第2章存储器讲解.docx

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第2章存储器讲解

第2章存储器

2.1微计算机存储器概述

存储器是微型计算机系统用以存放程序和数据的基本单元或设备。

任何CPU构成的微机系统必须配备一定存储器容量的存储器，其主要职能就是用来存放系统工作时的信息，即程序和数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

因此，有了它，微机才有记忆功能，才能保证正常工作。

存储器的容量越大，存储器存放的信息就越多，计算机的功能就越强。

存储器的容量的大小，已经成为衡量一个计算机系统能力的重要指标。

另外，计算机的操作大部分是与存储器进行信息交换，因此，存储器的存取速度是影响计算机的运算速度的重要因素之一。

存储器的容量是指存储器存放二进制的总位数，微型机中常以字节B（Byte）为单位，外存中为了表示更大的容量，用KB、MB、GB、TB为单位。

存储器中每8位组成一个字节，1KB=210B，1MB=220B，1GB=230B,1TB=240B。

设存储器芯片的地址线和数据线分别为m和n，则存储芯片的编址存储单元总量为2m个单位，该存储芯片的总容量为

存储容量=存储单元个数m×每个存储单元的位数n（数据线位数）

存储器的存取速度可以用“存取时间”和“存储周期”这两个时间参数来衡量。

“存取时间是指CPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该读/写操作完成所经历的时间。

存取时间越小，存取速度就越快。

目前，高速缓存（Cache）的存取时间已小于20ns，中速存储器在60ns-100ns之间，低速存储器在100ns以上。

“存取周期”是指连续两次独立的存储读/写操作所需要的最小间隔时间。

由于存储器在读出数据后还要用一定的时间来完成内部操作，这一时间称为恢复时间，素以通常存储器的存储周期略大于存储器的存取时间。

从计算机的应用需要来说，总是希望存储器的存储容量要大，存取速度要快，而价格/位要便宜。

但实际上，存储器的这些性能指标往往是相互矛盾的，互相制约的。

解决这一问题的较好方法是，把他们合理地组织起来，设计一个快慢搭配、具有层次结构的存储系统如图2.1所示。

图2.1存储系统的层次结构

由图2.1可见，整个存储系统分为4层：

CPU内寄存器组，高速缓存（cache）,主存储器，外存储器（硬盘）和后援存储器（光盘、磁盘），整体上是一个金字塔的结构，越靠近CPU的存储器，其存储容量越小，存取速度越快，价格/位越高；越远离CPU的存储器，其存储容量越大，存取速度越慢，价格/位越低。

