存储系统及半导体存储器

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1、存储系统及半导体存储器教学提示：存储器是计算机系统的记忆部件，用来存放程序和各种数据信息，根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算机使用。在计算机开始工作以后，存储器还要为其他部件提供信息，同时保存中间结果和最终结果。教学要求：通过本章的学习，读者需要掌握半导体存储器的分类，了解不同类型的存储器各自的特征，掌握存储器系统的组织方法，掌握存储器地址线、数据线、控制线的连接方法。5.1 存储系统与半导体存储器的分类在计算机发展初期，冯诺依曼定义的计算机五大系统，就包括存储系统，到了今天，存储系统还是计算机中最重要的部分。现在计算机的内存都是采用半导体存储器，外存则主要采用磁性材料，但是由半

2、导体存储器构成的外存发展迅速，有后来居上的趋势。5.1.1 存储系统存储器是微机的一个重要组成部分，一般分为内存储器和外存储器。内存储器也称为主存(Main Memory)，它和微处理器一起构成了微机的主机部分。CPU可以通过系统总线直接访问内存，因此其工作速度很快。在计算机内部，将内存储器划分成一个个存储单元来存储信息。每个存储单元能存放8位的二进制数据(即一个字节)。存储单元按照顺序的线性方式组织。排在前面的单元是0号单元，其地址(单元编号)为0，往下依次是1号单元、2号单元因为地址具有唯一性，对存储单元的访问就可以通过地址进行。内存储器的地址码用二进制数表示，若地址码有20位二进制位，则

3、其地址码的可编码范围为02201(1M)。在实际使用时，常用十六进制来表示地址。例如，地址0111 1111 1111 1111 1111 可写成7FFFFH。它的工作速度和存储容量对系统的整体性能，对系统所能解决的问题的规模和效率都有很大的影响。一般地，计算机系统中的内存容量总是有限的，远远不能满足用户存放数据的需求，并且内存不能长时间地保存数据，断电信息就丢失。所以，通常的计算机系统都要配置大容量且能长期保存数据的存储器，即外存储器(外存)又称辅助存储器，是计算机的外部设备。目前常用的外存储器有磁盘和光盘两种。磁盘是利用磁性介质来记录信息的设备，磁盘又可分为软磁盘和硬磁盘。光盘是利用激光原

4、理存储和读取信息的媒介。外存要通过接口电路和CPU通信，因此速度要慢一些。5.1.2 半导体存储器的分类从第三代计算机开始，内存储器就采用性能优良的半导体存储器。半导体存储器体积小、容量大、价格低、速度快，在计算机中得到了广泛的应用，也是目前微机中最主要的存储器。半导体存储器种类繁多，从使用功能上可以划分成两大类：一是随机存取存储器RAM(Random Access Memory)，也称读写存储器；二是只读存储器ROM(Read Only Memory)。随机存储器RAM中的内容既可以读也可以写，但里面存储的信息断电就消失。主要是用来存放一些和系统进行实时通信的输入、输出数据、中间结果以及和外

5、存交换的信息。只读存储器ROM中的信息是只能读不能写的，但断电后信息不消失，在计算机重新加电后，原有的内容仍可以读出来的。因此只读存储器ROM一般用来存放一些固定的程序和数据，如在微机中用它来存放监控程序、操作系统的核心部分、BASIC语言解释程序以及BIOS等。半导体存储器的分类如图5.1所示。半导体存储器 随机存取存储器(RAM) 双极型RAM MOS型只读存储器 (ROM) RO静态RAM(SRAM) 动态RAM(DRAM) 掩膜ROM 可编程ROM(PROM) 可擦除可编程ROM(EPROM) 电可擦除可编程ROM(E2PROM) 动态金属氧化物 (MOS)RAM MOS型图5.1 半

