程序存储器速度高，功
5、耗大，典型应用是作为高速计算机的微程序存储器简称简称EPROM，用户既可以采用某种方法自行写入信，用户既可以采用某种方法自行写入信息，也可也可采用某种方法擦去并重新写入。息，也可也可采用某种方法擦去并重新写入。紫外线擦洗的紫外线擦洗的EPROM（UVEPROM）电擦洗的电擦洗的EPROM（E2PROM）作为标准程序或专用程序存作为标准程序或专用程序存储器储器可作为非易失性可作为非易失性RAM使用使用第六页，本课件共有44页存储容量存储容量一个存储器中可以容纳的存储单元总数，称为该存储器的存储容量一个存储器中可以容纳的存储单元总数，称为该存储器的存储容量常用字数或字节数（常用字数或字节数（B）表
6、示，如）表示，如64K字，字，512KB，10MBB：字节，：字节，8个二进制位个二进制位存取时间存取时间又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期存储周期连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。通常略大于存取时间，其时间单位为通常略大于存取时间，其时间单位为ns。存储容量反映了存储空间的大小存储容量反映了存储空间的大小存取时间和存储周期反映了主存的速度指标存取时间和存储周期反映了主存的速度指标技术指标续1KB=B1GB=B1MB=B1T
7、B=B四、存储器的技术指标四、存储器的技术指标第七页，本课件共有44页五、存储器的分级结构五、存储器的分级结构三级存储器结构：三级存储器结构：高速缓冲存储器：存储速度快，存储容量小，成本高。高速缓冲存储器：存储速度快，存储容量小，成本高。外存储器：存取速度慢，存储容量大，成本低。外存储器：存取速度慢，存储容量大，成本低。主存储器：存取速度，存储容量，成本均介于高速缓冲存储器主存储器：存取速度，存储容量，成本均介于高速缓冲存储器和外存储器之间。和外存储器之间。第八页，本课件共有44页第二节第二节 随机读写存储器随机读写存储器(RAM)(RAM)半导体存储器半导体存储器双极型双极型半导体存储器半导
8、体存储器MOS半导体存储器半导体存储器静态静态MOS存储器存储器(SRAM)动态动态MOS存储器存储器(DRAM)非易失非易失MOS存储器存储器（NVRAM）双极型半导体存储器：读写速度快，集成度低，功耗大。双极型半导体存储器：读写速度快，集成度低，功耗大。MOS型半导体存储器：读写速度慢，集成度高，功耗小。型半导体存储器：读写速度慢，集成度高，功耗小。第九页，本课件共有44页一、基本结构及组成地地址址译译码码器器存存储储矩矩阵阵存储器控制逻辑存储器控制逻辑三三态态双双向向缓缓冲冲器器A0A1AP-1D0D1DW-1R/WCEOE随机读写存储器的结构框图随机读写存储器的结构框图第二节第二节 随
9、机读写存储器随机读写存储器(RAM)(RAM)第十页，本课件共有44页1、存储矩阵、存储矩阵存储体：存储体：能够寄存二进制信息的基本存储电路的集合体能够寄存二进制信息的基本存储电路的集合体存储矩阵：存储矩阵：存储体中的基本存储电路配置成一定的阵列，并进行编址，因存储体中的基本存储电路配置成一定的阵列，并进行编址，因此存储体又称为存储矩阵。此存储体又称为存储矩阵。位结构位结构常用于动态存储器和大容量静态常用于动态存储器和大容量静态RAM中中基本存储电路的排列方法基本存储电路的排列方法N1结构结构N4结构结构N8结构结构字结构字结构常用于容量较小的静态常用于容量较小的静态RAM中中第十一页，本课件
10、共有44页2、地址译码器、地址译码器地址译码器接收来自地址译码器接收来自CPU的地址信号，并产生地址译码信号，以便选中存储矩阵的地址信号，并产生地址译码信号，以便选中存储矩阵中某一个或某几个基本存储电路，使其在控制逻辑的控制下进行读写操作。中某一个或某几个基本存储电路，使其在控制逻辑的控制下进行读写操作。X地地址址译译码码器器A0A1A2A30，015，00，1515，15Y地址译码器地址译码器I/OX0X1A4A5A6A7DDY0Y15DINDOUT存储容量：存储容量：2561位位存储矩阵存储矩阵16行行16列列行选信号列选信号如地址为如地址为00000000译码信号译码信号X0及及Y0选中
