半导体存储器及其接口
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半导体存储器
从CPU角度来看，Cache-主存存储层次的速度接近于Cache的速度，容量是主存的，每 位价格接近于主存的。因此，解决了主存储器的速度与价格间的矛盾。
2.主存-辅存存储层次
辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据。主存-辅存层次通过附加的硬 件及存储管理软件来控制，使主存-辅存形成一个整体，称之为虚拟存储器。
6.5 辅助存储器
1. 辅助存储器的特点 2．磁表面存储器的主要技术指标
(1)记录密度。 (2)存储容量。 (3)平均寻址时间。 (4)数据传输率。 (5)误码率。
6.5.2 磁记录原理和记录方式
6.5.2 磁记录原理和记录方式 1．磁记录原理
磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。写入时，记录介质在磁头下 方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体 磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透到磁 层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化(叫作磁化单元)。可以根据写入驱动电流的不同方 向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。
(2)磁表面存储器。磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作 时磁层随载磁体高速移动，用磁头在磁层上进行读写操作，为磁表面存储器。
(3)光盘存储器。光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性 的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。
半导体存储器
6.1 存 储 器 的 基 本 概 念 6.2 半 导 体 存 储 器 6.3 主 存 储 器 与 CPU 的 连 接 6.4 提 高 存 储 器 性 能 的 方 法 6.5 辅 助 存 储 器
2.主存-辅存存储层次
辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据。主存-辅存层次通过附加的硬 件及存储管理软件来控制，使主存-辅存形成一个整体，称之为虚拟存储器。
6.5 辅助存储器
1. 辅助存储器的特点 2．磁表面存储器的主要技术指标
(1)记录密度。 (2)存储容量。 (3)平均寻址时间。 (4)数据传输率。 (5)误码率。
6.5.2 磁记录原理和记录方式
6.5.2 磁记录原理和记录方式 1．磁记录原理
磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。写入时，记录介质在磁头下 方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体 磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透到磁 层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化(叫作磁化单元)。可以根据写入驱动电流的不同方 向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。
(2)磁表面存储器。磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作 时磁层随载磁体高速移动，用磁头在磁层上进行读写操作，为磁表面存储器。
(3)光盘存储器。光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性 的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。
半导体存储器
6.1 存 储 器 的 基 本 概 念 6.2 半 导 体 存 储 器 6.3 主 存 储 器 与 CPU 的 连 接 6.4 提 高 存 储 器 性 能 的 方 法 6.5 辅 助 存 储 器
存储器接口 (2)
地把双端口RAM看作是本地RAM一样进行访问，不 仅方便了软件设计,还大大地提高了系统的工作 效率。
二、半导体存储器的主要性能指标 主要从一下几方面考察： 1、存储容量 2、速度 3、功耗 4、集成度 5、可靠性
三、存储芯片的组成
1、地址译码器：接收来自CPU的N位地址信息， 经译码后产生2的N次方个地址选择信号对片内 寻址。
/CS=0,/OE=0时为读; /CS=0,/WE=0时为写。 /WE和/OE分别接CPU的/WR和/RD信号。
2、存储器与CPU数据总线的连接 根据存储器结构选择连接CPU的数据总线。
6.3 主存储器接口
主存储器的类型不同，则接口不同。以 EPROM、SRAM、DRAM为例分别介绍。
一、EPROM与CPU的接口 目前广泛使用的典型EPROM芯片有Intel公
（1）Tc=总容量/N×8/M＝128K/8K×8/8 ＝16片
（2）Tc＝128K/8K×16/8＝32片
6.2存储器接口技术
一、存储器接口中应考虑的问题
1、存储器与CPU的时序配合
几个问题： （1）什么是总线周期？（2）什么 是时钟周期？（3）什么是T状态？（4）如何实 现二者之间的时序配合？（5）设计产生等待信 号电路应注意那些问题？（见图6－3）
2、如何完成寻址功能？
要完成寻址功能必须具备两种选择：
（1）片选：即首先要从众多存储器中，选中要 进行数据传输的某一存储器芯片，称为片选。一 般由接口电路中的端口译码产生。
（2）字选：然后从该芯片内选择出某一存储单 元，称为字选。由存储器内部的译码电路完成。
3、片选控制的译码方法
常用方法有：线选法、全译码法、部分译码法、 混合译码法等。
或列出地址分配表； ③根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出
第6章半导体存储器
（a）
图6-8
（b）
3．快闪存储器(Flash Memory)
而且浮置栅一源区间的电容要比浮置栅一控制栅间的电容小得多 。 当控制栅和源极间加上电压时,大部分电压都将降在浮置栅与源极 之间的电容上。 快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的，如图6-8(b)所 示。
（a）
图6-8
（b）
半导体存储器的技术指标
存取容量：表示存储器存放二进制信息的多少。二值 信息以字的形式出现。一个字包含若干位。一个字的 位数称做字长。
