1、PAGE 第三章 存儲(chǔ)器及其接口一、教學(xué)基本要求使學(xué)生掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本知識(shí)，了解SRAM、DRAM、ROM、EPROM、EEPROM的存儲(chǔ)信息的原理及各自特點(diǎn)。重點(diǎn)掌握存儲(chǔ)器的組織以及與系統(tǒng)連接的基本技術(shù)。、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本知識(shí)，要求達(dá)到“識(shí)記”層次。SRAM、DRAM、EPROM、EEPROM和ROM的區(qū)別。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的主要性能指標(biāo)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)。、典型的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。典型的SRAM芯片6116、DRAM芯片2164 、EPROM芯片2732等的外特性各引腳的功能。3、存儲(chǔ)器的組織以及與系統(tǒng)連接的基本技術(shù)，要求達(dá)到“綜合應(yīng)用”層次。 存儲(chǔ)器的

2、組織、地址范圍的分配以及與系統(tǒng)連接的基本技術(shù)。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)*半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本知識(shí)。*SRAM、DRAM的工作原理。*只讀存儲(chǔ)器。*存儲(chǔ)器的組織以及與系統(tǒng)連接的基本技術(shù)。三、學(xué)習(xí)要點(diǎn)及教材分析3.1 存儲(chǔ)器的分類。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器可分兩大類:內(nèi)存或稱主存; 外存即外部存儲(chǔ)器.。內(nèi)存CPU可以直接訪問(wèn),外存則用來(lái)存放相對(duì)不太常用的程序或數(shù)據(jù).。內(nèi)存存取速度快,但容量相對(duì)較小.。8位機(jī)16位地址線,內(nèi)存最大容量64K（216單元）。8086/8088是16位機(jī),20根地址總線,最大尋址范圍1M（220單元）。系統(tǒng)引導(dǎo)程序.監(jiān)控程序是操作系統(tǒng)中的基本輸入輸出部分（BIOS）,時(shí)刻都在使用,必須常駐

3、內(nèi)存由ROM區(qū)構(gòu)成.。長(zhǎng)期保存又便于修改的程序，必須外存軟盤(pán).硬盤(pán).光盤(pán)等.均須驅(qū)動(dòng)設(shè)備,且存儲(chǔ)速度較慢.。計(jì)算機(jī)工作時(shí),一般先由ROM中的引導(dǎo)程序啟動(dòng)系統(tǒng),再?gòu)耐獯嬷凶x取系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序, 送到內(nèi)存的RAM中,程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)結(jié)果保存到外存,有非易失性.3.2 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的通常結(jié)構(gòu)。8位作為一個(gè)字節(jié)單元,故16位數(shù)據(jù)總線可一次訪問(wèn)2個(gè)單元.地址是必需的,以區(qū)分不同單元.。一般用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器來(lái)組成內(nèi)存.一個(gè)單元對(duì)應(yīng)8個(gè)基本存儲(chǔ)電路,每個(gè)基本存儲(chǔ)電路對(duì)應(yīng)1個(gè)二進(jìn)制位,但常把每個(gè)字節(jié)的同一位制造在一個(gè)器件中.。如1K1的芯片, 8片可組成1K8,即1K字節(jié)容量的內(nèi)存。1K4的芯片，2片即成1K

4、8,分別作為字節(jié)的高、低4位.。存儲(chǔ)器組成內(nèi)存時(shí),是按矩陣形式來(lái)排列.。地址的最高幾位用來(lái)選擇模塊或芯片組,中幾位用來(lái)選擇具體芯片,其余幾位作為行列地址選中具體單元.。內(nèi)存模塊插件板只要插在系統(tǒng)擴(kuò)展槽上,就和系統(tǒng)總線相連了.。在內(nèi)存容量較小的系統(tǒng)中,也可以不要模塊結(jié)構(gòu),甚至不用分組結(jié)構(gòu).3.3 選擇存儲(chǔ)器的考慮因素從哪幾方面來(lái)考慮呢？易失性如果某種存儲(chǔ)器在斷電之后，其中的內(nèi)容保持，稱為非易失性存儲(chǔ)器。外存一般都是非易失性的.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中ROM非易失,如用于啟動(dòng)監(jiān)控的BIOS只讀性數(shù)據(jù)寫(xiě)入后只能讀出,不能用通常方法重寫(xiě)或改寫(xiě)稱只讀存儲(chǔ)器ROMRAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,實(shí)際上指可讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(與是否按

