第8章 存储器电子技术基础.ppt

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1、第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.1 存储器基本知识8.3 可编程逻辑器件第8章 存储器 8.2 随机存取存储器（RAM）第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础自学提示 存储器是用来存放程序和数据的，也是构成计算机系统中记忆设备的电子电路。今后必有更多更新的存储器技术不断涌现。尽快掌握存储器技术，是现代工程技术人员的必需。要求：了了 解解各类存储器的特点和应用场合，其技术指标对存储器性能的影响熟熟 悉悉半导体存储器的逻辑功能及使用方法可编程逻辑器件的逻辑功能及用途掌掌 握握半导体存储器的结构原理，可编程逻辑器件的类型、原理及编程方式第 第

2、8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.1 存储器基本知识存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，计算机中的数据、程序、指令以及运算的中间数据和最后结果都要存放在存储器中。有了存储器，计算机才具有记忆功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机的数字系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础存储容量存储容量存取速度存取速度成本成本计算机对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。因此，存储器系统的三项主要性能指标是容量、速度和成本。存储容量越大，系统能存储容量是存储器系统够保存的信息量就越多，计算机系统的功能就

3、越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度；存储器成本也是存储器系统的重要性能指标。8.1.1 存储器概述第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础主存储器主存储器特点：存取速度快，但容量有限。特点：存取速度快，但容量有限。实用中，一个存储器同时要求兼顾这三方面很困难。目前在计算机系统中，通常采用主存储器、高速缓冲存储器、外存储器三者构成的统一多级存储系统。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础高速缓冲存储器高速缓冲存储器特点：存取速度快，但容量有限。特点：存取速度快，但容量有限。高速缓冲存储器设置在CPU 和主存储器之间，完成高速与CP

4、U 交换信息，尽量避免CPU 不必要地多次直接访问慢速的主存储器，从而提高计算机系统的运行效率。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础外存储器外存储器特点：所存信息必须调入内存后特点：所存信息必须调入内存后 才能被才能被CPUCPU访问和处理。访问和处理。硬盘光盘U 盘第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.1.28.1.2 存储器存储器的分类的分类存储器按构成的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类又可分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。第 第8 8 章

5、 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础1.1.内内存存储储器器只读存储器只读存储器ROMROMROM 中的程序和数据是事先存入的，计算机与使用者只能读取和保存ROM 中的程序，不能变更或存入资料。ROM 被储存在一个非挥发性芯片上，即使关机之后储存的内容仍然被保存，即事先存入的信息不会因为掉电而丢失。因此，ROM 常用来存放计算机系统程序、监控程序、基本输入、输出程序等特定功能的程序。随机存取存储器随机存取存储器RAMRAMRAM 的存储单元根据具体需要可以读出，也可以写入或改写。RAM 主要用来存放各种现场的输入输出数据、中间计算结果以及与外部存储器交换的信息。RAM 在发生掉电时，

6、没有及时保存的数据就会丢失。RAM 帮助中央处理器CPU 工作，从键盘或鼠标之类的来源读取指令，帮助CPU 把资料写到一样可读可写的辅助内存中，以便日后仍可取用。RAM 还能主动把资料送到输出装置。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础2.2.外外存存储储器器辅助存储器硬盘、光盘和辅助存储器硬盘、光盘和UU盘均称为外存盘均称为外存硬盘存储容量大、存取速度快，硬盘中的每个盘片可划分成若干个磁道和扇区，并分别用盘符C、D、E 等表示。光盘结构原理简单、存储信息容量大，十分方便于大量生产，且价格低廉。利用激光头发射的激光束可读取光盘上的信息。U 盘轻便小巧，便于携带，不需要驱

7、动器。使用U 盘只需用一个USB 接口，就可以十分方便地做到文件共享与交流，具有很好地发展前景。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.1.3 存储器的主要性能指标1.1.存存储储容容量量存储器中可容纳的二进制信息量称为计算机的存储容量。二进制数的最基本单位是“位 位”，8位二进制数称为一个“字节 字节”，存储容量的大小通常都是用字节来表示的。1KB=1024 字节 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础2.2.存取速度存取速度232=4294967296B 字节=4194304K

8、B=4096MB=4GB计算机地址总线为32根，则其最大寻址空间为：计算机的容量越大，信息量也越大，存取速度也就越快。计算机内存的最大容量由系统地址总线决定，第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础3.3.功耗功耗半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，因此散热不容易。在保证速度的前提下，应尽量减小功耗。4.4.可靠性可靠性可靠性是指存储器对电磁场、温度变化等因素造成干扰的抵抗能力，通常也称为电磁兼容性。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础存储器由若干存储器芯片组成。存储器芯片的集成度越高，构成相同容量的存储器芯片数就越少。半导体存储器

