1、6.1 半导体存储器的分类及特点一、分类半导体存储器的种类很多。从器件原理来分，有双极型和 MOS 型存储器；从存储原理来分，有静态和动态存储器；从存取方式来分，有随机存取和只读存储器；从信息传送方式来分。有并行(字长的所有位同时存取)和串行(一位一位存取) 存储器。图 6l 概括了存储器的分类。在微计算机系统中，用得最多的是 ROM 和 RAM。ROM (Read only Memory)是一种当写入信息之后，就只能读出而不能写入的固定存储器。断电后，其中的信息仍保留不变。因此，在微计算机系统中，通常用它来存放固定的程序和数据，如监控程序，汇编程序，BASIC 解释程序以及各种表格、数据等。
2、RAM (Random Access Memory)又称为读写存储器，其存储单元的内容可以根据需要读出和写入。RAM 中存放的信息断电后会消失(挥发)，因此又叫做易失性存储器。微计算机系统中常用 RAM 来存放暂时性的输入、输出数据、中间运算结果、用户程序等，也常用它来和外存交换信息和用作堆栈。 二、半导体存储器的性能指标 1.容量指每块芯片上能存储的二进制位数。容量通常用 NXM 表示，N 代表存储单元数，即地址数或字数，M 代表该芯片上的存储单元能当几位使用的位数。如1024X1，表示该半导体存储器芯片上有 1024 个存储单元，该芯片能当 1 位使用，共可存储 1024X1=1024 个
3、二进制位。若容量为 256X4 位的芯片，其容量同样为 1024 位，但是它却有 256 个存储单元，能当 4 位使用。2存取时间是指存数的写操作和取数的读操作所进行的时间，单位为 ns。由于半导体存储器读出后不改变信息状态(又称不破坏读出)，故读操作时间就是读周期，写操作时间就是写周期，在读写周期有差别的情况下，这两项指标应分别给出。手册中一般是给出典型存取时间或最大存取时间。在器件上标注的型号后往往也给出了时间参数，例如 2732A20 和 2732A-25 则分别存取时间为 200ns 和250ns 的两种同型号(2732A)的存储器芯片。3功耗一般是指每个存储单元的功耗，单位为 W单元
4、，也有给出每块芯片总功耗的，单位为 W芯片。功耗是半导体存储器的一个重要指标，它不仅涉及消耗功率大小，也关系到芯片的集成度以及在机器中的组装和散热问题。手册中常给出工作功耗和维持功耗。4电源这是指芯片工作所需的电源种类。有时为单一十 5 伏，有的需用多种电源，如十 12 伏及十 5 伏等，电源种类是系统选用时不可忽视的指标。上述的 2 和 3 项指标的乘积称为速度功率乘积，是一项重要的综合指标。 三、半导体存储器的特点下面从存取原理和使用功能出发简要地介绍半导体存储器分类及其特点。(一)RAM 的分类及其特点RAM 存储器技器件原理可分为双极型和 MOS 型两类。1双极性 RAM双极性 RAM
5、 主要有：(1)TTL(晶体管一晶体管逻辑)型存储器。目前 TTL 单片存储器的容量可做到 4K，存取时间做到 40100us。(2)ECL(射极耦合逻辑) 存储器，其容量一般只有 256，存取时间为1030us 。(3)I2L(集成注入逻辑 )存储器，近年来有比较引人注目的发展，它还有较高的“速度- 功率乘积“ 和组装密度。双极型 RAM 的特点是存取速度高，但集成度低(和 Mde 型比)，功耗大，成本高。目前主要用于速度要求较高的微计算机和大型计算机中。2M0S 型 RAM又分为：(1)静态 RAM其特点有：一般用六管构成的触发器作为基本存储单元。集成度高于双极型 RAM，但低于动态 RA
6、M。功耗低于双极型 RAM，例如 2114 为 0.lW位，但高于动态 RAM。不需要刷新，因而可省去刷新电路。易于用电池作为备用电源，以解决断电后，能继续保留住存入的信息。通常采用 NMOS 电路，集成度较高，单片的存储单元可做到 409B 个；存取速度也较快，约为 200450ns。(2)动态 RAM其特点有：基本存储单元可用单管线路，依靠寄生电容存储电行来存储信息，但存在泄漏电流。集成度高，如 Intel 2164A 的容量高到 64K 位。功耗较静态 RAM 低，例如 2116 为 0.01W位。价格比静态 RAM 便宜。需要刷新，通常要求每隔 2ms 刷新一遍。存取时间在 15035
