第6章微机原理与接口技术

第6章 半导体存储器 6.1.3 半导体存储器的主要技术指标
1．存储容量 (1) 用字数×位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯片的容量，如1 K×4位，表示该芯片有 1 K个单元(1 K=1024)，每个存储单元的长度为4位。 (2) 用字节数表示容量，以字节为单位，如128 B，表示该芯片有 128个单元，每个存储单元的 长度为8位。现代计算机存储容量很大，常用KB、MB、GB和TB为单位表示存储容量的大小。其 中，1 KB＝210 B＝1024 B；1 MB＝220 B＝1024 KB；1 GB＝230 B＝l024 MB；1 TB＝240 B＝ 1024 GB。显然，存储容量越大，所能存储的信息越多，计算机系统的功能便越强。 2．存取时间 ． 存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如，读出时间是指从CPU 向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间。显然，存取 时间越小，存取速度越快。
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MOS型存储器按信息存放方式又可分为静态RAM(Static RAM，简称SRAM)和动态 RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)。SRAM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。其优点是不需要刷新，控制电路简单，但集成度较低，适用于不需要 大存储容量的计算机系统。DRAM存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高，但也存在问 题，即电容中的电荷由于漏电会逐渐丢失，因此DRAM需要定时刷新，它适用于大存储容量的 计算机系统。 （2）．只读存储器 ） 只读存储器ROM (Read-Only Memory)
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X0 X 向 译 译 译 X1 X2 … 存存存存 1024×1 X 31 32×32＝1024 三 态 双 向 输 输 译
A 0 A 1 A 2 A 3 A 4
存储器系统的三项主要性能是指标容量、速度和成本。
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存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多， 相应计算机系统的功能就越强； 存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重 要的性能指标； 存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。 为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构， 即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体 看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平 均价格。 1．按构成存储器的器件和存储介质分类 ． 按构成存储器的器件和存储介质主要可分为：磁芯存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、 磁泡和其它磁表面存储器以及光盘存储器等。
在微机系统的在线运行过程中，只能对其进行读操作，而不能进行写操作的一类存储器。ROM
通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。随着半导体技术的发展，只 读存储器也出现了不同的种类，如可编程的只读存储器PROM(Programmable ROM)，可擦除的 可 编 程 的 只 读 存 储 器 EPROM(Erasible Programmable ROM) 和 EEPROM(Electric Erasible Programmable ROM)以及掩膜型只读存储器MROM(Masked ROM)等，近年来发展起来的快擦型 存储器(F1ash Memory)具有EEPROM的特点。
第6章 半导体存储器
第6章 半导体存储器
6.1 概述 6.2 随机读写存储器(RAM) 随机读写存储器 6.3 只读存储器 只读存储器(ROM) 6.4 存储器的扩展 6.5 几种新型存储器简介
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6.1 概 述
6.1.1 存储器的分类
回 顾：微型计算机系统的硬件组成，存储器在微机系统中的功能和作用。 本讲重点： 本讲重点：微机存储器系统的基本概况，存储器的分类，内部存储器的系统结 构，动、静态读写存储器RAM的基本存储单元与芯片。 讲授内容： 讲授内容： 存储器是计算机(包括微机)硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有 “记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预， 而自动完成信息处理的功能。
第6章 半导体存储器 2) 读/写控制电路 读/写控制电路接收CPU发来的相关控制信号，以控制数据 的输入/输出。三态数据缓冲器是数据输入/输出的通道，数据传 输的方向取决于控制逻辑对三态门的控制。CPU发往存储芯片 的控制信号主要有读/写信号(R/W)、片选信号(CS)等。值得注 意的是，不同性质的半导体存储芯片其外围电路部分也各有不 同，如在动态RAM中还要有预充、刷新等方面的控制电路，而 对于ROM芯片在正常工作状态下只有输出控制逻辑等。
