第5章 微机的存储系统

第5章微机的存储系统

1．教学目的和要求

（1）了解存储系统的组成和分类；

（2）掌握常用存储器的应用；

（3）理解存储器的管理。

2．教学内容

（1）半导体存储器的分类；

（2）存储器与CPU的连接及扩展；

（3）存储器的管理。

3．教学重点与难点

重点：存储器应用；

难点：存储器管理。

本章将介绍微机的存储系统的组成和层次结构；各种半导体存储器（ROM和RAM）的结构、工作原理和主要特征、常用的组成半导体存储器的芯片；简述新型的非挥发随机存取存储器；最后对PC机存储器的组织与管理作了概括。

5.1 微机的存储系统的组成

计算机系统中，按与CPU的关系，存储系统可分为内存与外存。内存是内部存储器的简称，又称为主存。计算机硬件系统中的外存即外部存储器，又称为辅助存储器，简称辅存或外存。

微型计算机中存储系统的分层结构如图5-1所示

图5-1存储系统的分层结构

5.1.1 半导体存储器分类

半导体存储器分类：按制造工艺分为MOS型和双极型两大类。半导体存储器一般都是MOS型存储器。

MOS型半导体存储器分类：从应用角度分为只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。

5.1.2 存储器的结构

存储器从结构上可分为存储体、地址译码电路及片选和读写控制逻辑三部分。

1.存储体

存储体是存储器芯片的主要部分，用来存储信息。每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据。

2.地址译码电路

分为单译码结构、双译码结构。根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元。双译码分X、Y轴排列方式，可简化芯片设计。如图5-2所示，（a）为单译码电路，（b）为双译码电路。

图5-2地址译码电路

3.片选和读写控制逻辑

“片选和读写控制逻辑”是为了选中存储芯片，控制读写操作。

（1）片选端CS或CE：有效时，可以对该芯片进行读写操作。

（2）输出OE：控制读操作。有效时，芯片内数据输出，该控制端对应系统的读控制线。

（3）写WE：控制写操作。有效时，数据可存入芯片中，该控制端对应系统的写控制线。

5.1.3 存储器的性能指标

存储器的种类很多，所以使用存储器时，我们要考虑各种因素及其性能指标。存储器的性能指标主要有存储容量、存取时间、存取速度、可靠性、体积、功耗、工作温度范围、成本等。

1.存储容量

存储容量＝存储单元数×存储单元的二进制位数＝2M×N

（M为芯片的地址线根数，N为芯片的数据线根数）

2.最大存取时间

最大存取时间和存取周期说明了存储器工作速度。

3.可靠性

存储器的可靠性指存储器对电磁场及温度等的变化的抗干扰能力。半导体存储器因采用大规模的集成电路的工艺，可靠性较高。

5.2 随机存取存储器（RAM）

随机存取存储器RAM的特点是它的存储单元的内容可根据需要随时读出或写入。但断电后，其存储的信息也会随着消失。

5.2.1 静态随机存取存储器SRAM

静态随机存取存储器SRAM结构简单，连接电路也方便，多数是由MOS管组成的双稳态触发器集成在硅晶片上而构成。

1.静态随机存取存储器SRAM的结构

（1）基本存储电路

静态随机存取存储器如图5-3所示。

图5-3基本存储电路

(2)SRAM组成结构

SRAM结构由存储体和外围电路（行/列地址译码器、I/O缓冲器和读写控制电路等）组成，如图5-4所示。

图5-4 SRAM结构

2.SRAM的读/写过程

SRAM的读出过程是先通过12位地址A0～A11加到RAM芯片的地址输入端，经X与Y地址译码器译码，分别产生一根行选信号与一根列选信号，选中行列交叉点上的存储单元。

3.常用的SRAM存储器

（1）同步突发静态随机存取存储器SB SRAM

（2）多端口静态随机存取存储器Multi-SRAM

（3）先进先出存储器FIFO SRAM

（4）非挥发静态随机存取存储器NV SRAM

5.2.2 动态随机存取存储器DRAM

DRAM特点有存储密度高，存取速度相对较慢，且需要定时刷新电路，否则所存储的内容会丢失。DRAM用于大容量存储，一般用作计算机的主存储器（主存）。

1.DRAM的基本存储电路与存储器结构

（1）DRAM单管基本存储电路

如图5-5所示为DRAM基本存储电路多为单管电路，只

有一个管子T和一个(寄生)电容C，单个基本存储电路存放

的是“1”还是“0”，取决于电容器的充电状态。

2.常见的DRAM存储器

（1）早期DRAM

（2）FPM DRAM

（3）EDO DRAM

（4）SDRAM

（5）SLDRAM

（6）DDR SDRAM

（7）RDRAM

（8）铁电随机存取存储器FRAM

（9）磁随机存取存储器MRAM

5.3 只读存储器（ROM）

只读存储器ROM(Read Only Memory)正常在线使用时只读不写，其中的内容不会改变，即使掉电也不会丢失。

5.3.1 只读存储器的组成与分类

1.只读存储器组成

只读存储器与随机存取存储器类似，只读存储器也是由地址译码电路、存储矩阵读出电路等部分组成。结构示意图如图5-8示。

图5-8只读存储器结构示意图图5-9只读存储器的基本存储电路

2.只读存储器分类

只读存储器的基本存储电路可看作一个开关电路，见图5-9示。开关种类不同，只读存储器类型亦不同。

PROM制成后所有开关都处于同一种状态，允许用户在特定的设备上对成品芯片中的各个开关S作一次性编程修改。

EPROM是由浮动栅MOS管组成。

FLASH：工作原理与EPROM/E2PROM类似，无论是价格还是功能，都介于后两者之间。

5.3.2 常用EPROM存储芯片

常用EPROM存储芯片有Intel 2716～Intel 27512芯片,如图5-10所示。

图5-10 Intel 27×××系列芯片引脚图

5.3.3 快闪存储器FLASH

FLASH也称闪烁存储器，简称闪存。FLASH存储信息密度高、存取速度快、成本低、不挥发，可以块擦除、单一供电，得到广泛应用。

1.FLASH单元存储电路与存储矩阵

FLASH单元存储电路由一个晶体管构成，其被氧化物包围的浮空栅内有电荷（电子）时衬底上源和漏极导通，为一种稳定状态，可视之为“0”；浮空栅内无电荷（电子）时源与漏极不通，为另一种稳定状态，可视之为“1”。

3.FLASH操作

FLASH操作模式由输入控制信号线CE、OE、WE、RP的状态决定。