11、选中0，0号存储电路号存储电路第十二页，本课件共有44页3、存储器控制逻辑、存储器控制逻辑存储器控制逻辑通过存储器的控制信号引线端，接收来自存储器控制逻辑通过存储器的控制信号引线端，接收来自CPU或外部电路的控制或外部电路的控制信号，经过组合变换后，对存储矩阵、地址译码器以及三态双向缓冲器进行控制。信号，经过组合变换后，对存储矩阵、地址译码器以及三态双向缓冲器进行控制。常用控制引线端有常用控制引线端有选择应访问的存储器芯片控制输出三态缓冲器控制被选中芯片是进行读操作还是写操作芯片允许引线端芯片允许引线端或芯片开放引线端或芯片开放引线端输出禁止引线端输出禁止引线端或输出开放引线端或输出开放引线端
12、读写控制引线端读写控制引线端或写开放引线端或写开放引线端CE第十三页，本课件共有44页4、三态双向缓冲器、三态双向缓冲器半导体半导体RAM的数据输入的数据输入/输出控制电路多为三状态双向缓冲器结构，以输出控制电路多为三状态双向缓冲器结构，以便使系统中各存储器芯片的数据输入便使系统中各存储器芯片的数据输入/输出端能方便地挂接到系统数据总线输出端能方便地挂接到系统数据总线上。上。读出操作读出操作三态双向三态双向缓冲器缓冲器基本基本存储存储电路电路数据数据总线总线芯片开放信号及输出开放信号有效芯片开放信号及输出开放信号有效写信号无效或读写信号无效或读/写控制信号为读态写控制信号为读态写入操作写入操作
13、芯片开放信号及写信号有效芯片开放信号及写信号有效不进行读写不进行读写操作操作芯片开放信号无效芯片开放信号无效输出开放信号无效输出开放信号无效高阻第十四页，本课件共有44页二、典型存储器芯片举例二、典型存储器芯片举例1、Intel2114NMOS静态静态RAM1K4位位静态静态RAM，4位数据输入输出位数据输入输出端具有三态控制，所有的输入输出端均端具有三态控制，所有的输入输出端均与与TTL电路兼容电路兼容行行选选择择A3A4A5A6A7A8存储矩阵存储矩阵6464VCC地地输输入入数数据据控控制制I/O1I/O1I/O1I/O1CSWE列列I/O电路电路列选择列选择A0A1A2A9第十五页，本
14、课件共有44页2114引脚排列及逻辑符号引脚排列及逻辑符号地址端：地址端：2114（1K4）191018 A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEA9A0（入）（入）数据端：数据端：D3D0（入（入/出）出）控制端：控制端：片选片选CS=0 选中芯片选中芯片=1 未选中芯片未选中芯片写使能写使能WE=0 写写=1 读读电源、地电源、地第十六页，本课件共有44页CSWEI/O1X高阻00写I/O口01读I/O口其他静态其他静态RAM的结构与的结构与6116相似，只是地址线不同，常用的型号有相似，只是地址线不同，常用的型号有626
15、4，62256第十七页，本课件共有44页2、Intel2164动态动态RAMIntel2164的容量为的容量为64K1bit。2164（64K1）18916NC DIN WE RAS A0 A2 A1 VDDVss CASDout A6 A3 A4 A5 A7A0A7地址输入CAS列地址选通DIN数据输入DOUT数据输出WE写开放RAS行地址选通VDD+5VVSS地第十八页，本课件共有44页动态半导体存储器的刷新动态半导体存储器的刷新动态动态MOS存储单元以电容的充电电荷存储信息，如果它处于静态时，电存储单元以电容的充电电荷存储信息，如果它处于静态时，电容上存储的信息将因电荷泄漏而逐渐消失。为
16、了保持存储数据的正确，必容上存储的信息将因电荷泄漏而逐渐消失。为了保持存储数据的正确，必须反复的对存储单元进行充电以恢复原来的电荷，这一过程称为须反复的对存储单元进行充电以恢复原来的电荷，这一过程称为刷新刷新。刷新周期刷新周期从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍，所用的时间间隔称为刷新周期储器全部刷新一遍，所用的时间间隔称为刷新周期（或再生周期），一般为（或再生周期），一般为2ms。常用的刷新方式：常用的刷新方式：集中式刷新集中式刷新分散式刷新分散式刷新异步式刷新异步式刷新第十九页，本课件共有44页3.高集成度高集成度DRAM
