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第五章 存储器

第五章 存储器. 学习目的： 了解半导体存储器的分类 掌握地址译码的方法 掌握存储器的应用 掌握存储器的容量扩充 了解存储器扩展技术. 5.1 存储器概述. 内存储器 ---- 比外存储器存取速度快，存储容量小 外存储器 ---- 辅助存储器，属于计算机的外部设备，常用的有磁盘、光盘和 U 盘等，存储容量大，存取速度慢。. 1. 半导体存储器的分类. 内存储器主要由半导体材料构成，也称半导体存储器。 按制造工艺 ------ 分为双极型半导体存储器和金属氧化物型（ MOS ）半导体存储器两类。

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第五章 存储器

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  1. 第五章 存储器 • 学习目的： • 了解半导体存储器的分类 • 掌握地址译码的方法 • 掌握存储器的应用 • 掌握存储器的容量扩充 • 了解存储器扩展技术

  2. 5.1 存储器概述 • 内存储器----比外存储器存取速度快，存储容量小 • 外存储器----辅助存储器，属于计算机的外部设备，常用的有磁盘、光盘和U盘等，存储容量大，存取速度慢。

  3. 1.半导体存储器的分类 • 内存储器主要由半导体材料构成，也称半导体存储器。 • 按制造工艺------分为双极型半导体存储器和金属氧化物型（MOS）半导体存储器两类。 • 按照工作方式------分为随机读写存储器RAM和只读存储器ROM两大类。

  4. b e D G S • 随机存储器RAM： A) 双极型半导体RAM，双极型是以晶体管触发器作为基本存储电路，TTL电路；高速，功耗大、集成度低，成本高； B) MOS型RAM（Metal Oxide Semiconductor)低速，功耗低、成本低、集成度高； (1).静态随机存储器SRAM是以双稳态触发器作为存储元; (2).动态随机存储器DRAM是用电容存储信息，需要刷新； • 只读存储器ROM 1.掩膜式ROM 2.可编程式PROM 3.可擦除可编程式EPROM 4.电可擦除可编程式E2PROM、EAROM、NOVROM 2704、2708、2716、2732、2764、27128、27256、27512、271024

  5. 2.存储器件的性能指标 （1）存储容量 存储器所能容纳二进制信息的总量。 • 能存储1位二进制信息的物理器件称为存储元，多个存储元构成存储单元，存储芯片就是由若干个存储单元构成。 存储容量表示为“存储单元个数×每个存储单元位数” 如：SRAM芯片6264，它的容量为8K×8； 如：DRAM芯片NMC41257的容量为256K×1，即它有256K个单元，每个单元存储1位二进制信息;

  6. （2）存取速度 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/写时间，是指CPU从启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需要的时间。 • 连续两次独立的存储器读/写操作所需的最小时间间隔称为存储周期。 （3）可靠性 可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通常用平均无故障时间MTBF（mean time between failures）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，越长说明存储器的性能越好。

  7. （4）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度。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。

  8. 5.2 随机存取存储器（RAM） MOS型随机存取存储器按工作原理分为 • 静态RAM（SRAM） • 动态RAM（DRAM） 静态RAM以触发器为基本存储电路，保存的数据不需要刷新。与动态RAM比较，它的存取速度快，集成度低，功耗大。 动态RAM以电容作为基本存储电路，每隔一段时间需要刷新一次。它的集成度高，成本低。

  9. 5.2.1 MOS型静态随机存取存储器（SRAM） 1.基本存储元电路 MOS型静态RAM基于双稳态触发器的工作原理保存信息。

  10. 图5-1 静态RAM的基本存储元电路

  11. 2. MOS型静态RAM芯片的组成结构 MOS型静态RAM芯片由存储体和外围电路。 • 外围电路：地址译码器、I/O缓冲器和读写控制电路 • 存储体：由许多个存储元组成，这些存储元通常以矩阵的形式排列。

  12. 图5-2 静态RAM的结构

  13. 3.静态RAM芯片举例 常用的SRAM芯片有： 6116（2K×8）、2016、4016 6264（8K×8） 62128（16KX8） 62256（32K×8） 62512（64K×8） 128K×8、 256K×8、 512K×8、 1024K×8 120ns~150ns 1ns

