微型計算機原理與應用

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微型計算機原理與應用

第五章半導體存儲器

第五章半導體存儲器選評

［主要內(nèi)容）

I學習目標I

\__知__識_點____/

［重點難點

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器2NEXT》

主要內(nèi)容］嗎舞懦慨

5.1概述

5.2隨機存取存儲器RAM

5.3只讀存儲器ROM

5.4存儲器芯片與CPU的連接

5.5高速緩沖存儲器Cache

曲目蜒物品

學習目標窺儂%i

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器4NEXT》

附由跳物院

知識點窺磔%i

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器5NEXT》

曲目蜒物品

重點難點窺磔%i

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器6NEXT》

曲威施物品

5.1概述01(

5.1.1存儲系統(tǒng)的基本概念

5.1.2存儲器的分類

5.1.3存儲器的主要性能指標

5.1.4存儲器的組成結(jié)構(gòu)

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al7NEXT》

曲總拋照院

5.1.1存儲系統(tǒng)的基本概念Z*【?疝*

，彳<?），*

■存儲器是

一種接收、保存和取出信息（程序、數(shù)據(jù)、文件）的設備;

一種具有記憶功能的部件；

是計算機的重要組成部分，是CUP最重要的系統(tǒng)資源之一。

■CPU與存儲器的關系如下圖所示。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器固碎INEXT》

CPU存儲器

寄存器組

AX地

BX址

CX加地址總線AB

DX法

器

數(shù)據(jù)總線DB

數(shù)據(jù)暫存器

指

總線

令

接口控制總線

隊CB

控

制

列

電

路

■

指令譯碼器

PSW標志

寄存器執(zhí)行部件控制電路

指令MOVAL,[BX]包含一個從存儲器讀操作

5.1.2存儲器的分類嗯評師

M2,在（,

工按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)分類

,按存儲器存取方式分類

/按在微機系統(tǒng)中位置分類

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器10NEXT》

5.1.2存儲器的分類

Or

未按構(gòu)成存儲器的器件和存儲介質(zhì)分類：

磁芯存儲器、半導體存儲器、光電存儲器、磁膜、磁泡和其它磁表面存儲器以

及光盤存儲器等。

內(nèi)按存儲器存取方式分類：

「隨機存取存儲器RAM-------!?，RAM

(RandomAccessMemory)小〔動心RAM

又稱讀寫存儲器,指能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫

j操作的一類存儲器。

(掩膜ROM(MROM)

L只讀存儲器ROM-----按工乙不同?＜可編程R°M(PR°M)

(Read-OnlyMemory)〔可擦除編程ROM(EPROM)

在微機系統(tǒng)的在線運行過程中,只能對其講一行讀操作,而不能講行寫操作

的一類存儲器。

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5.1.2存儲器的分類

Or

片按在微機系統(tǒng)中的位置分類：

（主存儲器（內(nèi)存，MainMemory）

用來存放計算機正在執(zhí)行的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。CPU可以直接對它進

行訪問。一般是由半導體存儲器構(gòu)成,通常裝在主板上。存取速度快,但容量

有限,其大小受地址總線位數(shù)的限制。

輔助存儲器（外存，ExternalMemory）

用來存放不經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù),CPU不能直接訪問它。屬計算機的外部

設備，是為彌補內(nèi)存容量的不足而配置的,容量大,成本低,所存儲信息既可

以修改也可以長期保存,但存取速度慢。需要配置專門的驅(qū)動設備才能完成

對它的訪問,如硬盤、軟盤驅(qū)動器等。

〔緩沖存儲器（緩存，CacheMemory）

位于主存與CPU之間,其存取速度非?？?但存儲容量更小,可用來解決存

取速度與存儲容量之間的矛盾,提高整個系統(tǒng)的運行速度。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al12NEXT》

M)園|做懶院

5.1.2存儲器的分類*

■…'?■'-'

小結(jié)

,，CSAMfiB空，肝

j東紀，41DAM史皆eE空，冊

rg?4

紀?后〈,RAM<1％壬RAM￡,SRAM箱

IM0S1&<_

I』壬RAM￡,DRAM第

I百紀,肝jZ§QROM

6cfctROMEPROM緞

ROM<&E支歹PROMfEPROM篦

pE支歹PROM￡*E2PROMS

Vlfi^ADae^^-

￡'FlashMemory)

