第6章半导体存储器

第第6章章 存储器系统存储器系统 n6.1.1 存储器体系结构存储器体系结构 6.1.2 半导体存储器的分类半导体存储器的分类按存取方式分类按存取方式分类6.1.3半导体存储器的主要性能指标半导体存储器的主要性能指标n1存储容量存储容量存储器容量（存储器容量（S）存储单元数（）存储单元数（p）数据位数（数据位数（i）数据位数（数据位数（i）一般等于芯片数据线的根数；而存储单元）一般等于芯片数据线的根数；而存储单元个数（个数（p）与存储器芯片的地址线条数（）与存储器芯片的地址线条数（k）有如下关系：）有如下关系：p2k。2存取时间存取时间存取时间是指从存取时间是指从CPU给出有效的存储器地址来启动一次给出有效的存储器地址来启动一次存储器读写操作，到该操作完成所经历的时间。存储器读写操作，到该操作完成所经历的时间。存储周期则是指连续两次访问存储器之间所需的最小时存储周期则是指连续两次访问存储器之间所需的最小时间间隔。存储周期等于存取时间加上存储器的恢复时间。间间隔。存储周期等于存取时间加上存储器的恢复时间。n3存取周期存取周期n指连续启动两次独立的存储器读指连续启动两次独立的存储器读/写操作所写操作所需的最小间隔时间。存取周期等于存取时需的最小间隔时间。存取周期等于存取时间加上存储器的恢复时间间加上存储器的恢复时间6.2读写存储器与只读存储器读写存储器与只读存储器n6.2.1静态静态RAMn6.2.2动态动态RAMn6.2.3只读存储器只读存储器6.2 半导体存储器芯片的结构半导体存储器芯片的结构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 存储体存储体n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n根据输入的地址编码来选中芯片内某个特根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元定的存储单元 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑n选中存储芯片，控制读写操作选中存储芯片，控制读写操作 存储体存储体n每个存储单元具有一个唯一的地址，每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储可存储1位（位片结构）或多位（字位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据片结构）二进制数据n存储容量与地址、数据线个数有关：存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量芯片的存储容量2MN存储单元数存储单元数存储单元的位数存储单元的位数 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 地址译码电路地址译码电路译译码码器器A5A4A3A2A1A06301存储单元存储单元64个单元个单元行行译译码码A2A1A0710列译码列译码A3A4A501764个单元个单元单译码双译码n单译码结构单译码结构n双译码结构双译码结构n双译码可简化芯片设双译码可简化芯片设计计n主要采用的译码结构主要采用的译码结构 片选和读写控制逻辑片选和读写控制逻辑n片选端片选端CS*或或CE*n有效时，可以对该芯片进行读写操作有效时，可以对该芯片进行读写操作n输出输出OE*n控制读操作。有效时，芯片内数据输出控制读操作。有效时，芯片内数据输出n该控制端对应系统的读控制线该控制端对应系统的读控制线n写写WE*n控制写操作。有效时，数据进入芯片中控制写操作。有效时，数据进入芯片中n该控制端对应系统的写控制线该控制端对应系统的写控制线6.2.1 随机存取存储器随机存取存储器静态静态RAMSRAM 2114SRAM 6264动态动态RAMDRAM 4116DRAM 21646.2.1 静态静态RAMnSRAM的基本存储单元是触发器电路的基本存储单元是触发器电路n每个基本存储单元存储二进制数一位每个基本存储单元存储二进制数一位n许多个基本存储单元形成行列存储矩许多个基本存储单元形成行列存储矩阵阵nSRAM一般采用一般采用“字结构字结构”存储矩阵：存储矩阵：n每个存储单元存放多位（每个存储单元存放多位（4、8、16等）等）n每个存储单元具有一个地址每个存储单元具有一个地址SRAM芯片芯片2114n存储容量为存储容量为10244n18个个引脚：引脚：n10根地址线根地址线A9A0n4根数据线根数据线I/O4I/O1n片选片选CS*n读写读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GNDSRAM 2114的读周期的读周期数据数据地址地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECSnTA读取时间读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上给出地址到数据出现在外部总线上nTRC读取周期读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间有效地址维持的时间SRAM 