7、0us，如 2116 的最大存取时间为 250us。MOS 型 RAM 的制造工艺简单，集成度高，功耗低，价格便宜，在半导体存储器中占有重要地位。用特定的电信号对其进行擦除，可以在线操作，因此很方便。这种 EPROM又叫做 E2PROM (Electrically Erasable Programmable ROM)。(3)不挥发 RAM (NonVolatile RAM)它和 ROM 一样，掉电后信息不消灭，但它又和 RAM。样，可以随机存取操作。因此它集 ROM 和 RAM 的优点为一体，是一种非常有特色的存储器件。(二)ROM 的分类及其特点ROM 存储器按存入信息的方式分为:1掩模式
8、ROM这种 ROM 是在制作集成电路芯片时，用定做的掩模进行编程，一旦制造完毕，其中的内容就固定下来，用户是不能修改的。因此，适用于大批量生产，成本较低，但不适用于科研工作。 2可编程序式的 PROM (Programmable ROM)这种 pROM 允许用户根据需要来编入其中内容，但是只允许编写一次。3可擦除式的 EPROM (Erasable Programmable R0M)这种 EPROM 可以多次进行改写，所以特别适合于科研工作。为了进行改写，应先擦除原来写入的信息。擦除方法可用紫外线照射，也可用电进行改写。(1)紫外光擦除用紫外光照射芯片一定时间(约 20 分钟)，即可擦除其中信
9、息。这种 EPROM又叫做 UV EPROM。(2)电擦除用特定的电信号对其进行擦除，可以在线操作，因此很方便。这种 EPROM又叫做 E2PROM (Electrically Erasable Programmable ROM)。6.2 随机存储器 RAM RAM 又称为读写存储器，在其数平方毫米的芯片上可集成(几几百)千个存储单元。存储单元按矩阵形式排列构成存储体。要寻址其中的某一存储单元进行信息的写入或读出，通常是采用重合选择法寻址，即由 X(行)和 Y(列)地址译码器的输出线行选择线和列选择线的重合来选出所需要的单元。存储单元的电路按其工作原理又分为静态 RAM 和动态 RAM。一、静
10、态 SRAM静态 RAM 的单元电路是由 MOS 管组成的触发器电路，每个触发器可以存放 1 位信息。只要不掉电，所存储的信息就不会丢失。因此，静态 RAM 工作稳定，不要外加刷新电路，使用方便。但一般 SRAM 的每一个触发器是由 6 个晶体管组成，因而 SRAM 芯片的集成度不会太高。这也是它的一大缺点。SRAM 的单片容量，有各种不同的规格。例如，早期使用的有 2101(256X4位)，2102(1K1 位) ，2114(1K4 位)和 4118(1K8 位) ，随着大规模集成电路的发展，目前较常用的有 6116(2K8 位)，6264(8K8 位)和 62256(32K8)。现以626
11、4 为例进行简单介绍。6264SRAM，每块芯片上有 8192 个存储单元，每个单元为 8 位字长。6264的外部引脚如图 62 所示。 WE、OE 和 CE1、CE2 的共同作用决定了芯片的运行方式，如表 61 所示。WE CE1 CE2 OE 方式 I/O0I/O7 H 未选中 (掉电) 高阻 L 未选中 (掉电) 高阻H L H H 输出禁止 高阻H L H L 读 OUTL L H H 写 INL L H L 写 IN表 6-1 6264 运行方式请看 HM6264B 的详细产品资料。 6.3 只读存储器 ROM半导体存储器 ROM 芯片和 RAM 类似，芯片主要由地址寄存器，地址译码
12、器，存储单元矩阵，输出缓冲器及芯片选择逻辑等部件组成，如图 66 所示。地址译码器有 P 个输入端，故可寻址 2P 个存储单元。每个单元有 M 位。输出缓冲器将每位的内容进行输出，并提供驱动电流。片选信号用来选择指定的芯片进行操作。ROM 存储器的存储单元可由二极管，双极型晶体管或 MOS 晶体管构成。按生产工艺的不同，可构成以下几种 ROM 存储器芯片。一、固定掩膜编程 ROM固定掩膜 ROM 的每个存储单元用单管构成，因此集成度较高，存储单元的编程是在生产过程中，由生产厂家用一掩膜确定是否将单管电极金属化接入电路，未金属化者存“1“，反之，存“0 ，如图 67(a)所示。这类 ROM 的编