17、和内存条和内存条存储芯片容量变大。存储芯片容量变大。1M1、1M4、4M1、16M1等。等。片内集成刷新电路。片内集成刷新电路。常用的内存条常用的内存条30线线(81)72线线(32+4)168线线(64+8)第二十页，本课件共有44页三、双口三、双口RAM1.双端口存储器双端口存储器由于由于CPU和主存储器在速度上不匹配，而且在一个和主存储器在速度上不匹配，而且在一个CPU周期中可能需要用几周期中可能需要用几个存储器字，这便限制了高速计算个存储器字，这便限制了高速计算,为了使为了使CPU不至因为等待存储器读写操作的不至因为等待存储器读写操作的完成而无事可做，可以采取一些加速完成而无事可做，可
18、以采取一些加速CPU和存储器之间有效传输的特殊措施和存储器之间有效传输的特殊措施双端口存储器双端口存储器双端口存储器是指同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路双端口存储器是指同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路,并行操作，是一种并行操作，是一种高速工作的存储器。高速工作的存储器。读写控制读写控制无冲突读写控制无冲突读写控制有冲突的读写控制有冲突的读写控制第二十一页，本课件共有44页第三节 只读存储器一、概述一、概述只读存储器只读存储器ROM，也称固定存储器，也称固定存储器或或永久存储器永久存储器ROM中信息的写入通常是在脱机或非正常工作的情况下用人工方式或中信息的写入通常是在脱机或非
19、正常工作的情况下用人工方式或电气方式写入的。对电气方式写入的。对ROM进行信息写入常称为进行信息写入常称为对对ROM进行编程进行编程。第二十二页，本课件共有44页二、只读存储器二、只读存储器ROM的分类的分类掩膜编程的掩膜编程的ROM现场编程现场编程ROM可改写的可改写的PROM简称简称ROM，用掩膜工艺来控制基本存储电路的晶体，用掩膜工艺来控制基本存储电路的晶体管能否工作，以便达到预先写入信息的目的。管能否工作，以便达到预先写入信息的目的。结构简单，集成度高，容易接口，价钱便宜。结构简单，集成度高，容易接口，价钱便宜。适合于存储成熟的固定程序和数据适合于存储成熟的固定程序和数据产品出厂时，没
20、有存储任何信息，使用时由用户根据需要自产品出厂时，没有存储任何信息，使用时由用户根据需要自行写入信息，一旦写入，不可更改行写入信息，一旦写入，不可更改速度高，功耗大，典型应用是作为高速计算机的微程序存储器速度高，功耗大，典型应用是作为高速计算机的微程序存储器简称简称EPROM，用户既可以采用某种方法自行写入信息，用户既可以采用某种方法自行写入信息，也可也可采用某种方法擦去并重新写入。也可也可采用某种方法擦去并重新写入。紫外线擦洗的紫外线擦洗的EPROM（UVEPROM）电擦洗的电擦洗的EPROM（E2PROM）作为标准程序或专用程序作为标准程序或专用程序存储器存储器可作为非易失性可作为非易失性
21、RAM使用使用第二十三页，本课件共有44页三、只读存储器典型产品举例三、只读存储器典型产品举例1.Intel2764UVEPROM存储器存储器Intel2764A有有13条地址线，条地址线，8条数据线，两个电压输入端条数据线，两个电压输入端Vcc和和Vpp，一个片选端，一个片选端CE，此外还有输出允许，此外还有输出允许OE和编程控制端和编程控制端PGM第二十四页，本课件共有44页Intel2764的工作方式选择的工作方式选择 引脚 方式CEOEPGMA9A0VppVcc数据端功能读低低高Vcc5V数据输出输出禁止低高高Vcc5V高阻备用高Vcc5V高阻编程低高低12.5V5V数据输入校验低低高
