第5章 半导体存储器.docx
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第5章半导体存储器
第5章半导体存储器
基本内容:
存储器的分类,主要技术指标,RAM的结构原理,动态RAM的结构,刷新概念,ROM的分类,掩膜PROM、ZPROM与E2PROM的工作原理及区别特点。
基本要求:
了解存储器的分类、作用及性能指标;了解半导体读写存储器的基本原理,掌握静态RAM、动态RAM的特点。
具有动态RAM的刷新概念;了解半导体只读存储器(掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM)的基本原理,掌握其特点;了解存储器容量的扩充方法及存储器与微处理器的连接方法。
重点内容:
存储器的分类,存储系统的扩展,存储系统与CPU的连接8086存储系统的组成,ROM分类与各自的特点。
难点内容:
存储器的扩展,存储器与CPU的连接。
一、存储器的分类
存储器:
顾名思义,是存储信息的部件,它是计算机的重要组成部分,没有存储器,计算机将无法工作。
1、按存储器的介质分:
磁芯存储器、半导体存储器、磁泡存储器、磁表面存储器(磁带和磁盘等)、激光存储器。
2、按存储器和CPU的关系分类:
分为内部存储器与外部存储器两类。
1、内部存储器:
又称内存或主存,通常由快速存储部件组成,可以被CPU直接访问。
特点1存储速度快。
一般用于存放程序运行中数据或将运行的程序。
特点2存储容量小。
较早的系统机多为64K,16位的有640KB、1MB等,现在32位机内存多为2M,4M,8M,16M,32M,64M,128M,256M等。
内存中只存放时刻要用的程序数据,如引导程序,系统监控程序,BIOS部分,要执行的程序及程序运行中所需的数据,如应用软件,使用到时由外存读入内存。
2、外部存储器:
又称外存,由于内存容量受限,若有许多应用软件或较大的程序,无法全部存放于内存中,因此必须有一设备来存放此类程序,即外存,如硬盘、软盘、光盘等,较早微机中还有磁带机,这类存储器容量大,又称海量存储器,因此特点一是存储容量大。
外存不能由CPU直接读取,必须通过专门的设备。
因此特点二是速度较慢。
3、半导体存储器的分类:
半导体存储器因其存取速度快、集成度高、功耗小、价格低常用作内存。
微型机的内存都常用半导体存储器,按其存储的信息功能分为RAM随机存取存储器(RANDOMACCESSMEMORY)和ROM只读存储器(READONLYMEMORY)。
RAM又称读写存储器,其数据既可被读出又可被写入,ROM的信息只能被读出,不能被写入(一般情况)。
ROM又称永久存储器,信息掉电后不会丢失,RAM为易失性存储器,信息掉电后会丢失。
二、只读存储器ROM
1、掩膜型ROM
掩膜ROM存储信息是靠MOS管是否跨接来决定0、1的,当跨接MOS管,对应位信息为0,当没有跨接(被光刻而去掉),MOS的位置对应的信息为1。
内容在厂家制造时建立,用户只能读出,不能向内写入信息。
在数量较少时,掩膜型ROM的造价很贵,但是,如果进行批量生产,那就相当便宜。
2、可编程只读存储器PROM(ProgrammableROM)
PROM是靠存储单元中的熔丝是否熔断决定信息0和1的,当熔丝未断时,信息为1,熔丝烧断时信息记录0。
允许用户编程一次,一旦编程确定后,不可更改。
用户用专门设备写入信息,写入后就不能被修改。
由于PROM的电路和工艺比ROM复杂,又具有可编程特性,所以,价格比较贵。
一般在非批量使用时,用PROM比用掩膜ROM便宜;在批量使用时,则掩膜ROM比较便宜。
3、可擦除可编程只读存储器EPROM(ErasableProgrammableROM)
PROM使用不便(讲解),因此出现EPROM,结构略,此类ROM不仅可又用户写入信息,还可以用专门设备将其内容擦除,重复使用。
一般此芯片上有一磁玻璃窗口,用不透明纸贴住,若要修改内容,可用紫外线照射一段时间,即可将原先内容擦除,再用专门烧录器写入。
在线使用时,只能读出,不能写入。
编程时,从电路板取下,在编程器上实现擦除和写入。
EPROM芯片因其可多次擦写特点,适用于产品开发阶段。
此类芯片为27系列,常用的有2716(2K*8),2764(8K*8)27128(16K*8),27512(64K*8)等。
4、电可擦除可编程只读存储器E2PROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory)
EPROM只能用紫外线才能擦除,使用不便,EEPROM可以在写入时自动擦除,不需专门编程能源(比如紫外线光源),即可以随机读写。
电擦除可编程芯片的擦除和改写均用电信号进行,可以在线擦除和改写。
既可在编程器上擦除和编程,也可直接在印制电路板上在线进行。
它主要用于智能工业仪器仪表中存储各种变化不频繁的数据和参数。