例如，16位构成一个字，那么该字的字长为16位。一个存储 单元只能存放一个一位二值代码，即只能存一个0或者一个1。 这样，要存储字长为16的一个字，就需要16个存储单元。若 存储器能够存储1024个字，就得有1024×16个存储单元。 通常，用存储器的存储单元个数表示存储器的存储容量，即 存储容量表示存储器存放二进制信息的多少。存储容量应表 示为字数乘以位数。 例如，某存储器能存储1024个字 ，每个字4位，那它的存储容 量就为1024×4=4096，即该存储器有4096个存储单元。 存储器写入（存）或者读出（取）时，每次只能写入或读出 一个字。若字长为8位，每次必须选中8个存储单元。 选中哪些存储单元，由地址译码器的输出来决定。即由地址 码来决定。地址码的位数n与字数之间存在2n=字数的关系。 如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存210=1024个字。
[例6-1]
[例6-1]
根据表6-2可以写出Y的表达式： Y7=∑（12，13，14，15） Y6=∑（8，9，10，11，14，15） Y5=∑（6，7，10，11，13，15） Y4=∑（4，5，7，9，11，12） Y3=∑（3，5，11，13） Y2=∑（2，6，10，14） Y1=0 Y0=∑（1，3，5，7，9，11，13，15 ） 根据上述表达式可画出ROM存储点阵如图6-9所示。
数电7半导体存储器
特点
高集成度、高速读写、低功耗、 非易失性等。
半导体存储器的分类
按存储方式分
按容量分
分为随机存储器（RAM）和只读存储 器（ROM）。RAM可随时读写， ROM只能读不能写。
分为小容量、中容量和大容量存储器。 小容量一般为1K位，中容量为4K位， 大容量为16K位以上。
按存储介质分
分为双极型存储器（TTL）和CMOS 存储器。TTL存储器速度快，但功耗 大；CMOS存储器速度慢，但功耗小。
1970年
出现了只读存储器（ROM），其容量为 256K位，速度为500字/秒。
1967年
出现了集成度更高的半导体动态随 机存储器（DRAM），其容量为 64K位，速度为500字/秒。
A
B
C
D
1984年
出现了快闪存储器（Flash Memory）， 其容量为1M位，速度为200字/秒。
1975年
出现了可擦写可编程只读存储器 （EEPROM），其容量为256K位，速度 为500字/秒。
Байду номын сангаас
闪存技术
闪存是一种非易失性存储器，能 够在断电状态下保存数据。它具 有快速读写速度、低功耗和耐冲 击等优点，广泛应用于移动设备
和嵌入式系统。
相变存储器
相变存储器利用特殊材料在加热 后发生相变来存储数据。它具有 读写速度快、寿命长和可靠性高 等优点，被认为是下一代存储器
的重要候选者。
磁性随机存储器
磁性随机存储器利用磁性材料的 磁化方向来存储数据。它具有高 速读写、低功耗和长寿命等优点， 适用于需要频繁读写和高可靠性
半导体存储器的发展历程
01
02
03
1946年
美国科学家发明了第一台 电子计算机ENIAC，采用 真空管作为逻辑元件，使 用汞延迟线作为存储器。
高集成度、高速读写、低功耗、 非易失性等。
半导体存储器的分类
按存储方式分
按容量分
分为随机存储器（RAM）和只读存储 器（ROM）。RAM可随时读写， ROM只能读不能写。
分为小容量、中容量和大容量存储器。 小容量一般为1K位，中容量为4K位， 大容量为16K位以上。
按存储介质分
分为双极型存储器（TTL）和CMOS 存储器。TTL存储器速度快，但功耗 大；CMOS存储器速度慢，但功耗小。
1970年
出现了只读存储器（ROM），其容量为 256K位，速度为500字/秒。
1967年
出现了集成度更高的半导体动态随 机存储器（DRAM），其容量为 64K位，速度为500字/秒。
A
B
C
D
1984年
出现了快闪存储器（Flash Memory）， 其容量为1M位，速度为200字/秒。
1975年
出现了可擦写可编程只读存储器 （EEPROM），其容量为256K位，速度 为500字/秒。
Байду номын сангаас
闪存技术
闪存是一种非易失性存储器，能 够在断电状态下保存数据。它具 有快速读写速度、低功耗和耐冲 击等优点，广泛应用于移动设备
和嵌入式系统。
相变存储器
相变存储器利用特殊材料在加热 后发生相变来存储数据。它具有 读写速度快、寿命长和可靠性高 等优点，被认为是下一代存储器
的重要候选者。
磁性随机存储器
磁性随机存储器利用磁性材料的 磁化方向来存储数据。它具有高 速读写、低功耗和长寿命等优点， 适用于需要频繁读写和高可靠性
半导体存储器的发展历程
01
02
03
1946年
美国科学家发明了第一台 电子计算机ENIAC，采用 真空管作为逻辑元件，使 用汞延迟线作为存储器。
存储器及其接口
0
1
1
1
1
0
F0000～F7FFFH
0
1
1
1
1
1
F8000～FFFFFH
ROM子系统中译码器管理的存储器地址
存储器地址区域
3.RAM子系统
系统板上RAM子系统为256KB，每64KB为一组，采用9片4164 DRAM芯片，8片构成64KB，另一片用于奇偶校验
CPU
数据总线
地址总线
寻址范围
T2为一列基本存储单元电路上共有的控制管。
CD
T1
字选择线
刷 新 放大器
位选择线
T2
单管动态RAM存储电路
数据线（D）
DRAM的基本存储电路
NC
D
IN
WE
RAS
A
0
A2
A1
GND
—
—
—
—
—
—
—
—
V
CC
CAS
D
OUT
A6
A3
A4
A5
A7
—
—
—
—
—
—
4.电可擦可编程的ROM
5.闪速存储器（Flash Memory）
01
闪存也称快擦写存储器，有人也简称之Flash。 Flash Memory属于EERPOM类型 ,有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，而且可以选择删除芯片的一部分内容，但还不能进行字节级别的删除操作。
单击此处添加小标题
02
单击此处添加小标题
8088
8位
20位
1MB
8086
8位
20位
1MB
80286
微机原理第5章半导体存储器(精)
2
高速缓冲存储器(Cache)。这个存储器 所用芯片都是高速的,其存取速度可与微处 理器相匹配,容量由几十K～几百K字节,通常 用来存储当前使用最多的程序或数据。
内存储器,速度要求较快(低于Cache),有一 定容量(受地址总线位数限制),一般都在几十 兆字节以上。
3
外存,速度较慢,但要求容量大,如软盘, 硬盘,光盘等。其容量可达几百兆至几十个 GB,又称“海量存储器”,通常用来作后备存 储器,存储各种程序和数据,可长期保存,易于 修改,要配置专用设备。
M / IO
•
1
前1K
A11
•
1
后1K
23
前 1K A =0 11 0000000000000000 ～ 0000001111111111B 即 0000～03FFH
后 1K A =1 11 0000100000000000 ～0000101111111111B 即 0800～0BFFH
可见,地址不连续!
