存储器及其与CPU的接口.ppt

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1、第第3章章 存储器及其与存储器及其与CPU的接口的接口本章学习目标本章学习目标掌握各种半导体存储器芯片的外部特性。掌握各种半导体存储器芯片的外部特性。掌握常用半导体存储器芯片与总线的连接。掌握常用半导体存储器芯片与总线的连接。了解高速缓冲存储器的基本工作原理。了解高速缓冲存储器的基本工作原理。了解存储器分类及常用性能指标。了解存储器分类及常用性能指标。半导体存储器可分为只读存储器（半导体存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存和随机存取存储器（储器（RAM）两大类。两大类。ROM是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，就固定不变，掉电后，信息

2、也不会丢失。就固定不变，掉电后，信息也不会丢失。RAM是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，一旦掉电，信息就会自动丢失。一旦掉电，信息就会自动丢失。（1）ROM的类型的类型 掩膜ROM掩膜掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在生产过程中采用掩膜工艺一次性直接写入的。生产过程中采用掩膜工艺一次性直接写入的。掩膜掩膜ROM一旦制成后，其内容不能再改写，因此它只适一旦制成后，其内容不能再改写，因此

3、它只适合于存储永久性保存的程序和数据。合于存储永久性保存的程序和数据。PROMPROM为一次编程为一次编程ROM。它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储的信息：当熔丝被烧断时，表示信息存储的信息：当熔丝被烧断时，表示信息“0”；当熔丝；当熔丝接通时，表示信息接通时，表示信息“1”。由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。EPROMEPROM是一种紫外线可擦除可编程是一种紫外线可擦除可编程ROM。

4、写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的功写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的功能。能。EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时，芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时，将它放在紫外线灯光下照射约将它放在紫外线灯光下照射约1520分钟便可擦除信息，分钟便可擦除信息，使所有的擦除单元恢复到初始状态使所有的擦除单元恢复到初始状态“1”，又可以编程写，又可以编程写入新的内容。入新的内容。由于由于EPROM在紫外线照射下信息易丢失，故在使用时应在紫外线照射下信息易丢失，故在使用时应在玻璃窗口处用不透明的纸封严，以免信息丢失。在玻璃窗口处用不透明的纸封严，以免信息丢失

5、。EEPROMEEPROM是一种电可擦除可编程是一种电可擦除可编程ROM。它是一种在线（或称在系统，即不用拔下来）可擦除可编它是一种在线（或称在系统，即不用拔下来）可擦除可编程只读存储器。程只读存储器。它能像它能像RAM那样随机地进行改写，又能像那样随机地进行改写，又能像ROM那样在掉那样在掉电的情况下使所保存的信息不丢失，即电的情况下使所保存的信息不丢失，即E2PROM兼有兼有RAM和和ROM的双重功能特点。的双重功能特点。又因为它的改写不需要使用专用编程设备，只需在指定的又因为它的改写不需要使用专用编程设备，只需在指定的引脚加上合适的电压（如引脚加上合适的电压（如5V）即可进行在线擦除和改

6、即可进行在线擦除和改写，使用起来更加方便灵活。写，使用起来更加方便灵活。闪速存储器闪速存储器闪速存储器（闪速存储器（flash memory），），简称简称Flash或闪存。它或闪存。它与与EEPROM类似，也是一种电擦写型类似，也是一种电擦写型ROM。与与EEPROM的主要区别是：的主要区别是：EEPROM是按字节擦写，速是按字节擦写，速度慢；而闪存是按块擦写，速度快，一般在度慢；而闪存是按块擦写，速度快，一般在65170ns之之间。间。Flash芯片从结构上分为串行传输和并行传输两大类：串芯片从结构上分为串行传输和并行传输两大类：串行行Flash能节约空间和成本，但存储容量小，速度慢；而能

7、节约空间和成本，但存储容量小，速度慢；而并行并行Flash存储容量大，速度快。存储容量大，速度快。（2）RAM的类型的类型 SRAM SRAM是一种静态随机存储器。是一种静态随机存储器。它的存储电路由它的存储电路由MOS管触发器构成，用触发器的导通和管触发器构成，用触发器的导通和截止状态来表示信息截止状态来表示信息“0”或或“1”。其特点是速度快，工作稳定，且不需要刷新电路，使用方其特点是速度快，工作稳定，且不需要刷新电路，使用方便灵活，但由于它所用便灵活，但由于它所用MOS管较多，致使集成度低，功管较多，致使集成度低，功耗较大，成本也高。耗较大，成本也高。DRAMDRAM是一种动态随机存储器

8、。是一种动态随机存储器。它的存储电路是利用它的存储电路是利用MOS管的栅极分布电容的充放电来管的栅极分布电容的充放电来保存信息，充电后表示保存信息，充电后表示“1”，放电后表示，放电后表示“0”。其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但由于电容存在其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但由于电容存在漏电现象，电容电荷会因为漏电而逐渐丢失，因此必须定漏电现象，电容电荷会因为漏电而逐渐丢失，因此必须定时对时对DRAM进行充电（称为刷新）。进行充电（称为刷新）。NVRAMNVRAM是一种非易失性随机存储器。是一种非易失性随机存储器。它的存储电路由它的存储电路由SRAM和和EEPROM共同构成，在正常运共

