第7讲存储器.ppt
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1、1,第7讲 半导体存储器,苏 放 北京邮电大学 信息与通信工程学院,2,存储系统的基本概念,存储器是 是计算机中用来存储信息的部件; 是一种具有记忆功能的部件; 是计算机的重要组成部分,是CPU最重要的系统资源之一。,3,存储器的层次结构,微机拥有不同类型的存储部件 由上至下容量越来越大,但速度越来越慢,寄存器堆,高速缓存,主存储器,联机外存储器,脱机外存储器,快,慢,小,大,容量,速度,CPU内核,4,存储器,CPU,5,可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。 (1)双极型 双极型由TTL晶体管逻辑电路构成,在微机系统中常用作高速缓存器(Cache)。 特点:工作速度快,与CPU处在同一
2、量级; 集成度较低、功耗大、价格偏高。 (2)金属氧化物半导体型 金属氧化物半导体型又称MOS型,在微机系统中主要用来构造内存。 根据制造工艺,可分为NMOS、HMOS、CMOS、CHMOS等,可用来制作多种半导体存储器件,如静态RAM、动态RAM、EPROM等。 特点是集成度高、功耗低、价格便宜,但速度较双极型器件慢。,按制造工艺分类,6,按存储器存取方式分类:,7,半导体存储器的主要性能指标,存储容量:半导体存储器芯片的存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量 用NM表示,N为存储单元数,M为每个存储单元存储信息的位数。 例6-1 某存储器芯片的地址线为16位,存储字长为8位,则其存储容量
3、为多少? 解:若某存储器芯片有M位地址总线、N位数据总线其存储容量为N位。该存储器芯片中M为16位,N为8位,则其存储容量为8位=64K8位。,字数每个字的字长,8,半导体存储器的主要性能指标,存储速度 可以用两个时间参数表示: 存取时间(Access Time)TA,定义为从启动一次存储器操作,到完成该操作所经历的时间。 存储周期(Memory Cycle)TMC,定义为启动两次独立的存储器操作之间所需的最小时间间隔。 存储速度取决于内存储器的具体结构及工作机制。,9,半导体存储器的主要性能指标,可靠性 存储器的可靠性用平均故障间隔时间(MTBF,Mean Time Between Fail
4、ures)来衡量,MTBF越长,可靠性越高。 性能/价格比 性能主要包括上述三项指标存储容量、存储速度和可靠性。 对不同用途的存储器有不同的要求 有的存储器要求存储容量大,选择芯片时就以存储容量为主,有的存储器如高速缓冲器,则要求以存储速度为主。,10,半导体存储器的结构,11,存储器读写时序,在微机系统中,为使存储器正常工作,必须注意其工作时序 其片选、读写控制信号、以及地址信号ADDR等必须按照一定的时间要求顺序地输入给存储器的控制电路。,12,例,SRAM HY62256A的读、写周期时序,13,例,SRAM HY62256A的写周期时序,14,典型存储器芯片及其接口特性,静态随机存储器
5、(SRAM),15,典型的静态RAM芯片,典型的静态RAM芯片如HM 6116(2K8位),6264(8K8位),62128(16K8位)和62256(32K8位)等。,16,6116,6116是一种2 0488位的高速静态CMOS随机存取存储器,其基本特征是: (1)高速度 存取时间为100 ns/120 ns/150 ns/200 ns(分别以611610、611612、611615、611620为标志。 (2)低功耗 运行时为150 mW,空载时为100 mW。 (3)与TTL兼容。 (4)管脚引出与标准的2K8b的芯片(例如2716芯片)兼容。 (5)完全静态无需时钟脉冲与定时选通脉冲
6、。,17,SRAM 6116的引脚,18,SRAM 6116的工作方式,片选信号、写允许信号和输出允许信号的组合控制SRAM 6116芯片的工作方式,19,SRAM 6116的内部功能框图,静态RAM的结构,2K*8 16Kbit,20,SRAM 6264,容量为8K8位 地址线13条,即A12A0; 数据线8条即I/O8I/O1,21,SRAM 6264,6264运行方式,22,随机存储器RAM,静态RAM 静态RAM的引脚: 数据线:由RAM的位数决定; 地址线:由RAM的单元数决定; 控制线:CE:片选,有效时,芯片才工作; WE:读写控制,为0时写,为1时读; OE:输出控制,为0时,
7、允许输出。 和CPU的连接。,23,SRAM接口特性,24,动态随机存储器(DRAM),信号存储在电容C上。 行选择信号有效时可以刷新,也可以读出,但读出时必须列选择信号也有效。 破坏性读出 为使Cs上读出后仍能保持原存信息(电荷),刷新放大器需要对这些电容进行重写操作,以补充电荷使之保持原信息不变-回写(刷新)。,25,典型的动态RAM芯片,为了降低芯片的功耗,保证足够的集成度,减少芯片对外封装引脚数目和便于刷新控制,DRAM芯片都设计成位结构形式,即每个存储单元只有一位数据位 一个芯片上含有若干字,如4K1位,8K1位,16K1位, 64K1位或256K1位等。 存储体的这一结构形式是DR