5、序存取無(wú)關(guān))。位容量用4K1和1K4芯片組成相同容量的模塊，片數(shù)相同，但前者每片只有1個(gè)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出端適合較大容量系統(tǒng)，后者小系統(tǒng)用。總的原則，采用大容量器件。速度存儲(chǔ)器速度用訪問(wèn)時(shí)間來(lái)衡量，訪問(wèn)時(shí)間是指存儲(chǔ)器收到穩(wěn)定的地址輸入到完成操作的時(shí)間。一類：雙極型技術(shù)半導(dǎo)體器件速度快，但功耗大價(jià)格貴二類：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)功耗低，速度正在隨技術(shù)發(fā)展提高功耗功耗在用電池供電的系統(tǒng)中非常重要，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)(CMOScomplementary metal-oxide semiconductor) 功耗低，但每個(gè)元件要相同面積，容量小速度慢。但HMOS（High density me

6、tal-oxide semiconductor ）技術(shù)在速度和功耗之間有了很好的折衷。可靠性通過(guò)出廠測(cè)試后都很可靠，受管腳(數(shù))、插件板的接觸，模塊化影響。價(jià)格存儲(chǔ)容量?jī)r(jià)格與容量有關(guān)。固定開(kāi)銷是附加電路價(jià)格與容量關(guān)系不大應(yīng)使模塊數(shù)盡量少，但各片容量盡量大，電源種類少。3.4靜態(tài)RAM3.4.1靜態(tài)RAM的工作原理靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路通常由6個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成Q1和Q2是交叉耦合的，Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通Q2截止時(shí)Q1導(dǎo)通雙穩(wěn)態(tài)。Q5、Q6是控制(狀態(tài))管。寫(xiě)操作時(shí)，如要寫(xiě)“1”，則I/O為“1”， 使Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通如要寫(xiě)“0”，則I/O為“0”，使 Q2截止時(shí)Q1導(dǎo)通讀操作時(shí),地址譯碼器

7、送來(lái)高電平的選擇信號(hào),Q1的狀態(tài)被送到I/O線上靜態(tài)RAM包含管子較多，器件位容量小，交叉耦合，總有1管導(dǎo)通功耗大優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新，外圍電路簡(jiǎn)單。靜態(tài)RAM的例子:2114(1K4)6116(2K8)6264HM628128(512K8)。以1K1靜態(tài)RAM組成4K8存儲(chǔ)矩陣為例。每列中的8個(gè)芯片組成1個(gè)組，CE片選信號(hào)端連在一起，。A11和A10作為行選信號(hào)，A9A0作為列選信號(hào)。RAM與CPU的連接3.動(dòng)態(tài)RAM3.1動(dòng)態(tài)RAM的工作原理4管動(dòng)態(tài)RAM。如要寫(xiě)“1”則I/O1，送到A點(diǎn)，Q2導(dǎo)通Q1截止，選擇信號(hào)撤除后，靠Q1和Q2柵極電容的存儲(chǔ)作用，保持一段時(shí)間寫(xiě)入的信息。在讀出時(shí),先對(duì)

