第2章存儲(chǔ)器

1、第2章 存儲(chǔ)器 2.1 2.1 存儲(chǔ)器基礎(chǔ)存儲(chǔ)器基礎(chǔ) 存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的重要部件。 在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位是存儲(chǔ)單元，在按字節(jié)（B）編址的計(jì)算機(jī)中，每個(gè)存儲(chǔ)單元由8個(gè)二進(jìn)制位（1個(gè)字節(jié)）組成，占用一個(gè)地址編碼，CPU對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行信息的寫入和讀出就以字節(jié)（或字節(jié)的倍數(shù)）作為最基本的單位。 2.1.1 存儲(chǔ)器的分類 2.1.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能指標(biāo) 存儲(chǔ)容量芯片容量=存儲(chǔ)單元數(shù)每單元位數(shù)1.例如，存儲(chǔ)容量為1284的存儲(chǔ)芯片表示它有128個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)4位二進(jìn)制信息。2.存取時(shí)間 存取時(shí)間是指存數(shù)的寫操作和取數(shù)的讀操作所占用的時(shí)間，一般以ns為單位。存儲(chǔ)器芯片出

2、售時(shí)一般要給出典型的存取時(shí)間或最大時(shí)間。例如某芯片外殼上標(biāo)注的型號(hào)為2732A-20，表示該芯片的存取時(shí)間為20ns。3.功耗功耗可用每塊芯片總功率來表示，單位為mW/芯片，也可用每個(gè)存儲(chǔ)單元所耗的功率，單位為W/單元。4. 可靠性一般用平均無故障時(shí)間來描述，目前一般在105106之間。2.1.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn) 1. RAM的特點(diǎn)1）靜態(tài)RAM的特點(diǎn) 一般用6個(gè)MOS管構(gòu)成的觸發(fā)器作為基本存儲(chǔ)元，存放一位（b）二進(jìn)制信息 集成度低于動(dòng)態(tài)RAM，適合做小容量的存儲(chǔ)器 不需要刷新，易于用電池作備用電源，以解決斷電后繼續(xù)保存信息的問題 功耗低于雙極型RAM，但高于動(dòng)態(tài)RAM2）動(dòng)態(tài)RAM的特點(diǎn)

3、 一般采用單管作基本存儲(chǔ)單元，依靠寄生電容存儲(chǔ)電荷來存儲(chǔ)信息 集成度高，適合做大容量的存儲(chǔ)器 需要定時(shí)刷新，通常刷新間隔為2ms 功耗較靜態(tài)RAM低，位價(jià)格也較便宜2. ROM的分類及特點(diǎn)1）掩膜式ROM 用廠家定做的掩膜對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程，一旦制造完畢，內(nèi)容固定不能改變。 適合批量生產(chǎn)，但不適合科學(xué)及工程研發(fā)2）一次可編程式的PROM 允許用戶一次性寫入，再也不可更改。因此，不適合于研發(fā)。3）可擦寫式的EPROM 允許用戶多次寫入信息。寫入操作由專用設(shè)備完成，但寫入之前必須先擦除原來寫入的信息。 按照擦除方式的不同，又可分為紫外光擦除的UVEPROM和電擦除的EEPROM 寫入時(shí)電壓要求較高（

4、一般為2025V），寫入速度較慢而不能像RAM那樣作隨機(jī)存取存儲(chǔ)器使用 2.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory）: 隨時(shí)讀取已存放在其各個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，而且還能夠隨時(shí)寫入新的信息。 RAM通?？梢园创鎯?chǔ)原理的不同分為靜態(tài)RAM（SRAM，Static Random Access Memory）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM，Dynamic Random Access Memory)。2.2.1 RAM的基本結(jié)構(gòu) 地址寄存器和譯碼器 字線和存儲(chǔ)單元的總數(shù)是相等的，它與地址線條數(shù)的關(guān)系是：W=2n 其中，W為字線數(shù)，n為地址線條數(shù)。 采用兩個(gè)方向譯碼的結(jié)構(gòu)，如