而就整个层次结构存储系统而言，其工作速度和价格昂贵的高速存储器接近，存储容量很便宜的低速存储器接近。

第一层存储器是位于CPU内部的寄存器组，处于整个存储系统的最高级。

它距离CPU最近，且由高速逻辑电路构成，所以CPU能以极高的速度来访问这些寄存器，一般在单个周期内即可完成。

但由于这些寄存器位于CPU的内部，受芯片面积、功耗及管理等方面的限制，所以内部寄存器数量极为有限。

第二层存储器是高速缓存（Cache）。

目前高速缓存的容量已达几MB，有片内Cache（在CPU内部集成）和片外Cache（在CPU外部）。

高速缓存往往采用存储速度较高的静态RAM（SRAM）存储芯片结构。

第三层存储器是计算机系统的主存储器，简称主存或内存。

主存用于存放计算机运行时正在使用的程序和数据，实际上是高速缓存的后备存储器。

主存可以采用存取速度较慢（相对Cache）、价格便宜的存储芯片构成，通常采用动态RAM（DRAM），从而提高存储系统的整体性能价格比。

第四层存储器是大容量的外部存储器（外存），即计算机系统中由硬盘、磁盘和光盘等设备构成的存储器，这些存储器已不属于半导体存储器的范畴。

外存的容量最大，每位的平均价格便宜，但存储速度比主存要慢得多。

存储器按其在计算机系统中的位置可分为两大类。

第一类是内部存储器，简称内存，又称主存储器，由半导体存储器构成，是CPU可以通过系统总线直接访问的存储器，用以存放当前运行的程序和数据。

内存具有个CPU相匹配的速率，相对于外存而言，存取速率快，存储容量较小。

内存容量的大小事衡量微型计算机性能的主要指标。

第二类是外部存储器又称辅助存储器，简称外存，外存放在主机外，用来存放当前暂时不参加运行的程序和数据，以及某些需要永久保存的信息，CPU不能直接运行放在外存的程序，当CPU需呀时，把外存的数据调入到内存后，才可使用相应的数据，并可运行程序。

一般外存作为主存储器的辅助存储器使用，可以存放大量的信息和数据文件。

微机内存广泛采用的是半导体存储器。

半导体存储器由大规模的集成电路芯片组成，具有存取速率快，集成度高，体积小，功耗低等优点，并且，能够非破坏性的读出，特别是静态半导体存储器，不仅读操作不破坏原存的信息，而且不需要刷新再生，读写周期缩短，又简化控制操作。

半导体存储器从电路器件角度可分为双极型存储器和单极型存储器两种类型。

双极型存储器采用晶体管-晶体管逻辑TTL（Transistor-TransistorLogic）电路，工作速度快，但集成度较低，功耗较大，价格较贵。

计算机总的高速缓存可采用这种双极型电路。

单极型存储器采用的是金属氧化物半导体MOS电路，集成度高，功耗低，价格便宜。

目前高性能的CMOS（ComplementaryMOS）和HMOS（HighperformanceMOS）存储器的工作速度已经比较接近双极型TTL存储器。

MOS存储器在计算机存储器中占据越来越重要地地位。

计算机内存根据其读写功能的不同，分为可读写存储器和只读存储器。

可读存储器又称为随机存储器RAM（RandomAccessMemory）,其特点是存储器中的信息可读可写，即CPU在运行过程中能随时进行数据的读出和写入。

半导体RAM断电后信息会全部的丢失，因此，RAM是“易失性”存储器，只能用来存放暂时性的输入/输出数据、中间运算结果和用户程序，也常用它来存放外存交换信息或用作堆栈。

通常人们常说的微机内存容量就是指RAM存储器的容量。

只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）的特点是只能读出其中的信息而不能随机写入新的内容。

断电后，ROM中存储的信息仍保留不变，因此也称为“非易失性”存储器（Non-VolatileMemory）。

微型系统中常用ROM存放固定的程序和数据。

图2.2为微型计算机中半导体存储器的分类。

图2.2半导体存储器的分类

2.2只读存储器

只读存储器ROM主要由地址译码器、存储矩阵和输出电路等几部分组成。

图2.3为典型ROM的原理结构框图。

地址译码器将输入的地址代码译成相应的单元地址控制信号利用这个信号从存储矩阵中选出指定的存储单元，把此单元的数据送给输出电路。

存储矩阵由大量能固定存放一位二进制信息的存储单元组成，每个存储单元都有固定的地址。

输出电路一般用三态门作缓冲级，提高带负载能力，EN是输出的使能端，用于实现输出的三态控制，便于和系统总线连接。

图2.3ROM结构原理图

ROM（ReadOnlyMemory）从工艺上分为掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM等几种类型。

