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存储器的基本概念 半导体随机存取存储器 RAM 半导体只读存储器 ROM 内存的组织与控制 PowerPoint PPT Presentation


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第 7 章 存储器系统. 存储器的基本概念 半导体随机存取存储器 RAM 半导体只读存储器 ROM 内存的组织与控制. 7.1 存储器的基本概念. 1. 主存储器的作用: 在计算机中存放程序和数据。 在现代计算机中处于全机的中心地位。其原因有:. 存放当前正在运行的程序和数据。 实现主存与 I/O 设备之间的信息传送. CPU. 运算器. 控制器. 数据、指令. 存储器. 控制信号. 设备输入. 输出设备. 程序、数据. 结果. 以存储器为中心的结构. 2 、存储器的分类. 综合所有具有存储信息的部件和设备的情况:. 磁表面存储器

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Presentation Transcript


Ram rom

第7章 存储器系统

  • 存储器的基本概念

  • 半导体随机存取存储器RAM

  • 半导体只读存储器ROM

  • 内存的组织与控制


Ram rom

7.1 存储器的基本概念

1.主存储器的作用:在计算机中存放程序和数据。

在现代计算机中处于全机的中心地位。其原因有:

  • 存放当前正在运行的程序和数据。

  • 实现主存与I/O设备之间的信息传送


Ram rom

CPU

运算器

控制器

数据、指令

存储器

控制信号

设备输入

输出设备

程序、数据

结果

以存储器为中心的结构


Ram rom

2、存储器的分类

综合所有具有存储信息的部件和设备的情况:

磁表面存储器

半导体存储器

光存储器

⑴按存储介质分:


Ram rom

  • ⑵按存/取方式分:

  • 随机存取存储器:

  • 对任何单元的信息可以随机存取,

  • 因此存取的时间与存储单元的位置无关。

  • 只读存储器:

  • 只能读出,不能写入。断电信息不丢失。


Ram rom

⑶按性能(速度/容量)作用分:

通用寄存器:

它的速度与CPU匹配,但数量有限。

高速缓存储器(CACHE):

高速小容量存储器。存取速度快。

主存储器:

容量较大,存取速度较慢。

辅助存储器:

速度慢、容量大。

这种分类的方法决定了存储器的层次结构。


Ram rom

主存

cache

CPU

在CPU和主存之间设置cache

CACHE设置在CPU和主存之间,高速与CPU交换信息,尽量避免CPU不必要地多次直接访问慢速的主存,从而提高计算机系统的运行效率。


Ram rom

速度快

容量小

价格高(每位)

价格低

容量大

速度慢

各类存储器按速度、容量、价格的分层情况

寄存器

CACHE

主存储器

硬盘

磁带

光盘


Ram rom

Pentium 微机Cache结构简介

CPU封装

主存

L1指令Cache

L2

Cache

L3

CACHE

L1数据Cache

CPU

核心

电路


Ram rom

静态RAM(SRAM)

动态RAM(DRAM)

RAM

7.2 半导体随机存取存储器(RAM)


Ram rom

1.RAM的存储元电路:

  可以存放一个二进制位的电路被称为存储元,它是构成存储器的最小信息单位。


Ram rom

位(Bit):度量数据的最小单位

信息的存储单位

字节(Byte):最常用的基本单位

b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0

=27+ 24+ 22+ 20

=149

1 0 0 1 0 1 0 1

K 字节1K = 1024 byte

M(兆)字节1M = 1024 K

G(吉) 字节1G = 1024 M

T(太)字节1T = 1024 G


Ram rom

X选择线

VCC

T6

T5

T4

T3

A

B

T1

T2

T7

T8

Y选择线

I/O线

I/O线

⑴ SRAM存储元电路


Ram rom

T1、T2

构成双稳态电路。一个导通另一个必然截止。

T3、T4

称为负载管,其作用相当于电阻。电源 Vcc 通过它们为T1、T2供电。维持双稳态电路中的信息不变,静态存储器由此而得名。只有当电源断电,T1与T2的状态才不存在,即原存的信息消失。

T5、T6、T7、T8

均为选择管。当需对存储元读写操作时,它们均为导通状态。


Ram rom

在需要访问时,X 线、Y 线同时有效(高电平),T5、T6、T7、T8 导通。

写入时:I/O线为高、I/O线为低,写“1”