9、同构成，在正常运行时和行时和SRAM的功能相同，既可以随时写入，又可以随时的功能相同，既可以随时写入，又可以随时读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间，它可以立即把读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间，它可以立即把SRAM中的信息保存到中的信息保存到EEPROM中，使信息得到自动保中，使信息得到自动保护。护。微型计算机中半导体存储器的分类如图：微型计算机中半导体存储器的分类如图：3.2 半导体存储器的性能指标半导体存储器的性能指标1存储容量存储容量 存储容量是指存储器所能容纳二进制信息的总量。存储容量是指存储器所能容纳二进制信息的总量。一位二进制数为最小单位（一位二进制数为最小单位（bit），），8

10、位二进制数为一个字位二进制数为一个字节（节（Byte），），单位用单位用B表示。表示。由于微机中都是按字节编址的，因此字节（由于微机中都是按字节编址的，因此字节（B）是存储器是存储器容量的基本单位。容量的基本单位。存储器容量常用的单位还有存储器容量常用的单位还有KB,MB,GB和和TB。2存取速度存取速度 存取速度通常用存取时间来衡量。存取速度通常用存取时间来衡量。存取时间又称为访问时间或读存取时间又称为访问时间或读/写时间，它是指从启动一写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。次存储器操作到完成该操作所经历的时间。内存的存取时间通常用内存的存取时间通常用ns（纳秒）表示。

11、纳秒）表示。3可靠性可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。写的概率。通常用平均无故障时间通常用平均无故障时间MTBF来衡量可靠性。来衡量可靠性。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说可以理解为两次故障之间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。明存储器的性能越好。4功耗功耗 功耗反映存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程功耗反映存储器件耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。度。功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。大多数半导体存储器的维持功耗小于工作功耗。大多数半导体存储器的维持

12、功耗小于工作功耗。3.3 只读存储器只读存储器ROM芯片芯片EPROM芯片有多种型号，市场上常见的芯片有多种型号，市场上常见的Intel公司的产品公司的产品有：有：2716容量为容量为2K8bit2732容量为容量为4K8bit2764容量为容量为8K8bit27128容量为容量为16K8bit27256容量为容量为32K8bit27512容量为容量为64K8bit2764引脚定义：引脚定义：A0A11/A12为地址线信号为地址线信号D0D7为数据线信号为数据线信号OE为允许数据输出选通信号，低电平有效。为允许数据输出选通信号，低电平有效。CE为片选信号，低电平有效。该信号有效时，芯片工作；为

13、片选信号，低电平有效。该信号有效时，芯片工作；否则，不工作。否则，不工作。VPP、PGM分别为编程电压、编程脉冲信号。分别为编程电压、编程脉冲信号。VCC、GND分别为工作电压（分别为工作电压（5V）、）、工作地（工作地（0V）。）。NC未用引脚，为悬浮态。未用引脚，为悬浮态。2764工作方式：工作方式：读方式：这是读方式：这是EPROM的主要工作方式。此时，的主要工作方式。此时，VCC=VPP，CE=0，OE=0。数据线为输出。数据线为输出。维持方式（未选中）：此时，维持方式（未选中）：此时，CE=1，VCC=VPP，OE任任意，意，EPROM数据线为高阻态。数据线为高阻态。编程方式（写入方

14、式）：编程方式（写入方式）：VPP加规定电压，加规定电压，CE=OE=1，EPROM数据线为输入。数据线为输入。编程校验方式：编程校验方式：VPP加规定电压，加规定电压，CE=0，OE=0，数据数据线为输出。此时，虽然也是读出，但这时是为检查写入的线为输出。此时，虽然也是读出，但这时是为检查写入的是否正确而读出。是否正确而读出。编程禁止方式：编程禁止方式：VPP加规定电压，加规定电压，CE=0，OE=1，EPROM数据线为高阻态。数据线为高阻态。3.4 随机存取存储器随机存取存储器RAM Intel 6264芯片芯片Intel 6264的特性及引脚信号：的特性及引脚信号：A12A0：地址线，可

15、寻址地址线，可寻址8KB的存储空间。的存储空间。D7D0：数据线，双向，三态。数据线，双向，三态。/OE：读出允许信号，输入，低电平有效。读出允许信号，输入，低电平有效。/WE：写允许信号，输入，低电平有效。写允许信号，输入，低电平有效。/CE1：片选信号片选信号1，输入，在读，输入，在读/写方式时为低电平。写方式时为低电平。CE2：片选信号片选信号2，输入，在读，输入，在读/写方式时为高电平。写方式时为高电平。VCC：+5V工作电压。工作电压。GND：信号地。信号地。Intel 6264的操作方式的操作方式2164A的引脚信号的引脚信号A7A0：地址线。地址线。DIN：数据输入线。数据输入线