1.掩膜式ROM

掩膜ROM又称固定ROM，这种ROM在制造时，生产厂家根据用户需要在通过“掩膜”工序将信息做到芯片里，制成以后就不能修改。

如果进行批量生产，其造价相当便宜。

掩膜ROM可分为二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管ROM三种类型。

ROM是一种编码器，有N个输入端（字线），M个输出端（位线），其输入地址码和输出数据间的关系是固定不变的，给一个地址码就输出一个相应的数据。

下图2.4（a）是4×4的二极管掩膜ROM的结构图，它由2线－4线地址译码器、4×4的二极管存储矩阵和输出电路三部分组成。

地址译码器采用单译码方式，其输出为4条字选择线W0～W3，当输入一组地址，相应的一条字线输出高电平。

存储矩阵由二极管或门组成，有16个存储单元，输出为D3～D0，称为位线，在D3～D0位线上输出的每组4位二进制代码称作一个字。

每个十字交叉点代表一个存储单元，交叉处有二极管的单元，表示存储数据为“1”，无二极管的单元表示存储数据为“0”。

输出电路由4个驱动器组成，四条位线经驱动器由D3～D0输出。

ROM的读数过程是据地址码读出指定单元中的数据。

例如，当输入地址码A1A0=01时，字线W1=1，其余字选择线为0，W1字线上的高电平通过接有二极管的位线使D1、D2为1，其他位线与W1字线相交处没有二极管，为低电平，是0。

所以输出D3D2D1D0=0110，根据图2.4的二极管存储矩阵，可列出全部地址所对应存储单元内容的真值表，如表2.1所示。

表2.1二极管存储器矩阵的真值表

地址

数据

上述这种ROM的存储矩阵可采用如图2.4（b）所示的简化阵列图表示。

字线和位线交叉处有二极管的画实心点，表示存储数据“1”，无二极管的交叉点不画点，表示存储数据“0”。

交叉点的数目对应能够存储的单元数，表示每个存储器的存储容量，记为字线×位线＝容量，如8K×8=64KB。

图8.2中字线和位线均为4，故其容量为4×4＝16。

显然，ROM并不能记忆前一时刻的输入信息，因此只是用门电路来实现组合逻辑关系。

实际上，图2.4（a）的存储矩阵和电阻R组成了4个二极管或门，以D0为例，二极管或门电路如图2.4（c）所示，D0=W0+W2+W3。

用MOS三极管取代二极管便构成图2.5所示的MOSROM阵列。

图2.5MOSROM阵列

图中MOSROM由2线－4线地址译码器采用单译码方式。

地址A1和A0输入译码后，输出4条字选择线W0～W3，每一条选中一个字，位线输出即为一个字的各位。

在图示的存储矩阵中，有的列连有管子，有的列没有连管子，它与二极管ROM一样，当输入一组地址，相应的一条字线输出高电平，例如，A1A0=10，则字线W3=1，D3和D1与其相连的MOS管导通，于是该两条位线输出为“1”其他位线与W3字线相交处没有MOS管，为低电平，是“0”。

由此可知，当某一字线被选择（输出高电平）时，连有管子的位线输出为“1”，没有管子相连的位线输出为“0”。

二极管ROM和MOS管ROM，都是在制造时由二次光刻版的图形（掩膜）所决定的。

这种存储矩阵的内容完全取决于芯片的制造过程，而一旦制造好以后，用户是无法变更的。

掩膜式ROM的主要特点有：

（1）存储的内容由制造厂家一次性写入，写入后便不能修改，灵活性差。

（2）存储内容固定不变，可靠性高。

（3）少量生产时造价较高，因而只是用于定型批量生产。

2．可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）

可编程只读存储器PROM便于用户根据自己的需要来写入特定的信息。

厂家生产的PROM芯片事先并不存入任何的程序和数据，存储矩阵的所有的行、列交叉处均连接有二极管或三极管，即存储单元中的内容全为“1”。

用户可以利用芯片的外部引脚输入地址对存储矩阵中二极管或三极管进行选择，使其中的一些被烧断，其余的保持原有的状态，这样就向存储矩阵中写入了特定的二进制信息，即完成了所谓的“编程”。