13、程只能由器件制造厂在制造时定型，若要修改，则只能重新定做新的掩膜，用户自己无法操作。 二、可编程序 PROM为了方便用户根据自己的需要确定 ROM 的内容，提供了一种可编程序PROM，它允许用户编程一次。 PROM 中，常采用二极管或双极型三极管作存储单元。图 67(b)是用双极型三极管作的存储单元。在这种存储单元中，采用可熔金属丝串接在三极管的发射极上。出厂时，所有管子的熔丝是完整的，管子可将字线和位线连通，表示存有“0“信息。用户编程时，在脉冲作用下，使熔丝断开，该位存入“1“信息。典型的熔断脉冲电流为 50100mA，周期为几个微秒。PROM 虽可由用户自行编程，但只能进行一次。一旦程序
14、编制好后，因为“ l“单元中的熔丝已渐，就无法恢复。 三、紫外光擦除可编程序的 UVEPROM EPROM 芯片，常以浮栅型 MOS 管作存储单元，它是微计算机中用得最多的一种 ROM，在它里面存储的程序或数据可以通过紫外线光的照射被擦去，而且又可再用电脉冲重新编制程序，故称可擦可编程序的 ROM。(一)工作原理EPROM 的基本电路如图 68 所示，它是由浮栅雪崩注入的 MOS 电路构成的。浮栅 MOS 管(Floating Gate Aralanche Injection MOS)有 P 沟道和 N 沟道两种。常用的 EPROM 芯片大都是采用 N 沟道的浮栅 MOS 管，其结构如图 68
15、所示，它是在 P 型 衬底上做成的两个高浓度的 N 区。除浮栅外，还在上面叠了一个控制栅 G，故称为叠栅 MOS 管(Stacked Gate Avalanche InjectionMOS)。编程时，在源漏间加上足够高正压(25 伏)及编程脉冲，使漏村击穿，大量电子积聚在浮栅上，同样在 Sic2 层下感应出空穴薄层。这个带正电的沟道使NMOS 管开启更加困难，或者说它的开启电压变得更高了，这时，在控制栅上加上正常电压，该管也不能导通，相当于写入了信息“0“。反之，若浮栅上未带电，在正常控制栅压下，管子导通，相当于所存信息为“ 1“ 。 由上述原理可知，要向上述 EPROM 写入 0 时，就应设
16、法使被写基本电路的浮栅带有负电荷。这可通过在其漏极上加一个一定宽度的正脉冲来实现。但要擦除 0 信息( 即写入 1 信息)，则只能通过紫外线照射，即用高能光子将浮栅上的电子驱逐出去使之返回基片。由于每次紫外光照射是通过芯片的石英窗口对整个芯片进行的，所以部分擦除是不行的，一次擦除便将整个芯片完全恢复成“ 干净 “状态 (全 1 状态)， “干净“的 EPROM 才能重写，编好程序的 EPROM 为防止光线照射，常用遮光胶贴于窗口上。 目前对 EPROM 的写入和擦除都有专用设备，成本不高，使用十分方便。 (二)EPROM 实例-Intel 2732 目前我国广泛使用的 EPROM 有 2716
17、(2K8)， 2732(4K8)，2764(8K8)，27128(16K8)和 27256(32K8)。下面以 2732 为例介绍一种典型的 EPROM 芯片的性能和应用。l2732 的引脚与结构2732 以 HMOS-E(高速 NMOS 硅栅)工艺制成， 24 脚双列直插式，其引脚和内部结构如图 69 所示。从图中可知，2732 为 4KB 容量，地址线 12 条 A0A 11；，数据线 8 条D0D 7，远为片选端，低电平有效，OEVPP 是输出允许信号，低电平有效，该引脚在编程时也作为编程电压 VPP 的输入端。VCC 为十 5V 电源，GND 为地。22732 的工作方式2732 共有