8、Q5和Q6的漏極電容C5.C6進(jìn)行預(yù)充電,使達(dá)電源電壓當(dāng)某個(gè)基本存儲(chǔ)電路被選中時(shí),Q5 Q6導(dǎo)通存儲(chǔ)信息從IO線輸出.。刷新過(guò)程:信息稍有削弱,給與充電的過(guò)程. 讀出過(guò)程也是刷新過(guò)程.。4管動(dòng)態(tài)RAM每2ms就要刷新一次。3管動(dòng)態(tài)RAM既然管子越少越好，3管動(dòng)態(tài)RAM就出現(xiàn)了。讀選擇線和寫(xiě)選擇線、讀數(shù)據(jù)線和寫(xiě)數(shù)據(jù)線都是分開(kāi)的。寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)選擇線為“1”Q1導(dǎo)通,要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)Q1送到Q2柵極;讀操作時(shí),先通過(guò)公共的預(yù)充電管Q4使讀數(shù)據(jù)線上的分布電容CD充電,此時(shí)讀得信號(hào)為0,正好與原存信息相反.要經(jīng)讀出放大器反相送數(shù)據(jù)線單管動(dòng)態(tài)RAM。讀操作時(shí),根據(jù)對(duì)行地址（高位地址）譯碼，使某條行選線高電平,

9、本行所有Q管子導(dǎo)通.列地址產(chǎn)生列選信號(hào),基本存儲(chǔ)電路才受到驅(qū)動(dòng),輸出.。寫(xiě)操作時(shí),行選線為”1”,如列選線也為1,數(shù)據(jù)線來(lái)的信息通過(guò)刷新放大器和Q送到電容C.以上3種動(dòng)態(tài)RAM中,。4管RAM管子最多,容量小,讀過(guò)程就是刷新,電路簡(jiǎn)化.。3管RAM管子略少,讀寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)線分開(kāi),刷新電路復(fù)雜.。單管RAM管子最少,讀出信號(hào)弱,要高靈敏度讀出放大器.新型存儲(chǔ)器：基于RAM陣列的FIFO緩存器雙口SRAM數(shù)據(jù)緩存器高速緩存CACHE3.5動(dòng)態(tài)RAM的刷新。不管哪一種動(dòng)態(tài)RAM，都要刷新。刷新間隔與溫度有關(guān)1100ms ，70時(shí) 2ms ,讀寫(xiě)是隨機(jī)的不能作為刷新信號(hào)。3.5.1動(dòng)態(tài)RAM控制器及其使

10、用。一般用專門的刷新電路，將刷新定時(shí)器、刷新地址計(jì)數(shù)器、多路轉(zhuǎn)換器集成一起動(dòng)態(tài)RAM控制器。8203如何與2164一起使用？。2164是64K1的動(dòng)態(tài)RAM芯片。按字存取的情況下，2個(gè)存儲(chǔ)組(分別存放高位和低位字節(jié))一起被選中，2個(gè)存儲(chǔ)組共用1個(gè)體選信號(hào)，比如RAS0。還有一種能解決刷新問(wèn)題并減少動(dòng)態(tài)RAM支持電路的方法，就是在每芯片上設(shè)置刷新邏輯電路存儲(chǔ)器件自身刷新綜合型動(dòng)態(tài)RAM，工作起來(lái)和靜態(tài)RAM一樣。系統(tǒng)較大時(shí)，采用動(dòng)態(tài)RAM組成模塊結(jié)構(gòu)，需要刷新電路。圖中包括兩部分：存儲(chǔ)矩陣 總線驅(qū)動(dòng)器(與系統(tǒng)總線的接口)和外圍電路。對(duì)4個(gè)存儲(chǔ)矩陣的3點(diǎn)說(shuō)明：一是關(guān)于芯片允許信號(hào)CE，同一矩陣的C