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al13NEXT》

5.1.3存儲器的主要性能指標

-存儲器性能指標主要有三項：

存儲容量、存儲速度、可靠性

存儲容量：反映存儲器可存儲信息量的指標。以字數(shù)X每個字的字長表示。

如某存儲器存儲容量為64Kx8位，即64K字節(jié)。

存儲速度：完成一次訪問(讀/寫)存儲器的時間。

存取時間TA(AccessTime)表示啟動一次存儲操作到完成該操作

所經(jīng)歷時間；

存儲周期TMC(MemoryCycle)兩次獨立的存儲操作之間所需的

最小時間間隔。

可靠性：

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器14

存儲器的基本結(jié)構(gòu)附由跳物院

,,…，?八"'?，，

CPU

r

S-8B

東&

三級層次的存儲器結(jié)構(gòu)

微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器15NEXT》

5.1.4存儲器的組成結(jié)構(gòu)

■半導體存儲器一般由以下部分組成：

存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路、控制電路

地址存儲體?存儲體：矩陣形式保存數(shù)據(jù)。

,地址選擇器：接受CPU送來的地址信號

并對它進行譯碼，選擇與此地址碼相對

應的存儲單元，以便對該單元進行讀/

寫操作。

(1)后譯碼一適用于小容量存儲器

(2)雙譯碼——分為行譯碼與列譯碼

?I/O電路：控制信息的讀出與寫入(包含

對1/0信號的驅(qū)動及放大處理功能)。

?控制電路：片選信號用以實現(xiàn)芯片的選

擇。讀/寫控制電路則用來控制對芯片的

讀/寫操作。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器16NEXT》

5.2隨機存取存儲器RAM，嗽斕

RAM(RandomAccessMemory)意指隨機存取存儲器。

其工作特點是：在微機系統(tǒng)的工作過程中，可以隨機地對其中的各個存

儲單元進行讀/寫操作。

靜態(tài)陵機存取存儲器SRAM

動態(tài)隨機存取存儲器DRAM

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al17NEXT》

5.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM叱駟猴

々?e，果小、彳H

■基本存儲單元

]Vcc(+5V)“基本工作原理

X地址

譯碼線,讀出操作

B?寫入操作

X譯碼與Y譯碼信號消失后，T5?

Tg都截止。由于存儲單元有電源

及負載管，可以不斷地向柵極補

—?—充電荷，依靠兩個反相器的交叉

1控制，只要不掉電，就能保持寫

（a）六管靜態(tài)存儲單元的入的信息“1”，而不用刷新。

原理示意圖

這種存儲電路的讀出過程

T1截止一A="1”一丁2導通o

是非破壞性的，即信息在讀

—B="O"TTI截止（穩(wěn)定）

X譯碼高電平一T5、丁6導通出之后，原存儲電路的狀態(tài)

「導通一A="0”一＞丁2截止不變。

1B="1”TTI導通（穩(wěn)定）丫譯碼高電平TT7、Tg導通

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器18NEXT》

5.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM

?or

典型存儲器—靜態(tài)RAM存儲器芯片Intel2114

(1)外部結(jié)構(gòu)

引腳圖

?A0-A9：10根地址信號輸入引腳。

“?,：讀/寫控制信號輸入引腳，當為低

為電平時，使輸入三態(tài)門導通，信息由數(shù)據(jù)總

上線通過輸入數(shù)據(jù)控制電路寫入被選中的存儲

*單元；反之從所選中的存儲單元讀出信息送

I/O；到數(shù)據(jù)總線。

I/O：?I/O1-I/O4：4根數(shù)據(jù)輸入/輸出信號引腳

?屆：低電平有效，通常接地址譯碼器的輸

GUO4

WE出端。

?+5V：電源。

?GND：地。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器19

5.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM■火枷

典型存儲器—靜態(tài)RAM存儲器芯片Intel2114

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

?存儲矩陣：4096個存儲電

路（64X64矩陣）

?地址譯碼器：輸入為10根

線，采用兩級譯碼方式，其

中6根用于行譯碼，4根用于

列譯碼；

?I/O控制電路：分為輸入數(shù)