I/O线为低、I/O线为高,写“0”

读出时:I/O线为低、I/O线为高,读出“0”

I/O线为高、I/O线为低,读出“1”

读 写 原 理


Ram rom

字线

柵极

源极

漏极

+ +

T

CS

线

- -

⑵ DRAM存储元电路

通过电容 CS有无存电荷区分信号 0、1


Ram rom

  • DRAM 的两个问题:

  • 读出重写:读操作时,CS的放电过程会引起信息的丢失,称为破坏性读出。因此必须有一个重写操作。而在写回操作未完成时,不能开始下一次的读操作。

  • 2)定时刷新:由于CS的值很小,又因电容的电荷泄漏需要定时对CS进行充电,以补充电荷,通常间隔2ms。动态存储器也由此而得名。


Ram rom

2.存储芯片的结构:

存储芯片的容量:由大量的存储元组成。对于厂商多用于总的位容量来进行描述,例256Mb。但对于用户,一般用A×B来描述。

A:为芯片字的个数

B:为芯片字的位数

例:1024×4 1024 ×1

2048×1 2048 ×8


Ram rom

地址线:与芯片字数有关,按芯片字编址

数据线:与芯片字位数有关。

控制线 WE:读/写控制

CS:片选控制

电源线:1条

接地线:1条

芯片引脚按排


Ram rom

存储芯片的内部结构框图

地址译码电路

数据总线

数据缓冲器

︰ ︰

存储体

地址总线

地址寄存器

控制电路

控制线


Ram rom

存储体:用来存储信息的本体。由大量的存储元构成。

每个存储元存储一位二进制的 “0”或者 “1”。

多个存储元组成一个存储单元(字或字节)。

地址译码电路:

根据地址码,产生该地址对应的存储单元的选择信号。

控制电路:

接收CPU的读写命令,控制存储器进行读写操作。


Ram rom

存储元

地址译码方式

对 1024×4 的一维译码

0

地址译码电路

1

A9~A0

… …

… …

1023


Ram rom

静态MOS存储器SRAM芯片举例:

例:Intel 2114是1K×4位的SRAM,地址线10位,数据线4位。采用二维译码方式。

4096个存储元排成64×64的矩阵,

10位地址线中的6位用于行译码,产生64个行选择信号;

另外4位用于列译码,产生16个列选择信号。但每个列选择信号同时选中 4 个存储元。


Ram rom

0行

1行

64×16×4

63行

… …

0列

… …

15列


Ram rom

1

2

18

3

17

4

16

5

15

6

14

7

13

8

12

9

11

10

2114 SRAM芯片引脚图

A6

VCC

A7

A5

A8

A4

A9

A3

2114

I/O1

A2

I/O2

A1

I/O3

A0

I/O4

CS

WE

GND


Ram rom

2114的读周期时序


Ram rom

2114的写周期时序


Ram rom

动态MOS随机存储器DRAM芯片举例:

Intel 4116是16K×1位的DRAM芯片

1.14条地址线,采用了地址复用技术,将地址线分成二组,每组7位,分别为行地址和列地址。用行地址选择信号RAS和列地址选择信号CAS分时输入,可使地址引脚减少一半。

2.数据线采用两根:Din、Dout

3.存储元排成128×128矩阵。

4.用行选择信号兼作为片选信号。


Ram rom

4116 RAM芯片结构框图


Ram rom

静态和动态存储器芯片特性

SRAM DRAM

存储信息触发器电容

破坏性读出非是

需要刷新不要 需要

送行列地址同时送分两次送

运行速度快慢

集成度 低高

发热量大小

存储成本高低


Ram rom

内存条简介

内存条是由多个存储芯片构成的存储器部件。多个存储芯片被安装在一个条状印刷电路板上,可以方便地插在主板的内存插槽中。


Ram rom

PENTIUM 2、3 主板、安装168线 SDRAM


Ram rom

RAMBUS DRAM

DDR SDRAM

PENTIUM 4 主板、安装184线内存条


Ram rom

7.3 半导体只读存储器(ROM)

一、掩模式只读存储器(MROM)

“掩模”:是指在ROM的制作阶段,通过“掩模”工序将信息写到芯片内的。下面给出一个容量为4×4位的电路情况。


Ram rom

有管子的读出为“0”

