第3章存储器技术09101(精品).ppt

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1、微型计算机原理与接口技术第3章 存储器1TMS320C6000系列DSP开发应用技巧 本章主要内容 存储器概述存储器概述(技术指标、技术指标、分类、分类、基本组成、基本组成、存储系统的层次结构存储系统的层次结构)半导体存储器的一般结构半导体存储器的一般结构存储器与存储器与CPU的接口的接口 存储器扩展技术存储器扩展技术 2微型计算机原理与接口技术3.1存储器概述1.存储器的技术指标存储器的技术指标1)存储器的存储容量等于：存储器的存储容量等于：单元数单元数每单元的位数每单元的位数1M 1bit=128k 8bit=256k 42)存取速度存取速度:n访问时间（存取时间）访问时间（存取时间）TA

2、:双极型RAM 1020ns,RAM几十，ROM几百ns。n存取周期存取周期TM、数据传送速率、数据传送速率BM.字节数字节数字长字长3微型计算机原理与接口技术3)体积和功耗体积和功耗:越小越好越小越好.4)可靠性可靠性:用两次故障之间的平均时间间隔用两次故障之间的平均时间间隔MTBF表示表示;用擦除和重写次数用擦除和重写次数,如如EPROM数千或数千或10万次万次.用数据保存时限用数据保存时限,如如20100年年.4微型计算机原理与接口技术介质介质:半导体半导体、磁介质和光存储器。、磁介质和光存储器。与与CPU耦合：内存耦合：内存(cache和主存和主存)、外存。、外存。读写：读写和只读存储

3、器。读写：读写和只读存储器。信息保持：易失性和非易失性。信息保持：易失性和非易失性。数据存取的随机性数据存取的随机性:随机随机RAM、顺序、顺序SAM、直接、直接存取存取DAM。串并行性：并行存取、串行存取。串并行性：并行存取、串行存取。信息存储方法：静态（通过双稳态电路信息存储方法：静态（通过双稳态电路)和动态和动态(通通过电容过电容)。存储器功能：系统、显示、控制。存储器功能：系统、显示、控制。2.存储器的分类存储器的分类5微型计算机原理与接口技术半导体存储器分类随机存取存储器随机存取存储器（RAM）只读存储器（只读存储器（ROM）(MOS型型)FLASH存储器（闪存）：存储器（闪存）：电

4、擦除、非易失电擦除、非易失 (MOS型型)静态静态SRAM动态动态DRAM掩模掩模ROM可编程型可编程型ROM（PROM）可读写可读写ROMEPROMEEPROM双极型双极型:TTL晶体管晶体管MOS型型6微型计算机原理与接口技术3.内存的基本组成内存的基本组成1)存储体存储体2)地址译码部件地址译码部件3)读写电路读写电路ABCPUMARMDR地址译码部件地址译码部件存储体存储体CBDBN=2n读写电路读写电路7微型计算机原理与接口技术1)程序的局部性原理：在某一较短的时间间隔，频繁程序的局部性原理：在某一较短的时间间隔，频繁访问访问某一局部存储器地址某一局部存储器地址的现象。的现象。2）多

5、级存储体系的组成）多级存储体系的组成CPU高速缓存cache主存外(辅)存辅助硬件辅助软硬件半导体半导体磁光介质磁光介质4.存储系统的层次结构存储系统的层次结构8微型计算机原理与接口技术n内存内存存放当前运行的程序和数据。存放当前运行的程序和数据。n特点：快，容量小特点：快，容量小(256512M)，。，。n通常由半导体存储器构成通常由半导体存储器构成.n存系统引导程序、监控程序、存系统引导程序、监控程序、ROMBIOS。n外存外存存放非当前使用的程序和数据。存放非当前使用的程序和数据。n特点：慢，容量大，顺序存取特点：慢，容量大，顺序存取/块存取。需调入内块存取。需调入内存后存后CPU才能访

6、问。才能访问。n由磁、光存储器、半导体存储器构成。由磁、光存储器、半导体存储器构成。n磁盘、磁带、磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘。、固态盘。9微型计算机原理与接口技术CPU寄存器寄存器内部内部cache主板主板cache主存主存(DRAM)辅助存储器辅助存储器大容量辅助存储器大容量辅助存储器速度快、访问频度高速度快、访问频度高造价高、功耗大造价高、功耗大、集成度小、集成度小微型机存储系统的层次结构微型机存储系统的层次结构双极型双极型高速高速SRAM高速高速DRAM软硬盘软硬盘磁带磁带光盘光盘10微型计算机原理与接口技术目标：目标：系统的存储速度接近最快的存储器，系统的存储速度