11、E連在一起，4個(gè)CE中只能有一個(gè)有效，CE無(wú)效者數(shù)據(jù)線高阻，故4個(gè)矩陣的數(shù)據(jù)端連在一起。二是關(guān)于數(shù)據(jù)端D7D0，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)輸入輸出線是分開(kāi)的,外部雙向三是關(guān)于寫(xiě)信號(hào)WE,沒(méi)有讀信號(hào),因?yàn)榉亲x即寫(xiě).負(fù)脈沖寫(xiě),高電平讀.。地址線分3部分: A19-A14作為模塊選擇信號(hào),如與本模塊的約定信號(hào)相匹配,再根據(jù)MRDC或MWTC產(chǎn)生內(nèi)部模塊選擇信號(hào)；。 A13A12產(chǎn)生4個(gè)矩陣的芯片允許信號(hào)；。A11A0作為矩陣內(nèi)部的行地址和列地址。CE0與地址最低的4K存儲(chǔ)矩陣的芯片允許輸入端相連。所有情況下，CE有效信號(hào)輸出前，內(nèi)部模塊選擇信號(hào)均須為“1”3.5.2存儲(chǔ)器的工作時(shí)序讀寫(xiě)時(shí)序不同且要求嚴(yán)格，還要與C

12、PU讀寫(xiě)時(shí)序相配合。存儲(chǔ)器對(duì)讀周期和寫(xiě)周期的時(shí)序要求3.6半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的備份電源MOS RAM一旦斷電，信息丟失，有些場(chǎng)合不允許丟失，應(yīng)有備份電源電源故障時(shí)只對(duì)一部存儲(chǔ)器進(jìn)行保護(hù)部分非易失性存儲(chǔ)器。3.7 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展位擴(kuò)展用1位或4位的存儲(chǔ)器擴(kuò)展成8位存儲(chǔ)器位擴(kuò)展。例如：用8片1M1的芯片擴(kuò)展成1M8的存儲(chǔ)模塊，方法：各芯片地址線全部并聯(lián)，與CPU相應(yīng)連接。各芯片數(shù)據(jù)線分高低位分別與CPU對(duì)應(yīng)相連。各芯片讀寫(xiě)控制信號(hào)線并聯(lián)后接CPU控制總線讀寫(xiě)線。片選信號(hào)有三種產(chǎn)生方法：地址線高位；地址線譯碼輸出；CPU的存儲(chǔ)器選擇信號(hào)。字?jǐn)U展字?jǐn)U展也稱地址擴(kuò)展存儲(chǔ)容量擴(kuò)展。按片選信號(hào)產(chǎn)生方法不同分三種

13、方法：線選法；局部譯碼；全譯碼。線選法低位地址直接與存儲(chǔ)器相連，余下的高位地址線片選。例如：用4片靜態(tài)RAM6116(2K8)組成8K8位的模塊。組別偶地址奇地址A19-A14A13-A12A11-A1范圍地址范圍第1組12000000100000111102000H02FFFH第2組34000000010000111101000H01FFFH0000 0010 0000 0000 0000=02000H0000 0010 1111 1111 1111=02FFFHA19-A16 A15-A12 A11-A8 A7-A4 A3-A0（2）局部譯碼法利用高位地址線中的幾根進(jìn)行譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。例

14、如：用4片6264芯片(8K8)組成32K8模塊。（3）全譯碼法除芯片內(nèi)單元尋址所需地址線外，剩余高位地址線全部用于譯碼，產(chǎn)生片選信號(hào)。例如：用4片62512（64K8）存儲(chǔ)器構(gòu)成128K（256Byte）,全譯碼法產(chǎn)生片選信號(hào)。（3）字位全擴(kuò)展位數(shù)和容量都需要擴(kuò)展時(shí)，高位地址用于譯碼。數(shù)據(jù)線也擴(kuò)展。例如：用2114芯片（1K4）擴(kuò)展成4K8模塊，擴(kuò)展后地址為F0000H開(kāi)始。3.8 只讀存儲(chǔ)器ROM器件有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以位密度高。具有非易失性，所以可靠性高ROM常用來(lái)存放系統(tǒng)啟動(dòng)程序和參數(shù)表，以及常駐內(nèi)存的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)中常駐內(nèi)存的部分，甚至字庫(kù)、編譯程序、解釋程序。ROM

