1、 第第5章章 存儲器系統存儲器系統制作: 賈麗娟本 章 重 點半導體存儲芯片的外部特性及其與系半導體存儲芯片的外部特性及其與系統的連接統的連接存儲器的擴展技術存儲器的擴展技術只讀存儲器只讀存儲器主要內容主要內容概述概述隨機存儲器隨機存儲器只讀存儲器只讀存儲器本章習題本章習題5.1 概概 述述主要內容：主要內容：半導體存儲器的基本概念半導體存儲器的基本概念存儲器的分類及其特點存儲器的分類及其特點兩類半導體存儲器的主要區別兩類半導體存儲器的主要區別存儲器的一般概念存儲容量：存儲器中存儲單元的總數存儲容量：存儲器中存儲單元的總數存儲器的兩種基本操作：存儲器的兩種基本操作：1 讀操作讀操作2 寫操作寫

2、操作存儲器的分類內存：主機內部的存儲器內存：主機內部的存儲器 用來存儲當前運所需要的程序和數據用來存儲當前運所需要的程序和數據 CPU可直接訪問內存并與其交換信息可直接訪問內存并與其交換信息 容量小，但存取速度快容量小，但存取速度快外存：主機外部的存儲器外存：主機外部的存儲器 用來存放當前不用的程序和數據用來存放當前不用的程序和數據 CPU不能對它直接訪問不能對它直接訪問 容量大，但存取速度慢容量大，但存取速度慢存儲介質：半導體，磁性材料，光盤存儲介質：半導體，磁性材料，光盤半導體存儲器半導體存儲器存儲器是計算機中用來記錄信息的設備。存儲器是計算機中用來記錄信息的設備。由能夠表示二進制數由能夠

3、表示二進制數“0和和“1的、具的、具有記憶功能的一些物理器件組成有記憶功能的一些物理器件組成能存放一位二進制數的物理器件稱為一個能存放一位二進制數的物理器件稱為一個存儲元存儲元若干存儲元構成一個存儲單元若干存儲元構成一個存儲單元內存儲器的分類內存儲器的分類內存儲器內存儲器隨機存儲器隨機存儲器RAMRAM）只讀存儲器只讀存儲器ROMROM）靜態存儲器靜態存儲器SRAMSRAM）動態存儲器動態存儲器DRAMDRAM）掩模掩模ROMROM一次性可寫一次性可寫ROMROMEPROMEPROMEEPROMEEPROM主要技術指標主要技術指標存儲容量存儲容量每芯片的存儲容量每芯片的存儲容量存取時間和存取周

4、期存取時間和存取周期平均故障間隔時間平均故障間隔時間MTBFMTBF）（可靠性）（可靠性）功耗功耗 CPU CPU讀寫存儲器的時間必須大于存讀寫存儲器的時間必須大于存儲芯片的額定存取時間儲芯片的額定存取時間5.2 隨機存儲器隨機存儲器(MOS型型)要求掌握：要求掌握：SRAM與與DRAM的主要特點的主要特點幾種常用存儲器芯片及其與系統的連接幾種常用存儲器芯片及其與系統的連接存儲器擴展技術存儲器擴展技術5.2.1 靜態存儲器靜態存儲器SRAM存儲元由雙穩電路構成，存儲信息穩存儲元由雙穩電路構成，存儲信息穩定定p199典型的典型的SRAM芯片芯片6264 8K828根引腳根引腳 P2006264芯

5、片的主要引線芯片的主要引線(28=13+8+4+3)地址線：地址線：A0A12數據線：數據線：D0D7輸出允許信號：輸出允許信號：OE寫允許信號：寫允許信號：WE選片信號：選片信號：CS1，CS2213=23 2108 bitCPU讀讀CPU寫寫同時有效時選中同時有效時選中接接AB的低的低13位位由由AB的高位地的高位地址和控制信號址和控制信號譯碼產生譯碼產生6264的工作過程的工作過程讀操作與寫操作讀操作與寫操作寫操作的工作時序寫操作的工作時序 P201WECS1CS2OED0D7001寫入寫入1010讀出讀出00高阻高阻11106264芯片與系統的連接芯片與系統的連接D0D7A0A12WE

6、OECS1CS2A0A12MEMWMEMR譯碼譯碼電路電路高位地址信號D0D780888088系系統統BUSBUSSRAM 6264譯碼電路譯碼電路譯碼電路譯碼電路將輸入的一組二進制編碼變換為將輸入的一組二進制編碼變換為一個特定的輸出信號一個特定的輸出信號6264譯碼譯碼用于選中某一個存儲器芯片，用于選中某一個存儲器芯片，從而確定該存儲器芯片在內存中的地址范圍。從而確定該存儲器芯片在內存中的地址范圍。全地址譯碼與部分地址譯碼全地址譯碼與部分地址譯碼全地址譯碼全地址譯碼用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得存儲器芯片的每一個單元都占據一個惟一的存儲器芯片的每

