微型计算机原理与接口技术第二版第4章.pptx
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1、 教学提示:本章描述了不同种类的半导体存储器芯片的结构、工作原理及典型芯片的使用方法;描述了半导体存储器接口的基本技术;介绍了微型机存储器系统的组成;介绍了Cache存储器。教学目标:要求掌握存储器的分级组成和内存储器的性能指标;要求掌握不同种类的半导体存储器芯片的工作原理及典型产品的使用;熟练掌握6264和2716芯片的引脚信号含义、读写周期时序信号含义、负载能力含义及常用译码器芯片74LS139的使用;熟练掌握静态存储器芯片、EPROM芯片与8086/8088微处理器的接口技术;了解动态存储器的组成和工作原理;了解存储器系统的组成和Cache存储器的工作原理。4.1 半导体存储器4.1.1
2、 概述1.存储器的分类 按存储器采用的元件分为:磁芯存储器、半导体存储器、磁泡存储器、磁 表面存储器(包括磁带、磁鼓、硬磁盘、软磁 盘等)和激光存储器等。按存储器和中央处理器CPU的关系分为:内存储器和外存储器。CPU能够直接存取,且用于暂存正在或将要执行的程序、正在或将要使用的数据的存储器,称为内存储器,也称为主存储器。内存储器的存取速度较快,其存储容量随着半导体技术的发展和生产工艺的提高而快速增长。例如,8位微型机的内存容量多为几十KB,16位微型机的内存容量多为几MB,32位微型机的内存容量多为几GB。常用的硬盘、软盘、光盘、磁带等设备以及它们的驱动器一般称为外存储器,也叫外部设备。它们
3、的特点是存储容量大,存取速度比较慢,单位容量的平均价格较低。半导体存储器按存取信息的功能,分为随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)和只读存储器(Read Only Memory,ROM)。随机存取存储器又称读/写存储器,一般是指机器运行期间可读也可写的存储器。而只读存储器一般是指机器运行期间只能读出而不能写入信息的存储器。然而实际上所谓的随机存取,是相对于顺序存取而言的。例如,要读磁鼓内第1000号存储单元的信息,必须从给出命令时磁鼓所在单元开始,如第10号单元,经过第11号单元、第12号单元第999号单元,方能找到第1000号单元。显然,读出第1000号存储单元
4、的时间要比读第11号存储单元寻址花费的时间长得多。对随机存取的存储器来说,要读出某一单元的信息,无需经过中间单元而耗费不必要的时间,也就是说,随机存取能做到信息的存取时间与其所在位置无关。从这个意义上说,无论ROM还是RAM都是随机存取的,因而称RAM为读/写存储器更为恰当一些。随机存储器按结构和工作原理可分为静态RAM(Static RAM,SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM,DRAM)两种。只读存储器按信息的设置方式可分为掩模式ROM只读存储器(简称ROM)、可编程序只读存储器(Programmable ROM,PROM)和可改写的只读存储器(Erasable Programm
5、able ROM,EPROM)三种。半导体存储器使用的材料和制造工艺多种多样,有NMOS、CMOS、SOS、HMOS、TTL、ECL及I2L等。综上所述,按照和CPU的关系分,微型机系统中的存储器分为4级:CPU内部的寄存器组、高速缓存、内存储器和外存储器。它们的存取速度及CPU对其访问的频率依次递减,而存储容量却依次递增,如图4.1所示。其中只有内存储器占用CPU可寻址的地址空间。外存储器虽然速度慢,但由于容量巨大,费用低,作为后备存储器,用来存放各种程序和数据。特别是在现代微型机系统中已具有虚拟存储器的管理功能,硬盘的存储空间已作为内存空间的延续,可以使用户在较小的内存上运行很大的程序。2
6、.内存储器的性能指标 1)存储容量 存储容量是内存储器的一个重要指标,通常用该内存储器所能寻址的单元个数及每个单元能够存取的二进制数的位数来表示,即 存储容量单元个数位数 如早期的IBM-PC机、PC/XT机的最大内存容量为1M8位,也写作1M8 b(bit,位),或者写作1MB(Byte,字节),而32位微型机的最大内存容量为4G8位,即4GB。2)最大存取时间 内存储器从接收存储单元的地址开始,到它取出或存入数据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。最大存取时间越短,存储器的工作速度越快,因此,它是存储器的一个重要参数。3)功耗 半导体存储器的功耗指“