15、可分4種：掩模ROM簡(jiǎn)稱ROM，信息由廠家寫(xiě)入，用戶無(wú)法修改，適合大量生產(chǎn)可編程只讀存儲(chǔ)器PROM(Programmable read only memory)出廠后用戶用一定方法寫(xiě)入，無(wú)法再改變。可擦除可編程EPROM(erasable programmable ROM)可電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器E2ROM(electrically erasable PROM)3.8.1掩膜型ROM掩模ROM中的信息是廠家根據(jù)用戶給定的程序或數(shù)據(jù)對(duì)芯片圖形(掩模)進(jìn)行2次光刻決定的，批量少時(shí)，價(jià)格昂貴。3.8.2可編程只讀存儲(chǔ)器PROMPROM 一旦進(jìn)行了編程，就不能再修改了，PROM適宜非批量生產(chǎn)。3.8

16、.3可擦除、可編程的ROM(EPROM)在EPROM中,信息的存儲(chǔ)是通過(guò)電荷分布來(lái)決定的,編程過(guò)程就是一個(gè)電荷注入過(guò)程,編程結(jié)束后由于絕緣層的包圍,注入的電荷無(wú)法泄漏.只有當(dāng)某個(gè)外部能源(如紫外光)加到上面時(shí)，內(nèi)部電荷分布才會(huì)被破壞。在EPROM芯片上方有一個(gè)石英窗，用于紫外照射。EPROM在初始狀態(tài)下，所有位數(shù)均為“1”，只可改成0，紫外線照射后回到“1”在讀方式下，Vpp和Vcc接5V電壓。在編程方式下，Vcc仍加5V電壓，Vpp按廠家要求加21-25V，CE引腿為高電平，A12-A0端輸入要編程的單元地址，D7-D0端輸入數(shù)據(jù)，再在PGM端加上5V編程脈沖，便可編程。EPROM除讀方式、

17、編程方式和檢驗(yàn)方式外，還有一種備用方式。如果某個(gè)芯片未被允許，即CE和PGM處于高電平，則處于備用方式。由于PROM和EPROM編程信號(hào)要求復(fù)雜，每寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)都要加50ms寬的PGM編程脈沖。有EPROM編程器通過(guò)接口卡與微機(jī)相連。編程器上有EPROM插座，可插多種型號(hào)EPROM。3.8.4可用電擦除的、可編程的ROM(E2PROM)EPROM用紫外光擦除不方便, E2PROM用電擦除，方便。典型的EEPROM芯片2864是8K8的E2PROM，引腳與EPROM2764完全兼容。除13根地址線、8根數(shù)據(jù)線、讀寫(xiě)線外，還有R/B：Ready/Busy 狀態(tài)指示，擦寫(xiě)時(shí)低電平，寫(xiě)入后高電平。28

18、64使用單一5V電源，內(nèi)有21V升壓電路等。有讀出方式、寫(xiě)字節(jié)擦除、整片擦除和維持方式。3.8.5 只讀存儲(chǔ)器的擴(kuò)展例如：線選法用4片2732（4K8）芯片組成16K8ROMRAM和ROM綜合擴(kuò)展實(shí)例：機(jī)器復(fù)位后從FFFF0H執(zhí)行，下部6片2764（8K8）的48K的EPROM，上部6片6264（8K8）的48K的RAM，片選信號(hào)、奇偶庫(kù)選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)圖317。3.9 外存儲(chǔ)器（略）四、存儲(chǔ)器考核點(diǎn)與例題解析12.1 存儲(chǔ)器考核點(diǎn)：存儲(chǔ)器概念、內(nèi)存通常的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM電路結(jié)構(gòu)與工作原理、動(dòng)態(tài)RAM的刷新、動(dòng)態(tài)RAM的使用（地址譯碼與連線方法）、存儲(chǔ)器的工作時(shí)序、掩膜ROM、可編程ROM、可編程可擦除ROM的含義與用途。12.2 存儲(chǔ)器例題解析：1. 微機(jī)硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)器分為哪幾級(jí)？其中哪一級(jí)的工作速度與CPU相近答案要點(diǎn) ：分三級(jí)：高速緩沖存儲(chǔ)器，主存