选用存储器时,存取速度最好选与CPU 时序相匹配的芯片。另外在满足存储器总 容量前提下,尽可能选用集成度高,存储容量 大的芯片。
14
5.2 读写存储器RAM
5.2.1 静态RAM(SRAM) SRAM的基本存储电路由6个MOS管
组成,为双稳态触发器，其内部结构请自 己看书。
⒈ 2114存储芯片,为1K*4位
27
图中数据总线驱动器采用74LS245,其逻
辑框图与功能表三态如下:
门
A
•
•B
使能 方向控制
G
DIR
操作
&
•
•
0
0
BA
0
1
AB
高速缓冲存储器(Cache)。这个存储器 所用芯片都是高速的,其存取速度可与微处 理器相匹配,容量由几十K～几百K字节,通常 用来存储当前使用最多的程序或数据。
内存储器,速度要求较快(低于Cache),有一 定容量(受地址总线位数限制),一般都在几十 兆字节以上。
3
外存,速度较慢,但要求容量大,如软盘, 硬盘,光盘等。其容量可达几百兆至几十个 GB,又称“海量存储器”,通常用来作后备存 储器,存储各种程序和数据,可长期保存,易于 修改,要配置专用设备。
M / IO
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前 1K A =0 11 0000000000000000 ～ 0000001111111111B 即 0000～03FFH
后 1K A =1 11 0000100000000000 ～0000101111111111B 即 0800～0BFFH
可见,地址不连续!
选用存储器时,存取速度最好选与CPU 时序相匹配的芯片。另外在满足存储器总 容量前提下,尽可能选用集成度高,存储容量 大的芯片。
14
5.2 读写存储器RAM
5.2.1 静态RAM(SRAM) SRAM的基本存储电路由6个MOS管
组成,为双稳态触发器，其内部结构请自 己看书。
⒈ 2114存储芯片,为1K*4位
27
图中数据总线驱动器采用74LS245,其逻
辑框图与功能表三态如下:
门
A
•
•B
使能 方向控制
G
DIR
操作
&
•
•
0
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BA
0
1
AB
存储器的分类和主要性能指标(微机原理)
西南大学电子信息工程学院
19
第6章 半导体存储器及接口 §6.3 SRAM、ROM与CPU的连接方法 ⒈要解决的技术问题 ⑴ SRAM、ROM的速度要满足CPU的读/写要求； ⑵ SRAM、ROM的字数和字长要与系统要求一致； ⑶ 所构成的系统存储器要满足CPU自启动和正常运行条件。 ⒉存储器扩展技术 当单个存储器芯片不能满足系统字长或存储单元个数 的要求时，用多个存储芯片的组合来满足系统存储容量的 需求。这种组合就称为存储器的扩展。 存储器扩展的几种方式： ⑴位扩展 当单个存储芯片的字长（位数）不能满足要求时，就 需要进行位扩展。
按工作方式分按制造工艺分按存储机理分双极型ram随机存取存储器静态读写存储器sramram金属氧化物型mosram动态读写存储器dramromprom只读存储器epromr0m半导体存储器及接口西南大学电子信息工程学院22内存储器的主要性能指标内存储器的主要性能指标内存储容量内存储容量表示一个计算机系统内存储器存储数据多少的指标
西南大学电子信息工程学院
5
第6章 半导体存储器及接口 ③芯片容量
是指一片存储器芯片所具有的存储容量。
例如： SRAM芯片6264的容量为8K×8bit，即它有8K个 单元，每个单元存储8位（一个字节）二进制数据。 DRAM芯片NMC4l256的容量为256K×lbit，即它 有256K个单元，每个单元存储1位二进制数据。 ⑵最大存取时间 内存储器从接收寻找存储单元的地址码开始， 到它取出或存入数码为止所需要的最长时间。
西南大学电子信息工程学院 30
第6章 半导体存储器及接口 ②地址分配 要考虑CPU自启动条件，在8088系统中存储器操作时IO/M=0， ROM要包含0FFFF0H单元，正常运行时要用到中断向量区 0000:0000-0000:003FFH，所以RAM要包含这个区域。
大学微机原理半导体存储器详解演示文稿
当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，
不可再次改写。
PROM基本存储电路
PROM的写入要由专用的电路（大
电流、高电压）和程序完成。
第17页，共36页。
第5章 半导体存储器
5.3.2 可擦除的PROM 一、EPROM（紫外线可擦除） 用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容 全为“1” ），便可再次改写。
一、RAM原理
构成
存储体（R-S触发器构成的存储矩阵） 外围电路 译码电路、缓冲器
I/O控制电路
0
0
地
1
1
数
址
存储
据
n位 译
矩阵
缓
地址 码 2n-1
m
冲
器
器
m位 数据
CS 控制 逻辑
R/W
存储芯片构成示意图
第6页，共36页。
第5章 半导体存储器
地址译码器：
接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片
3. 按存储器的功能来分类 ✓按存储器与CPU的关系分类
控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、
外存储器EM ；
✓按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM；
✓按数据存储单元的寻址方式分类
随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ；
内存储单元的选址。
控制逻辑电路：
接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号， 控制数据的读出和写入。
数据缓冲器：
寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。
存储体：
存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。
不可再次改写。
PROM基本存储电路
PROM的写入要由专用的电路（大
电流、高电压）和程序完成。
第17页，共36页。
第5章 半导体存储器
