第2章半导体存储器精选文档.ppt

第2章半导体存储器本讲稿第一页，共三十四页内容安排内容安排一一.半导体存储器的分类半导体存储器的分类二二.随机存储器（随机存储器（RAM）三三.只读存储器（只读存储器（ROM）四四.存储器的扩展技术存储器的扩展技术五五.存储器与存储器与CPU的连接的连接本讲稿第二页，共三十四页 存储器是计算机的重要部件，有记忆功能，用来存储器是计算机的重要部件，有记忆功能，用来存放指令代码和操作数存放指令代码和操作数内存（主存）内存（主存）主机内部由半导体器件构成主机内部由半导体器件构成辅助存储器辅助存储器位于主机外部用接口与主机连接位于主机外部用接口与主机连接高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache)主存和微处理器之间主存和微处理器之间 CPU主存主存Cache辅存辅存块块页页字字本讲稿第三页，共三十四页2.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类双极型双极型MOS型型工艺工艺随机存储器随机存储器（RAM）只读存储器只读存储器（ROM）功能功能静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM（DRAM/iRAM）掩膜式掩膜式ROM（PROM）可编程可编程ROM（PROM）可擦除可擦除PROM（EPROM）电可擦除电可擦除PROM（EEPROM）闪速存储器闪速存储器（Flash Memory）本讲稿第四页，共三十四页2.2 随机存储器（随机存储器（RAM）数据存储器，不能长期保存数据，掉电后数据丢数据存储器，不能长期保存数据，掉电后数据丢失，一般可对部分失，一般可对部分RAM配置掉电保护电路，在掉配置掉电保护电路，在掉电过程中实现电源切换电过程中实现电源切换1.静态存储器静态存储器（SRAM）SRAM内部采用双稳态电路存储二进制数信息内部采用双稳态电路存储二进制数信息0和和1本讲稿第五页，共三十四页本讲稿第六页，共三十四页本讲稿第七页，共三十四页本讲稿第八页，共三十四页 1616存储阵列需要八根地址信号线（存储阵列需要八根地址信号线（A7A0），称为片内），称为片内地址线，不同容量的存储器所需要的片内地址线根数不同地址线，不同容量的存储器所需要的片内地址线根数不同 存储器的容量存储器的容量2 其中：其中：为所需片内地址线的根数为所需片内地址线的根数如如：存储器容量为：存储器容量为1KB，需地址线，需地址线10根根（A9A0）存储器容量为存储器容量为2KB，需地址线，需地址线11根（根（A10A0）储器容量为储器容量为4KB，需地址线，需地址线12根（根（A11A0）存储器容量为存储器容量为8KB，需地址线，需地址线13根（根（A12A0）片内地址片内地址 本讲稿第九页，共三十四页静态存储器（静态存储器（SRAM）的）的特点特点缺点缺点：（1）使用晶体管较多，集成度低使用晶体管较多，集成度低（2）RAM存储速度已成为存储速度已成为PC机系统速度的瓶颈机系统速度的瓶颈 注注：大容量的：大容量的SRAM不多见，常用容量一般不超过不多见，常用容量一般不超过1MB优点优点：（1）信息就可以稳定的保持信息就可以稳定的保持（2）存储速度较快，一般为）存储速度较快，一般为200ns左右左右本讲稿第十页，共三十四页常见的常见的SRAM芯片型号芯片型号6116（2KB8）、）、6264（8KB8）、）、62128（16KB8）、）、62256（32KB8）等）等本讲稿第十一页，共三十四页2.动态随机存储器动态随机存储器（DRAM)优点优点：集成度高、功耗低、价廉等：集成度高、功耗低、价廉等基本电路是以电荷形式存储基本电路是以电荷形式存储0或或1分类分类：单管、三管、四管动态存储器：单管、三管、四管动态存储器本讲稿第十二页，共三十四页 由于由于Cg上总会有电荷泄漏，上总会有电荷泄漏，为了保持住为了保持住Cg上的信息，上的信息，必须周期性地给必须周期性地给Cg充电充电（称为刷新），刷新周（称为刷新），刷新周期一般期一般2ms,所以所以DRAM为了实现刷新为了实现刷新,需要外置需要外置刷刷新电路新电路本讲稿第十三页，共三十四页Intel2186为内部含有动态刷新电路的集成化了的为内部含有动态刷新电路的集成化了的iRAM2186/2187片内具有片内具有8K8B集成动态随机存储器，单集成动态随机存储器，单+5V供电。