16、。DOUT：数据输出线。数据输出线。/RAS：行地址选通信号，输入，低电平有效。行地址选通信号，输入，低电平有效。/CAS：列地址选通信号，输入，低电平有效。列地址选通信号，输入，低电平有效。VCC：5V电源。电源。VSS：信号地。信号地。3.5 存储器组织存储器组织存储器芯片能够存放的位的总数等于单元数乘以每单元的存储器芯片能够存放的位的总数等于单元数乘以每单元的数据位数。归纳为：数据位数。归纳为：存储器芯片包含存储器芯片包含2x个单元，其中个单元，其中x是地址引脚的数量。是地址引脚的数量。各个单元包含各个单元包含y位，其中位，其中y是该芯片数据引脚的数量。是该芯片数据引脚的数量。整个芯片包

17、含整个芯片包含2xy位。位。例例1 给定的存储器芯片具有给定的存储器芯片具有12个地址引脚，个地址引脚，4个数据个数据引脚，试求得：引脚，试求得：（a）它的组织它的组织 （b）它的容量它的容量解：解：（a）此存储器芯片具有此存储器芯片具有4096个单元（个单元（212=4096）。）。每个单元持有每个单元持有4位数据。给出的组织是位数据。给出的组织是40964，通常，通常表示为表示为4K4 （b）容量为）容量为16Kb，因为总共因为总共4K单元，每单元持有单元，每单元持有4位数据。位数据。例例2 若若512K存储器芯片具有存储器芯片具有8个引脚用于数据。试求个引脚用于数据。试求得：得：（a）它

18、的组织它的组织 （b）该存储器芯片的地址引脚数该存储器芯片的地址引脚数解：解：（a）此存储器芯片具有此存储器芯片具有8个数据引脚，这表明芯片每个数据引脚，这表明芯片每单元持有单元持有8位数据。将容量除以引脚数，可求得该存位数据。将容量除以引脚数，可求得该存储器芯片内的单元数，即储器芯片内的单元数，即512K/8=64K，因此，该存因此，该存储器芯片的组织是储器芯片的组织是64K8 （b）此芯片具有此芯片具有16个地址引脚，因为个地址引脚，因为216=64K例例3 对于如下各个存储器芯片，讨论分配给地址的引对于如下各个存储器芯片，讨论分配给地址的引脚数目。脚数目。（a）16K4 DRAM （b）

19、16K4 SRAM解：解：214=16K （a）对于对于DRAM，有有7个地址引脚（个地址引脚（A0-A6），），以及以及RAS和和CAS2个引脚。个引脚。（b）对于对于SRAM，有有14个地址引脚。个地址引脚。2种情况下，都有种情况下，都有4个引脚作为数据总线。个引脚作为数据总线。3.6 存储器的扩展存储器的扩展1位扩展位扩展 位扩展是指增加存储字长。位扩展是指增加存储字长。位扩展可利用芯片地址并联的方式实现，即将各位扩展可利用芯片地址并联的方式实现，即将各芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而各芯芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而各芯片的地址线、读片的地址线、读/写信号线和片选信号线对

20、应地写信号线和片选信号线对应地并联在一起。并联在一起。例例4 用两片用两片1K4b的的SRAM芯片芯片2114，组成，组成1K8b的存储的存储器。器。两片两片2114的地址线和各控制线分别并联在一起，而其中的地址线和各控制线分别并联在一起，而其中1#芯片的数据线接数据总线的低芯片的数据线接数据总线的低4位，位，2#芯片的数据线芯片的数据线接数据总线的高接数据总线的高4位。位。硬件连接之后便可确定存储单元的地址，即硬件连接之后便可确定存储单元的地址，即A9A0的编的编码状态码状态000H3FFH就是就是1KB存储单元的地址。存储单元的地址。2字扩展字扩展 字扩展是指增加存储器字的数量，字扩展可利

21、用芯片地址字扩展是指增加存储器字的数量，字扩展可利用芯片地址串联的方式实现。串联的方式实现。例例5 用两片用两片2K8b的的RAM芯片芯片6116组成组成4K8b的存储器。的存储器。两片两片6116的片内信号线的片内信号线A10A0、D7D0、/OE、/WE 分别与系统的地址线分别与系统的地址线A10A0、数据线数据线D7D0和读和读/写写控制线控制线/RD、/WR连接。连接。1#芯片的片选信号线与芯片的片选信号线与A11连接，连接，2#芯片的片选信号线与芯片的片选信号线与A11反相之后连接。反相之后连接。1#芯片的地址范围是芯片的地址范围是000H7FFH，2#芯片的地址范围芯片的地址范围是是800HFFFH。3字和位扩展字和位扩展 字和位扩展是字扩展和位扩展的组合。字和位扩展是字扩展和位扩展的组合。例例6 用四片用四片1K4b的的RAM芯片芯片2114，组成，组成2K8b的存储的存储器。器。当当A11A1000时，选择时，选择1#和和2#芯片读芯片读/写；写；当当A11A1001时，选择时，选择3#和和4#芯片读芯片读/写。写。3.7 存储器的地址译码存储器的地址译码在微机系统中，常采用集成电路芯片在微机系统中，常采用集成电路芯片74LS138作为地址作为地址译码器。译码器。74LS138 真值表真值表74LS138