微机原理半导体存储器及其接口课件.ppt
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- 微机 原理 半导体 存储器 及其 接口 课件
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1、半导体存储器半导体存储器及其接口及其接口.教学重点存储器的分类存储器的分类RAM存储器及其接口存储器及其接口了解只读存储器了解只读存储器ROM.半导体存储器概述半导体存储器概述存储器是计算机系统中用来存储信息的部存储器是计算机系统中用来存储信息的部件(存放件(存放0、1形式的二进制编码),它是形式的二进制编码),它是计算机中的重要硬件资源。计算机中的重要硬件资源。从存储程序式的冯从存储程序式的冯.诺依曼经典结构而言,诺依曼经典结构而言,没有存储器,就无法构成现代计算机。没有存储器,就无法构成现代计算机。.存储器的分类1、按存取速度和在计算机系统中的地位分类、按存取速度和在计算机系统中的地位分类
2、 两大类:内存(主存)和外存(辅存)两大类:内存(主存)和外存(辅存)内存内存:CPU可以通过系统总线直接访问的存储器,可以通过系统总线直接访问的存储器,用以存储计算机当前正在使用的程序或数据。用以存储计算机当前正在使用的程序或数据。 速度快,容量小,成本高速度快,容量小,成本高外存外存:用来存放相对来说不经常使用的程序和数据,用来存放相对来说不经常使用的程序和数据,或需要长期保存的信息。外存只与内存交换信息,或需要长期保存的信息。外存只与内存交换信息,不能被不能被CPU直接访问。直接访问。 速度较慢,容量大(海量存储器),成本低速度较慢,容量大(海量存储器),成本低.在微机系统中,存储器有三
3、个层次在微机系统中,存储器有三个层次: 1、辅助存储器(外存)、辅助存储器(外存) 2、主存储器(内存)、主存储器(内存) 3、高速缓冲器(高缓)、高速缓冲器(高缓) 高缓速度最快、同样容量最小。解决了高缓速度最快、同样容量最小。解决了存储器与存储器与CPU在速度上的协调性。在速度上的协调性。CPUCACHE主存(内存)主存(内存)辅存(外存)辅存(外存).按按存储介质存储介质分类:分类:半导体存储器;半导体存储器; 磁表面存储器:(如磁带,磁盘,磁鼓,磁卡等); 光表面存储器(CDROM);. 按存取方式分类:按存取方式分类: 随机存储器(随机存储器(RAM) 只读存储器(只读存储器(ROM
4、.5.1.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类半导体半导体存储器存储器只读存储器只读存储器 (ROM)随机存取存储器随机存取存储器(RAM)双极性双极性MOS掩膜式掩膜式ROM一次性可编程一次性可编程ROM(PROM) 紫外线擦除可编程紫外线擦除可编程ROM(EPROM)电擦除可编程电擦除可编程ROM(EEPROM)FLASH ROM.5.1.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类1. RAM按制造工艺可分为按制造工艺可分为双极型:双极型:速度快速度快、集成度低、功耗大,一般用在、集成度低、功耗大,一般用在高档微机中或用做高档微机中或用做CacheMOS型:速度慢、型:速度慢、集成度高集
5、成度高、功耗低。功耗低。微机的主微机的主存储器一般为它。根据是否有刷新电路又可分为:存储器一般为它。根据是否有刷新电路又可分为:静态静态RAM:以六管构成的触发器作为基本存储电路,:以六管构成的触发器作为基本存储电路,存储的信息相对稳定,无需刷新电路;速度比存储的信息相对稳定,无需刷新电路;速度比DRAM快快但集成度不如但集成度不如DRAM,功耗也较,功耗也较DRAM为大。为大。动态动态RAM:以单管线路构成其基本的存储电路,因此:以单管线路构成其基本的存储电路,因此集成度高,成本也相对便宜。但其中的信息易消失,故集成度高,成本也相对便宜。但其中的信息易消失,故需要专门的硬件刷新电路。需要专门
6、的硬件刷新电路。.读写存储器读写存储器RAM小结小结组成单元组成单元速度速度 集成度集成度 刷新刷新应用应用双极性双极性RAM晶体管触发晶体管触发器器最快最快低低不要不要CACHESRAM六管触发器六管触发器快快低低不要不要小容量系统小容量系统DRAM极间电容极间电容慢慢高高要要大容量系统大容量系统.2. 只读存储器只读存储器ROM掩膜掩膜ROM:信息制作在芯片中,不可更改信息制作在芯片中,不可更改PROM:允许一次编程,此后不可更改允许一次编程,此后不可更改EPROM:用紫外光擦除,擦除后可编程;用紫外光擦除,擦除后可编程;并允许用户多次擦除和编程并允许用户多次擦除和编程EEPROM(E2P