无管子的读出为“1”

掩膜式ROM结构图


Ram rom

熔丝

二、可编程只读存储器(PROM)

  可编程只读存储器是只允许一次性写入的只读存储器。

出厂时熔丝完好,表示存储元全为“1”。

写“0”时,通大电流将熔丝烧断。

PROM的基本存储元电路


Ram rom

三、可擦除可编程只读存储器(EPROM)

  一般所说的EPROM是指可用紫外光擦除然后再重写入的ROM芯片。

  这种芯片的显著特征是:顶部有一个圆形的石英窗口,紫外光可通过该窗口将片内的原有信息擦除掉。编程和擦除的次数一般在100次以上。编程后的信息一般可保存10年以上。


Ram rom

EPROM 芯片

单片容量有:2KB、4KB、8KB,16KB等

该芯片采用24引脚,存储容量2K×8位,DIP封装。在教学计算机中,用来存放系统监控程序。

采用双列直插式封装

(紫外线擦除)


Ram rom

  • EPROM在使用时有两个方面的不便:

  • 由于是用紫外光照射进行擦除,所以只能对整个芯片擦除,而不能按需要对指定单元单独进行擦除。

  •  擦除时需从电路板上拔出来,放到专门的紫外光下擦除,编程时还需借助于专门的编程器(又称为写入器)。


Ram rom

四、电可擦除可编程只读存储器

(EEPROM、E2PROM)

  编程基本原理与 EPROM 相似,但采用隧道效应让浮栅带电荷。

  擦除时用反向电压把浮栅的电荷抽走。


Ram rom

五、快擦写可编程只读存储器 FLASH

  是Intel公司推出的一种新型半导体存储器。

  这种存储器可用电气方式快速擦写,即有DRAM的高集成度大容量的特点,又有可在线改写、断电信息不丢失的优点。在许多应用场合取代EPROM、EEPROM。


Ram rom

7.4 主存储器的组织与控制

㈠、存储单元及编址方式

按字节编址

按字编址


Ram rom

存储器中存储单元存放 信息情况。

存储容量的大小,决定地址码的位数


Ram rom

7.4 主存储器的组织与控制

㈡、主存容量的扩展

   由于单个芯片的容量有限,主存需要一定数量的存储芯片构成。分以下三种情况 。

  • 位扩展方式

  • 字扩展方式

  • 字位同时扩展方式


Ram rom

1.位扩展方式:

当芯片的字数与主存容量的字数一致,但芯片字的位数不够时,采用多个芯片组成主存的情况。

例如:主存设计要求为 64K×8位,   芯片为 64K×1位,

 则需要的芯片数:

=(64K×8)/(64K×1) = 8(片)


Ram rom

MREQ

A15~A0

CS

CS

CS

… …

D

D

D

WE

WE

WE

WE

数据总线

D0

D1

D7

位扩展连接图:

使用8片64K×1的芯片组成64K×8位的主存储器


Ram rom

2.字扩展方式:

芯片的位数与存储器位数一致,增加芯片用于满足字数的需要。

例如:主存设计容量 64K×8 位     芯片 16K×8

需要芯片个数:

= (64K×8)/(16K×8) = 4 (片)


Ram rom

16K

16K

64K

16K

16K

64K地址分配

片内地址:14位(A0~A13)

直接寻址:16位(A0~A15)

其中高2位A15、A14作为译码器的输入,以产生片选信号。


Ram rom

16K

16K

64K

16K

16K

地址范围是:

0000H~3FFFH

4000H~7FFFH

8000H~BFFFH

C000H~FFFFH


Ram rom

字扩展方式连接举例


Ram rom

2K×8

2K×8

4K×16位

2K×8

2K×8

3.字位同时扩展方式:

例如:设计主存4K×16位,芯片2K×8位

需芯片数 = (4K×16)/(2K×8 ) = 4(片)


Ram rom

1

A11

A10~A0地址总线

CS

CS

CS

CS

D

D

D

D

WE

WE

WE

WE

WE

D7~D0

D15~D8

D7~D0

D15~D8

D15~D0 数据总线

字位同时扩展连接图

  片内地址A10~A0,A11为片选,同时选中的两片分别为主存的高8位和低8位。


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