18、 6 种工作方式，如表 62 所示。 (1)读方式此时面和面的为有效，芯片中的数据从输出缓冲区送往输出引脚。 (2)输出禁止方式此时远有效，而而无效。这种工作方式往往是多个 2732 并联在数据总线上，为使存储系统功耗最小，并防止各存储芯片争夺总线，则可把所有 2732 的面均接地，通过对两端输入高电平或低电平来确定是哪个芯片的数据输出到数据总线上去，而其它芯片处于输出禁止方式。 (3)待机方式当 CE 为无效时，2732 处于待机方式。待机时的电流从工作时的 125mA 降至35mA。这种方式下，输出呈高阻状态，且不受 OE 的限制。(4)编程方式对 2732 编程之前，应保持芯片上所有的位
19、均为 1。写入信息时，只是把应为0 的位由 1 改为 0，而应为 1 的位则保持不变。编程方式时，各相关引脚信号状态如图 610 所承。 (5)编程禁止方式此时，OE 端接 21 伏电压，当 CE 为无效时，则禁止向该芯片写入数据。 (6)该标识码方式 Intel 公司生产的， EPROM 芯片都包含有厂家及产品型号的标识码。在特定环境下，可以读出这两个字节的标识码。2732，2764，27128 和 27256 的标识码分别是 890lH，8902H，8903H 和 8904H。除以上六种工作方式外，2732 还可以工作在校验方式，此时应在面和证的为低电平且从面下降沿起再过一段时间后才能进行
20、。(三) EPROM 编程器 对 EPROM 芯片编程，必须用相应的编程器。目前使用的编程器一般可对多种型号的芯片进行编程。不同的 EPROM 芯片的编程电压和编程脉冲不尽相同，编程器是通过读取芯片的标识码来确认的。 编程器一般要依靠一台计算机才能工作。例如，IBM PC XT 的 EPROM 编程器是通过 I0 扩展槽接入系统总线的，它一般由一块编程卡插入主机箱内和一个可以引出机箱外的芯片插座组成。编程器配有一套软件，在PC XT 上运行此配套软件，控制编程器的工作方式。通过 PCXT 与编程器之间的数据通信，将预先准备好的信息(存在磁盘上或放在内存中)写入 EPROM 芯片，或将 EPRO
21、M 芯片上的信息读人 PCXT 的内存中。 在科研工作中，EPROM 芯片和 EPROM 编程及擦除设备是非常有用的器件和工具。(四) 新型 EPROM 简介1CHMOS 型 EPROM这类 EPROM 最大的优点是低功耗。常用的有 27C32，27C64，27C128 和27C256 等等。2软件防盗 EPROM 这类 EPROM 在对其写入时，可进行加密操作，防止非法复制，以保证软件的版权，又称 KEPROM(Keyed ACcess EPROM)。例如 27916 为 16KS 的 KEPROM，它与 2712891 脚兼容。3带 I/O 的 EPROM这类 EPROM 带有 I/O 口
22、，故可使芯片中的每位独立地为输入或输出状态。例如，8755 为 2K8 的 EPROM，内有 8 个 I/O 口。 54 新型的半导体存储器(学习资源中有更多的材料) 漫谈几种新型内存带高速缓存动态随机存储器：CDRAM(Cached DRAM)CDRAM 是日本三菱电气公司开发的专有技术，通过在 DRAM 芯片上集成一定数量的高速 SRAM 作为高速缓冲存储器 Cache 和同步控制接口，来提高存储器的性能。这种芯片使用单一的33V 电源，低压 TTL 输入输出电平。目前三菱公司可以提供的 CDRAM 为 4MB 和 16MB 版本，其片内 Cache 为 16KB，与 128 位内部总线配
23、合工作，可以实现 100MHz 的数据访问。流水线式存取时间为 7 纳秒。Direct Rambus 接口动态随机存储器：DRDRAM(Direct Rambus DRAM)从 1996 年开始，Rambus 公司就在 Intel 公司的支持下制定出新一代 RDRAM标准，这就是 DRDRAM。它与传统 DRAM 的区别在于引脚定义会随命令而变，同一组引脚线可以被定义成地址，也可以被定义成控制线。其引脚数仅为正常DRAM 的三分之一。当需要扩展芯片容量时，只需要改变命令，不需要增加芯片引脚。这种芯片可以支持 400MHz 外频，再利用上升沿和下降沿两次传输数据，可以使数据传输率达到 800MH