22、12.5V5V数据输出编程禁止高12.5V5V高阻标识符低低高高低高VccVcc5V5V制造商编码器件编码第二十五页，本课件共有44页2.并行并行EEPROM28162816是容量是容量2K8的电擦除的电擦除PROM，芯片的引脚排列与，芯片的引脚排列与2716一致，一致，只是在管脚定义上，数据线管脚只是在管脚定义上，数据线管脚对对2816来说是双向的。以适应读写来说是双向的。以适应读写工作模式。工作模式。突出特点：可以以字节为单位进行突出特点：可以以字节为单位进行擦除和重写。擦除和重写。2716的引脚排列的引脚排列第二十六页，本课件共有44页Intel2816的工作方式选择的工作方式选择 管脚
23、方式CEOEVpp数据线功能读方式低低46输出备用方式高46高阻字节擦除低高21输入为高电平字节写低高21输入片擦除低9V15V21输入为高电平擦写禁止高21高阻第二十七页，本课件共有44页四、新一代可编程只读存储器四、新一代可编程只读存储器1.闪速存储器是一种高密度、非易失性的读闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器，写半导体存储器，它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性。闪速闪速存储存储器的器的特点特点固有的非易失性固有的非易失性廉价的高密度廉价的高密度可直接执行可直接执行第二十八页，本课件共有44页2、用于存放、用
24、于存放BIOSBIOS是是BASICINPUT/OUTPUTSYSTEM的缩写，中文的缩写，中文意思为基本输入意思为基本输入/输出系统。输出系统。实际上，实际上，BIOS是一个程序，而且是计算机系统的一个是一个程序，而且是计算机系统的一个核心程序，控制着计算机部件（包括板卡，外设）的核心程序，控制着计算机部件（包括板卡，外设）的运作运作,负责在开机时检测，初始化系统设备、装入操作系统负责在开机时检测，初始化系统设备、装入操作系统并调度并调度OS向硬件发出的指令，是一个系统模块。向硬件发出的指令，是一个系统模块。第二十九页，本课件共有44页第四节第四节CPU与存储器的连接与存储器的连接一、连接时
25、应注意的问题一、连接时应注意的问题lCPU总线的带负载能力总线的带负载能力lCPU时序与存储器存取速度之间的配合时序与存储器存取速度之间的配合第三十页，本课件共有44页扩充方法扩充方法第四节第四节CPU与存储器的连接与存储器的连接二、存储器芯片的扩充二、存储器芯片的扩充1、位并联法、位并联法适用于主存储器的字数（即存储单元数）与存储器芯片的字数相同，但位数不适用于主存储器的字数（即存储单元数）与存储器芯片的字数相同，但位数不够的情况，即由够的情况，即由MN芯片芯片M8主存储器主存储器所需芯片数为所需芯片数为，其中，其中N是芯片每一存是芯片每一存储单元的位数储单元的位数扩展方法：地址线：直接相连
26、扩展方法：地址线：直接相连数据线：保留数据线：保留读写控制线和片选控制线：直接相连读写控制线和片选控制线：直接相连第三十一页，本课件共有44页例：用例：用16K1-16K8的存储器的存储器D0D1D7CPU128CS CSCSA0A13A0A13A0A13A0A13DDDCS第三十二页，本课件共有44页扩充方法扩充方法2、字扩展法、字扩展法位数不变，在字向进行扩充。位数不变，在字向进行扩充。如：如：16K8位存储器芯片位存储器芯片64K8主存储器主存储器需需4片片16K8芯片芯片地址线、数据线、地址线、数据线、读读/写控制线各自并联写控制线各自并联片选信号线保留片选信号线保留第三十三页，本课件
27、共有44页字扩展法组成的字扩展法组成的64K8位位RAMA13A0WED7D0CS16K8WECS16K8WECS16K8WECS16K8WE地址线、数据线、读写地址线、数据线、读写控制线各自并联控制线各自并联第三十四页，本课件共有44页3、字位扩展法字位扩展法在字向和位向上均进行扩充在字向和位向上均进行扩充如：存储容量为如：存储容量为MN位的存储器，若用位的存储器，若用LK位的存储器芯位的存储器芯片组成。共需片组成。共需个存储器芯片。个存储器芯片。例：用例：用2K4位存储器芯片组成位存储器芯片组成8K8位的存储器位的存储器扩展方法：扩展方法：先在位向上扩展，采用位并联法，每两片为一组，即一页
