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1、接口第次课存储器组织第1页，共30页，编辑于2022年，星期日内容（Outline）l lPart 1 概述l lPart 2 随机存储器RAMl lPart 3 只读存储器ROMl lPart 4 CPU与存储器的连接l lPart 5 高速缓冲存储器l lPart 6 外部存储器（了解）第2页，共30页，编辑于2022年，星期日概述概述存储器是计算机中除存储器是计算机中除CPU CPU 以外的最重要的组成部分以外的最重要的组成部分l l内部存储器（主存）：内部存储器（主存）：主要是半导体存储器。主要是半导体存储器。l l外部存储器（辅存）：外部存储器（辅存）：磁盘（磁介质）磁盘（磁介质）光
2、盘（光敏介质）光盘（光敏介质）U U盘（移动存储器件）盘（移动存储器件）l l内存特点：内存特点：速度快，容量相对较小，易失性。在主机板速度快，容量相对较小，易失性。在主机板 上，上，存放当前运行的程序和数据。存放当前运行的程序和数据。l l外存特点：外存特点：独立于主板，有独立于主板，有专用的专用的专用的专用的I I/OO接口接口接口接口与主机相连，与主机相连，容量大，但速度相对较慢。容量大，但速度相对较慢。第3页，共30页，编辑于2022年，星期日第4页，共30页，编辑于2022年，星期日半导体存储器l l采用大规模集成电路技术采用大规模集成电路技术,集成度高。按存取方式可集成度高。按存取
3、方式可分为：分为：l l随机存储器随机存储器(Random Access Memory)(Random Access Memory)：可以进行读写操作；：可以进行读写操作；掉电会丢失信息；集成度高，性价比好。掉电会丢失信息；集成度高，性价比好。l lSRAMSRAM（Static RAMStatic RAM）DRAM DRAM（Dynamic RAMDynamic RAM）l lDDR RAM(Double-Data-Rate Synchronous Dynamic RAM)DDR RAM(Double-Data-Rate Synchronous Dynamic RAM)l l只读存储器只读存
4、储器(ROM)(ROM)掉电或关机，其中的信息不会丢失，是非易失性掉电或关机，其中的信息不会丢失，是非易失性存储器；可以保存固化的程序和数据；存储器；可以保存固化的程序和数据；l l掩模掩模ROMROM：由厂家把程序和数据一次写入其中：由厂家把程序和数据一次写入其中l l可编程可编程ROMROM：允许程序员把程序和数据一次写入：允许程序员把程序和数据一次写入l lEPROM:EPROM:程序员可根据需要程序员可根据需要,进行多次擦除和写入进行多次擦除和写入第5页，共30页，编辑于2022年，星期日l l存储容量存储容量：表示存储芯片的存储能力。存储容量=单元数 每个单元的数位宽通常以KB、MB
5、为单位l l存取时间存取时间：从存储芯片地址引脚上信号有效开始，到完成数据的读出或写入的时间间隔，通常给出的是最大存取时间。TTL器件：十几几十 ns 之间MOS器件：几十几百ns 之间半导体存储器的主要指标第6页，共30页，编辑于2022年，星期日l l功耗功耗：大规模集成电路的一个重要指标。由于集：大规模集成电路的一个重要指标。由于集 成电路成电路集成度高，电流密度大，因此发热量大，所以要尽量减少功集成度高，电流密度大，因此发热量大，所以要尽量减少功耗。一般说来，耗。一般说来，CMOSCMOS器件的功耗要低于器件的功耗要低于TTLTTL器件。器件。l l可靠性可靠性可靠性可靠性：可靠性有两
6、个含义：可靠性有两个含义：l l对环境变化的抗干扰能力，保证在极限条件下能可靠地执行读对环境变化的抗干扰能力，保证在极限条件下能可靠地执行读/写操作；写操作；l l无故障工作时间，一般平均无故障工作时间在数千小时以上。无故障工作时间，一般平均无故障工作时间在数千小时以上。l l其它指标其它指标：除以上提到的指标外，还有芯片的工作：除以上提到的指标外，还有芯片的工作 温度、体积、价格等。温度、体积、价格等。半导体存储器的主要指标第7页，共30页，编辑于2022年，星期日内容（Outline）l lPart 1 概述l lPart 2 随机存储器RAMl lPart 3 只读存储器ROMl lPa