24、z。同时通过把单个内存芯片的数据输出通道从 8位扩展成 16 位，这样在 100MHz 时就可以使最大数据输出率达 16GB s。双数据传输率同步动态随机存储器：DDR DRAM(Double Data Rate DRAM)在同步动态读写存储器 SDRAM 的基础上，采用延时锁定环(Delay1ocked Loop)技术提供数据选通信号对数据进行精确定位，在时钟脉冲的上升沿和下降沿都可传输数据(而不是第一代 SDRAM 仅在时钟脉冲的下降沿传输数据，“DDR”即是“双数据率”的意思)，这样就在不提高时钟频率的情况下，使数据传输率提高一倍。由于 DDR DRAM 需要新的高速时钟同步电路和符合
25、JEDEC 标准的存储器模块，所以主板和芯片组的成本较高，一般只能用于高档服务器和工作站上。另外，最近出品的 GeForce 256 显卡大量采用了 DDR 存储器，显示效果成倍提升。同步链动态随机存储器：SLDRAM(Synchnonous Link DRAM)由 IBM、惠普、苹果、NEC、富士通、东芝、三星和西门子等大公司联合制定的一种原本最有希望成为标准高速 DRAM 的存储器。这是一种在原 DDR DRAM基础上发展起来的高速动态读写存储器。它具有与 DRDRAM 相同的高数据传输率，但其工作频率要低一些，可用于通信、消费类电子产品、高档 PC 和服务器中。由于 SLDRAM 联盟成
26、员之间难以协调一致，加上 Intel 公司不支持这种标准，所以这种动态存储器难以形成气候。虚拟通道存储器：VCM(Virtual Channel Memory)VCM 由 NEC 公司开发，是一种新兴的“缓冲式 DRAM”，该技术将在大容量SDRAM 中采用。它集成了所谓的“通道缓冲”，由高速寄存器进行配置和控制。在实现高速数据传输(即“带宽”增大)的同时，VCM 还维持着与传统 SDRAM 的高度兼容性，所以通常也把 VCM 内存称为 VCM SDRAM。在设计上，系统(主要是主板)不需要作大的改动，便能提供对 VCM 的支持。VCM 可从内存前端进程的外部对所集成的这种“通道缓冲”执行读写
27、操作。对于内存单元与通道缓冲之间的数据传输，以及内存单元的预充电和刷新等内部操作，VCM 要求它独立于前端进程进行，即后台处理与前台处理可同时进行。由于专为这种“并行处理”创建了一个支撑架构，所以 VCM 能保持一个非常高的平均数据传输速度，同时不用对传统内存架构进行“大手笔”的更改。采用 VCM 后，系统设计人员不必再受限于目前令人捉襟见肘的内存工作方式，因为内存通道的运行与管理，都可移交给主板芯片组自己去解决。快速循环动态存储器 FCRAM：(Fast Cycle RAM)FCRAM 由富士通和东芝联合开发，数据吞吐速度可达普通 DRAM/SDRAM 的 4倍。FCRAM 将目标定位在需要
28、极高内存带宽的应用中，比如业务繁忙的服务器以及 3D 图形及多媒体处理等。FCRAM 最主要的特点便是行、列地址同时(并行)访问，而不像普通 DRAM 那样，以顺序方式进行(首先访问行数据，再访问列数据)。此外，在完成上一次操作之前，FCRAM 便能开始下一次操作。为提高内存的数据吞吐速度，FCRAM 和 VCM 采取了截然不同的两种方式。前者从内部入手，后者则“内外一齐抓”，在拓宽内存(存储)单元、芯片接口、内存控制器的带宽上下大功夫。FCRAM 的开发计划自 1999 年 2 月初便已开始。按照富士通和东芝的协议，它们将联合开发 64MB、128MB 和 256MB 的 FCRAM。但和
29、VCM、RDRAM 内存技术不同的是，它面向的并不是 PC 机的主内存，而是诸如显示内存等其他存储器上。在制造工艺上，由于采用的是 022 微米工艺，所以 FCRAM 号称能做出世界上最小的内存颗粒。由于芯片面积减少，所以在相同的硅晶片上，可生产出更多的颗粒，从而有效提高了这种内存的产量。这样，一方面降低了生产成本，另一方面则提高了产品性能。富士通公司表示到 2001 年投入 128MB 和256MB FCRAM 的量产，公司计划到 2003 年达到每月生产 23 百万片的生产能力一、电可擦除的可编程序的 EEPROM前面介绍的 UV EPROM 须从电路板上拨下来在专用的紫外线擦除器中进行擦