7、接近最快的存储器，容量接近最大的存储器。容量接近最大的存储器。与寄存器的区别：以与寄存器的区别：以字字为单位存取，为单位存取，每字包含每字包含若干位若干位。各个字的相同位通。各个字的相同位通过过同一引脚同一引脚与外界联系。每个字分配与外界联系。每个字分配一个地址一个地址，因此内部有地址译码器。，因此内部有地址译码器。11微型计算机原理与接口技术3.1.2 半导体存储器的一般结构AB存储体存储体地址地址译码译码.控制电路控制电路MAR读写读写电路电路MDRDBAB存储单元：存储单元：多字一多字一位位多字多多字多位位123.1.3 半导体静态存储器半导体静态存储器1.SRAM六管静态电路：双稳、负

8、载、控制六管静态电路：双稳、负载、控制13微型计算机原理与接口技术RAM的的3个特性：个特性：1）可读可写，非破坏性读出，写入时覆盖原）可读可写，非破坏性读出，写入时覆盖原内容。内容。2）随机存取，存取任一单元所需时间相同。）随机存取，存取任一单元所需时间相同。3）易失性（或挥发性）。当断电后，存储器）易失性（或挥发性）。当断电后，存储器中的内容立即消失。中的内容立即消失。14微型计算机原理与接口技术例例SRAM的管脚的管脚信号与读写信号信号与读写信号SRAM62128的管脚的管脚：A0A17是是17位位 地址线；地址线；D0D7；CS；WE；OE；15微型计算机原理与接口技术绝缘栅绝缘栅MO

9、S管构成管构成,栅极带电与否决定信息。栅极带电与否决定信息。漏源加高压，电子注入；紫外线照射，电子泄露。漏源加高压，电子注入；紫外线照射，电子泄露。例例512KB的的27C040。2.UV-EPROM存储器存储器16微型计算机原理与接口技术绝缘栅绝缘栅MOS管构成管构成,浮栅浮栅+控制栅，控制栅加正压，控制栅，控制栅加正压，栅极电子注入；控制栅加负压，电子泄露；栅极电子注入；控制栅加负压，电子泄露；例：例：32KB282563.EEPROM存储器存储器17微型计算机原理与接口技术4.闪速存储器：快闪或闪存闪速存储器：快闪或闪存电可擦除、非易失只读存储器。电可擦除、非易失只读存储器。特点：特点：

10、(1)按区块或页面组织：字节、页面、整片编程按区块或页面组织：字节、页面、整片编程和擦除。和擦除。(2)快速页写入：写入页缓存。快速页写入：写入页缓存。(3)内部编程控制逻辑。内部编程控制逻辑。(4)在线编程能力。在线编程能力。(5)软硬件保护能力。软硬件保护能力。18微型计算机原理与接口技术3.1.4动态随机存储器动态随机存储器DRAM1.动态动态RAM的基本存储单元的基本存储单元19微型计算机原理与接口技术DRAM是靠是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息电路中的栅极电容来存储信息的，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充的，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（电以

11、维持存储内容不丢失（动态刷新动态刷新）。）。n刷新定时间隔一般为几微秒几毫秒刷新定时间隔一般为几微秒几毫秒n集成度高（存储容量大，可达集成度高（存储容量大，可达1Gbit/片以上）片以上），功耗低，但速度慢（，功耗低，但速度慢（10ns左右）。左右）。DRAM在在微机中应用非常广泛，如微机中的微机中应用非常广泛，如微机中的内存条（主内存条（主存）、显卡上的显示存储器。存）、显卡上的显示存储器。特点：特点：20微型计算机原理与接口技术SDRAM（Synchronous DRAM）它在它在1个个CPU时钟周期内可完成数据的访问和刷新，即与时钟周期内可完成数据的访问和刷新，即与CPU的时的时钟同步工