5.3.2 可擦除的PROM 一、EPROM（紫外线可擦除） 用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容 全为“1” ），便可再次改写。
一、RAM原理
构成
存储体（R-S触发器构成的存储矩阵） 外围电路 译码电路、缓冲器
I/O控制电路
0
0
地
1
1
数
址
存储
据
n位 译
矩阵
缓
地址 码 2n-1
m
冲
器
器
m位 数据
CS 控制 逻辑
R/W
存储芯片构成示意图
第6页，共36页。
第5章 半导体存储器
地址译码器：
接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片
3. 按存储器的功能来分类 ✓按存储器与CPU的关系分类
控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、
外存储器EM ；
✓按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM；
✓按数据存储单元的寻址方式分类
随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ；
内存储单元的选址。
控制逻辑电路：
接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号， 控制数据的读出和写入。
数据缓冲器：
寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。
存储体：
存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。
存储器
外存平均访问时间ms级: 硬盘 9~10ms 光盘 80~120ms 内存平均访问时间ns级: SRAM Cache1 ~ 5ns SDRAM内存 7~15ns EDO内存 60~80ns EPROM存储器 100~400ns
5.1.3 半导体存储器芯片的结构
地 址 寄 存 地 址 译 码
存储体
– – – – – – 8根地址线 A7～A0 1根数据输入线 DIN 1根数据输出线 DOUT 行地址选通 RAS* 列地址选通 CAS* 读写控制 WE*
NC DIN WE* RAS* A0 A2 A1 GND
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14 13 12 11 10 9
VSS CAS* DOUT A6 A3 A4 A5 A7
5.2.3 动态RAM
• DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极 间电容 • 每个基本存储单元存储二进制数一位 • 许多个基本存储单元形成行列存储矩阵 • 必须配备“读出再生放大电路”进行刷新 • 每次同时对一行的存储单元进行刷新
• DRAM一般采用“位结构”存储体： –每个存储单元存放一位 –需要8个存储芯片构成一个字节单元 –每个字节存储单元具有一个地址
一、DRAM一般结构
Ed T0 B 位线 C0 Y选择线 （列） T2 A 数据线
字线 X(行)选择线 C C1 T1
预充
特点：外部地址线是内部地址的一半
动态RAM的举例－Intel 2164
4.2 随机读写存储器（RAM）
二、DRAM芯片2164
• 存储容量为 64K×1 • 16个引脚：
Cache
CPU I/O接口
内存
外存
5.1 半导体存储器的分类
半导体存储器
半导体存储器半导体存储器，是一种以存储二值信息的大规模集成电路作为存储媒体的存储器，常用于存储程序、常数、原始数据、中间结果和最终结果等数据，是微型计算机的重要记忆元件。
半导体存储器有存储速度快、存储密度高、与逻辑电路接口容易等优点，主要用作高速缓冲存储器、主存储器、只读存储器、堆栈存储器等。
目录∙半导体存储器概述∙半导体存储器分类∙半导体存储器原理∙半导体存储器的指标∙半导体存储器概述o和逻辑运算器一样，半导体存储器同样也是各种电子计算机的关键部件，并且广泛应用于各类通讯和家用电子设备中；如今大到超级计算机和航天飞机，小到手机、语言复读机、各种电子玩具以及智能卡，都用到不同种类的半导体存储器；没有存储记忆功能的数字集成系统芯片(system on chip, SOC)，就像人的大脑失去了记忆，如此可知存储器和逻辑运算器同等重要、缺一不可。
现代半导体存储器的基本特点包括高密度、大容量、高速度、低功耗、低成本、类型多、功能强、用途广，几乎在每种半导体存储器中都采用金属-氧化层-半导体（MOS）工艺，并位于整个MOS芯片制造工艺的前沿。
∙半导体存储器分类o半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的重要组成部分。
半导体存储器分类如下：按制造工艺分，有双极型和MOS型两类。
双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。
MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。
按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）三类。
1.顺序存取存储器（简称SAM）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。
2.随机存取存储器（简称RAM）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。
根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将随机存储器分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。
DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。
微机原理半导体存储器
• 如 386或486微机： 物理存储器CPU能够访问旳存储器，是232字节（32
位地址线）。
虚拟存储器程序占用存储空间，可达246字节。
实存储器
由32位 RAM
地址
ROM
232＝4G
虚存储器 磁盘 设备
246＝64T