第6章 半导体存储器 2．外围电路 外围电路主要包括地址译码电路和由三态数据缓冲器、控 制逻辑两部分组成的读/写控制电路。 1) 地址译码电路 存储芯片中的地址译码电路对CPU从地址总线发来的n位地 址信号进行译码，经译码产生的选择信号可以惟一地选中片内 某一存储单元，在读/写控制电路的控制下可对该单元进行读/写 操作。
第6章 半导体存储器 2) 双译码方式 双译码方式把n位地址线分成两部分，分别进行译码，产生一 组行选择线X和一组列选择线Y，每一根X线选中存储矩阵中位于 同一行的所有单元，每一根Y线选中存储矩阵中位于同一列的所 有单元，当某一单元的X线和Y线同时有效时，相应的存储单元被 选中。图6.4给出了一个容量为1 K字(单元)×1位的存储芯片的双 译码电路。1 K(1024)个基本存储电路排成32×32的矩阵，10根地 址线分成A0~A4 和A5~A9两组。A0~A4经X译码输出32条行选择线， A5~A9经Y译码输出32条列选择线。行、列选择线组合可以方便地 找到1024个存储单元中的任何一个。例如，当A4A3A2A1A0=00000， A9A8A7A6A5=00000时，第0号单元被选中，通过数据线I/O实现数 据的输入或输出。图中，X和Y译码器的输出线各有32根，总输出 线数仅为64根。若采用单译码方式，将有1024根译码输出线。
第6章 半导体存储器 3．地址译码方式 芯片内部的地址译码主要有两种方式，即单译码方式和双 译码方式。单译码方式适用于小容量的存储芯片，对于容量较 大的存储器芯片则应采用双译码方式。 1) 单译码方式 单译码方式只用一个译码电路对所有地址信息进行译码， 译码输出的选择线直接选中对应的单元，如图6.3所示。一根译 码输出选择线对应一个存储单元，故在存储容量较大、存储单 元较多的情况下，这种方法就不适用了。
第6章 半导体存储器 6．集成度 集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每 个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来 表示。 7．性能/价格比 性能/价格比(简称性价比)是衡量存储器经济性能好坏的综合 指标，它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指 标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。
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存存存 片行控 A 0 A 1 A 2 A 3 地 地 译 译 译 0 1 2 3 … … 15 4位
WR CS
控控 电电
数数输输译 I/O～I/O 0 3
图6.3 单译码方式
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以一个简单的16字×4位的存储芯片为例，如图6.3所示。将 所有基本存储电路排成16行×4列(图中未详细画出)，每一行对 应一个字，每一列对应其中的一位。每一行的选择线和每一列 的数据线是公共的。图中，A0∼A3 4根地址线经译码输出16根 选择线，用于选择16个单元。例如，当A3A2A1A0=0000，而片 选信号为CS=0，WR=1时，将0号单元中的信息读出。
第6章 半导体存储器 6.1.4 半导体存储器芯片的基本结构
A0 A1 … D0 D1 … DN
An
地 地 译 译 译
存存存存
三态 数数 输输 译
…
R/W CS
控控和和
图6.2 半导体存储器组成框图
…
第6章 半导体存储器 1．存储体 存储体是存储器中存储信息的部分，由大量的基本存储电路 组成。每个基本存储电路存放一位二进制信息，这些基本存储电 路有规则地组织起来(一般为矩阵结构)就构成了存储体(存储矩阵)。 不同存取方式的芯片，采用的基本存储电路也不相同。 存储体中，可以由N个基本存储电路构成一个并行存取N位二 进制代码的存储单元(N的取值一般为1、4、8等)。为了便于信息 的存取，给同一存储体内的每个存储单元赋予一个惟一的编号， 该编号就是存储单元的地址。这样，对于容量为2n个存储单元的 存储体，需要n条地址线对其编址，若每个单元存放N位信息，则 需要N条数据线传送数据，芯片的存储容量就可以表示为2n×N位。
第6章 半导体存储器 6.1.2 半导体存储器的分类
2．按存取方式分类 ． 可将存储器分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。 (1)．随机存储器RAM(Random Access Memory) ．随机存储器
又称读写存储器，指能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。
按照存放信息原理的不同，随机存储器又可分为静态和动态两种。静态 RAM是以双稳态元件作 为基本的存储单元来保存信息的，因此，其保存的信息在不断电的情况下，是不会被破坏的；而 动态RAM是靠电容的充、放电原理来存放信息的，由于保存在电容上的电荷，会随着时间而泄 露，因而会使得这种器件中存放的信息丢失，必须定时进行刷新。 根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。双极型存储器具 有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存 储器；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。
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存储器分类表如下所示
双极型半导体存储器
随机存储器(RAM)
MOS存储器（静态、动态） 掩膜型只读存储器MROM