5、圖2-3所示。若n=10，p=6，則總計(jì)為26+24=80條字線，比單譯碼器結(jié)構(gòu)210條字線要少很多。2存儲(chǔ)陣列 存儲(chǔ)陣列是存儲(chǔ)器的主體，實(shí)質(zhì)上是由基本存儲(chǔ)位元組成的集合體，每個(gè)基本存儲(chǔ)位元存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息。 3三態(tài)雙向緩沖器 三態(tài)雙向緩沖器用于將存儲(chǔ)器連接在總線上，實(shí)現(xiàn)與CPU讀/寫兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)緩沖。 4控制電路 控制電路通過控制引腳R/W和/CE（Card Enable）接收CPU送來的控制信號(hào)，經(jīng)過組合變換后對(duì)地址寄存器、存儲(chǔ)陣列和三態(tài)雙向緩沖器等進(jìn)行控制。 2.2.2 靜態(tài)RAM基本存儲(chǔ)電路 2.2.3 動(dòng)態(tài)RAM基本存儲(chǔ)電路 2.2.4 RAM舉例 1. 62256 SRAM芯片

6、 62256是一種32K8位的高集成度的SRAM，采用單一+5V電源供電，雙列直插式28引腳封裝，其芯片引腳排列如圖2-6所示。圖2-6 6264/62128/62256引腳分配62256的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。表2-1 62256工作方式選擇表 24164 DRAM芯片 DRAM集成度較高，對(duì)于同樣的引腳數(shù)，其單片容量往往比SRAM高。內(nèi)部存儲(chǔ)單元按矩陣形式排列成存儲(chǔ)體，通常采用行、列地址復(fù)合選擇尋址法。 圖2-9 4164芯片的行列地址多路轉(zhuǎn)換2.3 只讀存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱為ROM。ROM中的信息，通常是在脫機(jī)狀態(tài)下或在特殊環(huán)境下寫入的，故把ROM的寫信息又稱為編程。ROM的另一特點(diǎn)

7、是它所存儲(chǔ)的內(nèi)容在斷電時(shí)不會(huì)消失，稱為非易失性存儲(chǔ)器儲(chǔ)器。 ROM按照存儲(chǔ)原理的不同，又可以分為掩膜的ROM，一次編程PROM和可擦除可編程EPROM。2.3.1 ROM的基本結(jié)構(gòu) 主要由地址寄存器、地址譯碼器、存儲(chǔ)陣列、輸出緩沖器等部件組成，如下圖2-10所示。 圖2-10 單向譯碼的ROM芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3.2 掩模ROM原理 圖2-12 328熔絲式PROM原理圖2.3.3 PROM原理 2.3.4 EPROM原理 EPROM可以分為兩種，一種是“用紫外線擦除的EPROM”，簡(jiǎn)稱為UVEPROM（Ultra Violet EPROM），另一種是“用電擦除的EPROM”，簡(jiǎn)稱為EEPRO

8、M（Electrically EPROM）或E2PROM。 1. UVEPROM UVEPROM的基本存儲(chǔ)位元主要由一只浮置柵雪崩注入式MOS管（簡(jiǎn)稱為FAMOS，F(xiàn)loating gate Avalanche injection MOS）構(gòu)成。其中，F(xiàn)AMOS管可以分為P溝道和N溝道FAMOS管兩種，下面以P溝道FAMOS管為例來介紹其工作原理。 2. E2PROM E2PROM是一種不用從電路板上拔下，而在線直接用電信號(hào)進(jìn)行擦除和寫入的EPROM芯片。 E2PROM可以分為片擦除和字節(jié)擦除兩種方式 。2.3.5 ROM舉例 表2-2 27系列常用的EPROM存儲(chǔ)器27256的主要操作方式有

