主讲：姚玉峰主讲：姚玉峰哈工大（威海）机器人研究所哈工大（威海）机器人研究所第三章第三章 存储器存储器计算机接口及信号处理本章内容本章内容存储器的组成与扩展工作原理及典型芯片存储器概述一、存储器概述一、存储器概述uu 存储器分类存储器分类 按存储介质分类按存储介质分类（1）半导体存储器 TTL，MOS（2）磁表面存储器 磁头，载磁体（3）磁芯存储器 硬磁材料、环状元件（4）光盘存储器 激光、磁光材料易失非易失存储器是计算机系统中必不可少的组成部分，用来存 放计算机系统工作时所用的信息，包括程序和数据等。一、存储器概述一、存储器概述 按存储方式分类按存储方式分类（1）只读型存储器：在程序的执行过程中只能读出信息，如ROM半导体存储器芯片和普通光盘；（2）直接存储型：在正常工作条件下即可以直接对任一存储单元读出和写入信息，如磁盘和可读写光盘；（3）顺序存取型存储器：在读出和写入信息时只能按地址的先后顺序进行，其速度一般比较慢，如磁带。一、存储器概述一、存储器概述 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类存储器内部存储器(简称内存或主存):用于存 放当前正在运行的程序和正在使用的 数据.外部存储器(简称外存或辅存):存放当 前暂不使用的或需要长期保存的程序 、数据和文件等一、存储器概述一、存储器概述uu 存储器的层次结构存储器的层次结构高低小大快慢辅存寄存器 缓存 主存 磁盘 光盘 磁带光盘 磁带速度容量价格/位CPUCPU主机存储器分层结构图一、存储器概述一、存储器概述uu 半导体存储器的分类半导体存储器的分类一、存储器概述一、存储器概述uu 半导体存储器芯片的一般结构半导体存储器芯片的一般结构半导体存储器芯片一般由存储体、地址锁存器、地址 译码器、数据输入/输出电路和读写控制逻辑五个部分组成 。一、存储器概述一、存储器概述uu 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标 存储容量：存储器可以容纳的二进制信息量存储容量 = 2M N地址线数目为 M，数据线N位。 存取速度：一般采用两种参数描述(1)存取时间TA(Access Time)：指从CPU给出有效地址 启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所需的时间。读 、写分别为TAR、TAW 。(2)存取周期TMC(Memory Cycle)：指连续两次存储器读 /写操作之间的最小时间间隔，略大于TA。 可靠性：用MTBF（Mean Time Between Failures）来衡量， 即平均故障间隔时间来衡量， MTBF 越长，可靠性越高。二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片uu 静态静态RAM(SRAM)RAM(SRAM) 静态静态RAMRAM基本电路基本电路T1 T4T5T6T7T8AA写放大器写放大器DIN写选择读选择DOUT读放位线A位线A列地址选择行地址选择A 触发器非端A 触发器原端1T4T触发器5TT6、行开关7TT8、列开关7TT8、一列共用二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片MOS六管静态存储 单元 VccT1T2T3T4T5T6X(行地址)选位 线 A位 线 -AAA二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 静态 RAM 基本电路的 读 操作AT1 T4 T5T6T7T8A写放大器DIN写选择读选择读放位线A位线A列地址选择行地址选择DOUT写放大器行选 T5、T6 开列选 T7、T8 开读放DOUTVAT6T8DOUT二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 静态 RAM 基本电路的 写 操作T1 T4 T5T6T7T8AADIN位线A位线A 列地址选择行地址选择写放写放读放DOUT写选择读选择行选 T5、T6 开列选 T7、T8 开两个写放 DIN（左） 反相T5A（右） T8T6ADINDINT7二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 SRAMSRAM芯片实例芯片实例常用SRAM芯片有6116（2KB8位）、6264（8KB8位 ）、62256（32KB8位）、628128（128KB8位）等。 11位地址线 8位数据线 3条控制引脚，即 片选信号、写允许 信号和输出允许信 号 还有一条电源线 和一条地线二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片uu 动态动态RAM(RAM(DRAMDRAM) ) 动态动态RAMRAM基本单元电路基本单元电路DD预充电信号读选择线写数据线写选择线读数据线VCgT4T3T2T1数据线CsT选线T3T2T1TDDV10110读出与原存信息相反写入与输入信息相同0无电流1有电流读出时数据线有电流 为“1”写入时CS充电 为“1” 放电 为“0”二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 动态动态RAMRAM刷新刷新 为什么要使用刷新破坏性读出再生：读操作后，被读单元的内容被清为零，必须把刚 读出的内容立即写回去，通常称其为再生。它影响存储器的 工作频率，在再生结束前不能开始下一次读。 刷新方式(1)集中刷新(2)分散刷新(3)集中与分散相结合二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 DRAMDRAM芯片芯片Intel2164Intel2164l 行地址选通信号和列 地址选通信号l 8条地址线l 1位数据输入线和1位数据输出线l 还有1条电源线和1条地线二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 DRAMDRAM和和SRAMSRAM的比较的比较DRAM（主存）SRAM（缓存）存储原理电容触发器集成度高低芯片引脚少多功耗小大价格低高速度慢快刷新有无二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片uu ROMROM的存储原理的存储原理 掩膜ROM(MROM) 行列选择线交叉处有 MOS 管为“0”； 行列选择线交叉处无 MOS 管为“1”。