图2.6所示是PROM的一种存储单元,它由三极管和低熔点的快速熔丝组成，所有字线和位线的交叉点都接有一个这样的熔丝开关电路。

存储矩阵中的所有存储单元都具有这种结构。

出厂时，所有存储单元的熔丝都是连通的，相当于所有的存储内容全为“1”。

编程时若想使某单元的存储内容为“0”，只需选中该单元后，再在EC端加上电脉冲，使熔丝通过足够大的电流，把熔丝烧断即可。

但是，熔丝一旦烧断将不可恢复，也就是一旦写成“0”后就无法再重写成“1”了，即这种可编程存储器只能进行一次编程。

图2.6一种熔丝式PROM的存储单元

3．可擦除可编程只读存储器EPROM（ErasableROM）

EPROM是一种可以多次擦除和重写的ROM，它克服了掩膜ROM和PROM只能一次性写入的缺点，使用比较广泛。

EPROM的基本存储单元大多采用浮栅MOS管（FloatinggateAvalancheinjectionMOS,简记为FAMOS管）。

在存储信息时，通过电荷的分布决定，所以编程的过程就是一个电荷聚集的过程编程结束后，尽管撤除了电源，但由于绝缘层的包围，聚集电荷无法泄露，因此电荷分布维持不变。

FAMOS管有P沟道和N沟道两种，图为P沟道浮栅MOS管EPROM的基本存储电路。

栅极由一层多晶硅构成，被SiO2绝缘层完全包围，使多晶硅置于浮动状态，他不引出电极。

在出厂时，FAMOS管的栅极上没有电子电荷，管子内没有导通沟道，S（源级）和D（漏极）不导通。

存储单元的“位线输出”为“1”，如图2.7EPROM存储矩阵的存储单元所示。

在写入时，在D和S间加上较高的负电压，另外加上编程脉冲，D和S之间瞬时产生雪崩击穿，大量电子穿过绝缘层注入到浮动栅，当浮动栅被绝缘层包围，注入的电子可以长期保存在浮栅中。

于是D和S之间形成了导电沟道，浮栅管导通，存储单元的“位线输出”为“0”。

图2.7P沟浮栅MOS管EPROM的存储电路

EPROM具有可修改性，在芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当用一定的波长（如2737A）一定光强（1200