30、除，操作起来比较麻烦。EEPROM 则是一种在线用电信号进行擦除的芯片，操作简便。 Intel 2816A 和 2817A 都是常用的 EPROM 芯片，容量为 2K 8 位，采用 HMOS E 工艺。2816A 为 24 脚，2817A 为 28 脚，两者均为 DIP 封装。现以 2817A 为例进行简单介绍。 2817A 的 28 个引脚和内部结构如图 611 所示。 从图中可以看出，2817A 内含所有硬件接口逻辑，写操作所需的电压发生部件以及与写操作相配合的自擦除和自定时等部作。这些都很大程度地减轻了 CPU 的负担。二、不挥发的 RAM(NV RAM) NV RAM 内部除有一般 R
31、AM 存储阵列外，还有一个后备的 EEPROM存储阵列。掉电后的信息保存在 EEPROM 中，上电后又自动回到 RAM 阵列中。这样给用户的感觉是它具有信息的不挥发性，掉电后信息不丢失。 Intel 2004 为一典型 NV RAM 芯片，现以它为例简要介绍 NV RAM 的工作方式。 2004 为 5128 位(4K 位)的不挥发 RAM 芯片，其外部引脚和内部结构如图 612 所示。 由图可见，2004 由高速静态 RAM 陈列及其后备 EEPROM 不挥发存储阵列组成。因此，2004 同时具备静态 RAM 的可读写性和 EEPROM 的信息不挥发性。 静态 RAM 和 EEPROM 之间
32、的信息有两种传递情况：1存储把 RAM 中的数据传送到 EEPROM 中保存起来，以防掉电丢失信息。2召回从后备 E2PROM 中取出数据送回到 RAM 中。 这两种传送均由而引脚的输入信号控制。 三、集成 RAM(iRAM) iRAM 本身就是一个完整的动态 RAM 系统。它在一个硅片上集成了存储阵列、刷新逻辑、仲裁和控制逻辑等部件。因而它与 CPU 的接口非常简单。 Intel 2186 和 2187 为 SK 字节的 iRAM 芯片，其引脚特性和内部结构如图 613 所示。 iRAM 将 DRAM 的价廉、低耗和高集成度以及 SRAM 应用方便的优点有机地结合起来了，因而是一种极有前途的
33、存储器类型。 四、半导体存储器的备份电源 微计算机的内存大多使用 RAM 和 ROM，供用户写入信息的一般为RAM，它有许多优点，但掉电丢失信息是非常大的一个缺点。为防止突然掉电造成重要信息的损失，可采用加备份电源的方法。当系统掉电时由备份电源为RAM 系统供电，以保证信息的完整性。 装备了备份电源的存储器就成为不挥发存储器了。当电源电压刚刚开始下降时，通过中断进入掉电处理程序，将当前所需保存的信息存入不挥发存储器部分；等系统恢复正常供电后，利用这些信息继续原来的工作。 备份电源一般由电池充当，可用充电式电池和非充电式电池两种。充电电池多用镍镉电池，非充电电池可用容量大、体积小的氧化银电池。五
34、、常用 RAM、ROM、EPROM 列表微型计算机常用的 RAM、ROM 和 EPROM 如表 63 所示。 65 主存储器的设计设计一个微处理器系统，如何选用半导体存储器芯片，如何接入系统，这是硬件设计的一个重要环节。一、半导体存储器芯片选用时应考虑的一些问题主存储器包括 RAM 和 ROM，设计时首先是根据需要、用途和成本选用合适的存储器类型和容量。然后还应根据 CPU 读写周期对速度的要求，核实一下所选用的存储器芯片在读写速度上是否跟得上，否则应改选读取速度高一些的芯片。用作某种专门用途，如检测、控制、仪器仪表、交通管理、售货点终端等用途的微处理器系统，其系统程序往往是固定不变或经较长时
35、间才需改变的。这种程序最好放在 ROM 或 EPROM 中，当机器一启动后，系统就可在程序控制下完成专用的功能。在研制阶段宜选用 EPROM，产品定型后，若是大批量的产品可将定型的程序送往芯片生产厂家制成 ROM。系统运行时用到的数据(原始数据，中间结果或最终结果)以及专用的单元通常放在 RAM 中，ROM 或RAM 的容量大小则取决于程序的复杂程度和数据的多少。对存储容量较小的系统，选用静态 RAM 芯片，这样可节省刷新电路，同时由于静态 RAM 芯片往往只用一种电源，小系统容易满足。较大系统的存储容量大，宜选用集成度高的动态 RAM 芯片，因而芯片总数量减少，降低系统成本，并且系统功耗减小