9、的集成度是指在一块数平方毫米芯片上所制作的基本存储单元数，常以“位片”表示，也可以用“字节片”表示。5.5.集成度集成度第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础思考与问题132 目前使用的半导体存储器，主要类型是什么？按其存储信息的功能又可分为哪两大类。存储器内存的最大容量是由什么来决定的？多级结构的存储器是由哪三级存储器组成的？每一级存储器使用什么类型的存储介质？4何 谓 计 算 机 的存 储 容 量？存储 容 量 的 大 小通 常 用 什 么 来表示？2023/5/11Sikaoyuwenti第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.2 随机存

10、取存储器特点随机存取存储器RAM 是与CPU 直接交换数据的主存，也称为内存。RAM 通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。RAM 可以随时读写，而且速度很快。在系统工作时，可以随机对各个存储单元进行“读”操作和“写”操作。由于RAM的存储单元是触发器构成的，所以掉电时RAM 中存放的数据将全部丢失。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础存储矩阵的容量由地址码的位数N 和字长的位数M 决定。当一个存储矩阵的地址数为N，每个字长所包含的位数是M 时，存储矩阵的容量=NM。1.存储矩阵第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础地址译码

11、器的作用就是用来接受CPU 送来的地址信号，并对地址信号进行译码，选择与地址码相对应的存储单元，以便对该单元进行读写操作。2.地址译码器第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础访问RAM 时，对被选中的寄存器，究竟是读还是写，通过读/写控制电路进行控制。RAM 的读/写控制线通常高电平时为读；低电平时为写。3.读/写控制器第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础由于受RAM 集成度的控制，一台计算机的存储器系统往往是由许多片RAM 组合而成。CPU 访问存储器时一次只能访问一片，其他片RAM 不能同时访问CPU，片选用来实现这种控制作用。4.片选控制

12、第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础数据输入/输出共用相同的I/O 引脚。读操作时I/O 端子作输出端使用；写操作时I/O 端子作输入端使用。RAM 通过I/O 端子与计算机的CPU 交换数据。I/O 端子数与地址中所对应的寄存器位数相同。5.数据输入/输出控制第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.2.2 RAM的存储单元1.1.静态静态RAMRAM存储单元存储单元存储数据输出 存储数据输出VT1 QQ+VDD1 1位线0 0位线行选择线VT2VT3VT4VT6 VT5当行选择线为高电平时，1 1当行选择线为低电平时，导 导通 通导 导通

13、通0 0截 截止 止截 截止 止保持原态不变 保持原态不变1 10 0第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础22动态动态RAMRAM存储单元存储单元动态RAM 存储单元DRAM 特点：存储的信息不能长时间保留，需要不断地刷新。字选线数据线当存储单元未被选中时：当存储单元被选中时：0 0截止 截止隔 隔离 离1 1导通 导通读/写操作RAM的存储单元第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.2.3 集成RAM芯片简介6116 管脚排列图集成RAM6116 功能表CS WR OEA0A10D0D7工作方式1 高阻态 低功耗维持0 1 0稳定 输出 读

14、0 0稳定 输入 写表中所示是集成RAM 芯片6116 的工作方式与控制信号之间的关系，读出和写入线是分开的，而且写入优先。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.2.4 RAM的容量扩展RAM 的容量由地址码的位数n和字的位数m 共同决定。因此常用的容量扩展法有 位扩展 位扩展、字 字扩展 扩展和 字位扩展 字位扩展三种形式。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础1.RAM1.RAM的位扩展的位扩展将几个RAM 的地址码、读写控制端都对应地并联在一起，各位芯片的I/O 端串联构成输出，位数即得到扩展。地址码A0A9CS CSI/O 16 片1

15、片16片2I/O 2I/O 1第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础2.RAM2.RAM的字扩展的字扩展A0A9A10片1 片2I/O 14CS1 1CS利用两片1024字4 位的RAM 器件可构成2048字4 位的RAM。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础3.RAM3.RAM的字、位同时扩展的字、位同时扩展 A10 A11 A12 A0 A9R/W Y0 Y7 I/00 I/01 I/02 I/03第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础思考与问题132 何谓存储器？其特点是什么？按工作方式的不同，RAM可分为几种类型

16、的存储单元？各具何特点？存储器的容量由什么来决定？4如 何 扩 展 RAM的位线和字线？2023/5/11Sikaoyuwenti第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础特点可编程逻辑器件 英文全称为：programmable logic device 即 PLD。PLD是做为一种通用集成电路产生的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。8.3.8.3.可编程逻辑器件可编程逻辑器件第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础特点只读存储器ROM 正常工作时可重复读取所存储的信息代码，但是不能改写

