羅克露計算機組成原理課件-4存儲器-2半導體M06級課件

1、第二節(jié)第二節(jié) 半導體存儲器半導體存儲器工藝工藝MOSMOS型型TTLTTL型型ECLECL型型速度很快、速度很快、功耗大、功耗大、電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOS功耗小、功耗小、工作方式工作方式靜態(tài)靜態(tài)MOSMOS動態(tài)動態(tài)MOSMOS存儲信存儲信息原理息原理靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器SRAMSRAM動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器DRAMDRAM（雙極型、靜態(tài)（雙極型、靜態(tài)MOSMOS型）：型）： 依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機依靠雙穩(wěn)態(tài)電路內(nèi)部交叉反饋的機制存儲信息。制存儲信息。（動態(tài)（動態(tài)MOSMOS型）：型）： 依靠電容存儲電荷的原理存儲信息。依靠電容存儲電荷的原理存儲信息

2、。功耗較大功耗較大, ,速度快速度快, ,作作CacheCache。功耗較小功耗較小, ,容量大容量大, ,速度較快速度較快, ,作主存。作主存。（靜態(tài)（靜態(tài)MOSMOS除外）除外）4.2.1 4.2.1 靜態(tài)靜態(tài)MOSMOS存儲單元與存儲芯片存儲單元與存儲芯片1.1.六管單元六管單元（1 1）組成）組成T1T1、T3T3：MOSMOS反相器反相器VccVcc觸發(fā)器觸發(fā)器T3T3T1T1T4T4T2T2T2T2、T4T4：MOSMOS反相器反相器T5T5T6T6T5T5、T6T6：控制門管：控制門管Z ZZ Z：字線，：字線，選擇存儲單元選擇存儲單元位線，位線，完成讀完成讀/ /寫操作寫操作W

3、 WW WW W、W W：（2 2）定義）定義“0”“0”：T1T1導通，導通，T2T2截止；截止；“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2導通。導通。（3 3）工作）工作T5T5、T6T6Z Z：加高電平，加高電平，高、低電平，寫高、低電平，寫1/01/0。（4 4）保持）保持只要電源正常，保證向?qū)ü芴峁╇娏?，便能維持一管導只要電源正常，保證向?qū)ü芴峁╇娏?，便能維持一管導通，另一管截止的狀態(tài)不變，通，另一管截止的狀態(tài)不變，稱稱靜態(tài)靜態(tài)。VccVccT3T3T1T1T4T4T2T2T5T5T6T6Z ZW WW W導通，選中該單元。導通，選中該單元。寫入：寫入：在在W W、W W上分別加

4、上分別加讀出：讀出：根據(jù)根據(jù)W W、W W上有無上有無電流，讀電流，讀1/01/0。Z Z：加低電平，加低電平， T5T5、T6T6截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。2.2.存儲芯片存儲芯片例例.SRAM.SRAM芯片芯片21142114（1K1K4 4位）位）外特性：外特性：靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀出后不需重寫。靜態(tài)單元是非破壞性讀出，讀出后不需重寫。地址端：地址端：21142114（1K1K4 4）1 19 910101818A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDA6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9

5、D0 D1 D2 D3 WEVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WEA9A9A0A0（入）（入）數(shù)據(jù)端：數(shù)據(jù)端： D3D3D0D0（入（入/ /出）出）控制端：控制端：片選片選CSCS= 0 = 0 選中芯片選中芯片= 1 = 1 未選中芯片未選中芯片寫使能寫使能WEWE= 0 = 0 寫寫= 1 = 1 讀讀電源、地電源、地4.2.2 4.2.2 動態(tài)動態(tài)MOSMOS存儲單元與存儲芯片存儲單元與存儲芯片1.1.四管單元四管單元（1 1）組成）組成T1T1、T2T2：記憶管：記憶管C1C1、C2C2：柵極電容：柵極電容T3T3、T4T4：控制門管：控制門管Z Z：字線：字線位線位

6、線W W、W W：（2 2）定義）定義“0”“0”：T1T1導通，導通，T2T2截截止止“1”“1”：T1T1截止，截止，T2T2導通導通T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2（C1C1有電荷，有電荷，C2C2無電荷）；無電荷）；（C1C1無電荷，無電荷，C2C2有電荷）。有電荷）。（3 3）工作）工作Z Z：加高電平，加高電平，T3T3、T4T4導通，選中該單元。導通，選中該單元。2.2.單管單元單管單元（1 1）組成）組成（4 4）保持）保持T1T1T2T2T3T3T4T4Z ZW WW WC1C1C2C2寫入：寫入：在在W W、W W上分別加上分別加高、低電平