12、作。钟同步工作。SDRAM的工作频率目前最大可达的工作频率目前最大可达150MHz，存取时间约为，存取时间约为510ns，最大数据率为，最大数据率为150MB/s，是当前微机中流行的标准内存类型。，是当前微机中流行的标准内存类型。nDDR DRAM（Double Data Rate DRAM）是对是对SDRAM的改进，它在时钟的上升沿和下降沿都的改进，它在时钟的上升沿和下降沿都可以传送数据，其数据率可达可以传送数据，其数据率可达200-800 MB/s。主。主要应用在主板和高速显示卡上。要应用在主板和高速显示卡上。nRDRAM（Rambus DRAM）是由是由Rambus公公司所开发的高速司所

13、开发的高速DRAM。其最大数据率可达。其最大数据率可达1.6GB/s。常见常见DRAM的种类：的种类：21微型计算机原理与接口技术3.2 存储器与存储器与CPU的接口的接口1.存储器和存储器和CPU的连接考虑的连接考虑 高速高速CPU和较低速度存储器之间的速度匹和较低速度存储器之间的速度匹配问题。配问题。CPU总线的负载能力问题。总线的负载能力问题。片选信号和行地址、列地址的产生机制。片选信号和行地址、列地址的产生机制。22微型计算机原理与接口技术2.存储器芯片片选信号的构成方法存储器芯片片选信号的构成方法：全译码法全译码法 适用于组合容量较大的存储器适用于组合容量较大的存储器 结构复杂结构复

14、杂 部分译码法部分译码法 线译码法线译码法 适用于容量较小的存储器适用于容量较小的存储器 结构简单结构简单23微型计算机原理与接口技术译码电路n将输入的一组二进制编码变换为一个特将输入的一组二进制编码变换为一个特定的控制信号，即：定的控制信号，即：将输入的一组高位地址信号通过变换，将输入的一组高位地址信号通过变换，产生一个有效的控制信号，用于选中某产生一个有效的控制信号，用于选中某一个存储器芯片，从而确定该存储器芯一个存储器芯片，从而确定该存储器芯片在内存中的地址范围。片在内存中的地址范围。24微型计算机原理与接口技术(1)全地址译码n用全部的高位地址信号作为译码信号，使得存用全部的高位地址信

15、号作为译码信号，使得存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存储器芯片的每一个单元都占据一个唯一的内存地址。地址。存储器存储器芯片芯片译译码码器器低位地址低位地址高位地址高位地址全全部部地地址址片选信号片选信号25微型计算机原理与接口技术全地址译码例n6264芯片的地址范围：芯片的地址范围：F0000HF1FFFH11110000000 11110001111A19A18A17A16A15A14A13&1CS1A12A0D7D0高位地高位地址线全址线全部参加部参加译码译码6264A12-A0D7-D0OEWE26微型计算机原理与接口技术全地址译码法特点：全地址译码法特点：片选线全部参加译码，地

16、址空间是唯一确片选线全部参加译码，地址空间是唯一确定的，地址连续，但译码电路相对复杂。定的，地址连续，但译码电路相对复杂。常用地址译码器：常用地址译码器：2-4译码器：译码器：74LS139：3-8译码器：译码器：74LS138：4-16译码器：译码器：74LS154：27微型计算机原理与接口技术(2)部分地址译码n用部分高位地址信号（而不是全部）用部分高位地址信号（而不是全部）作为译码信号，使得被选中得存储器作为译码信号，使得被选中得存储器芯片占有几组不同的地址范围。芯片占有几组不同的地址范围。28微型计算机原理与接口技术部分地址译码例n同一物理存储器占用两组地址：同一物理存储器占用两组地址

17、：F0000HF1FFFH B0000HB1FFFH A18不参与译码不参与译码A19A17A16A15A14A13&1到6264CS129微型计算机原理与接口技术3.应用举例n设计：将设计：将SRAM 6264芯片与系统连接，使芯片与系统连接，使其地址范围为：其地址范围为：38000H39FFFH和和78000H79FFFH。n选择使用选择使用74LS138译码器构成译码电路译码器构成译码电路74LS13874LS138逻辑图逻辑图：30微型计算机原理与接口技术74LS13874LS138逻辑图逻辑图：Y0G1 Y1G2 A Y 2G2 B Y3Y4A Y5B Y6C Y7片片选选信号信号输