  14. NC +5V 28 1 WE 2 27 A 12 CS 3 A 26 7 2 A 4 A 25 8 6 A 5 24 A 5 9 A A 23 6 11 4 A 7 22 OE 3 A 8 21 A 2 10 A 20 CS 1 9 1 A 19 10 D 0 7 D 18 11 D 0 6 17 D D 12 1 5 D 16 13 D 2 4 14 15 GND D 3 图5-3 SRAM 6264外部引线图 （1）6264芯片外部引脚 • A0～Al2----13根地址信号线 • D0～D7----8根数据线 • 、CS2 ----两根片选信号线， 低电平有效、CS2高电平有效。 ----输出允许信号，低电平有效，CPU从芯片中读出数据。 ----写允许信号，低电平有效，允许数据写入芯片。 VCC：+5V电源 GND：接地端， NC ：空端。

  15. twc A0~A12 CS1 CS2 tw WE D0~D7 tDW SRAM6264写操作时序图

  16. tRW A0 ~ A12 CS1 CS2 tOE OE D0 ~ D7 tCO SRAM 6264 读操作时序图

  17. 5.2.2 静态RAM芯片应用 存储器芯片的应用就是将芯片正确地接入计算机系统。根据CPU要求的地址范围，将芯片上的各种信号与计算机系统的地址线、数据线和控制线，连接在一起。 • 地址线的连接。 • 数据线的连接。 • 控制信号线的连接。

  18. 8088系统 BUS SRAM6264 D0 ~ D7 D0 ~ D7 A0 A0 A12 A12 WE MEMW CS2 +5V MEMR OE A19 1 CS1 A18 1 A17 & A16 A15 A14 A13 A13

  19. 将一组输入信号转换为一个输出信号，称为译码。 • 地址译码的方法有：全地址译码和部分地址译码。

  20. 1.全地址译码 • 全地址译码就是把系统中全部地址线与芯片连接，其中高位地址线经过译码电路译码后作为芯片的片选信号；低位地址线与系统中的相应地址线一对一连接。 • 【例5-1】 6264芯片的地址范围为F8000H~F9FFFH，要求以全地址译码方式将6264芯片接入计算机系统。 将芯片的地址范围以二进制形式表示： 图5-6 地址译码设计

  21. 译码电路的设计有两种方法：一种是利用基本的逻辑门电路搭建译码器，另一种是利用专用的译码器芯片译码。译码电路的设计有两种方法：一种是利用基本的逻辑门电路搭建译码器，另一种是利用专用的译码器芯片译码。 • 第一种方法 方案1

  22. 方案2

  23. 第二种方法：利用专用的译码器芯片译码 • 利用74LS138芯片译码 图5-9 6264全地址138译码方案2

  24. D0 ~ D7 D0 ~ D7 A0 A0 SRAM6264 A12 A12 MEMW WE +5V CS2 MEMR OE & G1 CS1 A19 A18 ≥1 G2B A17 Y7 A16 & G2A A15 C A14 B 138译码器 A13 A A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3E000 …… …… … 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3FFFF

  25. 2.部分地址译码 只使用系统地址总线中的一部分与芯片中的地址线相连。 使用了A13~A17共5根线，A18和A19未用。 图5-10 6264部分地址译码

  26. A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 …… ……

  27. A19A18 A17A16 A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6A5A4 A3A2A1A0 1 X 1 X 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ……… 1 X 1 X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8088系统 BUS SRAM6264 D0 ~ D7 D0 ~ D7 A0 A0 A12 A12 MEMW WE CS2 +5V MEMR OE A19 CS1 A17 & A15 Y7 A14 A13

  28. 部分地址译码的后果： 地址重叠

  29. 线性译码： 只使用一根地址线作为片选信号。 图5-12 6264线性地址译码

  30. 【例5-2】 用SRAM6116芯片设计一个4K的存储器，地址范围为32000H~32FFFH，要求使用全地址译码方式。 • SRAM6116：2KX8 • 11根地址线A0~A10 • 8根数据线D0～D7 • 读写控制信号R/W • 输出允许信号OE • 片选信号CS。 图5-13 6116引线图