7、，寫高、低電平，寫1/01/0。讀出：讀出：W W、W W先預充電至先預充電至再根據(jù)再根據(jù)W W、W W上有無電流，上有無電流，高電平，斷開充電回路，高電平，斷開充電回路，讀讀1/01/0。Z Z：加低電平，加低電平，T3T3、T4T4截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。需定期向電容補充電荷（動態(tài)刷新），需定期向電容補充電荷（動態(tài)刷新），稱稱動態(tài)動態(tài)。 四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實現(xiàn)刷新。四管單元是非破壞性讀出，讀出過程即實現(xiàn)刷新。C C：記憶單元：記憶單元C CW WZ ZT TT T：控制門管：控制門管Z Z：字線：字線W W：位線：位線3.3.存儲芯片

8、存儲芯片（2 2）定義）定義（4 4）保持）保持寫入：寫入：Z Z加高電平，加高電平，T T導通，導通，在在W W上加高上加高/ /低電平，寫低電平，寫1/01/0。讀出：讀出：W W先預充電，先預充電，根據(jù)根據(jù)W W線電位的變化，讀線電位的變化，讀1/01/0。斷開充電回路。斷開充電回路。Z Z：加低電平，加低電平，T T截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。截止，該單元未選中，保持原狀態(tài)。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫。單管單元是破壞性讀出，讀出后需重寫?！?”“0”：C C無電荷，電平無電荷，電平V0V0（低）（低）C CW WZ ZT T外特性：外特性：“1”“1”：C C有電荷，電平有

9、電荷，電平V1V1（高）（高）（3 3）工作）工作Z Z加高電平，加高電平，T T導通，導通，例例.DRAM.DRAM芯片芯片21642164（64K64K1 1位）位）地址端：地址端：21642164（64K64K1 1）1 18 89 91616GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A7GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A7A7A7A0A0（入）（入）數(shù)據(jù)端：數(shù)據(jù)端：DiDi（入）（入）控制端：控制端：片選片選寫使能寫使能WEWE= 0 = 0 寫寫= 1 = 1 讀讀電源、地電源、地空閑空閑/ /刷新刷新 Di WE RAS A0 A2 A1 VccDi WE RAS

10、 A0 A2 A1 Vcc分時復用，提供分時復用，提供1616位地址。位地址。DoDo（出）（出）行地址選通行地址選通RASRAS列地址選通列地址選通CASCAS：=0=0時時A7A7A0A0為行地址為行地址高高8 8位地址位地址：=0=0時時A7A7A0A0為列地址為列地址低低8 8位地址位地址1 1腳未用，或在新型號中用于片內(nèi)自動刷新。腳未用，或在新型號中用于片內(nèi)自動刷新。4.2.3 4.2.3 半導體存儲器邏輯設(shè)計半導體存儲器邏輯設(shè)計需解決：需解決：芯片的選用、芯片的選用、例例1.1.用用21142114（1K1K4 4）SRAMSRAM芯片組成容量為芯片組成容量為4K4K8 8的存儲器

11、。地址總線的存儲器。地址總線A15A15A0A0（低）（低）, ,雙向數(shù)據(jù)雙向數(shù)據(jù)總線總線D7D7D0D0（低）（低）, ,讀讀/ /寫信號線寫信號線R/WR/W。給出芯片地址分配與片選邏輯給出芯片地址分配與片選邏輯, ,并畫出并畫出M M框圖?？驁D。1.1.計算芯片數(shù)計算芯片數(shù)動態(tài)動態(tài)M M的刷新、的刷新、（1 1）先擴展位數(shù)，再擴展單元數(shù)。）先擴展位數(shù)，再擴展單元數(shù)。主存的組織主存的組織涉及：涉及：主存的校驗。主存的校驗。地址分配與片選邏輯、地址分配與片選邏輯、信號線的連接。信號線的連接。 2 2片片1K1K4 4 1K1K8 8 4 4組組1K1K8 8 4K4K8 8 8 8片片 M

12、M的邏輯設(shè)計、的邏輯設(shè)計、存儲器尋址邏輯存儲器尋址邏輯2.2.地址分配與片選邏輯地址分配與片選邏輯（2 2）先擴展單元數(shù)，再擴展位數(shù)。）先擴展單元數(shù)，再擴展位數(shù)。 4 4片片1K1K4 4 4K4K4 4 2 2組組4K4K4 4 4K4K8 8 8 8片片 芯片內(nèi)的尋址系統(tǒng)芯片內(nèi)的尋址系統(tǒng)( (二級譯碼二級譯碼) )芯片外的芯片外的地址分配地址分配與與片選邏輯片選邏輯為芯片分配哪幾位地址，為芯片分配哪幾位地址，以便尋找片內(nèi)的存儲單以便尋找片內(nèi)的存儲單元元由哪幾位地址形由哪幾位地址形成芯片選擇邏輯，成芯片選擇邏輯，以便尋找芯片以便尋找芯片存儲空間分配：存儲空間分配：4KB4KB存儲器在存儲器在