EEPROM具有断电情况下保存数据的功能,又可以方便地在线改写。
此类型号为28系列,如2816、2832、2864等。
引脚与EPROM类似,不再多讲。
5、闪速存储器(FlashMemory)
也称快速擦写存储器或快闪存储器,是Intel公司首先开发,近年来发展起来的一种新型半导体存储器芯片。
它采用一种非挥发性存储技术,即掉电后数据信息可以长期保存,在不加电的情况下,信息可以保持10年。
又能在线擦除和重写。
Flash是由EEPROM发展起来的,因此它属于EEPROM类型。
总之,闪速存储器是一种低成本、高可靠性的读写非易失性存储器。
从功能上讲,由于随机存取的特点,闪速存储器也可看作是一种非易失的ROM,因此它成为能够用于程序代码和数据存储的理想媒体。
(目前几乎所有主板中的BIOSROM均采用Flash)
三、读写存储器RAM(随机读写存储器)
这种存储器在使用过程中既可利用程序随时写入信息,又可随时读出信息。
它分为双极型和MOS型两种,前者读写速度高,但功耗大,集成度低,在微型机中几乎都用后者。
RAM主要可分为两类:
1)静态RAM(SRAM)
静态RAM即SRAM(StaticRAM),其存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失。
优点是不需刷新,缺点是集成度低。
它适用于存储容量较小的微型计算机(例如,单板机和单片机)中。
由于SRAM存储电路中,MOS管数目多,故集成度较低,而V1、V2管组成的双稳态触发器必有一个是导通的,功耗也比DRAM大,这是SRAM的两大缺点。
其优点是不需要刷新电路,从而简化了外部电路。
常用的典型SRAM芯片有:
6116:
容量为2K×8bit,有2048个存储单元,需11根地址线。
6264:
容量为8K×8bit,
62256:
容量为32K×8bit,
628128:
容量为128K×8bit(1Mbit),
2)动态RAM(DRAM)
动态RAM即DRAM(DynamicRAM),其存储单元以电容为基础,电路简单,集成度高。
但电容中电荷由于漏电会逐渐丢失,因此DRAM需定时刷新。
它适用于大存储容量的计算机。
但DRAM本身不具备刷新功能,必须附加刷新电路。
动态RAM的特点:
①刷新:
存储单元以电容为基础,电容中电荷由于漏电会逐渐丢失,因此DRAM需定时(一般2mS)对电容充电,即刷新。
②地址两次写入:
为了提高集成度,将地址线引脚的数目减少到原来的一半。
DRAM内的地址线分成行地址和列地址两部分,当对DRAM进行访问时,先由RAS(行地址选通信号)将引脚送来的行地址送入到内部的行地址锁存器,再由CAS(列地址选通信号)将引脚送来的行地址送入到内部的列地址锁存器,最后再控制数据的读出和写入。
由于微型计算机内存的实际配置已从640KB发展到高达16MB甚至256MB,因此要求配套的DRAM集成度也越来越高,容量为1M×1bit,1M×4bit,4M×1bit以及更高集成度的存储器芯片已大量使用。
通常,把这些芯片放在内存条上,用户只需把内存条插到系统板上提供的存储条插座上即可使用。
例如,有256K×8bit,1M×8bit,256K×9bit,1M×9bit(9位时有一位为奇偶校验位)及更高集成度的存储条。
四、微型计算机内存的行列结构
待补
五、半导体存储器主要指标
1、存储容量
存储器容量:
指每一个存储芯片或模块能够存储的二进制位数。
常用单位有字节B(Byte)、KB、MB、GB和TB等。
它们的相互关系如下:
1字节=8bit;1KB=210字节=1024字节;1MB=210KB=1024KB;1GB=210MB=1024MB;1TB=210GB=1024GB。
存储器容量=单元数×数据位数
=2地址线条数×数据线条数
对于6264:
容量=213×8位=8K×8位=64K位
=8KB
2、存取速度
存取速度:
从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需要的时间。
内存的存取速度通常以ns为单位。
存取时间越小,速度越快。
超高速:
小于20ns,
中速:
在100~200ns之间,
低速:
在300ns以上。
衡量半导体存储器的指标很多,但从接口电路来看,最重要的指标是存储器芯片的容量和存取速度。
还有其他指标,如可靠性、功耗、价格等。
六、存储器与CPU的连接
1、CPU与存储器连接时应注意的问题
在微型计算机中,CPU对存储器进行读写操作时:
首先由地址总线给出地址信号,然后发出读写控制信号,最后才能在数据总线上进行数据的读写。
所以,CPU与存储器连接时,地址总线、数据总线和控制总线都要连接。
在连接时应注意以下3个问题。
1.CPU总线的负载能力问题
CPU输出的带负载能力一般为8个TTL。
需要加驱动器(即数据接收器和数据发送器)后再与TTL存储器相连。