7、一個單元都占據一個惟一的內存地址內存地址全地址譯碼的連接全地址譯碼的連接所接芯片的地址范圍所接芯片的地址范圍 F0000HF1FFFHA19A18A17A16A15A14A13&16264CS1P203 圖圖5-5 , 5-7部分地址譯碼部分地址譯碼用部分高位地址信號而不是全部作為譯碼信用部分高位地址信號而不是全部作為譯碼信號，使得被選中得存儲器芯片占有幾組不同的地號，使得被選中得存儲器芯片占有幾組不同的地址范圍址范圍下例使用高下例使用高6位地址作為譯碼信號，從而使被選中位地址作為譯碼信號，從而使被選中芯片的每個單元都占有兩個地址，即這兩個地址芯片的每個單元都占有兩個地址，即這兩個地址

8、都指向同一個單元都指向同一個單元優點優點: 譯碼器的構成簡單譯碼器的構成簡單缺點缺點:減小了總的存儲空間減小了總的存儲空間部分地址譯碼的連接部分地址譯碼的連接兩組地址：兩組地址： F0000HF1FFFH B0000HB1FFFHA19A17A16A15A14A13&16264CS1應用舉例應用舉例將將SRAM 6264芯片與系統連接，使其地址芯片與系統連接，使其地址范圍為：范圍為：38000H39FFFH使用使用74LS138譯碼器構成譯碼電路譯碼器構成譯碼電路A,B,C端端: A19A13之三之三G1端端: MEMW與與MEMR的與非的與非G2B與與G2A: 剩余的高端剩余的高端根

9、據要求確定根據要求確定A,B,C, G2B與與G2A端的高地端的高地址信號址信號D0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMRD0D7A19G1G2AG2BCBA&A18A14A13A17A16A15VCCY05.2.2 動態隨機存儲器動態隨機存儲器DRAM存儲元主要由電容構成，由于電容存在的漏存儲元主要由電容構成，由于電容存在的漏電電(放電放電)現象而使其存儲的信息不穩定，故現象而使其存儲的信息不穩定，故DRAM芯片需要定時刷新芯片需要定時刷新!典型典型DRAM芯片芯片2164A2164A：64K1bit采用行地址和列地址來確定一個單元采用行地址和列地址來確定一個單

10、元行列地址分時傳送，行列地址分時傳送， 共用一組地址信號線共用一組地址信號線地址信號線的數量僅地址信號線的數量僅 為同等容量為同等容量SRAM芯芯 片的一半片的一半主要引線主要引線RAS：行地址選通信號。用于鎖存行地址：行地址選通信號。用于鎖存行地址CAS：列地址選通信號。用于鎖存列地址：列地址選通信號。用于鎖存列地址地址總線上先送行地址，后送列地址，它們分地址總線上先送行地址，后送列地址，它們分別在別在RAS和和CAS有效期間被鎖存在鎖存器中有效期間被鎖存在鎖存器中DIN： 數據輸入數據輸入DOUT：數據輸出：數據輸出WE=O 數據寫入數據寫入WE=1 數據讀出數據讀出WE：寫允許信號：寫允

11、許信號工作原理工作原理數據讀出數據讀出數據寫入數據寫入刷新刷新:將存放于每位中的信息讀出再照原樣將存放于每位中的信息讀出再照原樣寫入原單元的過程寫入原單元的過程刷新刷新工作時序工作時序 p208p209 2164A在系統中的連接在系統中的連接 p210 圖圖5-185.2.3 存儲器擴展技術位擴展位擴展字擴展字擴展字位擴展字位擴展用多片存儲芯片構成一個需要的內存空間用多片存儲芯片構成一個需要的內存空間它們在整個內存中占據不同的地址范圍它們在整個內存中占據不同的地址范圍任一時刻僅有一片或一組被選中。任一時刻僅有一片或一組被選中。存儲容量的位擴展存儲容量的位擴展存儲器的存儲容量存儲器的存儲容量 單

12、元數每單元的位數單元數每單元的位數當構成內存的存儲器芯片的字長小于內存單當構成內存的存儲器芯片的字長小于內存單元的字長時，就要進行位擴展元的字長時，就要進行位擴展字節數字節數字長字長例例5-3 位擴展位擴展用用8片片2164A芯片構成芯片構成64KB存儲器存儲器LS158ABA0A7A8A152164A2164A2164ADBD0D1D7A0A7LS158LS158位擴展方法位擴展方法將每片的地址線、控制線并聯，數據線分別將每片的地址線、控制線并聯，數據線分別引出引出位擴展特點：位擴展特點： 存儲器的單元數不變，位數增加存儲器的單元數不變，位數增加存儲容量的字擴展存儲容量的字擴展地址空間的擴展

13、。芯片每個單元中的字長滿地址空間的擴展。芯片每個單元中的字長滿足，但單元數小于所需內存容量足，但單元數小于所需內存容量擴展原則：擴展原則：每個芯片的地址線、數據線、控制線并聯，每個芯片的地址線、數據線、控制線并聯，僅片選端分別引出，以實現每個芯片占據不僅片選端分別引出，以實現每個芯片占據不同的地址范圍同的地址范圍例例5-4 字擴展字擴展用兩片用兩片64K8位的位的SRAM芯片構芯片構成容量為成容量為128KB的存儲器的存儲器連接連接 P213 圖圖5-22計算兩芯片的地址范圍計算兩芯片的地址范圍存儲容量的字位擴展存儲容量的字位擴展若已有存儲芯片的容量為若已有存儲芯片的容量為LK，要構成容，要構