13、1616位地址空間（位地址空間（64KB64KB）中占據(jù)）中占據(jù)任意連續(xù)區(qū)間。任意連續(xù)區(qū)間。64KB64KB1K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 4需需1212位地址位地址尋址：尋址：4KB4KBA A1515A A1212A A1111A A1010A A9 9AA0 0A11A11A0A00 0 0 0 0 0 0 0任意值任意值 0 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 11 0 1 0 1 1 1 10 1 0 1 0 0 0 01 0 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1

14、 1 1 1 1 1片選片選 芯片地址芯片地址 低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片選信號片選信號 片選邏輯片選邏輯1K1K1K1K1K1K1K1KA9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2CS3CS3A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A1010A A1111A A10103.3.連接方式連接方式（1 1）擴展位數(shù)）擴展位數(shù)4 1K4 1K4410 1K4 1K4410 1K4 1K44104 1K4 1K441044

15、A9A0D7D4D3D044R/WA11 A10CS3A11 A10CS0A11 A10CS1A11 A10CS2（2 2）擴展單元數(shù)）擴展單元數(shù) （3 3）連接控制線）連接控制線（4 4）形成片選邏輯電路）形成片選邏輯電路某半導體存儲器，按字節(jié)編址。其中，某半導體存儲器，按字節(jié)編址。其中，0000H0000H 07FFH07FFH為為ROMROM區(qū)，選用區(qū)，選用EPROMEPROM芯片芯片（2KB/2KB/片）；片）；0800H0800H13FFH13FFH為為RAMRAM區(qū)，選用區(qū)，選用RAMRAM芯片（芯片（2KB/2KB/片和片和1KB/1KB/片）。地址總線片）。地址總線A15A15

16、A0A0（低）。給出地址分配和片選邏輯。（低）。給出地址分配和片選邏輯。例例2.2.1.1.計算容量和芯片數(shù)計算容量和芯片數(shù)ROMROM區(qū)：區(qū)：2KB 2KB RAMRAM區(qū)：區(qū)：3KB 3KB 存儲空間分配：存儲空間分配：2.2.地址分配與片選邏輯地址分配與片選邏輯先安排大容量芯片（放地址先安排大容量芯片（放地址低端），再安排小容量芯片。低端），再安排小容量芯片。便于擬定片選邏輯。便于擬定片選邏輯。共共3 3片片 A A1515A A1414A A1313A A1212A A1111A A1010A A9 9AA0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 00 0 0 0

17、 0 0 0 1 11 1 0 0 00 0 0 0 1 0 1 1 11 1 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 1 11 1 0 0 00 0 0 0 1 0 1 0 00 0 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 0 00 0低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。低位地址分配給芯片，高位地址形成片選邏輯。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片選信號片選信號 片選邏輯片選邏輯2K2K2K2K1K1KA10A10A0A0A10A10A0A0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2A A1212A A1111A A1212A A1111A A1212A A11115

18、KB5KB需需1313位地位地址尋址尋址：址：ROMROMA12A12A0A064KB64KB1K1K2K2K2K2KRAMRAMA A1010A A1515A A1414A A1313為全為全0 04.2.4 4.2.4 動態(tài)存儲器的刷新動態(tài)存儲器的刷新1.1.刷新定義和原因刷新定義和原因定定義：義：刷新。刷新。動態(tài)存儲器依靠電容電荷存儲信息。平時無電源動態(tài)存儲器依靠電容電荷存儲信息。平時無電源供電，時間一長電容電荷會泄放，需定期向電容供電，時間一長電容電荷會泄放，需定期向電容補充電荷，以保持信息不變。補充電荷，以保持信息不變。定期向電容補充電荷定期向電容補充電荷原因：原因：注意注意刷新刷新與與重寫重寫的區(qū)別。的區(qū)別。破壞性讀出破壞性讀出后重寫，以恢復原來的信息。后重寫，以恢復原來的信息。2.2.最大刷新間隔最大刷新間隔在此期間，必須對所有動態(tài)單元刷新一遍。在此期間，必須對所有動態(tài)單元刷新一遍。非破壞性讀出非破壞性讀出的動態(tài)的動態(tài)M M，需補充電荷以保持原來的信息。，需補充電荷以保持原來的信息。2ms2ms。3.3.刷新方法刷新方法按行讀。按行讀。刷新一行所用的時間刷新一行所用的時間刷新周期刷新周期 （存取周期）（存取周期）刷新一塊芯片所需的刷新一塊芯片所需的刷新周期數(shù)刷新周期數(shù)由芯片矩陣的由芯片矩陣的行數(shù)行數(shù)決定。決定。對主存的訪問對主