7、ROM):采用加电方法在采用加电方法在线进行擦除和编程,也可多次擦写线进行擦除和编程,也可多次擦写Flash Memory(闪存):能够快速擦写的闪存):能够快速擦写的EEPROM,但只能按块的方式(,但只能按块的方式(Block)擦)擦除除.5. 2 随机存取存储器随机存取存储器RAM结构及工作原理结构及工作原理分为双极型分为双极型RAM和和MOS型型RAMMOS型型RAM又分为又分为 SRAM和和DRAM.5.2.1 SRAM速度快速度快不需要刷新:简化了外围不需要刷新:简化了外围电路。电路。片容量低、功耗大片容量低、功耗大 如图:如图:双稳态触发器的双稳态触发器的A,B两两管,管,A导通
8、导通B截止,表示数截止,表示数据据1,反之,反之,A截止截止B导通导通表示表示0 T1、T2构成双稳态触构成双稳态触发器,发器,T3,T4为负载管为负载管T6T8T7T5T3T4T2T1VccABD0X地址译码线(I/O)(I/O)接Y地址译码线D0. 读出时读出时,CPU送出的地址码经行、列地址译码器译码,被选中的基送出的地址码经行、列地址译码器译码,被选中的基本存储单元的行选线和列选线均为高电平,从而本存储单元的行选线和列选线均为高电平,从而T5、T6、 T7、T8 均导通均导通,由触发器的由触发器的A、B端输出分别驱动端输出分别驱动IO和和/IO,再经读出放大器放大便可判别,再经读出放大
9、器放大便可判别保存的信息是保存的信息是0还是还是1 写入时,写入时,同样由外部地址线经译码后开通同样由外部地址线经译码后开通T5T8,将,将IO和和/IO分别与分别与A,B点相连,强制触发器变换到指定的稳定状态,从而实现写入功能。点相连,强制触发器变换到指定的稳定状态,从而实现写入功能。 T6T8T7T5T3T4T2T1VccABD0X地址译码线(I/O)(I/O)接Y地址译码线D0.一个基本的存储电路中只能存放二进制中的一个基本的存储电路中只能存放二进制中的一个位一个位。如果要形成大容量的记忆体,就必。如果要形成大容量的记忆体,就必须将大量的存储电路有规则地组织起来,这须将大量的存储电路有规
10、则地组织起来,这样就构成了存储体。样就构成了存储体。在存储体中,为了区别不同的在存储体中,为了区别不同的存储单元存储单元,通,通过给每个单元过给每个单元一个惟一的编号一个惟一的编号地址来选地址来选择不同的存储单元。择不同的存储单元。T6T8T7T5T3T4T2T1VccABD0X地址译码线(I/O)(I/O)接Y地址译码线D0.RAM的结构示意图的结构示意图地地址址寄寄存存地地址址译译码码存储体存储体控制电路控制电路AB数数据据寄寄存存读读写写电电路路DBOE WE CS片选端片选端CS*:有效时,可以有效时,可以对该芯片进行读写操作对该芯片进行读写操作写写WE*(Write Enable):
11、控制写操控制写操作。有效时,数据进入芯片中作。有效时,数据进入芯片中相当于系统的相当于系统的WR*。输出输出OE*(Output Enable)控制读操作。有效时,芯控制读操作。有效时,芯片内数据输出。相当于片内数据输出。相当于RD*。. 存储体存储体存储器芯片的主要部分,用来存储信息存储器芯片的主要部分,用来存储信息 地址译码电路地址译码电路根据输入的根据输入的地址编码地址编码来选中芯片内某个特定的来选中芯片内某个特定的存储单元存储单元 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑选中存储芯片,控制读写操作选中存储芯片,控制读写操作.每个存储单元具有一个唯一的地址,可存储每个存储单元具有一个唯一的地
12、址,可存储1位位(位片结构)或多位(字片结构)二进制数据(位片结构)或多位(字片结构)二进制数据存储容量(一般指的是位容量)存储容量(一般指的是位容量)与地址、数据线与地址、数据线个数有关:个数有关: 芯片的芯片的存储容量存储容量2MN存储单元数存储单元数存储单存储单元的位数元的位数 M:芯片的芯片的地址线根数地址线根数 N:芯片的芯片的数据线根数数据线根数. .地址译码方式示意图(续)地址译码方式示意图(续)在上图中,存储单元的大小可以是一位,也可以是多位。如在上图中,存储单元的大小可以是一位,也可以是多位。如果是多位,则在具体应用时应果是多位,则在具体应用时应将多位并起来将多位并起来。单译