14、成容量為量為M N的存儲器，需要的芯片數為：的存儲器，需要的芯片數為： （M / L） （N / K）進行位擴展進行位擴展(多片并連多片并連)以滿足字長要求的以滿足字長要求的“存儲模塊存儲模塊”對對“存儲模塊進行字擴展以滿足容量要存儲模塊進行字擴展以滿足容量要求求例例5-5 字位擴展字位擴展用用2164芯片構成芯片構成128KB的內存的內存2164: 64K 1所需芯片數所需芯片數: 16片片所需地址線根數所需地址線根數: 217 =12816根地址線根地址線2選選1到到2164的地址線上進行片的地址線上進行片內尋址內尋址: 28 28 =64K1根地址線作為片選根地址線作為片選5.3 只讀存

15、儲器只讀存儲器ROM）掩模掩模ROMROM一次性可寫一次性可寫ROMROM可讀寫可讀寫ROMROM分分 類類EPROMEPROM紫外線擦除）紫外線擦除）EEPROMEEPROM電擦除）電擦除）5.3.1 EPROM特點：特點：可多次編程寫入可多次編程寫入掉電后內容不丟失掉電后內容不丟失內容的擦除需用紫外線擦除器內容的擦除需用紫外線擦除器EPROM 27648K8bit芯片，其引腳與芯片，其引腳與SRAM 6264完全完全兼容：兼容：地址信號：地址信號：A0 A12數據信號：數據信號：D0 D7輸出信號：輸出信號：OE片選信號：片選信號：CE編程脈沖輸入：編程脈沖輸入：PGMP2142764的工

16、作方式的工作方式每出現一個編程負脈沖就寫入一個字節數據每出現一個編程負脈沖就寫入一個字節數據擦除后的芯片每個單元擦除后的芯片每個單元: FFH有錯則全部擦掉重寫有錯則全部擦掉重寫數據讀出數據讀出編程寫入編程寫入擦除擦除標準編程方式標準編程方式快速編程方式快速編程方式5.3.2 EEPROM特點：特點：可在線編程寫入可在線編程寫入掉電后內容不丟失掉電后內容不丟失電可擦除電可擦除典型典型EEPROM芯片芯片98C64A8K8bit芯片芯片13根地址線根地址線A0 A12）8位數據線位數據線D0 D7）輸出允許信號輸出允許信號OE）寫允許信號寫允許信號WE）選片信號選片信號CE）狀態輸出端狀態輸出端

17、READY/BUSY）工作方式工作方式數據讀出數據讀出編程寫入編程寫入擦除擦除字節寫入：每一次字節寫入：每一次BUSYBUSY正脈沖寫正脈沖寫 入一個字節入一個字節自動頁寫入：每一次自動頁寫入：每一次BUSYBUSY正脈寫正脈寫 入一頁入一頁1 321 32字節字節）字節擦除：一次擦除一個字節字節擦除：一次擦除一個字節片擦除：一次擦除整片片擦除：一次擦除整片5.3.3 閃速閃速EEPROM特點：特點：通過向內部狀態寄存器寫入命令的方法來控通過向內部狀態寄存器寫入命令的方法來控制芯片的工作方式制芯片的工作方式對芯片所有的操作都要先向狀態寄存器寫入對芯片所有的操作都要先向狀態寄存器寫入命令命令工作

18、方式工作方式數據讀出數據讀出編程寫入：編程寫入：擦除擦除讀單元內容讀單元內容讀內部狀態寄存器內容讀內部狀態寄存器內容讀芯片的廠家及器件標記讀芯片的廠家及器件標記數據寫入，寫軟件保護數據寫入，寫軟件保護字節擦除，塊擦除，片擦除字節擦除，塊擦除，片擦除擦除掛起擦除掛起5.4 高速緩存高速緩存Cache)理解：理解：Cache的基本概念的基本概念基本工作原理基本工作原理命中率命中率Cache的分級體系結構的分級體系結構Cache的基本概念的基本概念由于由于CPU與主存之間在執行速度上存在與主存之間在執行速度上存在較大的差異，為提高較大的差異，為提高CPU的效率，并考的效率，并考慮到價格因素，基于程序的局部性原理，慮到價格因素，基于程序的局部性原理，在在CPU與主存之間增加的高速緩沖存儲與主存之間增加的高速緩沖存儲器器Cache技術技術5.4.1 Cache的工作原理的工作原理CPUCache主主 存存DBCache的命中率的命中率CPU讀取指令或數據時首先在讀取指令或數據時首先在Cache中找，中找，若找到則若找到則“命中命中”，否則為，否則為“不命中不命中”。Cache與內存的空間比一般為：與內存的空間比一般為：1128命中率影響系統的平均存取速度命中率影響系統的平均存取速度 系統的平均存取速度系統的平均存取速度= Cache存取