w/cm2）的紫外线透过窗口照射时，所有存储电路中浮栅上的电荷会形成光电流放掉，使浮栅恢复初态。

一般照射20-30分钟读出个单元的内容均为FFH说明EPROM中内容已经被擦除。

但是，由于他写入速度慢而且擦出方法不方便，因此EPROM通常作为只读存储器使用。

常用的EPROM芯片有716（2K×8位）、2764（8K×8位）、2732（32K×8位）、……、27512（64K×8位）等。

这些集成EPROM芯片，除存储容量和编程电压等参数不同外，其它参数基本相同。

常用的EPROM芯片主要技术特性如表2.2所示。

表2.2常用的EPROM芯片主要技术特性

型号

2716

2732

2764

27128

27256

27512

容量（KB）

引脚数

读出时间（ns）

350～450

200＊

170＊

最大工作电流（mA）

100

125

最大维持电流（mA）

（EPROM的读出时间视型号而定，一般在100～300ns，表中列出的为典型值。

CMOSEPROM的读出时间快、耗电少，例如，27C256的读出时间仅为120ns、最大工作电流30mA、最大维持电流为100μA。

）

4.电可擦除可编程只读存储器EEPROM（ElectricallyEPROM）

电可擦除可编程只读存储器EEPROM也称E2PROM。

是一种可用电气方法在线擦除和再编程写入的只读存储器。

与EPROM擦除时把整个芯片的内容全变成“1”不同，EEPROM的擦除可以按字节分别进行。

字节的编程和擦除都只需要10ms并且使用方便，芯片不用脱离插件板以及诸如用紫外线光源照射等特殊操作，直接可在线擦除和改写其中的程序和数据。

为了编程和擦除的方便有些EEPROM芯片把内部存储器分页（或分块）可以按字节擦除、按页擦除或整片擦除，对不擦除的的部分可以保留。

所以这类存储器可在线读和写断电后仍然保存原有信息，但是存取速度比较慢价格比较高。

随着技术的发展，EEPROM擦写速率不断提高，可作非易失性RAM使用。

EEPROM芯片分两类接口：

并行接口芯片和串口接口芯片。

并行接口EEPROM一般相对容量大、速率快、功耗大、价格贵、读写方法简单。

串行接口EEPROM芯片体积小、功耗小、价格便宜，使用信号传输线少但是工作速率慢，读写方法比较复杂。

适用于存储信息容量不大，读写操作不频繁的情况下常采用这种芯片。

常见的EEPROM芯片有2816、2832、2864等。

2.3随机存取存储器

可读写存储器可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作，因此又称为随机存取存储器。

目前可读写存储器RAM芯片几乎全是MOS型的。

MOS型RAM又包括静态RAM（StaticRAM）和动态RAM（DynamicRAM）。

2.3.1静态基本存储电路

静态RAM（SRAM）中的每一个存储单元可以存放8位二进制信息。

存储单元的每一位由双稳态触发器（CMOS工艺）构成，称一个基本存储电路，简称存储元素。

若干个存储元素排列起来，便可构成一定容量的存储器。

静态RAM的基本存储电路通常由6个MOS管组成，用于存放一位二进制代码“0”或者“1”，如图2.8所示。

图2.8六管静态RAM基本存储单元

图中T1、T2为放大工作管，T3、T4为负载管，这4个MOS管共同组成组成一个双稳态触发器。

T5、T6、T7和T8为控制管，它们为同一列线上的存储单元共用。

若T1导通，则A点为低电平，这样T2截止，B点为高电平，由保证了T1导通；同样，T1截止而T2导通时，另一种稳定状态也可以相互保证。

A点为高电平，B点为低电平时代表“1”，B点为高电平，A点为低电平时代表“0”。

T5、T6的栅极接到X地址译码线上，T7、T8的栅极接到Y地址译码线上。

当基本存储单元未被选中时，T5、T6、T7和T8管截止，A、B点电平保持不变，存储信息不受影响。

T7、T8的漏极分别接在读写电路I/O的正反端。

对基本存储单元的写操作时，X、Y地址译码线均为高电平，门控管T5、T6、T7和T8导通，触发器与I/O线（位线）接通。

当写入“1”时，I/O线上和I/O线上分别输入高、低电平，通过T7、T5置A点为高电平，通过T8、T6置B点低电平，即A=1，B=0，从而使T1管截止，T2管导通。

当写入信息和地址译码信号消失后，该状态仍能保持。

写入数据“0”的过程与写入“1”类似。

对基本存储单元读操作时，需要通过地址译码线使子选择先为高电平，即X、Y地址译码线均为高电平，于是门控管T5、T6、T7和T8导通，A点的状态和B点的状态分别传给I/O线和I/O线，这样，就读取了原来存储器的信息。

读出以后，原来存储器的内容不变，所以，这种读出是一种非破坏性读出。

然而，无论存储单元保存的信息是1还是0，T1至T4的4只管子总有两只处于导通的状态，并且存储电路中MOS管较多，因而功耗较大，这也限制了单片RAM的容量。

静态RAM的优点是不需要刷新电路，从而简化了外部控制逻辑电路，此外静态RAM存取速度比动态RAM快，因而通常用作微型计算机系统中的高速缓存（Cache）。

2.3.2动态基本存储电路

动态RAM的存储单元由MOS管的栅极电容C和门控管组成，利用MOS管栅极电容的暂存作用来存储信息的，电容C上电压为“高”，表示存储了数据“1”，电容上电压为“低”时，表示存储了数据“0”。

其结构如图2.9所示。

在进行写操作时，被行选择、列选择所选中的单管动态RAM存储电路的两个MOS管T导通，若写入为“1”，由外部数据输入/输出线送来的信号为高电平，通过刷新放大器和T管（列选管）向电容C充电，C上有电荷，表示写入为信号“1”，若写入为“0”，则数据输入/输出线上为低电平，电容C经T管放电，C上便无电荷，表示写入信号为“0”。