2114的写周期的写周期TWCTWRTAW数据数据地址地址TDTWTWDOUT DINTDWTDHWECSnTW写入时间写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时从写入命令发出到数据进入存储单元的时间间写信号有效时间写信号有效时间nTWC写入周期写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间有效地址维持的时间SRAM芯片芯片6264n存储容量为存储容量为8K8n28个个引脚：引脚：n13根地址线根地址线A12A0n8根数据线根数据线D7D0n片选片选CS1*、CS2n读写读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND123456789101112131428272625242322212019181716156.2.2 动态动态RAMnDRAM的基本存储单元是单个场效应管及的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容其极间电容n必须配备必须配备“读出再生放大电路读出再生放大电路”进行刷新进行刷新n每次同时对一行的存储单元进行刷新每次同时对一行的存储单元进行刷新n每个基本存储单元存储二进制数一位每个基本存储单元存储二进制数一位n许多个基本存储单元形成行列存储矩阵许多个基本存储单元形成行列存储矩阵nDRAM一般采用一般采用“位结构位结构”存储体：存储体：n每个存储单元存放一位每个存储单元存放一位n需要需要8个存储芯片构成一个字节单元个存储芯片构成一个字节单元n每个字节存储单元具有一个地址每个字节存储单元具有一个地址单管动态存储电路行=列=1时选中（读/写）。存储刷新：逐行进行（1选中：内部进行：刷新放大器重写C）(单元线单元线)(数据线数据线)存储单元存储单元 示意图示意图DRAM芯片芯片4116n存储容量为存储容量为16K1n16个个引脚：引脚：n7根地址线根地址线A6A0n1根数据输入线根数据输入线DINn1根数据输出线根数据输出线DOUTn行地址选通行地址选通RAS*n列地址选通列地址选通CAS*n读写控制读写控制WE*VBBDINWE*RAS*A0A2A1VDDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5VCC12345678161514131211109DRAM 4116的读周期的读周期DOUT地址地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址行地址列地址列地址WECASRAS存储地址需要分两批传送存储地址需要分两批传送n行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效，开始有效，开始传送行地址传送行地址n随后，列地址选通信号随后，列地址选通信号CAS*有效，有效，传送列地址，传送列地址，CAS*相当于片选信相当于片选信号号n读写信号读写信号WE*读有效读有效n数据从数据从DOUT引脚输出引脚输出DRAM 4116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n行地址选通信号行地址选通信号RAS*有效，开始有效，开始传送行地址传送行地址n随后，列地址选通信号随后，列地址选通信号CAS*有效，有效，传送列地址传送列地址n读写信号读写信号WE*写有效写有效n数据从数据从DIN引脚进入存储单元引脚进入存储单元DRAM 4116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n行地址选通行地址选通RAS*有效，传送行地有效，传送行地址址n列地址选通列地址选通CAS*无效，没有列地无效，没有列地址址n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n没有数据输入输出没有数据输入输出n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nDRAM必须每隔固定时间就刷新必须每隔固定时间就刷新DRAM芯片芯片2164n存储容量为存储容量为64K1n16个个引脚：引脚：n8根地址线根地址线A7A0n1根数据输入线根数据输入线DINn1根数据输出线根数据输出线DOUTn行地址选通行地址选通RAS*n列地址选通列地址选通CAS*n读写控制读写控制WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A7123456781615141312111096.2.3 只读存储器只读存储器EPROMEPROM 2716EPROM 2764EEPROMEEPROM 2717AEEPROM 2864A6.2.3 