工供电。工作电流作电流70mA，维持电流，维持电流20mA，存取时间，存取时间250ns，管脚与，管脚与6264兼兼容容本讲稿第十四页，共三十四页新型新型DRAM存储器存储器EDO DRAM：采用快速页面模式（：采用快速页面模式（FPM），对地址连续的多个），对地址连续的多个单元进行读写；另一方面，在输入下一个地址时，仍然允许数据单元进行读写；另一方面，在输入下一个地址时，仍然允许数据输出输出 扩展了数据输出的时间扩展了数据输出的时间SDRAM：采用同步的方式进行存取，传统：采用同步的方式进行存取，传统DRAM采用异步的方采用异步的方式进行存取式进行存取 送往送往SDRAM的地址、数据及控制信号都是在一个时钟信号的的地址、数据及控制信号都是在一个时钟信号的上升沿被采用和锁存的，上升沿被采用和锁存的，SDRAM输出的数据也在时钟的上升输出的数据也在时钟的上升沿锁存到芯片内部的输出寄存器沿锁存到芯片内部的输出寄存器DDR SDRAM：双倍数据速率同步内存（：双倍数据速率同步内存（DDR（double data rate）SDRAM），是在），是在SDRAM基础上发展的。基础上发展的。DDR不仅在时钟上沿进行操作，在时钟脉冲的下沿也可不仅在时钟上沿进行操作，在时钟脉冲的下沿也可以进行一次对等的操作（读或写）以进行一次对等的操作（读或写）本讲稿第十五页，共三十四页双通道双通道 DDR DRAM：双通道内存体系包含了两个独立的、：双通道内存体系包含了两个独立的、具备互补性的具备互补性的64位智能内存控制器，两个内存控制器都位智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作，形成了能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作，形成了128位宽度的内存数据通道，使内存的带宽翻了一番（理论上，实际位宽度的内存数据通道，使内存的带宽翻了一番（理论上，实际为为3%18%），如），如P4处理器处理器DDR2 SDRAM：是在：是在DDR SDRAM基础上发展的，采用锁相技术，基础上发展的，采用锁相技术，可以在一个时钟周期内传输可以在一个时钟周期内传输4次数据次数据如如：Intel 915P Express芯片组支持芯片组支持DDR2 内存，其频率为内存，其频率为533MHz/400MHz 本讲稿第十六页，共三十四页2.3 只读存储器（只读存储器（ROM）特点特点：非易失性非易失性（即掉电后信息不丢失）（即掉电后信息不丢失）分类分类：MROM、PROM、EPROM、EEPROM(E2PROM)和闪和闪速存储器（速存储器（Flash Memory）等）等 掩膜型只读存储器，该类芯片生产成本低、适合于批量掩膜型只读存储器，该类芯片生产成本低、适合于批量大，程序和数据已经成熟的产品中，由厂家一次性写入，大，程序和数据已经成熟的产品中，由厂家一次性写入，数据不能修改数据不能修改（1）MROM本讲稿第十七页，共三十四页 可编程只读存储器，可由用户借助专用编程器一次性写入，可编程只读存储器，可由用户借助专用编程器一次性写入，数据不能修改数据不能修改 