西郵計算機學院第6章半導體存儲器主要內容簡要介紹半導體存儲器的分類和基本存儲元電路；重點介紹常用的幾種典型存儲器芯片及其與CPU之間的連接與擴展。12章節安排

存儲器擴展

概述6.1概述1存儲器的分類存儲器是計算機用來存儲信息的部件。按存取速度和用途可把存儲器分為兩大類：（1）內存儲器：通過系統總線直接與CPU相連、具有一定容量、存取速度快的存儲器稱為內存儲器，簡稱內存。內存是計算機的重要組成部分，CPU可直接對它進行訪問，計算機要執行的程序和要處理的數據等都須事先調入內存后方可被CPU讀取并執行。早期的內存使用磁芯。隨著大規模集成電路的發展，半導體存儲器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，故在微型計算機中，目前內存一般都使用半導體存儲器。

6.1概述(續)（2）外存儲器：通過接口電路與系統相連、存儲容量大而速度較慢的存儲器稱為外存儲器，簡稱外存，如硬盤、軟盤和光盤等。外存用來存放當前暫不被CPU處理的程序或數據，以及一些需要永久性保存的信息。

外存的容量很大，如CD–ROM光盤可達650?MB，硬盤則可達幾GB甚至幾十GB，而且容量還在不斷增加。通常將外存歸入計算機外部設備，外存中存放的信息必須調入內存后才能被CPU使用。6.1概述(續)2半導體存儲器的分類從應用角度可將半導體存儲器分為兩大類：（1）隨機讀寫存儲器RAM(RandomAccessMemory)RAM是可讀、可寫的存儲器，CPU可以對RAM的內容隨機地讀寫訪問，RAM中的信息斷電后即丟失。根據制造工藝的不同，RAM主要有兩類：雙極型存儲器：具有存取速度快、集成度較低、功耗較大、成本較高等特點，適用于對速度要求較高的高速緩沖存儲器MOS型存儲器：具有集成度高、功耗低、價格便宜等特點，適用于內存儲器。6.1概述(續)MOS型存儲器按信息存放方式又可分為兩類：靜態RAM(StaticRAM，簡稱SRAM)：SRAM存儲電路以雙穩態觸發器為基礎，狀態穩定，只要不掉電，信息不會丟失。其優點是不需要刷新，控制電路簡單，但集成度較低，適用于不需要大存儲容量的計算機系統。動態RAM(DynamicRAM，簡稱DRAM)：DRAM存儲單元以電容為基礎，電路簡單，集成度高，但也存在問題，即電容中的電荷由于漏電會逐漸丟失，因此DRAM需要定時刷新，它適用于大存儲容量的計算機系統。6.1概述(續)（2）只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)：ROM的內容只能隨機讀出而不能寫入，斷電后信息不會丟失，常用來存放不需要改變的信息(如某些系統程序)，信息一旦寫入就固定不變了。目前常見的有：掩膜式ROM：用戶不可對其編程，其內容已由廠家設定好，不能更改；可編程ROM(ProgrammableROM，簡稱PROM)：用戶只能對其進行一次編程，寫入后不能更改；可擦除的PROM(ErasablePROM，簡稱EPROM)：其內容可用紫外線擦除，用戶可對其進行多次編程；電擦除的PROM(ElectricallyErasablePROM，簡稱EEPROM或E2PROM)：能以字節為單位擦除和改寫。圖6.1半導體存儲器的分類6.1概述(續)6.1概述(續)3半導體存儲器的主要技術指標(1)存儲容量

用字數位數表示，以位為單位。常用來表示存儲芯片的容量，如1?K4位，表示該芯片有1?K個單元(1?K=1024)，每個存儲單元的長度為4位。用字節數表示容量，以字節為單位，如128?B，表示該芯片有128個單元，每個存儲單元的長度為8位。現代計算機存儲容量很大，常用KB、MB、GB和TB為單位表示存儲容量的大小。其中，1?KB＝210?B＝1024?B；1?MB＝220?B＝1024?KB；1?GB＝230?B＝l024?MB；1TB＝240?B＝1024GB。顯然，存儲容量越大，所能存儲的信息越多，計算機系統的功能便越強。6.1概述(續)(2)存取時間存取時間是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。例如，讀出時間是指從CPU向存儲器發出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內容讀出為止所用的時間。顯然，存取時間越小，存取速度越快。(3)存儲周期

連續啟動兩次獨立的存儲器操作(如連續兩次讀操作)所需要的最短間隔時間稱為存儲周期。它是衡量主存儲器工作速度的重要指標。通常，存儲周期略大于存取時間。(4)功耗

功耗反映了存儲器耗電的多少，也反映了其發熱程度。6.1概述(續)(5)可靠性

可靠性一般指存儲器對外界電磁場及溫度等變化的抗干擾能力。存儲器的可靠性用平均故障間隔時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)來衡量。MTBF可以理解為兩次故障之間的平均時間間隔。MTBF越長，可靠性越高，存儲器正常工作能力越強。(6)集成度集成度指在一塊存儲芯片內能集成多少個基本存儲電路，每個基本存儲電路存放一位二進制信息，所以集成度常用位/片來表示。6.1概述(續)(7)性能/價格比