17、存储的信息代码。ROM 中存储的数据能够永久保持，不会因断电而消失。只读存储器ROM只读存储器ROM 的器件按制造工艺可分为二极管、双极型和MOS 型三种；按存储内容存入方式的不同可分为固定和可编程两种。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.3.1 ROM的结构组成和功能A0 An 1为地址寄存器的n根输入线，按二进制代码进行编码，称为地址码。地址译码器的功能是根据输入的地址代码，从n条地址线中选择一条字线，以确定与该字母地址相对应的一组存储单元的位置。通过地址译码器译出相应地址码的字线为W0 Wm-1共计m 根，字线的下标对应地址译码器输出的十进制数，字线与地址码

18、的关系是m=2n。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础存储矩阵：是ROM 的核心部件和主体，内部含有大量的存储单元电路。存储矩阵中的数据和指令都是用一定位数的二进制数表示的。存储器中存储1位二值代码（0或1）的点称为存储单元，存储器中总存储单元数即为ROM 的存储容量。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础读写/控制电路：也称为输出缓冲器，是为了增加ROM 的带负载能力，同时提供三态控制，将被选中的M 位数据输出至位上，以便和系统的总线相连。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础2.工作原理只读存储器ROM 存入数据的过

19、程称为“编程 编程”。早期制造的ROM 存储单元是利用其内部熔丝是否被烧断或内部二极管是否永久击穿来写入数据的。字线位线写“0 0”：烧断熔丝写“1 1”：不烧断熔丝一次性编程字线位线出厂时全部写“0 0”写“1 1”：二极管永久击穿只能写入一次，使其应用受到很大限制。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础与门阵列及其地址码输入端。或门阵列及其输出缓冲端。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础四条字线四条位线第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础1 1W0A1A0W1A1A0W2A1A0W3A1A00 0D0W0W2D1W

20、1W2W3D2W0W2W3D3W1W3 ROM 中信息存储的是0还是1通常设计和制造时就确定好了。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础ROM输出信号真值表A1A0D3D2D1D00 0 1 1 1 00 1 0 1 1 11 0 1 0 1 01 1 0 1 0 1从存储器角度看，A1、A0是地址码，D3D2D1D0是数据。地址编号00中存放的数据是1110；地址编号01中存放的数据是0111；地址编号10中存放的是1010；地址编号11 中存放的是0101。从函数发生器角度看，A1A0是两个输入变量，D3D2D1D0是4个输出函数。当变量A1A0取值为00时，函数D

21、3D2D1D01110；当变量A1A0取值01时，函数D3D2D1D00111；当变量。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础ROM输出信号真值表A1A0D3D2D1D00 0 1 1 1 00 1 0 1 1 11 0 1 0 1 01 1 0 1 0 1从译码编码角度看，“与”门阵列先对输入的二进制代码A1A0进行译码，得到4个输出信号W0、W1、W2、W3，再由“或”门阵列对W0W34个信号进行编码，得到相应地址编号存入存储单元中。其中W0的编码是0101；W1的编码是1010；W2的编码是0111；W3的编码是1110。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技

22、术基础 电子技术基础ROM输出信号真值表A1A0D3D2D1D00 0 1 1 1 00 1 0 1 1 11 0 1 0 1 01 1 0 1 0 1从译码编码角度看，“与”门阵列先对输入的二进制代码A1A0进行译码，得到4个输出信号W0、W1、W2、W3，再由“或”门阵列对W0W34个信号进行编码，得到相应地址编号存入存储单元中。其中W0的编码是0101；W1的编码是1010；W2的编码是0111；W3的编码是1110。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础3.简化的ROM 矩阵阵列图画简化图时，一般把接有二极管存储单元的点用“”或“”表示。其中“”表示固定连接，“

23、”表示逻辑连接，没有固定连接和逻辑连接处通常认为是逻辑断开。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础原图变的简单明了第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.3.2 ROM的分类1.1.固固定定RROOMM固定ROM 也称掩膜ROM，掩膜ROM 是由生产厂家采用掩模工艺专门为用户制作出的一种固定ROM，因此在出厂时内部存储的数据就已经“固化”在存储器中，用户无法改变所存储的数据。掩模固定存储器ROM 电路结构简单，性能可靠，集成度很高，成本低，一般都是批量生产。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础与阵列D2D1D0A2A0

24、A1或阵列在开发数字新产品的过程中，设计人员往往需要按照自己的构思迅速得到存有所需内容的ROM，采取现场编程。这种现场编程的ROM 被称为PROM。PROM 的结构组成如图所示。2.2.现现场场编编程程ROMROM第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.3.3 ROM8.3.3 ROM的存储单元的存储单元目前使用的光可擦除可编程的EPROM可多次写入，其存储单元是在MOS 管中置入浮置栅的方法实现的。P+P+P+P+N N 型衬底 型衬底S S D D浮置栅浮置栅EPMOS 管写入数据后，带电荷的浮置栅使EPMOS 管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单元时，该