13、码:单译码:16个个4位的存储单元位的存储单元双译码:双译码:1024个存储单元个存储单元1个存储单元包个存储单元包括括4个位个位也是也是1个存储单元个存储单元.SRAM芯片6264NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND+5V-WE-CS2A8A9A11-OEA10-CS1D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615存储容量为: 8K828个引脚:13 根地址线 A12A08 根数据线 D7D02 根片选 -CS1、-CS2读写 -WE、-OE6264 一个实际的例子一个实际的例子-Intel 6264
14、.HM6264: 256B*32*8B = 8K*8B即:需要即:需要12位(根)地址线,位(根)地址线,8K= 213 A0-A12有有8位(根)数据线,位(根)数据线,I/O 0-7.一个实际的例子一个实际的例子-Intel 2114Intel 2114是一个是一个1K4位的位的SRAM。其外。其外部引脚图如图部引脚图如图6-8所示。所示。存储容量存储容量为为10244位位18个个引脚:引脚:10根地址线根地址线A9A04根数据线根数据线I/O4I/O1:相当相当于于D0D3片选片选CS*读写读写WE*:当其为低电平时,:当其为低电平时,写入数据;为高电平时,读写入数据;为高电平时,读出数
15、据;出数据;123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND.5.2.2 DRAM片容量高片容量高需要刷新需要刷新 用电容存储电荷原理保存信息。用电容存储电荷原理保存信息。 将晶体管电容的充电状态和放电状态分将晶体管电容的充电状态和放电状态分别作为别作为1和和0.一、动态一、动态RAM的基本存的基本存储单元储单元 单管动态单管动态RAM的基本的基本存储单元,由一支存储单元,由一支MOS管管T和电容和电容C s组成。组成。 信息储在电容信息储在电容Cs上上。地址译码线。地址译码线(行线行线)有效
16、有效时选中该单元,使时选中该单元,使T管导管导通,电容通,电容CS和数据线和数据线D连通。连通。.写入时写入时,外部驱动数据线,外部驱动数据线D,并由,并由D对电容对电容cs充电充电或放电,改变其所存储的信息。或放电,改变其所存储的信息。 读出时读出时,电容,电容C s经数据线经数据线D对数据线上的外部寄对数据线上的外部寄生电容生电容Cd充电或放电,从而改变外部寄生电容充电或放电,从而改变外部寄生电容Cd上的电压,读出所存储的信息。上的电压,读出所存储的信息。. 电容电容Cs的容量不可能很大,每次输出的容量不可能很大,每次输出都会使都会使Cs上原有的电荷泄放存储的内容上原有的电荷泄放存储的内容
17、就被破坏就被破坏(也即读出是也即读出是“破坏性读出破坏性读出”)。 为此每次读出后都需要进行再生为此每次读出后都需要进行再生(重新重新写入写入),以恢复,以恢复CS上的充放电状态。上的充放电状态。.动态动态RAM 存储器存储器2164A存储容量为存储容量为64K116个个引脚:引脚:8根地址线根地址线A7A0()1根数据输入线根数据输入线DIN1根数据输出线根数据输出线DOUT行地址选通行地址选通列地址选通列地址选通读写控制读写控制WE*电源线电源线VDD地线地线VSSN/CDINWE*RAS*A0A2A1VDDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A712345678161514131211
18、109注:注:2164A没有专门的片选信号。没有专门的片选信号。当当CAS*信号有效时,即认为是片信号有效时,即认为是片选信号。选信号。.DRAM 2164A的内部结构的内部结构128128存储矩阵128读出放大器1/2(1/128列译码器)128读出放大器128128存储矩阵1/128行译码器1/128行译码器128128存储矩阵128读出放大器1/2(1/128列译码器)128读出放大器128128存储矩阵A0A1A2A3A4A5A6A78位地址锁存器1/4 I/O门输出缓冲器VDDVSS行时钟缓冲器列时钟缓冲器写允许时 钟缓冲器数据输入缓冲器RASCASWEDINDOUT2164内部共有
19、内部共有4个个128128的存储矩阵的存储矩阵构成。每个构成。每个128128的存储矩阵有的存储矩阵有7条条行地址和行地址和7条列地址线进行选择。条列地址线进行选择。当给定一个当给定一个16位地址时,行地址的低位地址时,行地址的低7位位(RA6RA0)从每个矩阵中从每个矩阵中选择一行,列选择一行,列地址的低地址的低7位位(CA6CA0)从每个矩阵中从每个矩阵中选择一列,选择一列,每个矩阵中被选择的行和被选择每个矩阵中被选择的行和被选择的列交汇处的单元被选中的列交汇处的单元被选中,最后由,最后由4选选1的的 I0门从门从4个矩阵的被选单元中选定一个个矩阵的被选单元中选定一个(由由RA7和和CA7