7、维持功耗”和“操作功耗”。4)可靠性 可靠性一般用平均无故障时间(Mean Time Between Failures,MTBF)来表示,MTBF越长,可靠性越高。5)集成度 集成度常表示为位/片,目前典型产品的集成度有1兆位/片、16兆位/片、64兆位/片、256兆位/片等,它们也常常被写作1Mb/片、16Mb/片、64Mb/片、256Mb/片。4.1.2 RAM芯片的结构、工作原理及典型产品1.静态RAM(SRAM)1)SRAM结构与原理 SRAM由存储体和外围电路构成,如图4.2所示。图4.2 SRAM的基本结构框图 (1)地址译码器 (2)I/O缓冲器 2)典型芯片HM6264BL-7
8、(以下简称HM6264BL)HM6264BL是容量为8K8位的低功耗CMOS SRAM。采用单一5V供电,输入/输出电平与TTL电平兼容。不同型号芯片的最大存取时间为70nsl 20ns。(1)HM6264BL芯片的引脚图及引脚含义如图4.3所示。图4.3 HM6264BL芯片引脚排列及引脚信号作用 (2)HM6264BL的工作方式见表4.1(p155)。(3)HM6264BL读/写周期及其典型工作时间参数 (p155)2.动态RAM(DRAM)1)DRAM的结构与原理 图4.6 单管动态基本存储电路原理图 与SRAM相比,DRAM的基本存储电路较简单,故集成度较高、功耗小,除正常读/写外,额
9、外增加了刷新操作,需要一些相应的外部电路支持,使用较复杂。另外,动态RAM的存取速度一般比静态慢。动态RAM一般用于组成大容量存储器。当容量不大时(如单片机系统)选用SRAM芯片更为简单实用。2)典型芯片PD424256 (1)内部结构:PD424256的容量是256K4位,片内需log2256K18个地址信号。为了减少封装引线、缩小体积,地址线被分成行地址和列地址两部分。(2)读/写控制 (3)PD424256时序(p158,159)图4.7 PD424256引脚信号及内部结构3.高速RAM 随着CPU工作速度的不断提高,要求存储器的读写速度随之加快,因此需要设法提高存储器的存取速度。采用S
10、RAM作为大容量主存,因其成本太高而不合适,只能在DRAM上进行改进,并通过缩短延迟和提高带宽来提高系统性能。1)基于预测技术的DRAM 要加快普通DRAM访问速度,简单实用的方法就是在芯片上附加一些逻辑电路。这些附加电路包括地址多路转换电路、地址选通、刷新逻辑以及读写控制逻辑等。通过增加少量的额外逻辑电路,可以提高单位时间内的数据流量,这就是所谓通过预测增加带宽的技术,较为成功的技术包括快速页模式FPM(Fast Page Mode)和扩展数据输出EDO技术,相应的存储器称为FPM-DRAM和EDO-DRAM。快速页模式FPM:通常在DRAM阵列中读取一个单元时,首先提供一个行地址,并置RA
11、S为低电平,然后通过周期性的列信号CAS实现多个列存取。RAS/CAS选择时,充电电路在稳定之前会有一定的延时,制约了RAM的读写速度。在绝大多数情况下,要存取的数据在RAM中是连续的,即下一个要存取的单元多位于当前单元的下一地址。FPM技术采用这一预测(一页指DRAM芯片一行存储单元中的个2048位片段)技术,增加了快速页读/写操作来缩短页模式周期。EDO模式:在FPM基础上,增加了超页(Hyer Page)读/写以及超页读修改写等操作,即利用地址预测,可在当前读写周期中启动下一个存取单元的读写周期,进而在宏观上缩短了地址选择的时间。采用这一技术,可比FPM效率提高10%15%。此外,还可在
12、EDO技术上引入突发模式,即假定若干后续地址进行预取操作。2)同步DRAMSDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)上述FPM和EDO-DRAM都属于异步存取,其输入输出不与CPU同步,CPU在存取数据时必须保持和监视各种信号,等待DRAM完成所有的内部操作。典型的等待时间为50ns70ns,这个延迟时间也就代表了异步DRAM的存取速度。相比之下,SDRAM则具有同步接口,其基本原理是将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在一起,使得RAM和CPU能够共享一个时钟周期,以相同的速度同步工作。在系统时钟的控制下,SDRAM能够把地址、控制和数据信
13、号锁定起来,经过指定的时钟周期后,CPU可以直接从数据线上获得所需数据。由于不再需要监视数据的存取过程,一些具有乱序执行功能的高性能CPU能够在等待存取数据时完成其他一些工作,这也是SDRAM的优点之一。SDRAM基于多存储体结构,内含2或4个存储阵列体(Bank)。SDRAM芯片还支持突发传输模式。在这种工作模式下,当第一个列地址输入之后,芯片内部自动产生下面若干(2、4、8或FP全页)连续的列地址,从而可以快速输出后续地址的数据(预取)。突发数据长度可通过修改突发计数器的对应寄存器设定。SDRAM通常支持两种刷新方式:自动刷新(Auto-refresh)和自刷新(Self-refresh)