7、rt 4 CPU与存储器的连接l lPart 5 高速缓冲存储器l lPart 6 外部存储器（了解）第8页，共30页，编辑于2022年，星期日l l SRAMRAMMOS MOS 器件有很多优点：工艺简单，集成度高，功耗低，价格器件有很多优点：工艺简单，集成度高，功耗低，价格便宜，因此是计算机中广泛使用的器件。便宜，因此是计算机中广泛使用的器件。基本单元电路基本单元电路基本单元电路基本单元电路：用来存储一位二进制信用来存储一位二进制信息的电路息的电路。右图是6管的双稳态触发电路。其中的T1、T2、T3、T4组成了一个双稳态触发器，T1、T2为两个交叉耦合的反向管，T3、T4为负载管。第9页，
8、共30页，编辑于2022年，星期日SRAM 的工作原理l l存储器是由基本单元电路组成的矩阵阵列一般包括：l l存储矩阵、地址译码电路、控制逻辑、三态门I/O缓冲器第10页，共30页，编辑于2022年，星期日l l存储矩阵l l每个位面上的各单元电路排成行、列结构的平面阵列，叫存储每个位面上的各单元电路排成行、列结构的平面阵列，叫存储矩阵，形成一个位面。矩阵，形成一个位面。l l同一个位面上的各个存储单元的数据线连在一起组成存储同一个位面上的各个存储单元的数据线连在一起组成存储单元的一个单元的一个 “位位”。各个不同的位面组合起来，组成了存储电。各个不同的位面组合起来，组成了存储电路的路的“字
9、字”的结构。的结构。l l地址译码器地址译码器l l存储芯片上的地址译码电路，可以对地址信号进行译码，选存储芯片上的地址译码电路，可以对地址信号进行译码，选中平面阵列上的一个单元。中平面阵列上的一个单元。l l分组译码分组译码 线性译码线性译码l l逻辑控制和三态缓冲器逻辑控制和三态缓冲器l lCSCS或者或者CE R/WCE R/W或者或者WE OEWE OEl l高位译码为片选；高位译码为片选；R/WR/W决定操作类型，决定操作类型，OE(Output Enable)OE(Output Enable)控制三控制三态缓冲器态缓冲器l l实际工作中应该以使用手册为准实际工作中应该以使用手册为准
10、第11页，共30页，编辑于2022年，星期日分组译码举例l l61166116（2K*82K*8位）芯片地址线分成行地址和列地址两组位）芯片地址线分成行地址和列地址两组（128128行、行、128128列），如果该芯片被选中。由于地址线列），如果该芯片被选中。由于地址线只有只有1111根（行根（行7 7列列4 4），因此每），因此每8 8列公用一个列线。每次列公用一个列线。每次操作为操作为8 8位。位。l l若地址信号若地址信号 A10A0=1001010 0111 A10A0=1001010 0111l l则，列则，列 A3A0=0111 A3A0=0111；行；行A10A4=1001010
11、 A10A4=1001010。l l选中第选中第7474行第行第7 7列交叉点处的单元电路，在读写控制电路的列交叉点处的单元电路，在读写控制电路的控制作用下，完成对选中单元的读操作或写操作。控制作用下，完成对选中单元的读操作或写操作。第12页，共30页，编辑于2022年，星期日 控制逻辑就是以上图中的读写控制部分。其外部引脚是：CS：片选信号，通常是用总线的高位地址的译码输出作 为片选信号。WE：读写控制端，用来控制对选中的存储单元的读、写 操作。OE：输出允许控制，用来控制存储芯片的数据输出线。第13页，共30页，编辑于2022年，星期日 基本单元电路基本单元电路 动态RAM l l采用单管
12、单元电路，依靠电容存储电荷。l l优点：所需的元件数少，位优点：所需的元件数少，位密度高，成本低。密度高，成本低。l l缺点：电容储存的电荷因漏缺点：电容储存的电荷因漏电而无法长期保存信息，附电而无法长期保存信息，附加电路相对复杂。加电路相对复杂。第14页，共30页，编辑于2022年，星期日DRAM工作原理l l写操作时：写操作时：l l行线、列线为高电平，单元被选中，行线、列线为高电平，单元被选中，外部数据线上的电平信号经外部数据线上的电平信号经T2T2、刷新、刷新放大器、放大器、T1T1对电容对电容C C充电充电/或放电，使或放电，使电容电容C C的电平与数据线电平相等。的电平与数据线电平