20、控制控制),进行读或写。,进行读或写。.DRAM 2164的读周期的读周期存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效,开始传送行地址有效,开始传送行地址随后,列地址选通信号随后,列地址选通信号CAS*有效,传送列地址,有效,传送列地址,CAS*相当于片选信号相当于片选信号读写信号读写信号WE*读有效读有效数据从数据从DOUT引脚输出引脚输出TRC:RAS有效到数有效到数据读取时间据读取时间TRAS:RAS保持时间保持时间TRCD:RAS与与CAS信号间隔时间信号间隔时间TASR:行地址领先于行地址领先于RAS的时间的时间TRAH:行地址在行地址在RAS
21、后的保持时间后的保持时间TCAH:列地址在列地址在CAS后的保持时间后的保持时间.DRAM 2164的写周期的写周期TWCSTDS列地址列地址行地址行地址地址地址 TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWECASRAS存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效,开始传送行地址有效,开始传送行地址随后,列地址选通信号随后,列地址选通信号CAS*有效,传送列地址有效,传送列地址读写信号读写信号WE*写有效写有效数据从数据从DIN引脚进入存储单元引脚进入存储单元.DRAM 2164的读修改写周期的读修改写周期TWCS
22、TDS列地址列地址地址地址 TWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASTDHDINWECASRASTRAC.DRAM 2164的刷新的刷新TRCTCRPTRAS高阻高阻TASRTRAH行地址行地址地址地址DINCASRAS采用采用“仅行地址有效仅行地址有效”方法刷新方法刷新行地址选通行地址选通RAS*有效,传送行地址有效,传送行地址列地址选通列地址选通CAS*无效,没有列地址无效,没有列地址芯片内部实现一行存储单元的刷新芯片内部实现一行存储单元的刷新没有数据输入输出没有数据输入输出存储系统中所有芯片同时进行刷新存储系统中所有芯片同时进行刷新DRAM必须每隔固定时间就刷
23、新必须每隔固定时间就刷新.5.3 只读存储器只读存储器ROM结构及工作原理结构及工作原理一一 ROM的分类的分类按照数据写入方式特点不同,按照数据写入方式特点不同,ROM可分为以下几种:可分为以下几种:(2)一次性可编程)一次性可编程ROM(PROM)。出厂时,)。出厂时,存储内容全为存储内容全为1(或全为(或全为0),用户可根据自),用户可根据自己的需要编程,但只能编程一次。己的需要编程,但只能编程一次。(1)固定)固定ROM。厂家把数据写入存储器中,。厂家把数据写入存储器中,用户无法进行任何修改。用户无法进行任何修改。.(3)光可擦除可编程)光可擦除可编程ROM(EPROM)。采用浮)。采
24、用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除,可多次编程。线照射而被擦除,可多次编程。(4)电可擦除可编程)电可擦除可编程ROM(E2PROM)。也是采)。也是采用浮栅技术生产的可编程用浮栅技术生产的可编程ROM,但是构成其存,但是构成其存储单元的是隧道储单元的是隧道MOS管,是用电擦除,并且擦除管,是用电擦除,并且擦除的 速 度 要 快 的 多 ( 一 般 为 毫 秒 数 量 级 ) 。的 速 度 要 快 的 多 ( 一 般 为 毫 秒 数 量 级 ) 。E2PROM的电擦除过程就是改写过程,它具有的电擦除过程就是改写过程,它具有RO
25、M的非易失性,又具备类似的非易失性,又具备类似RAM的功能,可的功能,可以随时改写(可重复擦写以随时改写(可重复擦写1万次以上)。万次以上)。.(5)快闪存储器()快闪存储器(Flash Memory)。也是)。也是采用浮栅型采用浮栅型MOS管,存储器中数据的擦除管,存储器中数据的擦除和写入是分开进行的,数据写入方式与和写入是分开进行的,数据写入方式与EPROM相同,一般一只芯片可以擦除相同,一般一只芯片可以擦除/写写入入10万次以上。万次以上。.1.ROM的内部结构的内部结构由地址译码器和存储矩阵组成。由地址译码器和存储矩阵组成。0单元1单元i单元单元2 1nWWWWD DD01in2 10
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