14、。前者为标准方式,当CKE有效且时钟允许时进行,后者当芯片处于低功耗情况(CKE及时钟禁止)时芯片自行刷新。3)基于协议的DRDRAMDirect Rambus DRAM4.1.3 ROM芯片的结构、工作原理及典型产品.ROM芯片的结构 ROM的结构框图如图4.9所示,由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。图4.9 ROM结构框图 1)存储矩阵 图4.10 161位ROM阵列 2)地址译码器 存储器芯片中的地址译码器,通常分为行地址(也称为X地址)译码器和列地址(也称为Y地址)译码器。3)输出缓冲器 ROM的输出缓冲器具有三态输出及驱动能力,以便使微型机系统中各ROM芯片的数据输出端能
15、方便地连接到系统数据总线上。2.ROM存储器分类 1)掩模编程的ROM(Mask Programmed ROM)2)现场可编程ROM(PROM)3)可擦除可编程ROM3.两种典型产品举例 1)UVEPROM (1)UVEPROM基本存储电路及其工作原理 (2)UVEPROM典型产品举例 Intel 2716UVEPROM存储器是N沟道FAMOS器件,有24个引脚,存储容量为2K8位,也即16K位。微型机中常用的UVEPROM产品如表4.5所示。图4.14 2716芯片的结构框图图4.15 2716芯片引脚排列及引脚信号作用 2)E2PROM (1)E2PROM的基本存储单元及其工作原理 (2)
16、E2PROM典型产品举例 Intel公司2K8位的E2PROM有2816、2816A、2817、2817A,其中2816和2817改写电压为21V,而2816A和2817A的芯片中有高压转换器,改写电压只需要5V,从而大大方便了用户。图4.17 2817A芯片引脚排列图4.1.4 闪速存储器(Flash Memory)E2PROM能够在线编程,可以自动写入,在使用方便性及写入速度两个方面都较EPROM进了一步。但是,其编程时间相对RAM而言还是较长,特别对大容量的芯片更显得突出。人们希望有一种写入速度类似于RAM,掉电后内容又不丢失的存储器。一种称为闪速存储器(Flash Memory,以下简
17、称闪存)的新型EPROM由此被研制出来。闪速存储器首先由Intel公司开发,它采用非挥发性存储技术,能够在线擦除和重写,掉电后信息可以保持10年。闪存的编程方法与E2PROM相同。擦除时,将栅极接地,源极接正电压,使浮置栅中的电子泄漏,达到擦除的目的。由于所有的源极是接在一起的,所以闪存不能按字节擦除。闪存既具有ROM非易失性的优点,又有很高的存取速度,既可读又可写,具有集成度高、价格低、耗电少等优点,因此得到广泛的使用。由于闪存所具有的独特优点,Pentium II以后的主板都采用了这种存储器存放BIOS程序。闪存的可擦可写特性,使BIOS程序可以及时升级。闪存芯片引脚功能与同容量的EPRO
18、M引脚功能完全兼容。典型的闪存芯片有29C256(32K8位=256K位)、29C512(64K8位512K位)、29C010(128K8位=1 M位)、29C020(256K8位2M位)、29C040(512K8位=4M位)、29C080(1024K8位8M位)等。1.28F040的引脚 图4.18 28F040芯片引脚排列图2.工作过程 28F040与普通E2PROM芯片一样也有三种工作方式,即数据读出、编程写入和擦除。1)数据读出操作 数据读出操作包括读出芯片中某个单元的内容、读出内部状态寄存器的内容以及读出芯片内部的厂家及器件标记三种情况。初始加电以后或在写入命令00H(或FFH)之后
19、,芯片就处于读存储单元的状态。这时就和读SRAM或EPROM芯片一样,很容易读出指定的地址单元中的数据。2)编程 编程写入包括,对芯片单元的写入和对其内部每个32 KB块的软件保护。软件保护是用命令使芯片的某一块或某些块或整片规定为写保护,这样可以使被保护的块不被写入新的内容或擦除。例如,向状态寄存器写入命令0FH,再送上要保护块的地址,就可置规定的块为写保护。若写入命令FFH,就置全片为写保护状态。28F040对芯片的编程写入采用字节编程方式,写入过程如图4.19所示。首先向28F040状态寄存器写入命令10H,再在指定的地址单元写入相应数据。接着查询状态,判断这个字节是否写好,若写好则重复
20、上面过程,直到全部字节写入。3)擦除方式 28F040既可以每次擦除一个字节,也可以一次擦除整个芯片,或根据需要只擦除片内某些块,并可在擦除过程中使擦除挂起(暂停擦除)和恢复擦除。对字节的擦除包含在字节编程过程中,写入数据的同时就等于擦除了原单元的内容。整片擦除的过程如图4.20(a)所示。图4.19 28F040的字节写入过程图4.20 28F040的擦除流程3.闪存的应用 目前闪存主要用来构成移动存储器代替软磁盘,如移动闪存盘(也称U盘)。同时,闪存技术已大量用于便携式计算机、数码相机、MP3播放器等设备中,如MMC卡、CF卡和SD卡等。闪存芯片也被用作内存,用于内容不经常改变且对写入时间
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