6、导体存储器的分类1. 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)按照其制造工艺可分为双极型RAM和动态金属氧化物(MOS)RAM。1) 双极型半导体RAM双极型RAM具有存取速度高、集成度低、功耗大、成本高的特点。但它以晶体管的触发器作为基本存储电路，故管子较多。所以在存取速度要求比较高的微机中，常使用双极型RAM。2) 动态金属氧化物(MOS)RAMMOS型RAM制造工艺简单、集成度高、功耗低、价格便宜，在半导体存储器中占有重要地位。按照芯片内部基本存储电路结构的不同，它又可分为静态RAM(即SRAM)和动态RAM(DRAM)两类。静态RAM一般用双稳触发器作为基本存储电路，采用NMOS电路，集

7、成度较高。动态RAM采用的元件比静态RAM少，集成度更高，功耗更小，但它靠电容存储电荷来记录信息，而总是存在有泄漏电荷的情况，故要求附加刷新电路周期性地刷新电容上的电荷(即将存储单元中的内容读出再写入)。典型的大约每隔2ms刷新一遍。2. 只读存储器只读存储器中一旦有了信息，就不会在掉电时丢失。但其中的信息只能读出来，而不能用一般的方法将信息写入。它又可分为：1) 掩膜ROM厂家在制造集成电路芯片的最后，对用户定做的掩膜ROM进行编程。一旦做好，信息就固化其中，不能改变。2) 可编程ROM(PROM，Programmable ROM)芯片在出厂时并没有固化信息，允许用户一次性写入，以后就不可更

8、改了。3) 可擦除可编程EROM(Erasable Programmable ROM，EPROM)可以进行多次擦除和重写的可编程ROM。其写入的操作由专用的设备完成。写入的速度较慢，但由于它可以多次改写，特别适合用于科研工作。4) 电可擦除可编程ROM(Electrically Erasable Programmable ROM，E2PROM)使用特定电信号进行擦除可编程ROM，可以在线操作，因此很方便。但写入时电压要求较高，写入的速度也非常慢，总的写入次数也是有限，把E2PROM作为RAM使用是不合适的。5.2 随机存取存储器通常计算机内存中的大部分是由随机存取存储器组成的。内存是按地址访问

9、的，给出地址即可以得到相应内存单元里的信息，CPU可以随机地访问任何内存单元的信息。而且，目前所采用的存储芯片的访问时间与所访问的存储单元的位置并没有什么关系，完全是由芯片设计和生产技术以及芯片之间的互联技术所决定的。这种访问时间不依赖所访问的地址的访问方式称为随机访问方式，内存储器也因此被称为随机存取存储器。5.2.1 静态RAM1. 基本的存储电路静态存储电路是由两个增强型的NMOS反相器T1和T2交叉耦合而成的触发器，通过控制这些触发器的选中来实现存储原理的，如图5.2所示。图5.2 六管静态RAM基本存储电路DO/ IO/ IO/ IO/ IDO/ IDO/ IO/ I当行选线(字选线

10、)X输出为高电平时，T5、T6管导通，触发器就和数据线相通了；当这个电路被选中时，相应的列选线Y译码输出也是高电平，则T7、T8管也是导通的，于是D和(这是指存储器外部的数据线)相通。写入时，写入信号自I/O以及为“0”。I/O线上的高电平通过T7管、D线、T5管送到A点，而由于存储单元有电源和两负载管，可以不断地向栅极补充电荷，所以靠两个反相器地交叉控制，只要不掉电就能保持写入信号“1”，而不用刷新。若要写入“0”，则I/O线为“0”，而信号为止。在读出时，只要某一电路被选中，相应的T5、T6导通，A点和B点与位线D和相通，且T7、T8也导通，故存储电路的信号被送至I/O以及接到一个差动放大

11、器，由其电流方向即可判定存储单元的信息是“1”还是“0”；也可以只有一个输出端接到外部，以其有无电流通过而判定所存储的信息。2. 典型的静态RAM芯片静态RAM的种类繁多，常用的典型芯片有6116(2KB8位)、6264(8KB8位)、62256(32KB8位)、628128(128KB8位)等。下面介绍628128芯片，其结构图如图5.3所示。芯片的容量是128K8位，有128K个存储单元，需17根地址线。芯片内部的地址译码包括行译码和列译码两级译码，其中9根地址线用于行译码，另8根用于列译码。就与输入输出电路I/O以及线输入，当写“1”时，I/O线为“1”，而线上的低电平经T8管、T6送到