X(行)选位 线 i位 线 j10特点：一次性写入不能修改，适合于保存可以成批生 产的、成熟的程序与数据，成本非常低。 二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 PROM(一次性可编程)VCC行线列线熔丝为 “1”熔丝未断熔丝断为 “0”特点：出厂时为通用形式，用户可通过加高压、大电 流的方法一次结构破坏性写入信息，写入的内容为永久的 。二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 EPROM(ROM(可擦除可编程可擦除可编程) )EPROM的基本 存储电路的关键器件 是FAMOS（浮置栅 雪崩注入型）场效应 管,它具有存储电荷 的能力，写入后的信 息可通过紫外线擦除 。特点：可多次擦除和多次改写，但擦除和写入的时间 一般比较长。 二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片 EEPROM(ROM(电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器) )特点：擦除和编程均可联机进行，更加方便。电可擦写局部擦写全部擦写 Flash Memory( (快擦型存储器，又称闪存、电子盘快擦型存储器，又称闪存、电子盘) )特点：擦除和写入速度更快（1M位的芯片擦、写时间小 于5s）。与EEPROM不同的是只能整体擦或分区擦。由于闪速存储器具有非电易失性，且读取速度与DRAM接 近，写入速度与硬盘接近，因此目前逐渐用来替代软、硬盘 ，称为半导体盘，具有无机械运动，抗震性好，可靠性高等 优点，发展前景看好。二、半导体存储器的工作原理及典型芯片二、半导体存储器的工作原理及典型芯片存储器类型种类可擦除性写机制易散失性RAM随机电、字节级电信号易散失ROM只读不能 掩膜位写非散失PROM只读不能电信号非散失EPROM写一 读多紫外线芯片级电信号非散失EEPROM写多读多电，字节级电信号非散失FLASH写多读多电，块级电信号非散失三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展uu 内存芯片与系统总线的连接内存芯片与系统总线的连接 数据线的连接数据线的连接一般而言，存储器是按字节来构成的（每个存储单元 存放8位数据），每组芯片的数据线是8根，存储芯片的数 据线应与系统对应的8位数据总线相连。数据线宽度不同，所需连接的组数也不同。系统数据 总线为8位，则需一组；系统数据总线为16位，则需两组； 系统数据总线为32位，则需四组；系统数据总线为64位， 则需八组。 三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展 地址线的连接地址线的连接根据所选用的存储器芯片地 址线的多少，把系统的地址线分 为片外地址和片内地址两部分。片外地址经地址译码器译码 后的输出，作为存储器芯片的片 选信号，用来选中CPU所要访问 的存储器芯片。片内地址线直接与所要访问 的存储器芯片的地址引脚相连， 用来直接选中该芯片中的一个存 储单元。 ABC/G2A/G2BG1/Y7GND12345678161514131211109VCC/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y674LS138引脚图三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展74LS138的真值表/G2A /G2B G1C B A/Y7 /Y0有效输出0 0 10 0 01 1 1 1 1 1 1 0Y00 0 10 0 11 1 1 1 1 1 0 1Y10 0 10 1 01 1 1 1 1 0 1 1Y20 0 10 1 11 1 1 1 0 1 1 1Y30 0 11 0 01 1 1 0 1 1 1 1Y40 0 11 0 11 1 0 1 1 1 1 1Y50 0 11 1 01 0 1 1 1 1 1 1Y60 0 11 1 10 1 1 1 1 1 1 1Y7其它值 1 1 1 1 1 1 1 1无效三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展 控制线的连接CPU的存储器读/写信号与存储器芯片的控制信号线连接，才能实现对存储器的读写。通常片选信号接地址译码器输出、写允许信号接写控制信号，输出允许信号接读控制信号。形成存储器芯片的片选信号的方法有三种，即全译码、部分译码和线选法。三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展uu 存储芯片与存储芯片与CPUCPU的配合的配合 总线驱动能力总线驱动能力CPU的驱动能力有限，所以一般在较大的系统中，要 在总线上加缓冲器和驱动器以增加CPU的负载能力。对于单向传送的地址总线一般用三态锁存器（如 74LS373 、8282 、8283）。对于单向传送的数据总线一般用三态单向驱动器（如 74LS244）。对于双向传送的数据总线一般用三态双向驱动器（如 74LS245）。三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展 时序配合时序配合存储器的存取周期应小于CPU的总线读写周期，并留出一定余量。在存储芯片的读写周期中，数据稳定时间也应小于CPU控制信号的有效维持时间 。三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展uu 8 8位存储器系统位存储器系统在8位微机系统中，系统数据总线的宽度为8位，则需 一组按字节组织的存储芯片。利用系统地址总线的高位经地址译码后形成各存储芯片的片选信号，系统地址总线的低位与各存储芯片的地址 引脚相连，用于对片内存储单元的寻址，各存储芯片的数 据引脚直接与8位数据总线相连即可。三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展三、存储器的组成与扩展三、