8、AM芯片的结构特点之一。,26,DRAMIntel 2164,Intel 2164是64K1位的DRAM芯片, 基本特征: (1)存取时间为150 ns/200 ns(分别以2164A-15、2164A-20为标志)。 (2)低功耗,工作时最大为275 mW,维持时最大为27.5 mW。 (3)每2 ms需刷新一遍,每次刷新512个存储单元,2 ms内需有128个刷新周期。,27,Intel 2164A的引脚,动态RAM 动态RAM的位数都是1位; 动态RAM的地址引脚只是实际地址线的一半。 为保证地址正确读入,有行、列地址控制输入CAS和RAS,控制输入有效时,分别读入一半地址。 2164是
9、64K1位RAM。,2,28,2164结构框图,29,随机存储器,动态RAM的刷新和刷新控制器8203 8203是专门为2117(16K1位)、2164(64K1位)动态RAM专门设计的; 无刷新请求时,内部的刷新定时器会每隔1016s发出一次刷新请求,可以每2ms对所有RAM单元刷新一次。,30,31,DRAM接口特性,DRAM与CPU相连时,其管脚和CPU三总线相连接的方法与SRAM基本类似,但是必须强调的是:DRAM由于其结构的不同,其与CPU连接时必须考虑三个特殊问题: 定时刷新 地址信号输入 位扩展,32,DRAM接口特性,33,只读存储器(ROM),掩摸ROM 生产厂家根据用户需要
10、在ROM的制作阶段,通过“掩膜”工序将信息做到芯片里,适合于批量生产和使用。 掩膜ROM制成后,用户不能修改。,34,可擦可编程ROM(EPROM),基本存储单元电路 核心部件是FAMOS场效应管(Floationg grid Avalanche injection MOS),35,典型的EPROM芯片,EPROM芯片常用的有: 2716(2K8) 2732(4K8) 2764(8K8) 27128(16K8) 27256(32K8) 27512(64K8)等。,36,Intel 2732A,Intel 2732A是一种4K8 b的EPROM 12条地址线A11A0 8条数据线O7O0。 为芯
11、片允许信号,用来选择芯片; 为输出允许信号,用来把输出数据送上数据线,只有当这两条控制线同时有效时,才能从输出端得到读出的数据。,37,2732A的工作方式,2732A有6种工作方式,38,EPROM接口特性,39,电可擦可编程ROM(EEPROM),EPROM即使整个芯片只有1位错,也要从电路板取下重新擦写,不方便。 2864A容量为8K*8,28引脚,内部逻辑和引脚内部存储矩阵256行(A0-7)*32列(A8-12), IO0-7是8位数据IO端,有地址和数据锁存器,电源控制端CE。,40,EEPROM2864A,允许写入控制端WE,允许数据输出控制端OE 整片擦除10ms,对单字节擦写
12、2ms,读取时间250ns 擦写过程是:擦除原有内容时置R/B低电平,写入数据,完成置R/B高电平。 CPU通过R/B控制芯片擦写。 2864A片写周期定时通过R/B向CPU表明工作状态,大量采用中断方式不影响实时性在线修改内存参数。,41,只读存储器(ROM),读方式 WE=1 CE=OE=0时进行,允许CPU读2864A的数据 写方式 擦除(写全1)和写入(写字节)为同一写方式,擦除时输入为TTL高电平,字节写入时CE低电平,OE高电平,WE宽度为2ms低电平 片擦除方式 全片擦除方式,字节单元全置1,此时无需考虑地址,但OE为低电平。 维持方式 8264A功率下降维持方式,此状态在非擦写
13、和读操作时(维持状态)可以节省60%电源消耗,此时输出端悬空。,42,EEPROM接口特性,芯片写操作时,须首先判断READY/BUSY端的状态 当该端状态为高电平时可以写入一次数据,当该端状态为低电平时则需等待。,43,EEPROM接口特性,44,存储器系统的组织,微型计算机系统所支持的最大内存容量取决于CPU地址总线的位数。 如8086的地址线为20位,其所支持的最大内存容量是1MB,ARM920T内核的处理器地址总线为32位,其理论支持的最大内存容量为232Byte。 存储空间如何组织,主要涉及到存储结构确定和存储器系统设计两个方面。,45,存储器结构确定,微机中的内存往往被分为片内存储
14、器和扩展的片外存储器。构建存储器系统时,应根据微处理器的不同,选择不同的存储器组织结构。 根据微处理器的类型不同,其存储器结构也不尽相同,如: 8086/8088CPU 以及MCS-51单片机只使用片外存储器。 部分型号的C8051F单片机在片内集成了一定容量的数据存储器。当系统的容量超出该范围时,则必须通过扩展片外存储器来解决。 所有的C8051F单片机内部均集成有程序存储器(Flash存储器),不再支持外扩的程序存储器 S3C2410(ARM920T内核)虽然理论上支持0232-1的寻址空间,但只有1G的地址空间(0X000000000X40000000)用于支持片外存储器的连接,其他空间
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