  31. 6116译码分析如下：

  32. 6116存储器设计系统连接图如下：

  33. 5.2.3 MOS型动态随机存取存储器（DRAM） 1.单管基本存储元电路

  34. 动态存储器是通过把电荷存储到电容中来实现信息存储的。 MOS单管动态存储电路占用面积小，集成度高，速度快；缺点是读出是破坏性的，而且单元读出信号较小，要求有高灵敏度的读出放大器；另一个缺点是刷新。 2ms~4ms

  35. DRAM芯片2164 • 64KX1 • A0～A7：地址输入线，分时复用。 • DIN：数据输入 • DOUT：数据输出 • RAS：行地址锁存信号 • CAS：列地址锁存信号 • WE：写允许信号，高电平允许读出

  36. 刷新 将动态随机存储器的每一位信息读出并写入的过程。刷新的方法是使列地址信号无效，行地址有效，然后将这一行的信息读出再写入。 每次送出不同的行地址就可以刷新不同行的存储单元，将行地址循环一遍，则刷新了整个芯片的所有存储单元。刷新时位线上的信息不会送出到数据总线上。 DRAM要求每隔2~8ms刷新一次，它称为刷新周期。

  37. 5.2.4 存储器扩展 存储器扩展包括位扩展、字扩展和字位扩展三种方式。 1. 位扩展 将每个存储芯片的地址线和控制线（包括片选信号线、读/写信号线等）全部一对一地接在一起，将它们的数据线分别引出作为字节的不同位。

  38. 图5-20 用4K×4位的SRAM芯片进行位扩展

  39. 2.字扩展 字扩展是对存储空间的扩展，就是要增加存储单元的个数。 字扩展的方法是：将每个芯片的地址信号、数据信号和读/写控制信号等一对一地与系统总线中的相应信号线相连，将各芯片的片选信号与地址译码器的输出信号相连。

  40. 3.字位扩展 假如要构成一个容量为M×N位的存储器，若使用B×b位的芯片（B<M，b<N），则构成这个存储器需要：（M / B）×（N / b）个存储器芯片。 例如：用Intel 2164构成容量为128KB的内存，需要（128/64）×（8/1）=16片。

  41. 5.3 只读存储器（ROM） 常用的只读存储器类型有： • 掩膜式ROM • 可编程ROM（PROM） • 可擦除可编程ROM（EPROM） • 电可擦除可编程ROM （E2PROM） • 闪存（Flash Memry）

  42. 2.可编程ROM（PROM） 可编程ROM是用户可以将程序和数据写入ROM的只读存储器芯片，又称为PROM。可编程只读存储器出厂时各单元内容全为0，用户可用专门的PROM写入器将信息写入。 根据芯片的构造，可编程PROM可分为两类：结破坏型和熔丝型。

  43. 3.可擦除可编程ROM （EPROM） EPROM（erasable programmable ROM）是一种紫外线可擦除可编程只读存储器，可以多次擦除和写入。 有一个能通过紫外线的石英窗口，用紫外灯照射约20~30分钟，原信息就可以全部擦除。擦除后各单元内容均为FFH，恢复到出厂状态。

  44. 27系列的芯片： 2716 2732 2764 27128 27256 27512

  45. （1）2764的引线及功能 A0~A12：13根地址线，8K个存储单元； D0~D7：8根双向数据线， CE：片选信号； OE：输出允许信号； PGM：编程脉冲输入；读操作时PGM=1; VPP：编程电压输入端，12.5V、15V、21V、25V；

  46. NC +5V 28 1 WE 2 27 A 12 CS 3 A 26 7 2 A 4 A 25 8 6 A 5 24 A 5 9 A A 23 6 11 4 A 7 22 OE 3 A 8 21 A 2 10 A 20 CS 9 1 1 A 19 10 D 0 7 D 18 11 D 0 6 17 D 12 D 1 5 D 16 13 D 2 4 14 15 GND D 3 图5-3 SRAM 6264外部引线图

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