13、相等。l l 读操作时：读操作时：l l行地址译码后有一行被选中，处于行地址译码后有一行被选中，处于该行的所有单元电路的该行的所有单元电路的T1T1都导通，都导通，各列上所有的刷新放大器均读区各各列上所有的刷新放大器均读区各自位线上的信息并经过鉴别后，对自位线上的信息并经过鉴别后，对电容电容C C进行一次回写操作，这个过进行一次回写操作，这个过程叫程叫刷新刷新刷新刷新。注意，只有被选中的那。注意，只有被选中的那一一 列，其状态才会被读到数据线。列，其状态才会被读到数据线。在读操作时，被选中的那一行上的所有单元也都会进行一次刷新操作。第15页，共30页，编辑于2022年，星期日DRAMDRAM芯
14、片芯片基本单元电路构成矩阵阵列基本单元电路构成矩阵阵列大多采用位结构形式大多采用位结构形式4K4K1 1位，位，8 K8 K1 1位，位，16K16K1.1.设有行列地址锁存器，可以将地址分设有行列地址锁存器，可以将地址分2 2次输入，减少引脚次输入，减少引脚Intel 2118Intel 2118（16K*116K*1位）存储电路由位）存储电路由128128128128阵列组成阵列组成第16页，共30页，编辑于2022年，星期日l l存储器内部的行、列地址分时锁存：地址信号分两次输入，可以减少芯片的引脚数目。l lRASRAS、CASCAS：分别为行地址选通和列地址：分别为行地址选通和列地址
15、选通（信号由系统提供），分别用来控制选通（信号由系统提供），分别用来控制将行地址和列地址分两次锁存到各自的锁将行地址和列地址分两次锁存到各自的锁存器中。存器中。l l存储器存储器Intel2118 Intel2118 芯片的简述：芯片的简述：A6A0 A6A0：7 7条地址线；条地址线；WE WE：写控制，低电平有效；：写控制，低电平有效；RAS RAS、CASCAS：行、列地址选通；：行、列地址选通；DIN DIN：数据输入端；：数据输入端；DOUT DOUT：数据输出端。：数据输出端。第17页，共30页，编辑于2022年，星期日l lRAS RAS 有效，时钟发生器有效，时钟发生器1 1产
16、生选通脉冲，锁存行地址产生选通脉冲，锁存行地址l lCAS CAS 有效，由时钟发生器有效，由时钟发生器2 2产生选通脉冲，锁存列地址产生选通脉冲，锁存列地址l l行、列地址经各自的译码器后，形成行、列地址经各自的译码器后，形成128128条行线和条行线和128128条列线，可以实条列线，可以实现片内寻址功能现片内寻址功能l l行地址译码后将选中一行，对一行中的所有单元读出，由读出放大器鉴别、行地址译码后将选中一行，对一行中的所有单元读出，由读出放大器鉴别、放大和刷新。放大和刷新。l l读操作：读操作：l l列地址译码后选中一列，仅当行、列地址选中的单元，且在列地址译码后选中一列，仅当行、列地
17、址选中的单元，且在WEWE=1=1时，数据经时，数据经2 2选选1 1的的 I/O I/O 门、输出缓冲器被读到外部的门、输出缓冲器被读到外部的DOUTDOUT上。上。l l写操作：写操作：l l地址操作与刷新同上，仅当地址操作与刷新同上，仅当WEWE=0=0时，时，DIN DIN缓冲打开，缓冲打开，DINDIN经经2 2选选1 I/O 1 I/O 门写入。门写入。第18页，共30页，编辑于2022年，星期日l lDRAMDRAM的刷新：的刷新：l l由于由于DRAMDRAM靠极间电容存储信息，内部存在的电阻所形成的靠极间电容存储信息，内部存在的电阻所形成的放电回路使信息容易丢失，所以刷新的目
18、的是对存储器进行放电回路使信息容易丢失，所以刷新的目的是对存储器进行“充电充电”。l l所谓动态刷新就是要定时地、重复地对系统的所谓动态刷新就是要定时地、重复地对系统的DRAMDRAM存储存储器件进行器件进行“读出读出”和和“恢复恢复”的操作。的操作。l l刷新周期：相邻两次刷新的间隔时间。不能太长，太长刷新周期：相邻两次刷新的间隔时间。不能太长，太长会丢失信息；也不能太短，刷新过多会影响存储器的访会丢失信息；也不能太短，刷新过多会影响存储器的访问速度。问速度。第19页，共30页，编辑于2022年，星期日集中方式分散方式透明方式RAM的刷新方式l l按时间分配方案，可分为按时间分配方案，可分为