可擦除可编程只读存储器，用户可以借助仿真器，选择适可擦除可编程只读存储器，用户可以借助仿真器，选择适当的写入电压，将程序写入当的写入电压，将程序写入EPROM；该芯片背后有一个；该芯片背后有一个透明的石英窗口，可用紫外线照射，可擦除芯片内的信息，透明的石英窗口，可用紫外线照射，可擦除芯片内的信息，擦净后，读出的状态均为擦净后，读出的状态均为“FFH”，擦除后的芯片可重复写入，擦除后的芯片可重复写入（重复写入的次数可达上万次），其信息可保持几十年之久（重复写入的次数可达上万次），其信息可保持几十年之久常用常用EPROM芯片型号芯片型号：2716（2K8）、）、2732（4K8）、）、2764（8K8）、）、27128（16K8）等）等（3）EPROM（2）PROM本讲稿第十八页，共三十四页常用常用EEPROM芯片型号芯片型号：2816、2817（+12）、）、2816A、2864A、28512A、28010（1MB）、）、28040（4MB）、）、NMC98C64A、24、934、93C6等等（4）EEPROM（E2PROM）电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器特点特点：不用专门的擦除器擦除，可在线擦除和编程、写入过程中自：不用专门的擦除器擦除，可在线擦除和编程、写入过程中自动擦除并写入；擦除方便，已被广泛的应用于科研和产品的开发动擦除并写入；擦除方便，已被广泛的应用于科研和产品的开发过程中过程中 读取时间：读取时间：120150ms 擦除时间：约擦除时间：约10ms分类分类：并行：并行EEPROM和串行和串行EEPROM 本讲稿第十九页，共三十四页 采用非挥发性存储技术，能够在线擦除重写，写入速度已采用非挥发性存储技术，能够在线擦除重写，写入速度已达达30ns，类似于，类似于RAM，掉电后信息可保持，掉电后信息可保持10年年单片机内部已嵌入不同容量的单片机内部已嵌入不同容量的Flash存储器存储器如如：AT89C51/52、MC908GP32等等 （5）闪速存储器（闪速存储器（Flash Memory）PentiumII机以后的主板都采用了这种存储器存放机以后的主板都采用了这种存储器存放BIOS程序，程序，取代了取代了EPROM，可以使，可以使BIOS程序及时升级程序及时升级典型的闪存典型的闪存芯片芯片有有29C256（32K8）、）、29C512（64K8）、）、29C101（128K8）、）、29C020（256K8）、）、29C040（512K8）、）、29C080（1024K8）等）等本讲稿第二十页，共三十四页2.4 存储器的扩展技术存储器的扩展技术 原因原因：各种存储器芯片的单片容量是有限的，要构成一定容量各种存储器芯片的单片容量是有限的，要构成一定容量的内存就必须使用多片存储器芯片构成较大容量的存储器模块的内存就必须使用多片存储器芯片构成较大容量的存储器模块存储器的扩展存储器的扩展方式方式位扩展位扩展字扩展字扩展字位全扩展字位全扩展本讲稿第二十一页，共三十四页（1）位扩展位扩展如如：用用2片片SRAM6116组成组成2K16B存储容存储容量的存储系统量的存储系统特点特点：存储芯片的地址线，片选信号线及控制信号线均并联存储芯片的地址线，片选信号线及控制信号线均并联 数据线按数据位的高低顺序分别连到数据总线上数据线按数据位的高低顺序分别连到数据总线上 本讲稿第二十二页，共三十四页（2）字扩展字扩展 是存储单元数的扩展，是存储单元数的扩展，数据宽度仍以字节为单数据宽度仍以字节为单位，只是对存储器系统位，只是对存储器系统的寻址空间进行扩展的寻址空间进行扩展特点特点：存储器芯片的地址线、数据线、读、写控制信号线均并联存储器芯片的地址线、数据线、读、写控制信号线均并联 片选信号线是各自独立被选中的片选信号线是各自独立被选中的本讲稿第二十三页，共三十四页 如果存储器的字数和位数都不能满足需要，就要进如果存储器的字数和位数都不能满足需要，就要进行字和位的全扩展，字位全扩展是由字扩展电路和行字和位的全扩展，字位全扩展是由字扩展电路和位扩展电路组合而成位扩展电路组合而成（3）字位全扩展字位全扩展电路电路如何画如何画?本讲稿第二十四页，共三十四页 存储器都是存储器都是挂挂在总线上的！并由系统在总线上的！并由系统唯一的分配一个地址唯一的分配一个地址，地，地址信息经过地址译码电路产生一个选通信号（片选），选中某一址信息经过地址译码电路产生一个选通信号（片选），选中某一片存储器，对该存储器进行读写操作片存储器，对该存储器进行读写操作2.5 存储器与存储器与CPU的连接的连接 1.