EPROMn顶部开有一个圆形的石英窗口，用顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过擦除原有信息于紫外线透过擦除原有信息n一般使用专门的编程器（烧写器）一般使用专门的编程器（烧写器）进行编程进行编程n编程后，应该贴上不透光封条编程后，应该贴上不透光封条n出厂未编程前，每个基本存储单元出厂未编程前，每个基本存储单元都是信息都是信息1n编程就是将某些单元写入信息编程就是将某些单元写入信息0EPROM芯片芯片2716n存储容量为存储容量为2K8n24个个引脚：引脚：n11根地址线根地址线A10A0n8根数据线根数据线DO7DO0n片选片选/编程编程CE*/PGMn读写读写OE*n编程电压编程电压VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2VssEPROM芯片芯片2764n存储容量为存储容量为8K8n28个个引脚：引脚：n13根地址线根地址线A12A0n8根数据线根数据线D7D0n片选片选CE*n编程编程PGM*n读写读写OE*n编程电压编程电压VPPVppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGM*NCA8A9A11OE*A10CE*D7D6D5D4D312345678910111213142827262524232221201918171615EPROM芯片芯片272561 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151616171718181919202021212222232324242525262627272828VppVppA12A12A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0D0D0D1D1D2D2GNDGNDD3D3D4D4D5D5D6D6D7D7CECEA10A10OEOEA11A11A9A9A8A8A13A13A14A14VccVcc2725627256引脚图引脚图A14A14A13A13A12A12A11A11A10A10A9A9A8A8A7A7A6A6A5A5A4A4A3A3A2A2A1A1A0A0CECEOEOED7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D02725627256逻辑图逻辑图6.2.3 EEPROMn用加电方法，进行在线（无需拔下，用加电方法，进行在线（无需拔下，直接在电路中）擦写（擦除和编程直接在电路中）擦写（擦除和编程一次完成）一次完成）n有字节擦写、块擦写和整片擦写方有字节擦写、块擦写和整片擦写方法法n并行并行EEPROM：多位同时进行：多位同时进行n串行串行EEPROM：只有一位数据线：只有一位数据线EEPROM芯片芯片2817An存储容量为存储容量为2K8n28个个引脚：引脚：n11根地址线根地址线A10A0n8根数据线根数据线I/O7I/O0n片选片选CE*n读写读写OE*、WE*n状态输出状态输出RDY/BUSY*NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GNDVccWE*NCA8A9NCOE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O312345678910111213142827262524232221201918171615EEPROM芯片芯片2864An存储容量为存储容量为8K8n28个个引脚：引脚：n13根地址线根地址线A12A0n8根数据线根数据线I/O7I/O0n片选片选CE*n读写读写OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615译码和译码器译码和译码器n译码：将某个特定的译码：将某个特定的“编码输入编码输入”翻翻译为唯一译为唯一“有效输出有效输出”的过程的过程n译码电路可以使用译码电路可以使用门电路组合逻辑门电路组合逻辑n译码电路更多的是采用集成译码电路更多的是采用集成译码器译码器n常用的常用的2:4译码器：译码器：74LS139n常用的常用的3:8译码器：译码器：74LS138n常用的常用的4:16译码器：译码器：74LS1546.3 半导体存储器接口技术半导体存储器接口技术n1存储器地址译码存储器地址译码n当当CPU访问存储器时，它必须接通总线，访问存储器时，它必须接通总线，以便与以便与CPU交换数据；当交换数据；当CPU不访问它时，不访问它时，它必须逻辑上与总线断开，以免干扰其它它必须逻辑上与总线断开，以免干扰其它部件对总线的使用。部件对总线的使用。n通过译码控制，使得只有通过译码控制，使得只有CPU发出的访问发出的访问地址属于存储器芯片的地址范围时，它才地址属于存储器芯片的地址范围时，它才能被选中。能被选中。