18、输出出译码译码允允许许信号信号地址信号地址信号（接到不同的存（接到不同的存储储体上）体上）31微型计算机原理与接口技术74LS138的真值表：可以看出，当译码允许信号有效时，Yi是输入A、B、C的函数，即 Y=f(A,B,C)（注意：输出低电平有效）11111111X X X 其 它 值011111111 1 1 1 0 0101111111 1 0 1 0 0110111111 0 1 1 0 0111011111 0 0 1 0 0111101110 1 1 1 0 0111110110 1 0 1 0 0111111010 0 1 1 0 0111111100 0 0 1 0 0Y7Y6

19、Y5Y4Y3Y2Y1Y0C B AG1 G2A G2B32微型计算机原理与接口技术D0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMRD0D7G1G2AG2BCBA&A19A14A13A17A16A15+5VY0下图中下图中A18不参与译码，故不参与译码，故6264的地址范围为：的地址范围为：3 380008000H39FFFHH39FFFH78000H79FFFH78000H79FFFH 626433微型计算机原理与接口技术3.2.2存储器扩展技术位扩展位扩展扩展每个存储单元的位数扩展每个存储单元的位数Intel 2114 1k 4位位;Intel 2164 A 64k 1位位字

20、扩展字扩展扩展存储单元的个数扩展存储单元的个数EPROM 2716 2k 8位位;27256 32K 8位位字位扩展字位扩展二者的综合二者的综合用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，用多片存储芯片构成一个需要的内存空间，它们在整个内存中占据不同的地址范围，它们在整个内存中占据不同的地址范围，任任一时刻仅有一片（或一组）被选中。一时刻仅有一片（或一组）被选中。34微型计算机原理与接口技术1.位扩展n存储器的存储容量等于：存储器的存储容量等于：单元数单元数每单元的位数每单元的位数n当构成内存的存储器芯片的字长小于当构成内存的存储器芯片的字长小于内存单元的字长时，就要进行位扩展，内存单元的字长时，就

21、要进行位扩展，使每个单元的字长满足要求。使每个单元的字长满足要求。字节数字节数字长字长35微型计算机原理与接口技术n位扩展方法：将每片的地址线、控制线并联，将每片的地址线、控制线并联，数据数据线分别引出。线分别引出。n位扩展特点：位扩展特点：存储器的单元数不变，位数增加。存储器的单元数不变，位数增加。36微型计算机原理与接口技术N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位位RAM.37微型计算机原理与接口技术2.字扩展n地址空间的扩展。芯片每个单元中的地址空间的扩展。芯片每个单元中的字长满足，但单

22、元数不满足。字长满足，但单元数不满足。n扩展原则：扩展原则：每个芯片的地址线、数据线、控每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，制线并联，仅片选端分别引出仅片选端分别引出，以实，以实现每个芯片占据不同的地址范围。现每个芯片占据不同的地址范围。38例：用例：用256字字8位位RAM组成组成1024字字8位存储器。位存储器。需要片数需要片数N4N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量特点：必须使用译码器。特点：必须使用译码器。各片地址分配情况：各片地址分配情况：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H字扩展图字扩展图39字扩展字扩展方法：片内地址、方法：片

23、内地址、I/O同名端并联。多余同名端并联。多余地址端通过译码器接至各片的片选端地址端通过译码器接至各片的片选端；并联并联并联并联译译码码器器40微型计算机原理与接口技术3.字位扩展n根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；片数；n进行位扩展以满足字长要求；进行位扩展以满足字长要求；n进行字扩展以满足容量要求。进行字扩展以满足容量要求。n若已有存储芯片的容量为若已有存储芯片的容量为LK，要构成容要构成容量为量为M N的存储器，需要的芯片数为：的存储器，需要的芯片数为：（M N）/（L K）41微型计算机原理与接口技术例用例用8片256 x 4芯片构成1KB存储器。42微型计算机原理与接口技术思考题思考题:设有一个设有一个24位地址和位地址和8位字长的存储器位字长的存储器:(1)该存储器能够存储多少字节信息该存储器能够存储多少字节信息?(2)如果该存储器由如果该存储器由4M x1位的位的RAM芯片组芯片组成成,需要多少片需要多少片?(3)在此条件下在此条件下,若数据总线为若数据总线为8位位,需要多少需要多少位作芯片选择位作芯片选择?43