•虚拟存储器实际上是由磁盘等外存储器旳支持来 实现旳，即由操作系统把磁盘存储器当主存来使 用，以扩大内存。
所以，存储器和CPU旳连接，有三个部分： （1）、地址线旳连接； （2）、数据线旳连接； （3）、控制线旳连接。 在详细连接时应考虑下面问题：
1、CPU总线旳负载能力
在微机系统中，CPU经过总线与数片存储器和若干I/O 芯片相连，而这些芯片可能为TTL器件，或MOS器 件，所以构成系统时CPU总线能否支持其负载是必须 考虑旳问题。
24 ——VCC ——A8 ——A9 ——WE ——OE ——A10 ——CE ——D7 ——D6 ——D5 ——D4
13 ——D3
引脚功能
D0－D7 8位数据输入／输出 A0-A10地址输入 ,11位
CE 片选（芯片允许） WE 写允许 OE 输出允许
一般RAM都有这三个控制端
• 2K*8=2024*8=16384个基本元电路，用11根地址 线对其进行译码，以便对2K个单元进行选择，选 中旳8bit位同步输入/输出，数据旳方向由CE， WE，OE一起控制。
旳存取时间tRC或tWC；一般以CPU旳时序来拟定对存储
器旳存储速度旳要求 ；在存储芯片已拟定旳情况下， 则应考虑是否需要迁入TW周期等。
• 背面设计，假设能配合，不考虑插入电路。
3、存储器旳地址分配和片选问题
因为目前单片存储器旳容量依然是有限旳，所以 总是要由许多片才干构成一定容量旳存储器。
位地址线）。
虚拟存储器程序占用存储空间，可达246字节。
实存储器
由32位 RAM
地址
ROM
232＝4G
虚存储器 磁盘 设备
246＝64T
•虚拟存储器实际上是由磁盘等外存储器旳支持来 实现旳，即由操作系统把磁盘存储器当主存来使 用，以扩大内存。
所以，存储器和CPU旳连接，有三个部分： （1）、地址线旳连接； （2）、数据线旳连接； （3）、控制线旳连接。 在详细连接时应考虑下面问题：
1、CPU总线旳负载能力
在微机系统中，CPU经过总线与数片存储器和若干I/O 芯片相连，而这些芯片可能为TTL器件，或MOS器 件，所以构成系统时CPU总线能否支持其负载是必须 考虑旳问题。
24 ——VCC ——A8 ——A9 ——WE ——OE ——A10 ——CE ——D7 ——D6 ——D5 ——D4
13 ——D3
引脚功能
D0－D7 8位数据输入／输出 A0-A10地址输入 ,11位
CE 片选（芯片允许） WE 写允许 OE 输出允许
一般RAM都有这三个控制端
• 2K*8=2024*8=16384个基本元电路，用11根地址 线对其进行译码，以便对2K个单元进行选择，选 中旳8bit位同步输入/输出，数据旳方向由CE， WE，OE一起控制。
旳存取时间tRC或tWC；一般以CPU旳时序来拟定对存储
器旳存储速度旳要求 ；在存储芯片已拟定旳情况下， 则应考虑是否需要迁入TW周期等。
• 背面设计，假设能配合，不考虑插入电路。
3、存储器旳地址分配和片选问题
因为目前单片存储器旳容量依然是有限旳，所以 总是要由许多片才干构成一定容量旳存储器。
17-存储器及其接口(一)
(8192 × 512 × 16)
行选择 列选择 第4097行 第257列
31 30 29 28 27 26 25 24 23 … 13 12 11 10 … 4 3 2 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 … 0 1 1 0 … 0 1 0 0 0
步骤1： 总线地址译码
步骤2： 内存控制器地址译码
SRAM
RAM
DRAM Mask ROM PROM
只读存储器 Read Only Memory 非易失性存储器 Non-Volatile Memory
ROM
EPROM EEPROM Flash
《微型计算机原理》
7
存储器的性能指标
1. 2. 3. 4. 5. 6. 存储容量 存取速度 可靠性 性能价格比 功耗 ……
Bank Bank 0 1
Bank Bank 2 3
Bank Bank 4 5
Bank Bank 6 7
64M bits
MUX
256M Bytes
I/O
512M bits
《微型计算机原理》 27
wordline
Bank 3 Memory Array (8192 × 512 × 16)
bitline
READ or CAS (Column Access Strobe)
《微型计算机原理》
32
DRAM的访问过程（4）
4、Bus Transmission
Column Decoder Data In/Out Buffers Sense Amplifiers
Bit Lines …… Word Lines ……
主要内容
一、存储器层次和实现 二、静态RAM（SRAM） 三、动态RAM（DRAM） 四、只读存储器（ROM）
模电课件第七章 半导体存储器和可编程逻辑器件
（2）可编程逻辑器件
（Programmable Logic Device，PLD）
可编程逻辑器件是20世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊 的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的器件。 特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高
（3）微处理器
微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言 编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其 他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门的接口电 路。 微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外，多 用于实时处理系统。
2. PLD器件的连接表示方法 （1）PLD 器件的连接表示法
固定连接
可编程连接
不连接
（2）门电路表示法
1
A
A
A
1
A
A
A
反向缓冲器
A
&
B
F
C
ABC
&
F
与门
A
≥1
B
F
C
ABC
≥1
F
或门
缓（冲d）器
ABC
（3） 阵列图
1
1
1
& D=BC
& E=AABBCC=0 & F=AABBCC=0
& G=1