MOS管存储器的直流负载很小(主要是电容负载),故在小型系统中,CPU可直接与存储器相连,但在较大系统中,仍需要加驱动器后再与存储器相连。
由ROM和RAM构成的主存储器如果直接挂在总线上,则会造成CPU不堪负担。
为此,要加入总线驱动器来增加CPU的驱动和负载能力。
在PCI总线结构中,PCI总线控制器会自动承担总线驱动功能。
2.高速CPU与较低速存储器之间的速度匹配问题
CPU的读、写周期和对存储器读写都有固定的时序,因此对存储器存取速度提出要求。
具体地说,当CPU对存储器进行读操作时,CPU发出地址和读命令后,存储器必须在限定时间内给出有效数据;而当CPU对存储器进行写操作时,存储器必须在写脉冲规定的时间内将数据写入指定存储单元,否则就无法保证迅速准确地传送数据。
这个问题可通过CPU插入等待状态TW来解决。
3.片选信号的产生机制
由于每片存储器芯片的容量是有限的,而存储器的总容量需求却很大,因此,存储器由多个甚至很多组芯片构成。
在读写操作时,CPU要实现对存储单元的访问,分两步实现:
首先要选择存储芯片或芯片组,即进行片选;
然后再从选中的芯片或芯片组中依地址来选中存储单元,称字选。
片内的字选由CPU送出的n条低位地址线完成,而片选则通过高位地址得到的。
实现片选的方法有:
(1)线选法 不经过译码器,用除片内寻址外的高位地址中的1位或几位直接分别接至各个存储芯片的片选端。
(2)全译码法 将片内寻址外的全部高位地址线作为地址译码器的输入,把译码器后的输出作为各芯片的片选信号,将它们分别接到存储芯片的片选端,以实现对存储芯片的选择。
全译码法的优点是每片(组)芯片的地址范围是唯一的,而且是连续的,不会产生重叠的存储区,但线路较复杂。
(3)部分译码法 即将片内寻址的高位地址线的一部分译码产生片选信号,而高位地址的其它部分往往为允许译码的条件。
如果系统不要求CPU可直接寻址全部存储单元,可使用这种方法。
比较起来,全译码法产生最多的片选信号,从而适用于组合容量较大的存储器;线译码法产生的片选信号较少,适用于容量较小的存储器。
前者结构较复杂,后者简单。
部分译码法则介于两者之间。
附:
地址译码器74LS138
将CPU与存储器连接时,首先根据系统要求,确定存储器芯片地址范围,然后进行地址译码,译码输出送给存储器的片选引脚CS。
译码器常采用74LS138电路。
74LS138如下图所示。
74LS138的真值与输入的A、B、C对应表如下表所示。
表74LS138译码器真值表
可按下图讲解存储器与CPU的连接。
七、存储器的扩展
1.为什么要扩展?
任何存储器芯片(RAM和ROM)的容量都是有限的,当实际系统需要更大存储容量时,就必须采用多片现有的存储器芯片构成较大容量的存储器模块,这就是所谓的存储器扩展。
根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量,可以计算出总的芯片数:
总片数=总容量/单片的容量
当单个存储器芯片的容量不能满足系统要求时,需要多片组合起来以扩展字长或字数
2.扩展存储器有三种基本方法
(1)字扩展:
单元数的扩展(地址线增加)
(2)位扩展:
数据位的扩展(数据线增加)
(3)字位全扩展:
单元数和位数都扩展
一、位扩展
位扩展:
是用多个存储芯片组成一个整体,使数据位数增加,但单元个数不变。
方法:
(1)芯片的地址线全部并联且与地址总线相应的地址线连接。
(2)片选信号线并联,可以接控制总线中的存储器选择信号,也可以接地址线高位,或接地址译码器的输出端。
(3)读写信号并联接到控制总线中的读写控制线上。
(4)数据线分高低部分分别与数据总线相应位连接。
例:
1M×1位SRAM构成1M×8位的SRAM存储器模块
二、字扩展
字扩展:
存储单元数的扩展,由于存储单元的个数取决于地址线,而与数据线无关,因此,字扩展实际上就是地址线的扩展,即增加地址线。
方法:
(1)各芯片的数据线并联且接至数据总线的相应数据线上。
(2)芯片本身的地址线并联到地址总线的地址线上(视地址分情况定),地址总线高位接译码器,译码器输出端接到各个芯片的片选信号。
即存储器芯片的片选信号分开,分别接到地址译码器不同的输出端。
(3)读写控制信号与控制总线中相应的信号相连。
例:
由2K×8位SRAM芯片,构成8K×8位的存储器模块
三、字位全扩展
字位全扩展:
将位扩展和字扩展结合起来组成一个存储器模块,即既增加单元数,又扩大每个单元的数据位数。
方法:
(1)计算出组成存储器模块所需总的芯片数
(2)进行位扩展
(3)将位扩展后的部分作为整体进行字扩展。
例:
用1K×4位SRAM构成4K×8位的SRAM存储器模块,存储器空间为从08000H开始。
第五节微机内存层次结构
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