28、；先在位向上扩展，采用位并联法，每两片为一组，即一页；然后在字向上扩展，采用字扩展法，共四组。然后在字向上扩展，采用字扩展法，共四组。第三十五页，本课件共有44页字扩展法组成的字扩展法组成的64K8位位RAMA13A0WECS16K1WECS16K1WECS16K1WECS16K1WE8888D0D7D0D7D0D7D0D7D0D7第三十六页，本课件共有44页74LS1383:8译码芯片简介译码芯片简介Y0Y7译码输出端译码输出端E1、E2、E3选通输入端选通输入端A，B，C译码输入端译码输入端输入必须同时为0，0，1时有效低电平有效不同编码对应于唯一的译码输出端第三十七页，本课件共有44页三
29、、半导体存储器与三、半导体存储器与CPUCPU的连接的连接CPUMEM地址线地址线数据线数据线读写控制线读写控制线片内地址线片内地址线片选地址线片选地址线地址线地址线数据线数据线读写控制线读写控制线片选控制线片选控制线对应连接对应连接对应连接对应连接直接连接直接连接直接连接直接连接译码方案译码方案第三十八页，本课件共有44页线选例图地址范围：地址范围：设未连地址线为设未连地址线为1，以第一组为例，以第一组为例A15A14A13A12A11A10A1A0最低地址最低地址11100000最高地址最高地址11101111E000HEFFFH用线选方案构成的存用线选方案构成的存储器，地址不连续，储器，
30、地址不连续，编程较困难。只适用编程较困难。只适用于较小的存储器系统于较小的存储器系统第三十九页，本课件共有44页中中央央处处理理器器CPUA15A14A13A0WED7D0译译码码器器CS16K8WECS16K8WECS16K8WECS16K8WE00011110低14位片内地址高2位片选地址芯片号地址范围片选片内地址十六进制表示A15 A14A13 A1 A0第一片最低地址最高地址 0 0 0 000000000000000111111111111110000H3FFFH地址线、数据线、读地址线、数据线、读写控制线各自并联写控制线各自并联第四十页，本课件共有44页芯片芯片各芯片地址范围各芯片
31、地址范围片选片选片内地址片内地址十六进制表示十六进制表示A15A14A13A1A0第一片第一片最低地址最低地址0000,0000,0000,00000000H最高地址最高地址0011,1111,1111,11113FFFH第二片第二片最低地址最低地址0100,0000,0000,00004000H最高地址最高地址0111,1111,1111,11117FFFH第三片第三片最低地址最低地址1000,0000,0000,00008000H最高地址最高地址1011,1111,1111,1111BFFFH第四片第四片最低地址最低地址1100,0000,0000,0000C000H最高地址最高地址111
32、1,1111,1111,1111FFFFH第四十一页，本课件共有44页A19A18A17A16A15A14A13A126116ASRAM74LS245D7D0A10A0MEMWMEMRWECSOEDIREP253图图4.31问问:6116A的地址的地址范围范围?74LS30第四十二页，本课件共有44页A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10.A0最低地址最低地址:1010,0000,0000,0000,0000最高地址最高地址:1010,0000,0111,1111,1111A0000HA07FFH由于由于A11没有用上，存在地址覆盖！没有用上，存在地址覆盖！11A0800HA0FFFH第四十三页，本课件共有44页四、四、IBMPC/XT中的存储器中的存储器1.存储空间的分配存储空间的分配地址范围名称功能00000H7FFFFH系统板上的512KB系统板存储器80000H9FFFFH128KB基本RAMI/O通道主存储器A0000HBFFFFH128KB显示存储器保留给显示卡用C0000HEFFFFH192KB控制ROM保留给硬盘适配器，显示卡用F0000HFFFFFH系统板上64KBROMBIOS、BASIC用第四十四页，本课件共有44页