以随机存储器为例以随机存储器为例，引脚结构如图所示：，引脚结构如图所示：本讲稿第二十五页，共三十四页写允许（WE）WRSRAMD0D7“挂”DBVCC（+5V）A0AN-1片内地址 “挂”ABGND读允许（OE）RD片选信号（CS）CEN与容量有关容量=2N本讲稿第二十六页，共三十四页2.SRAM与与CPU的连接的连接例例2-1：设有一个总线系统设有一个总线系统DB（D0D7），），AB（A15A0)，CB（RD、WR），有两片），有两片6264（8K8），要求设计一个），要求设计一个存储系统，要求从存储系统，要求从0000H开始编址，且地址连续。译码器要求开始编址，且地址连续。译码器要求使用使用138译码器译码器解解：6264（1）的地址范围：）的地址范围：0000H1FFFH 6264（2）的地址范围：）的地址范围：2000H3FFFH 6264需需13根片内地址线，即根片内地址线，即A0A12本讲稿第二十七页，共三十四页地址分析地址分析C是高位，是高位，A是低位，控制位接低电平，接高电平是低位，控制位接低电平，接高电平A15A14A13A12A11A10A9A8A7A00000000000000111111100100100000001111111片外地址片外地址片内地址片内地址参加译码参加译码不参加译码不参加译码CBA6264（1）6264（2）本讲稿第二十八页，共三十四页构造总线构造总线本讲稿第二十九页，共三十四页连接步骤连接步骤练习练习：用用Y4选选6264（1），），Y6选选6264（2）求地址范围）求地址范围6264（1）：）：8000H9FFFH6264（2）：）：C000HDFFFH 构造总线构造总线 挂上芯片挂上芯片(确定片内地址线根数）确定片内地址线根数）根据题意设计译码电路，进行地址分析，确定连接方式根据题意设计译码电路，进行地址分析，确定连接方式本讲稿第三十页，共三十四页例例2-2：设一总线系统：设一总线系统DB（D0D7），），AB（A15A0)，CB（RD、WR），要求有两片），要求有两片2716（2K8）和一片）和一片2732（4K），要求设计一个存储系统，要求），要求设计一个存储系统，要求2716（1）从从0000H开始编址，且地址连续，开始编址，且地址连续，2732从从1000H开始编开始编址，译码器要求使用址，译码器要求使用138译码器译码器解解：2716（1）地址范围：）地址范围：0000H07FFH 2716（2）地址范围：）地址范围：0800H0FFFH 2732 地址范围：地址范围：1000H1FFFH本讲稿第三十一页，共三十四页地址分析地址分析A15A14A13A12A11A10A9A8A7A0000000000000000111112716(1)2716(2)00000001000000111111片外地址片外地址片内地址片内地址参加译码参加译码不参加译码不参加译码273210000001111111000000本讲稿第三十二页，共三十四页构造总线构造总线本讲稿第三十三页，共三十四页1.半导体存储器按功能分，可分为几种？各有什么特点？半导体存储器按功能分，可分为几种？各有什么特点？2.什么是位扩展、字扩展、字位全扩展？各举例说明什么是位扩展、字扩展、字位全扩展？各举例说明 3.什么是什么是“闪存闪存”，用于那些场合？，用于那些场合？4.已已知知有有1片片2732，2片片6116，请请设设计计一一个个字字扩扩展展存存储储系系统统，要要求求用用74LS138译译码码器器片片选选；2732首首地地址址为为0000H；2片片6116地地址址与与2732地址重叠。（地址重叠。（AB=16）5.已已知知某某计计算算机机系系统统的的数数据据总总线线16位位（D15D0）；若若有有4片片6116，请请用用2-4译译码码器器，设设计计出出字字位位全全扩扩展展存存储储系系统统，要要求求首首地地址址为为2000H。（AB=16）作业作业本讲稿第三十四页，共三十四页