19、l l集中方式集中方式l l2ms 2ms 内，前段时间用于常规的存储器访问，仅在最后的时间段（内，前段时间用于常规的存储器访问，仅在最后的时间段（tRn tRn行行 ）执行片内全部的行地址刷新。刷新期间，执行片内全部的行地址刷新。刷新期间，CPUCPU处于等待状态。处于等待状态。l l 分散方式分散方式l l将每一行的刷新均匀地分散在将每一行的刷新均匀地分散在2ms 2ms 的时间内。的时间内。l l 透明方式透明方式l l将存储器的刷新也作为工作周期，通常情况下放在总线的空闲周期内进将存储器的刷新也作为工作周期，通常情况下放在总线的空闲周期内进行，当刷新与存储器访问发生冲突时，则刷新具有更
20、高的优先级。行，当刷新与存储器访问发生冲突时，则刷新具有更高的优先级。第20页，共30页，编辑于2022年，星期日新型的 RAM 器件介绍l l随着随着CPUCPU性能的不断提高，人们对存储器件性能的期望值性能的不断提高，人们对存储器件性能的期望值也越来越高，即速度尽可能的快，容量尽可能的大，功耗也越来越高，即速度尽可能的快，容量尽可能的大，功耗尽可能的小，因此近年来出现了不少新的尽可能的小，因此近年来出现了不少新的RAMRAM器件（参器件（参阅阅内存发展史）l lEDOEDO：即：即 Extended Data Out Extended Data Out。l lSDRAM SDRAM（Syn
21、chronous DRAMSynchronous DRAM）同步式）同步式DRAMDRAM器件。器件。l lDDRDDR：即双速的：即双速的SDRAMSDRAM器件（器件（Double-Data-Rate Double-Data-Rate SDRAM SDRAM），市场主流，比），市场主流，比SDRAMSDRAM几乎快几乎快1 1倍。倍。第21页，共30页，编辑于2022年，星期日内容（Outline）l lPart 1 概述l lPart 2 随机存储器RAMl lPart 3 只读存储器ROMl lPart 4 CPU与存储器的连接l lPart 5 高速缓冲存储器l lPart 6 外部
22、存储器（了解）第22页，共30页，编辑于2022年，星期日l l只读存储器只读存储器ROMROM通常是指其中的信息是固定的或者是永久性的半导通常是指其中的信息是固定的或者是永久性的半导体存储器件。体存储器件。计算机运行时只能读出，不能写入，即使掉电或关机，计算机运行时只能读出，不能写入，即使掉电或关机，其中的信息也不会丢失。其中的信息也不会丢失。l l通常使用通常使用ROMROM存放固定的程序和数据，如引导程序、监控程存放固定的程序和数据，如引导程序、监控程序或高级语言的解释程序、基本的输入输出程序等。序或高级语言的解释程序、基本的输入输出程序等。l l在完整的计算机系统中，既有在完整的计算机
23、系统中，既有RAMRAM模块，又有模块，又有ROMROM模块。模块。l l ROM ROM 的种类：的种类：l l掩模掩模ROMROM：由厂家生产时采用掩模操作写入，用户只能使用，不能改变其内：由厂家生产时采用掩模操作写入，用户只能使用，不能改变其内容。容。l lPROMPROM：即可编程：即可编程ROMROM。由用户对其编程写入，但只能写入一次。由用户对其编程写入，但只能写入一次。l lEPROMEPROM：即可擦可编程：即可擦可编程ROMROM。由用户对其编程写入。可以采用特殊。由用户对其编程写入。可以采用特殊的方法或设备进行擦除或重写。的方法或设备进行擦除或重写。只读存储器 ROM第23