性能/價格比(簡稱性價比)是衡量存儲器經濟性能好壞的綜合指標，它關系到存儲器的實用價值。其中性能包括前述的各項指標，而價格是指存儲單元本身和外圍電路的總價格。6.1概述(續)4半導體存儲器芯片的基本結構圖6.2半導體存儲器組成框圖存儲體存儲體是存儲器中存儲信息的部分，由大量的基本存儲電路組成。每個基本存儲電路存放一位二進制信息，這些基本存儲電路有規則地組織起來(一般為矩陣結構)就構成了存儲體(存儲矩陣)。不同存取方式的芯片，采用的基本存儲電路也不相同。存儲體中，可以由N個基本存儲電路構成一個并行存取N位二進制代碼的存儲單元(N的取值一般為1、4、8等)。為了便于信息的存取，給同一存儲體內的每個存儲單元賦予一個惟一的編號，該編號就是存儲單元的地址。這樣，對于容量為2n個存儲單元的存儲體，需要n條地址線對其編址，若每個單元存放N位信息，則需要N條數據線傳送數據，芯片的存儲容量就可以表示為2nN位。外圍電路外圍電路主要包括地址譯碼電路和由三態數據緩沖器、控制邏輯兩部分組成的讀/寫控制電路。（1）

地址譯碼電路存儲芯片中的地址譯碼電路對CPU從地址總線發來的n位地址信號進行譯碼，經譯碼產生的選擇信號可以惟一地選中片內某一存儲單元，在讀/寫控制電路的控制下可對該單元進行讀/寫操作。外圍電路（2）

讀/寫控制電路讀/寫控制電路接收CPU發來的相關控制信號，以控制數據的輸入/輸出。三態數據緩沖器是數據輸入/輸出的通道，數據傳輸的方向取決于控制邏輯對三態門的控制。CPU發往存儲芯片的控制信號主要有讀/寫信號(R/W)、片選信號(CS)等。值得注意的是，不同性質的半導體存儲芯片其外圍電路部分也各有不同，如在動態RAM中還要有預充、刷新等方面的控制電路，而對于ROM芯片在正常工作狀態下只有輸出控制邏輯等。地址譯碼方式芯片內部的地址譯碼主要有兩種方式，即單譯碼方式和雙譯碼方式。單譯碼方式適用于小容量的存儲芯片，對于容量較大的存儲器芯片則應采用雙譯碼方式。（1）

單譯碼方式單譯碼方式只用一個譯碼電路對所有地址信息進行譯碼，譯碼輸出的選擇線直接選中對應的單元，如圖6.3所示。一根譯碼輸出選擇線對應一個存儲單元，故在存儲容量較大、存儲單元較多的情況下，這種方法不適用。圖6.3單譯碼方式單譯碼方式以一個簡單的16字4位的存儲芯片為例，如圖6.3所示。將所有基本存儲電路排成16行4列(圖中未詳細畫出)，每一行對應一個字，每一列對應其中的一位。每一行的選擇線和每一列的數據線是公共的。圖中，A0A34根地址線經譯碼輸出16根選擇線，用于選擇16個單元。例如，當A3A2A1A0=0000，而片選信號為CS=0，WR=1時，將0號單元中的信息讀出。（2）雙譯碼方式雙譯碼方式把n位地址線分成兩部分，分別進行譯碼，產生一組行選擇線X和一組列選擇線Y，每一根X線選中存儲矩陣中位于同一行的所有單元，每一根Y線選中存儲矩陣中位于同一列的所有單元，當某一單元的X線和Y線同時有效時，相應的存儲單元被選中。圖6.4給出了一個容量為1K字(單元)1位的存儲芯片的雙譯碼電路。（2）雙譯碼方式1K(1024)個基本存儲電路排成3232的矩陣，10根地址線分成A0~A4