據(jù)控制電路和列I/O電路，

用于對信息的輸入/輸出進

行緩沖和控制；

?片選及讀/寫控制電路：

用于實現(xiàn)對芯片的選擇及讀

/寫控制。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器20

5.2.2動態(tài)隨機存取存儲器DRAM,■

mt

4?2?/“〃"，用（，，〃

基本存儲單元

?基本工作原理：依靠T工管柵極電容的充放電原理來保

存信息。

當柵極電容上充有電荷時，表示該單元保存信息“1”。

當柵極電容上沒有電荷時，表示該單元保存信息“0”。

?寫入操作

字選擇線為高電平，入管導通，寫信號通過位線

存入電容C中；

?讀操作

單管動態(tài)存儲單元字選擇線仍為高電平，存儲在電容C上的電荷，

通過Ti輸出到數(shù)據(jù)線上，通過讀出放大器，即可

得到所保存的信息。

?刷新操作

電容上所保存的電荷時間長了就會泄漏，造成了信息的丟失。因此，在動態(tài)

RAM的使用過程中，必須及時地向保存“1”的那些存儲單元補充電荷，以維持

信息的存在。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器21NEXT》

5.2.2動態(tài)隨機存取存儲器DRAM■■?

石￡>Tv

■典型存儲器—動態(tài)RAM存儲器芯片Intel2164A

(1)外部結(jié)構(gòu)

?A0-A7：地址信號的輸入引腳，用來分時接收

CPU送來的8位行、列地址；

?黃：行地址選通信號輸入引腳，低電平有效，兼

作芯片選擇信號。當為低電平時，表明芯片當前接

收的是行地址；

?云：列地址選通信號輸入引腳，低電平有效，表

明當前正在接收的是列地址(此時應保持為低電平)；

?：寫允許控制信號輸入引腳，當其為低電平時,

打履寫操作；否則，執(zhí)行讀操作。

?DIN：數(shù)據(jù)輸入引腳；

?DOUT：數(shù)據(jù)輸出引腳；

?VDD：十5V電源引腳；

?Css：地；

?N/C：未用引腳。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器22NEXT>

5.2.2動態(tài)隨機存取存儲器DRAM■火晌

Opt

典型存儲器—動態(tài)RAM存儲器芯片Intel2164A

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

128X1281/128行128X128?存儲體：64KX1；

A0存儲矩陣譯碼器存儲矩陣

A.%s?地址鎖存器：采用

A2128讀出放大器128讀出放大器Intel2164A

A3A8位4

1/2（1/1281/2（1/128輸出一雙譯碼方式，其16位地址信息要

A5地址列譯碼器）列譯碼器）緩沖器f

A6DOUT分兩次送入芯片內(nèi)部，在芯片內(nèi)

A7鎖存器128讀出放大器128讀出放大器

部有一個能保存位地址信息的

128X1281/128行128X1288

I存儲矩陣譯碼器存儲矩陣地址鎖存器；

?數(shù)據(jù)輸入緩沖器：用以暫存輸

入的數(shù)據(jù)；

行時鐘列時鐘寫允許時X數(shù)據(jù)輸入

RAS—?

緩沖器緩沖器鐘緩沖器緩沖器?數(shù)據(jù)輸出緩沖器：用以暫存要

CAS——r輸出的數(shù)據(jù)；

WE——?1/41/0門電路：由行、列地址

DIN--------

信號的最高位控制，能從相應的

4個存儲矩陣中選擇一個進行輸

入/輸出操作；

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器23

5.2.2動態(tài)隨機存取存儲器SRAM,?

典型存儲器—動態(tài)RAM存儲器芯片Intel2164A

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

128X1281/128行128X128?行、列時鐘緩沖器：用以協(xié)調(diào)

AO存儲矩陣譯碼器存儲矩陣

A.%s行、列地址的選通信號；

A2128讀出放大器128讀出放大器

A3A8位4

1/2（1/1281/2（1/128輸出一?寫允許時鐘緩沖器：用以控制

A5地址列譯碼器）列譯碼器）緩沖器f

A6DOUT芯片的數(shù)據(jù)傳送方向；

A7鎖存器128讀出放大器128讀出放大器

?128讀出放大器：與4個

128X1281/128行128X128

I存儲矩陣譯碼器存儲矩陣128X128存儲陣列相對應，接

收由行地址選通的4X128個存

儲單元的信息，經(jīng)放大后，再寫

行時鐘列時鐘寫允許時數(shù)據(jù)輸入

RAS—?