24、页，共30页，编辑于2022年，星期日l lROM ROM 的单元电路可以是二极管、的单元电路可以是二极管、MOSMOS型晶体管、或者双极型晶体管、或者双极型晶体管。型晶体管。MOS MOS型晶体管由于其集成度高、功耗低而被普型晶体管由于其集成度高、功耗低而被普遍采用。遍采用。掩模ROM第24页，共30页，编辑于2022年，星期日l l行线决定一个字，也叫“字线”。l l行线与列线的交叉处表示某个字的一个“位”，所以列线也叫“位线”l l行线与列线的交叉处有MOS管为0，没有MOS管的地方为1l l当给出地址码后，有且只有一根字线呈高电平，该字线上，所有有MOS管的位线输出为0，没有MOS管的
25、位线输出为1ROM 的结构特点第25页，共30页，编辑于2022年，星期日l lPROMPROM一般以二极管或三极管作为基本单元一般以二极管或三极管作为基本单元电路，采用字线和位线的结构。电路，采用字线和位线的结构。l l结构特点：所有的字线和位线结构特点：所有的字线和位线 交叉处都有一个晶体交叉处都有一个晶体管，集电极直接连管，集电极直接连 VCC VCC，射极与位线间跨接一个，射极与位线间跨接一个熔丝。熔丝。l l编程：编程：l l输出地址码，选择相应的字线为高电平输出地址码，选择相应的字线为高电平l l（写）如要在某位写入（写）如要在某位写入 0 0，相应位线施加低电平，相应位线施加低电
26、平，T T导通，导通，控制电流恰好把熔丝烧断又不烧坏晶体控制电流恰好把熔丝烧断又不烧坏晶体管。要写入管。要写入1 1的位线加高电平，的位线加高电平，T T截至，不会被熔截至，不会被熔断。断。l l（读）在所选的字线上，某位上的熔丝完好，则（读）在所选的字线上，某位上的熔丝完好，则T T导通，位线上的电平被上拉到导通，位线上的电平被上拉到“1”“1”电平；若熔丝电平；若熔丝被烧断，则处于无源状态输出被烧断，则处于无源状态输出“0”“0”电平。电平。PROM第26页，共30页，编辑于2022年，星期日EPROMl l可以进行多次地擦除和重写的可编程可以进行多次地擦除和重写的可编程ROMROM。l
27、lEPROM EPROM 的组成原理：的组成原理：l l由一个由一个MOSMOS管和一个管和一个P P沟道的浮置栅雪崩注入式沟道的浮置栅雪崩注入式MOSMOS管管（FAMOSFAMOS）组成，）组成，MOSMOS的管栅极与字线相连，的管栅极与字线相连，MOS MOS的管的管漏极与位线相连。漏极与位线相连。l l初始状态初始状态EPROMEPROM里面的数据是什么？里面的数据是什么？第27页，共30页，编辑于2022年，星期日EPROM 的编程l l输入地址码，选择相应的字线为高电平。l l写：l l写入：在对应的写入：在对应的 FAMOS FAMOS管的漏极和源极之间加管的漏极和源极之间加 2
28、5V25V的直流高压，施加的直流高压，施加 50ms 50ms 的编程脉冲。的编程脉冲。l l恢复：用紫外线通过石英窗照射使栅极电荷形成恢复：用紫外线通过石英窗照射使栅极电荷形成光电漏走而恢复光电漏走而恢复FAMOSFAMOS截止状态。截止状态。l l读：该字的各个位线的信息皆被读出。若对应位线上的FAMOS的浮置栅曾被注入电荷，则FAMOS导通，位线被下拉到0电平，否则输出“1”电平。第28页，共30页，编辑于2022年，星期日l lEPROM 芯片的举例：Intel 2716(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)、27128(16K8)等第29页，共30页，编辑于2022年，星
29、期日l l存储容量存储容量 2K 2K8 8l lA10A0 A10A0：1111位地址分成位地址分成7 7位行地址和位行地址和 4 4位列地址，分别进行位列地址，分别进行译码来选择一条译码来选择一条“字线字线”。l lO7O0 O7O0：8 8位数据线（编程时为数据的输入端）。位数据线（编程时为数据的输入端）。l l三种工作方式（具体可参阅手册）：三种工作方式（具体可参阅手册）：l l读出方式：读数据读出方式：读数据l l未选中：输出高阻，隔离状态未选中：输出高阻，隔离状态l l功率下降方式：输出为隔离状态，功率降为功率下降方式：输出为隔离状态，功率降为1/41/4l l编程方式：选定地址，数据线输入编程方式：选定地址，数据线输入EPROM-Intel 2716 第30页，共30页，编辑于2022年，星期日