25、单元位线即为低电平；若浮置栅中无电荷即未写入时，浮置栅EPMOS 管截止，相应位线为高电平。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础当改写存储单元中的内容时，要用紫外线或X 射线照射擦除，使浮置栅上注入的电荷形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未写入时的状态，因此又可重新写入新信息。27系列EPROM 是美国Intel 公司研制的，型号有2716、27512等。EPROM 采用紫外线照射来改写数据，时间大约需要30 min，所需时间较长。字线浮置栅MOS 管位线+UDD第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础8.3.4 可编程逻辑器件可 编 程 逻

26、 辑 器 件PLD 是 用 户 自 行 定 义 编 程 的 一 类 通 用 型 逻 辑 器 件的 总 称。PLD 通 常 由 输 入 缓 冲、与 阵 列、或 阵 列、输 出 缓 冲 四 个环节构成。典 型 可 编 程 逻 辑 器 件PLD 由 一 个与 门 阵 列 和 一 个 或 门 阵 列 组 成。由 于 任 意 一 个 组 合 逻 辑 都 可 以 用与 一 或 表 达 式 进 行 描 述，因 此PLD 能 完 成 各 种 数 字 逻 辑 功 能。典 型 可 编 程 逻 辑 器 件PLD 的 特 点是：与 阵 列（即 地 址 译 码 器）不可 编 程，或 阵 列（即 存 储 矩 阵）可编程。

27、第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础1.可编程逻辑阵列PLA可 编 程 逻 辑 阵 列PLA 是 在PROM 基 础 上 发 展 起 来 的 一 种新型的可编程逻辑器件，PLA 的主要特点有：PLA 有 一 个 与 阵 列 构 成 的 地 址 译 码 器，是 一 个 非 完 全译码器；PLA 中存储信息是经过化简、压缩后装入的；PLA 中的与阵列和或阵列都可编程。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础用用PLAPLA实现将四位二进制数转换成格雷码实现将四位二进制数转换成格雷码G0G1G2G3与阵列AABBCCDD或阵列PLA 中，与 阵 列 编

28、 程 产 生 变 量 最 少 的 与 项，或 阵 列 编 程 完 成 相 应 最 简 与 项 之间的或运算并产生输出。节省了与项线数，提高了芯片面积有效利用率。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础G0G1G2G3与阵列AABBCCDD或阵列AABBCCDD与阵列或阵列G0G1G2G3PROMPROM构成的存储矩阵构成的存储矩阵PLAPLA构成的存储矩阵构成的存储矩阵可编程逻辑阵列PLA 实际上是只读存储器ROM 的变种，属于一种特殊的ROM，它可用较少的存储单元就能存储大量的信息，并且PLA 的存储单元体和地址译码器都是用户可编程的。第 第8 8 章 章 存储器 存储

29、器电子技术基础 电子技术基础2.可编程阵列逻辑PALA0A1F0F1PAL 存储矩阵的常用表示方法PAL 结构示意图第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础PAL 编程是按 熔丝图 熔丝图进行的，下图所示为实现“异或 异或”函数的熔丝图，图中“”表示熔丝保留，而无“”的交点表示熔丝烧断。AB由于PAL 采用双极型熔丝工艺，工作速度较高，但由于与阵列的“熔丝 熔丝”工艺，因此只能进行一次编程，而且需要在专门的编程器上进行编程，所以其应用仍受到限制。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础3.通用阵列逻辑GALGAL 内部原理图（局部）GAL 器件是从P

30、AL 发展过来的，GAL 的特点是：与阵列可编程，或阵列固定。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础 GAL16V8 有3种工作模式：简单型工作模式：GAL 内无反馈通路；复杂型工作模式：GAL 内存在反馈通路；寄存器型工作模式：至少有一个OLMC 工作在寄存器输出模式。集成的GAL16V8 芯片由8根输入及8根输出各引出两根互补的输出构成32列，即与项的变量个数为16。第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础思考与问题1234目前使用的EPROM，其存储单元是用什么方法实现的？Sikaoyuwenti2023/5/11可编程的含义是什么？有哪几种编程方式？可编程逻辑器件有哪几种类型？指出它们各自的特点。试述ROM 中的地址译码器阵列和存储编码阵列的不同之处。4为实现时序逻辑电路的功能，PAL 又设计制造哪些环节？使PAL 的功能大大增加？第 第8 8 章 章 存储器 存储器电子技术基础 电子技术基础认真复习，加强练习，巩固成果，学以致用！Goodbye!