和A5~A9兩組。A0~A4經X譯碼輸出32條行選擇線，A5~A9經Y譯碼輸出32條列選擇線。行、列選擇線組合能方便地找到1024個存儲單元中的任何一個。例如，當A4A3A2A1A0=00000，A9A8A7A6A5=00000時，第0號單元被選中，通過數據線I/O實現數據的輸入或輸出。圖中，X和Y譯碼器的輸出線各有32根，總輸出線數僅為64根。若采用單譯碼方式，將有1024根譯碼輸出線。圖6.4雙譯碼方式6.4存儲器的擴展6.4.1存儲芯片的擴展存儲芯片的擴展包括位擴展、字擴展和字位同時擴展等三種情況。1．位擴展位擴展是指存儲芯片的字(單元)數滿足要求而位數不夠，需對每個存儲單元的位數進行擴展。圖6.17給出了使用8片8K1的RAM芯片通過位擴展構成8K8的存儲器系統的連線圖。圖6.17用8K1位芯片組成8K8位的存儲器1.位擴展由于存儲器的字數與存儲器芯片的字數一致，8K=213，故只需13根地址線(A12A0)對各芯片內的存儲單元尋址，每一芯片只有一條數據線，所以需要8片這樣的芯片，將它們的數據線分別接到數據總線(D7D0)的相應位。在此連接方法中，每一條地址線有8個負載，每一條數據線有一個負載。1.位擴展位擴展法中，所有芯片都應同時被選中，各芯片CS端可直接接地，也可并聯在一起，根據地址范圍的要求，與高位地址線譯碼產生的片選信號相連。對于此例，若地址線A0A12上的信號為全0，即選中了存儲器0號單元，則該單元的8位信息是由各芯片0號單元的1位信息共同構成的。可以看出，位擴展的連接方式是將各芯片的地址線、片選CS、讀/寫控制線相應并聯，而數據線要分別引出。2.字擴展字擴展用于存儲芯片的位數滿足要求而字數不夠的情況，是對存儲單元數量的擴展。圖6.18給出了用4個16K8芯片經字擴展構成一個64K8存儲器系統的連接方法。圖6.18有16?K8位芯片組成64?K8位的存儲器2.字擴展圖中4個芯片的數據端與數據總線D7D0相連；地址總線低位地址A13A0與各芯片的14位地址線連接，用于進行片內尋址；為了區分4個芯片的地址范圍，還需要兩根高位地址線A14、A15經2–4譯碼器譯出4根片選信號線，分別和4個芯片的片選端相連。各芯片的地址范圍見表6.6。表6.6圖6.16中各芯片地址空間分配表A15A14A13A12A11…A1A0說明10000000…00111…11最低地址(0000H)最高地址(3FFFH)20101000…00111…11最低地址(4000H)最高地址(7FFFH)31010000…00111…11最低地址(8000H)最高地址(BFFFH)41111000…00111…11最低地址(C000H)最高地址(FFFFH)地址片號2.字擴展可以看出，字擴展的連接方式是將各芯片的地址線、數據線、讀/寫控制線并聯，而由片選信號來區分各片地址。也就是將低位地址線直接與各芯片地址線相連，以選擇片內的某個單元；用高位地址線經譯碼器產生若干不同片選信號，連接到各芯片的片選端，以確定各芯片在整個存儲空間中所屬的地址范圍。3.字位同時擴展在實際應用中，往往會遇到字數和位數都需要擴展的情況。若使用lk位存儲器芯片構成一個容量為MN位(M>l，N>k)的存儲器，那么這個存儲器共需要(M/l)(N/k)個存儲器芯片。連接時可將這些芯片分成(M/l)個組，每組有(N/k)個芯片，組內采用位擴展法，組間采用字擴展法。圖6.19給出了用2114(1K4)RAM芯片構成4K8存儲器的連接方法。圖6.19字位同時擴展連接圖3.字位同時擴展圖中將8片2114芯片分成了4組(RAM1、RAM2、RAM3和RAM4)，每組2片。組內用位擴展法構成1K8的存儲模塊，4個這樣的存儲模塊用字擴展法連接便構成了4K8的存儲器。用A9A010根地址線對每組芯片進行片內尋址，同組芯片應被同時選中，故同組芯片的片選端應并聯在一起。本例用2–4譯碼器對兩根高位地址線A10A11譯碼，產生4根片選信號線，分別與各組芯片的片選端相連。6.4.2存儲器與CPU的連接CPU對存儲器進行訪問時，首先要在地址總線上發地址信號，選擇要訪問的存儲單元，還要向存儲器發出讀/寫控制信號，最后在數據總線上進行信息交換。因此，存儲器與CPU的連接實際上就是存儲器與三總線中相關信號線的連接。1．存儲器與控制總線的連接在控制總線中，與存儲器相連的信號線為數不多，如8086/8088最小方式下的M/IO(8088為M/IO)、RD和WR，最大方式下的MRDC、MWTC、IORC和IOWC等，連接也非常簡單，有時這些控制線(如M/IO)也與地址線一同參與地址譯碼，生成片選信號。2.存儲器與數據總線的連接對于不同型號的CPU，數據總線的數目不一定相同，連接時要特別注意。8086CPU的數據總線有16根，其中高8位數據線D15D8接存儲器的高位庫(奇地址庫)，低8位數據線D7D0接存儲器的低位庫(偶地址庫)，根據BHE(選擇奇地址庫)和A0(選擇偶地址庫)的不同狀態組合決定對存儲器做字操作還是字節操作。圖6.20給出了由兩片6116(2K8)構成的2K字(4K字節)的存儲器與8086CPU的連接情況。8位機和8088CPU的數據總線有8根，存儲器為單一存儲體組織，沒有高低位庫之分，故數據線連接較簡單。圖6.206116與8086CPU的連接圖6.2174LS138引腳3.存儲器與地址總線的連接前面已經提到，對于由多個存儲芯片構成的存儲器，其地址線的譯碼被分成片內地址譯碼和片間地址譯碼兩部分。