緩沖器緩沖器鐘緩沖器緩沖器回原存儲單元，是實現(xiàn)刷新操作

CAS------r的重要部分；

WE——?1/128行、列譯碼器：分別用

DIN-------

來接收7位的行、列地址，經(jīng)譯

碼后，從128X128個存儲單元

中選擇一個確定的存儲單元，以

便對其進行讀/寫操作。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器24

習題與思考:or

1.試說明存儲器系統(tǒng)的主要性能指標。

2.存儲器的哪一部分用來存儲程序指令及像常數(shù)和查找表一類的固

定不變的信息？哪一部分用來存儲經(jīng)常改變的數(shù)據(jù)？

3.術(shù)語“非易失性存儲器”是什么意思？PROM和EPROM分別代

表什么意思？

4.微型計算機中常用的存儲器有哪些類型？它們各有何特點？分別

適用于哪些場合？

5.試比較靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM的優(yōu)缺點，并說明有何種方法可解決

掉電時動態(tài)RAM。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al25NEXT》

的總拋照院

5.3只讀存儲器ROMIAl(

ROM(ReadOnlyMemory)意指只讀存儲器。

其工作特點是：在微機系統(tǒng)的在線運行過程中，只能對其進行讀操作,

而不能進行寫操作。電源關斷，信息不會丟失，屬于非易失性存儲器件；

常用來存放不需要改變的信息。

掩模式ROM—MROM(MaskROM)

可編程ROM—PROM(ProgrammableROM)

可擦除可編程ROM—EPROM(ErasableProgrammableROM)

電可擦除可編程ROM—EEPROM

(ElectricallyErasableProgrammableROM)

快擦型存儲器(FlashMemory)

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al26NEXT》

5.3.1ROM存儲信息的原理和組成嗯興晌

ROM存儲位■ROM的組成

行

地

址

譯

碼

器

列

地

址

，D譯

碼

T1和電子開關S構(gòu)成一個存儲位。器

X選擇線端加上選中信號+S斷開一D=“1”

X選擇線端加上選中信號+S閉合一D=“0”信息“0”16X1位ROM結(jié)構(gòu)

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器27NEXT〉

曲威施照院

5.3.2掩模式ROMMROMz*【?疝*

，彳<?），*

■MROM是廠家根據(jù)用戶事先編寫好的機器碼程序，把0、1

信息存儲在掩模圖形中而制成的芯片。芯片制成后，存儲

位的狀態(tài)即0、1信息就被固定了。

5.3.3可編程ROM-----PROM叼黜城

(fJJ

■PROM一種可由用戶通過簡易設備寫入信息的ROM器件。

存儲原理：

(1)二極管破壞型PROM

PROM存儲器在出廠時，存儲體中每條字線和位線的交叉處都是兩個反

向串聯(lián)的二極管的PN結(jié)，字線與位線之間不導通(即所有存儲內(nèi)容均為“1”)。

如果用戶需要寫入程序，則通過專門的PROM寫入電路，產(chǎn)生足夠大的電流把

要寫入“1”的那個存儲位上的二極管擊穿，造成這個PN結(jié)短路，只剩下順向的

二極管跨連字線和位線，這時，此位就意味著寫入了“1”。

(2)熔絲式PROM

用戶編程時，靠專用寫入電路產(chǎn)生脈沖電流，來燒斷指定的熔絲，以達

到寫入“1”的目的。

PROM器件只能固化一次程序，數(shù)據(jù)寫入后，就不能再改變了!

一次性?。?！

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器29NEXT》

5.3.4可擦除可編程ROMEPROM的總拋懶院

(?，O“r〃工，彳T，，

■基本存儲單元

?寫入信息“0”：在漏極和源極

(即S)之間加上十25V的電壓，

同時加上編程脈沖信號(50ns),漏

極與源極間被瞬時擊穿，電子注

入到浮動柵。在高壓電源去除之

后，浮動柵為負，就形成了導電

溝道，從而使相應單元導通，即

將0寫入該單元。

?清除信息：用一定波長的紫外光

?初始態(tài)：每個單元的浮動柵極上都沒有電荷，照射浮動柵，使負電荷獲取足夠的

源極與漏極之間不導電，此時表示該存儲單元能量，擺脫SiO2的包圍，以光電流

保存的信息為“1”。的形式釋放掉，即原來存儲的信息

也就不存在了。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器30NEXT》

5.3.4可擦除可編程ROM——EPROM噌浮慌

典型EPROM芯片Intel2716

(1)外部結(jié)構(gòu)