9、編程、校驗(yàn)、讀出、維持、編程禁止等，如表2-3所列。 圖2-14 27256內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳分配表 2-3 27256的工作方式選擇表2.3.6 閃速存儲(chǔ)器 閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）簡(jiǎn)稱Flash，是一種新型的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，具有可靠的非易失性、電擦除性及低成本等優(yōu)點(diǎn)。Flash的擦除功能可以迅速清除整個(gè)存儲(chǔ)器的所有內(nèi)容，速度是E2PROM的10倍以上，故稱為閃速存儲(chǔ)器。它的制造特別經(jīng)濟(jì)，可以被擦除和重新編程幾十萬次而不會(huì)失效，廣泛應(yīng)用于需要實(shí)施代碼或數(shù)據(jù)更新的嵌入式系統(tǒng)中。2.4 一般CPU與存儲(chǔ)器的連接及擴(kuò)展 存儲(chǔ)器無論是RAM還是ROM，都是通過地址總線、數(shù)據(jù)總線以及若干條控制

10、總線與CPU連接。 2.4.1 連接中應(yīng)考慮的問題 1）存儲(chǔ)器芯片類型的選擇2） 工作速度匹配3）MCS-51對(duì)存儲(chǔ)容量的要求2.4.2 存儲(chǔ)器位數(shù)的擴(kuò)展 位擴(kuò)展時(shí)，存儲(chǔ)器芯片與CPU的連接比較簡(jiǎn)答，主要是以下兩點(diǎn)： 每個(gè)芯片的地址線An-1 A0、/CS、/WE各自連在一起后，和CPU（總線）各同名端分別相連； 每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)輸出線各自獨(dú)立，即每片一位（或若干位）單獨(dú)引出，如果芯片的數(shù)據(jù)輸入和輸出是分開設(shè)置的，還需將兩個(gè)引腳合并在一起，連到CPU（總線）的相應(yīng)數(shù)據(jù)線圖2-15 4K8位2141芯片組2.4.3 存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)的擴(kuò)展 由地址信號(hào)選擇芯片的過程就稱為“片選”。通過片選，能將存儲(chǔ)器芯片

11、與所確定的地址空間聯(lián)系起來，即將芯片中的存儲(chǔ)單元與實(shí)際地址一一對(duì)應(yīng)，這樣才能通過尋址對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫。 線選法 這種方法直接使用CPU地址中某一位高位地址線作為存儲(chǔ)器芯片的片選信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單 圖2-16 線選法擴(kuò)展存儲(chǔ)單元2全譯碼法全譯碼法的特點(diǎn)是使用CPU的全部高位地址線參與譯碼器譯碼后作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)。例如，用4片2764（8K8位）存儲(chǔ)芯片采用全譯碼法組成32K8位存儲(chǔ)器芯片組，其中片內(nèi)地址線13條，為A12A0，片選地址3條全部加到一個(gè)3-8譯碼器上，如下圖所示。3部分譯碼法 部分譯碼法是指用CPU的部分高位地址線參與譯碼后作為存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)。它是線選法與全譯碼法的

12、一個(gè)折中，一方面可以簡(jiǎn)化譯碼器的設(shè)計(jì)，另一方面有較強(qiáng)的存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展能力和連續(xù)的存儲(chǔ)器范圍。 為了確定每片芯片的地址范圍，懸空沒用到的高位地址（A15、A14）可假設(shè)為“0”，這樣確定出來的地址與線選法中的一樣，都稱為“基本地址” 。2.4.4 存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)和位數(shù)的擴(kuò)展 實(shí)際存儲(chǔ)器往往需要字和位同時(shí)擴(kuò)充，此時(shí)按照先位擴(kuò)展后字?jǐn)U展的順序來完成。 例如，用1K1位芯片構(gòu)成2K8位的儲(chǔ)存器，就要用16片拼裝而成。每8片作為一組，產(chǎn)生8位數(shù)據(jù)輸入輸出，按照相同功能的控制線都并聯(lián)在一起的原則，進(jìn)行位擴(kuò)展。位擴(kuò)展后可以將每一組看成單獨(dú)的一片芯片，按照字?jǐn)U展的連接方案來設(shè)計(jì)出具體的連接圖。2.4.5 CPU與ROM和RAM芯片的連接 只需要將CPU的地址輸出線與ROM的地址輸入線相連，CPU的數(shù)據(jù)輸入線與ROM的數(shù)據(jù)輸出線相連?？刂凭€的連接