1）浮栅注入 MOS 管（FAMOS 管） 存储单元采用两只 MOS管 缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢
2）叠层栅注入 MOS 管（SIMOS 管）
层叠栅存储单元
叠层栅MOS管剖面示意图
控制栅 与字线 相连，控制信息的 读出和写入
浮栅 埋在二氧化硅绝缘层， 处于电“悬浮”状态， 不与外部导通，注入电 荷后可长期保存
第3章 半导体存储器
② 外存储器是不直接和CPU相联系的存储器，也可归 类为外部设备。 特点：存储容量大，但存储速度慢。其存储容量从几百兆
比特到几十吉比特，寻址时间为若干毫秒。外存储器由软
磁盘、硬磁盘及光盘等组成，不属本章的讨论内容。 ③缓冲存储器位于主存与CPU之间。 特点：其存取速度非常快，但存储容量更小，可用来解决 存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速 度；
（2） 最大存取时间
内存储器从接收、寻找存储单元的地址码开始，到
它取出或存入数码为止所需的时间叫做存取时间。通常 手册上给出该常数的上限值，称为最大存取时间。最大 存取时间愈短，存储器的工作速度就愈高。因此，它是 存储器的一个重要参数。半导体存储器的最大存储时间
为几纳秒至几十纳秒。
（3）功耗
半导体存储器的功耗包括“维持功耗”和“操作功耗”， 应在保证速度的前提下尽可能地减少功耗，特别要减少“维 持功耗”。 （4）可靠性
第3章 3.1
半导体存储器 概述(P234)
3.1.1 存储器的分类
1．常见分类 ① 按存储介质分类——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。 ② 按存取方式分类——随机存储器(内存和硬盘)、顺序存储器 (磁带)。 ③ 按存储器的读写功能分类——只读存储器(ROM)、随机存 储器(RAM)。 ④ 按信息的可保存性分类——非永久记忆的存储器、永久性记 忆的存储器。 ⑤ 按存储器在计算机系统中的作用分类——主存储器、辅助存 储器、缓冲存储器、控制存储器等。
所以 ：一片 6116的存储容量为2K×8位，即 2KB。 常用的静态RAM芯片还有6264、62256、628128、 628512、6281000等。它们的存储容量分别为8K×8、 32K×8、128K×8、512K×8、1M×8。
第7章 半导体存储器
存储器的容量是2n×m(字线×位线)。 ROM中的存储体可以由二极管、三极管和MOS 管来实现。
2020/7/8
6
图7-2 二极管ROM
图7-3 字的读出方法
在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由 接入或不接入相应的二极管来决定的。
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7
为了便于表达和设计，通常将图7-2简化如图7-4 所示。
它以高容量长寿命锂电池为后备电源，在低功 耗的SRAM芯片上加上可靠的数据保护电路所构成。
其性能和使用方法与SRAM一样，在断电情况 下，所存储的信息可保存10年。
其缺点主要是体积稍大，价格较高。 此外，还有一种nvSRAM，不需电池作后备电 源，它的非易失性是由其内部机理决定的。
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15
单片容量已达64MB，并正在开发256MB的快闪 存储器。可重写编程的次数已达100万次。
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14
已越来越多地取代EPROM，并广泛应用于通信 设备、办公设备、医疗设备、工业控制等领域。
3. 非易失性静态读写存储器NVSRAM
由美国Dallas半导体公司推出，为封装一体化的 电池后备供电的静态读写存储器。
当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子 没有放电回路能长期保存下来，在的环境温度下， ７０％以上的电荷能保存１０年以上。
如果用紫外线照射FAMOS管１０～３０分钟， 浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟 道消失，FAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除， 芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。
半导体存储器按照内部信息的存取方式不同分
为两大类：
1、只读存储器ROM。用于存放永久性的、不变
的Байду номын сангаас据。
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图7-2 二极管ROM
图7-3 字的读出方法
在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由 接入或不接入相应的二极管来决定的。
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为了便于表达和设计，通常将图7-2简化如图7-4 所示。
它以高容量长寿命锂电池为后备电源，在低功 耗的SRAM芯片上加上可靠的数据保护电路所构成。
其性能和使用方法与SRAM一样，在断电情况 下，所存储的信息可保存10年。
其缺点主要是体积稍大，价格较高。 此外，还有一种nvSRAM，不需电池作后备电 源，它的非易失性是由其内部机理决定的。
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单片容量已达64MB，并正在开发256MB的快闪 存储器。可重写编程的次数已达100万次。
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已越来越多地取代EPROM，并广泛应用于通信 设备、办公设备、医疗设备、工业控制等领域。
3. 非易失性静态读写存储器NVSRAM
由美国Dallas半导体公司推出，为封装一体化的 电池后备供电的静态读写存储器。
当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子 没有放电回路能长期保存下来，在的环境温度下， ７０％以上的电荷能保存１０年以上。