存储器系统中片选控制的方法存储器系统中片选控制的方法 n存储芯片的地址线通常与系统的低位地址存储芯片的地址线通常与系统的低位地址总线相连，高位地址线经外部地址译码器总线相连，高位地址线经外部地址译码器产生的输出信号与存储器的片选端相连接产生的输出信号与存储器的片选端相连接n通过地址译码实现片选的方法有通过地址译码实现片选的方法有3种：种：n（1）线选法）线选法n（2）全译码法（最常用的方法）全译码法（最常用的方法）n（3）部分译码法）部分译码法线选译码线选译码n只用少数几根高位地址线进行芯片的只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根负责选中一个芯片（组）译码，且每根负责选中一个芯片（组）n虽构成简单，但地址空间严重浪费虽构成简单，但地址空间严重浪费n必然会出现地址重复必然会出现地址重复n一个存储地址会对应多个存储单元一个存储地址会对应多个存储单元n多个存储单元共用的存储地址不应使多个存储单元共用的存储地址不应使用用全译码全译码n所有的系统地址线均参与对存储单元的所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址译码寻址n包括低位地址线对芯片内各存储单元的包括低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址（片内译码），高位地址线对译码寻址（片内译码），高位地址线对存储芯片的译码寻址（片选译码）存储芯片的译码寻址（片选译码）n采用全译码，采用全译码，每个存储单元的地址都是每个存储单元的地址都是唯一的，唯一的，不存在地址重复不存在地址重复n译码电路可能比较复杂、连线也较多译码电路可能比较复杂、连线也较多部分译码部分译码n只有部分（高位）地址线参与对只有部分（高位）地址线参与对存储芯片的译码存储芯片的译码n每个存储单元将对应多个地址每个存储单元将对应多个地址（地址重复），需要选取一个可（地址重复），需要选取一个可用地址用地址n可简化译码电路的设计可简化译码电路的设计n但系统的部分地址空间将被浪费但系统的部分地址空间将被浪费6.3.2 存储器与存储器与CPU的连接的连接 n扩展的步骤是选用适合的芯片，将多片芯片进行位扩扩展的步骤是选用适合的芯片，将多片芯片进行位扩展，设计出满足字长要求的存储模块，然后对存储模展，设计出满足字长要求的存储模块，然后对存储模块进行字扩展，构成符合要求的存储器。块进行字扩展，构成符合要求的存储器。n扩展时需要的芯片数量扩展时需要的芯片数量 需要扩展的容量需要扩展的容量/单片容量单片容量n例如：某系统要增加例如：某系统要增加8K8的存储容量，若选用的存储容量，若选用2114芯片（芯片（1K4），则需要：），则需要：n（8K8）/（1K4）16片。片。主存容量的扩展方法主存容量的扩展方法n存储容量的位扩展存储容量的位扩展n单个存储芯片字长就不能满足要求，这时就需单个存储芯片字长就不能满足要求，这时就需要进行位扩展，以满足字长的要求。要进行位扩展，以满足字长的要求。n位扩展的电路连接方法是：将每个存储芯片的位扩展的电路连接方法是：将每个存储芯片的地址线和控制线（包括选片信号线、读地址线和控制线（包括选片信号线、读/写信写信号线等）全部同名接在一起，而将它们的数据号线等）全部同名接在一起，而将它们的数据线分别引出连接至数据总线的不同位上。线分别引出连接至数据总线的不同位上。存储容量的位扩展存储容量的位扩展存储容量的字扩展存储容量的字扩展 n字扩展是对存储器容量的扩展。字扩展是对存储器容量的扩展。n字扩展的电路连接方法是：将每个芯片的字扩展的电路连接方法是：将每个芯片的地址信号、数据信号和读地址信号、数据信号和读/写信号等控制信写信号等控制信号线同名全部接在一起，只将选片端分别号线同名全部接在一起，只将选片端分别引出到地址译码器的不同输出端，即用片引出到地址译码器的不同输出端，即用片选信号来区别各个芯片的地址。选信号来区别各个芯片的地址。存储容量的字扩展存储容量的字扩展存储容量的字位扩展存储容量的字位扩展n在构成一个实际的存储器时，往往需要同时进在构成一个实际的存储器时，往往需要同时进行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。n内存扩展的次序一般是先进行位扩展，构成字内存扩展的次序一般是先进行位扩展，构成字长满足要求的内存模块，然后再用若干个这样长满足要求的内存模块，然后再用若干个这样的模块进行字扩展，使总容量满足要求。的模块进行字扩展，使总容量满足要求。n例：用例：用164位的芯片组成位的芯片组成648位的存储器模位的存储器模块块8088与存储器连接实例与存储器连接实例n例例6，要求该存储体地址占系统，要求该存储体地址占系统1M地址空地址空间的低间的低512K，画出数据线、地址线及有关，画出数据线、地址线及有关控制信号的连接方法。控制信号的连接方法。8086的存储器组织的存储器组织8086若存取一个字若存取一个字节的数据，可以用节的数据，可以用一个总线周期完成；一个总线周期完成；若存取一个规则字，若存取一个规则字，也可以用一个总线也可以用一个总线周期完成；但若存周期完成；但若存取一个非规则字，取一个非规则字，则必须用二个总线则必须用二个总线周期完成。周期完成。8086与存储器的连接与存储器的连接存储芯片的位扩充存储芯片的位扩充存储芯片的字扩充存储芯片的字扩充