在进行读操作时，通过“行地址译码器”是某一条行地址选择线为高电平，则该行上所有基本存储单元的MOS管T导通。

这样，各列上的刷新放大器便可读取响应电容C上的电压值。

由于刷新放大器灵敏度很高，放大倍数很大，可以将电容上的电压值转换为逻辑“1”或逻辑“0”。

若此时“列地址译码器”产生列选择信号，则行和列均被选通的基本存储电路得以驱动，从而将数据送入数据输入/输出线上。

图2.9单管动态RAM基本存储电路

虽然MOS管的栅极电阻很高，但栅极电容的容量很小（一般只有几皮法拉）且电容器上的电荷不可避免地因漏电等因素而损失，使电容上存储的信息保存时间有限，为保持原存储信息不变，就需要不间断地对栅极电容定时地进行补充电荷（这种操作也称刷新或再生）。

因此，DRAM工作时必须要有刷新放大电路，操作比较复杂。

由于要不间断地进行刷新，故称这种存储器为动态存储器。

刷新是逐行进行的，当某一行选择信号为高电平时，选中了该行，则该行所连接的各存储单元中的电容上的电压值都被送到各自对应的刷新放大电路，刷新放大电路将信号放大处理后又立即重写到电容C。

所以，每隔一定时间（一般每隔2ms）只能同时刷新某一行，由于按行刷新时，列选择信号总是为低电平，则列选择信号控制的MOS管T不导通，所以电容上的信号不会被送入到数据输入/输出线。

动态存储单元电路有4管电路、3管电路和单管电路，4管电路和3管电路外围控制电路比较简单，读出信号比较大，但电路结构复杂，不利于提高集成度。

单管电路存储单元的结构最简单，只用一个MOS管和一个电容器组成，集成度高，常用于大容量的动态随机存取存储器中。

2.3.3RAM芯片介绍

常用静态RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。

下面简单介绍常用的2114A芯片和6116芯片。

（1）2114A芯片

2114A是一个1024×4位静态RAM（即有1K个字，每个字4位），它的4096个存储单元排列成64行×64列的矩阵。

芯片为双列直插18脚封装，采用单一+5V电源，全部电平和TTL电路兼容。

其结构框图如图2.10所示。

图2.102114A电路结构框图

10条地址线分为两组译码，A3～A8六位地址码送到行地址译码器中，通过输出信号X0～X63从64行存储单元中选出指定的一行，另外四位地址码A0、A1、A2和A9送到列地址译码器中，通过输出信号Y0～Y15再从已经选定的一行中选出要进行读/写的一列（4个存储单元）。

为片选控制信号。

当

＝0，同时R/

＝1时，读/写控制电路工作在读状态，即将上述选中的单元数据送出到I/01～I/04；当

＝0，R/

＝0时，读/写控制电路工作在写状态，在I/01～I/04端的数据将被写入指定的四个单元中。

当

＝＝1时，读/写控制电路处于禁止态，不能对芯片进行读/写操作。

（2）6116芯片

6116是一种典型的CMOS静态RAM,其引脚如图2.11所示。

图中A0～A10是11条地址输入线，D0～D7是数据输入/输出端。

显然，6116可存储的字数为211=2048（2K），字长为8位，其容量为2048字×8位/字=16384位；

为片选端，低电平有效；

为输出使能端，低电平有效；

为读/写控制端。

电路采用标准的24脚双列直插式封装，电源电压为+5V，输入、输出电平与TTL兼容。

6116有3种工作方式：

写入方式：

当

=0，

=1，

=0时，数据线D0～D7上的内容存入A0～A10相应的单元。

读出方式：

当

=0，

=1时，

A0～A10相应单元的内容输出到数据线D0～D7。

低功耗维持方式：

当

=1时，芯片进入这种工作方式，此时器件电流仅20μA左右，故系统断电时可以用电池保持RAM内容。

图2.116116引脚图

6116、6264和62256的主要技术特性简单总结列于表2.3中。

操作控制列于表2.4中。

表2.3常用静态RAM主要技术特性

型号

6116

6264

62256

容量（KB）

引脚数

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