如果用紫外线照射FAMOS管１０～３０分钟， 浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟 道消失，FAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除， 芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。
半导体存储器按照内部信息的存取方式不同分
为两大类：
1、只读存储器ROM。用于存放永久性的、不变
的Байду номын сангаас据。
半导体存储器及其应用
存储器构造框图
存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器 如：1K容量存储器，有10根地址线。 单向译码需要1024根译码输出线和驱动器。
双向译码 X、Y方向 各为32根译码输出线 和驱动器， 总共需要64根译码线 和64个驱动器。
静态RAM Intel 2114 Intel 2114 容量 1k×4位
PROM：可编程ROM
顾客可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入
写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改
写。
１、熔丝型ＰＲＯＭ旳构成：
由镍铬熔丝等构成 ２、熔丝型ＰＲＯＭ旳编程写入
出厂时，全部位均为“０”
编程写入：用过电流将要写
“１” 旳位旳熔丝熔断。
３、“读”工作原理 字线被选中，有(无)熔丝旳位
程序存储器旳工作方式-2716(见P110)
EPROM2716 工作方式真值表
/CE /OE VPP D0~D7 方式
0 0 +5V 输出
读
× 1 +5V 高阻 未选中
1 × +5V 高阻
维持
正脉 冲1
+25V
输入
编程
0 0 +25V 输出 编程校验
0 1 +25V 高阻 编程禁止
注：VPP为编程脉冲，可觉得 +5V,+12.5v,+21V,+25V等
第五章 半导体存储器及其应用
5-1 半导体存储器旳分类 5-2 随机存取存储器RAM 5-3 只读存储器ROM 5-4 CPU与存储器旳连接 5-5 MCS-51存储器旳扩展
5.1 半导体存储器旳分类
ห้องสมุดไป่ตู้ 1. 随机存取存储器RAM (Random Access Memory)
存储器习题
第10章存储器及其接口典型试题一．填空题1.只读存储器ROM有如下几种类型：＿＿＿＿。
答案：掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM2.半导体存储器的主要技术指标是＿＿＿＿。
答案：存储容量、存储速度、可靠性、功耗、性能/价格比3.在16位微机系统中，一个存储字占用两个连续的8位字节单元，字的低8位存放在＿＿＿＿、高8位存放在＿＿＿＿。
答案：低地址单元、高地址单元4.SRAM芯片6116（2K×8B）有＿＿＿＿位地址引脚线、＿＿＿＿位数据引脚线。
答案：11 85.在存储器系统中，实现片选控制有三种方法，它们是＿＿＿＿。
答案：全译码法、部分译码法、线选法6.74LS138译码器有三个“选择输入端”C、B、A及8个输出端，当输入地址码为101时，输出端＿＿＿＿有效。
答案：7.半导体静态存储器是靠＿＿＿＿存储信息，半导体动态存储器是靠＿＿＿＿存储信息。
答案：触发器电荷存储器件8.对存储器进行读/写时，地址线被分为＿＿＿＿和＿＿＿＿两部分，它们分别用以产生＿＿＿＿和＿＿＿＿信号。
答案：片选地址片内地址芯片选择片内存储单元选择二．单项选择题1．DRAM2164（64K×1）外部引脚有（）。
A.16条地址线、2条数据线B.8条地址线、1条数据线C.16条地址线、1条数据线D.8条地址线、2条数据线分析：从芯片容量（64K×1B）来看，有64K个编址单元，应有16条地址线（216=64K）。
但DRAM芯片集成度高、容量大、引脚数量不够，一般输入地址线采用分时复用锁存方式，即将地址信号分成二组、共用一组线，分两次送入片内。
而2164却有二条数据线，一条作为输入，一条作为输出。
答案：D 2．8086能寻址内存贮器的最大地址范围为（）。
A.64KBB.512KBC.1MBD.16KB分析：8086有20条地址总线A0～A19，它可以表示220=1M个不同的状态。
答案：C3．若用1K×4的芯片组成2K×8的RAM，需要（）片。
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➢ 分散刷新
每隔一段时间刷新一次，刷新操作与 CPU操作无关。
➢ 异步刷新
在一个指令周期中，利用CPU不进行访
问存储器操作时进行刷新的方法。
医学ppt
19
图5-7 DRAM控制器逻辑图
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20
3. DRAM芯片实例
MN4164（64K×1 bit DRAM）
4164的8条地址线重复使用，采用行列地址 复合选择法得到16位地址信号寻址64K个存储单 元。片内64K个存储单元排列成4个128 ×128存 储矩阵，即每行512个单元，共128行。所有存储 单元要在2ms内全部刷新一次，需要128次刷新 操作，由DMA控制器8237A-5来控制完成。
OE
＆
I/O0 ... I/O7
图5-5 6116结构框图
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16
5.2.2 动态RAM（DRAM）
1. 单元电路
行选择信号
Q C
刷新 放大器
列选择信号
数据输入/输出线
图5-6 单管DRAM存储单元电路
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17
2. DRAM的刷新
DRAM是利用电容存储电荷的原理保存信息的。 为防止电容逐渐放电使信息丢失，DRAM需要在预 定的时间内不断进行刷新。
基本存储电路
输
出
缓
选中的字线
冲
输出M位
放
大
器
N根字线 N=2p个地址 图5-1 单译码结构示意图
2. 双译码方式
A0 A1
X0 X (行) 地
• W0,0
...