124%

A7?A-A：地址信號輸入引腳，可尋址芯片

A62234IOO

A5

4322%的2K個存儲單元；

21泳

A34?O7-O0：雙向數(shù)據(jù)信號輸入輸出弓I腳；

A2A5^O?詼：片選信號輸入引腳，低電平有效，

1

690￡樂

AO7只有當該引腳轉(zhuǎn)入低電平時，才能對相應

18屈

00581

17的芯片進行操作；

15

916?瓦：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，輸入，

02地1

5

10106低電平有效，用以允許數(shù)據(jù)輸出；

111405

?Vcc：+5v電源，用于在線的讀操作；

121304

1

03?VPP：+25v電源，用于在專用裝置上進行

寫操作；

?GND：地。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器31NEXT》

5.3.4可擦除可編程ROM——EPROM噌浮慌

■典型EPROM芯片Intel2716

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)輸出?存儲陣列；Intel2716存儲器芯片的

。0?。7

_____A_____存儲陣列由2KX8個帶有浮動柵的

MOS管構(gòu)成，共可保存2KX8位二進

OE制信息;

o輸出允許片選

<和編程邏輯輸出緩沖譯碼器：又稱為行譯碼器，可對

??X7

I

；?位行地址進行譯碼；

方y(tǒng)譯碼y門

M?Y譯碼器：又稱為列譯碼器，可對4

d—?位列地址進行譯碼；

<l16KBit

??輸出允許、片選和編程邏輯：實現(xiàn)

0譯碼

V存儲矩陣片選及控制信息的讀/寫；

?數(shù)據(jù)輸出緩沖器：實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的

緩沖。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器32NEXT》

5.3.4可擦除可編程ROM——EPROM噌浮慌

典型EPROM芯片Intel2716

（3）工作方式

%14

1引腳狀態(tài)

VCA

423方式

A數(shù)據(jù)線狀態(tài)

232CE0EVpp

441讀出00+5VD°UT（輸出）

VP一P

%50

OE未選中X1+5V高阻抗

%19

A1一0

1

待用X高阻抗

之1+5V

718

1CE5

817寬

1編程輸入52ms1+25VDIN（輸入）

916正脈沖

1O6

1015O5

05011校驗編程

400+25VDQ（JY（輸出）

111O4內(nèi)容

113

121O3

0211禁止編程01高阻抗

地+25V

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器33NEXT》

5.3.5電子可擦除可編程ROM—E2PROM卜湎

?Q

4

工作原理：

與EPROM類似，當浮動柵上沒有

電荷時，管子的漏極和源極之間不導

電，若設法使浮動柵帶上電荷，則管

子就導通。

編程：

在E2PROM中，漏極上面增加了一

個隧道二極管，它在第二柵與漏極之

間的電壓VG的作用下，可使電荷通過

它流向浮動柵；

擦除可以按字節(jié)分別進行；

擦除：

可以進行在線的編程寫入（字節(jié)的編程和

VG的極性相反可以使電荷從浮動柵

擦除都只需要10ms,并且不需特殊裝置）

流向漏極。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器必al34NEXT》

5.3.6快擦型存儲器(FlashMemory)■?

?才to.

FlashMemory快擦型存儲器：

是不用電池供電的、高速耐用的非易失性半導體存儲器。結(jié)構(gòu)與EPROM

相同。

其特點是：

■可以整體電擦除(時間1S)和按字節(jié)重新高速編程。

■是完全非易失性的，可以完全代替E2RP0M。

■能進行高速編程。

如：28F256芯片，每個字節(jié)編程需100NS,整個芯片0.5s;

最少可以擦寫一萬次，通?？蛇_到10萬次；

■CMOS低功耗，最大工作電流30mA。

■與E2PR0M進行比較具有容量大、價格低、可靠性高等明顯優(yōu)勢。

■快擦型存儲器還可應用于激光打印機、條形碼閱讀器、各種儀器設備以

及計算機的外部設備中。

■典型的芯片有27F256/28F016/28F020等。

?BACK微型計算機原理與應用——第五章半導體存儲器