A2 址
A3 A4
译
码 器
X31
•
W31,0 •
基本存储电路 W0,31
W31,31 •
R/W控制
Y0 … Y31 Y(列)地址译码及I/O控制
输入 控制 电路
...
3232＝1024 存储单元
1 2 . . . 31 32 I/O电路 Y译码
输出 输出 驱动
读/写 片选 A5 A6 A7 A8 A9 图5.4 SRAM芯片组成示意图
3. RAM芯片实例
（1）Intel 2114 （1K×4 bit SRAM）
A0~A9：地址输入 CS：片选
地
地址输入
址 译
码
存储矩阵
图5-8 ROM组成框图
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控 制 逻 辑
23
5.3.2 ROM的类型
1. 掩膜ROM（MROM）
1010 1101 0101 0110
图5-9 4×4掩膜ROM矩阵
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24
2. 可编程ROM（PROM）
图5-10 PROM基本存储单元
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25
3. 紫外线擦除可编程ROM（EPROM）
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5
2. 性能指标
（1）容量：每块芯片上能存储的二进制位数， 单位N×M。
（2）速度：存取数据的时间，单位ns。 （3）功耗：功耗和速度成正比，
单位μw/单元或 mw/芯片。 （4）价格
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6
5.1.2 半导体存储器的基本结构
地
址
存
地址信号
译 码
…
储 体
器
数据信号
控制信号
读/写控制
所谓刷新就是把写入到存储单元的数据读出， 经过放大器放大后再写入该单元。
DRAM的刷新是一行一行进行的，每刷新一行 的时间称为刷新周期。刷新的方式有三种：集中刷 新、分散刷新和异步刷新。
医学pptቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
18
➢ 集中刷新
在信息保存允许的时间范围（如2ms） 内，集中一段时间对所有基本存储单元 一行一行地顺序进行刷新。
数据输入 数据输出
A5 A6 A7 A8 A9 图5-2 双译码结构示意图
例 Intel 2732 ROM (4K8bit)： 12位（212=4K）地址线 8位I/O数据线
Intel 2114 RAM (1K4bit)： 10位（210=1K）地址线 4位I/O数据线
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11
§5.2 随机存取存储器RAM
S SiO2 浮栅 D ----
P+ + + + P+
N 衬底
图5-11 EPROMC擦写原理及单元电路
医学ppt
26
4. 电擦除可编程ROM（E2PROM） 写入过程中自动进行擦除，但擦写时间较长， 约需10ms。
微机原理及接口技术
医学ppt
1
微机原理与接口技术
第5章 半导体存储器 及其接口
医学ppt
2
主要内容
▪ 半导体存储器的分类与基本结构 ▪ 随机存取存储器 ▪ 只读存储器 ▪ 存储器与CPU的连接 ▪ 微机内存层次结构 ▪ 微机系统的内存管理
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3
§5.1 存储器概述
存储器是计算机系统中的记忆部件，用来存放 用二进制数据表示的程序和数据。
医学ppt
7
5.1.3 存储单元的寻址
地址译码器实现对存储单元的寻址，常用 的有单译码和双译码方式。
1. 单译码方式
单译码方式主要用于小容量的存储器。
医学ppt
8
p个输入
Ap-1 Ap-2 A1 A0 …
N取1译码器
D0
Wn-1 •
… W1 W0 •••
MD 位1
••••
…
位 线 DM－1
•••• • •… • •
RAM可以随时在任意位置上存取 信息，但怕掉电。根据存储器芯片内 部基本单元电路的结构，可分为静态 RAM和动态RAM。
医学ppt
12
5.2.1 静态RAM（SRAM） 1. 单元电路
图5.3 6管SRAM存储单元电路
2. SRAM芯片组成
A0 A1 A2 A3
A4
X1 译2 码 驱 31 动 32
I/O1~I/O4：数据I/O WE：写允许
CS WE 00 01
写操作 读操作
医学ppt
15
（2） Intel 6116 （2K8bit SRAM）
... …
A4
X 行 128
译
A10 码
存储矩阵 128128
A0
Y 列
译
A3 码
CE WE
• •
＆
168
16 I/O 控制电路
8 数据输入/ 输出缓冲器
内存储器
RAM ROM
SRAM
DRAM
掩膜ROM PROM EPROM E2PROM
磁盘
外存储器
光盘
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4
5.1.1 半导体存储器的分类与性能指标
1. 分类
（1）RAM ➢ SRAM：存取速度快、功耗大、价高、集成度低。 ➢ DRAM：存取速度慢、功耗小、价低、集成度高。
（2）ROM
➢ 掩膜ROM：内容在芯片制造过程中固化。 ➢ PROM：内容只能写一次。 ➢ EPROM：内容可多次改写，紫外线擦除。 ➢ E2PROM：电擦除的EPROM。
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21
§5.3 只读存储器ROM
ROM中各基本存储电路所存信息是固定的、 非易失性的，在机器运行期间只能读出不能写入。 ROM中信息的写入通常是在脱机或非正常工作情 况下用人工方式或电气方式完成的，称为对ROM 编程。
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22
5.3.1 ROM的组成
D7 . . . D0 输出电路