36、，使系统的电源制作也较为方便。如 TP801 单板机RAM 只有 4KB，选用 2114 静态 RAM 芯片；APPIE +RAM 为 48KB，选用16KX1 位的动态 RAM；IBM PC XT 的容量更大，选用 64K1 位的动态 RAM。选用动态 RAM 的系统还需设计刷新电路，以实现 RAM 中信息的再生。EPROM 芯片的选择也应根据需要的容量来确定。2716 是常用的EPROM，其容量为 2K8 位，正常使用时只需十 5 伏电源，编程时还需要加入十 25 伏电压，编程脉冲幅度只需要 TTL 电平，因此编程写人操作比较简单。容量大些的 EPROM 有 2732(4KX8 位)和 2
37、764(8K8 位)，其特性和编程原理与2716 基本相同。可供选用的 RAM 和 EPROM 芯片已示于表 6-3。二、存储器地址分配由前面可知，要组织一定容量的主存储器，需要用一批 RAM 和 ROM 芯片。设计时在按上述原则选好类型，确定芯片数量之后，接着就应该确定各芯片存储空间的位置，这种位置的确定称为存储器地址分配。八位微处理器可寻址的存储单元总数为 64K，最低地址为 0000H，最高地址为 FFFFH，存储器用按字节组织的结构，因而主存储器总容量为 64KB。十六位微处理器可寻址的存储单元数为 220。最低地址为 00000H，最高地址为FFFFFH，主存储器最大容量为 1MB。
38、现以 Z80 为 CPU 的 TP801 单板机和 8088 为 CPU 的 IBM PCXT 微型计算机为例，说明存储器地址的分配。为了能正确进行地址分配，需要知道 CPU 中断向量地址以及 CPU 指令系统中是否具有专用的输入输出类指令。z80 和 8088 的中断向量表都位于系统的低地址端，它们都有专用的输入输出指令，输入输出的端口地址是与存储器地址分开编址的。TP801 单板机和 IBM PC XT 的存储器地址分配如图614 所示。 在 PCXT 的存储器系统中，RAM 占低端地址，ROM 占高端地址。从00000H3FFFFH 为系统板上的 256KB，40000H3FFFFH 为
39、 RAM 扩展板上的 384KB 地址范围。接下来的 128KB 中包括 4KB 的单显缓冲区(B0000HB0FFFH) ，16KB 的彩显缓冲区(B8000HBBFFFH)。从 C0000H 开始为 ROM 区域，CO000HEFFFFH 的 192K ROM 须由扩展板进行扩展，但其中 C8000HCB000H 的 16K 为硬盘 BIOS。最高地址的 64KB 为系统板上的ROM 区域，其中 F6000HFDFFFH 的 32KB 为 ROM BASIC 解释程序，FE000HFFFFFH 的 8KB 的 ROM BIOS 区域。 三、存储器芯片和 CPU 的连接 在微计算机中，CPU
40、 对存储器进行读写操作是由执行某一条指令时，首先由地址总线发出地址信号，然后发出相应的读(或写)控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。因此，存储器芯片与 CPU 的连接，主要有以下三部分，即地址线的连接，数据线的连接和控制线的连接。1存储器与 CPU 连接时，应考虑以下问题(1)CPU 总线的负载能力通常，CPU 总线的直流负载能力是带一个标准 TTL 门。由于 MOS 存储器输入阻抗大，直流负载很小，放在小型系统中，CPU 总线的负载是足够了。但当 CPU 和大容量的标准 ROM、RAM 一起使用或扩展成一个多插件系统时，就需要驱动 CPU 总线。用接入缓冲器或总线驱动器等方法以增加总
41、统的驱动能力。地址总统接入单向驱动器，如 74LS244 和 74LS376，数据总线接入双向驱动器，如 74LS245 等。(2)存储器与 CPU 的速度匹配从前面的章节知道，CPU 的取指令操作码周期和存储器的读写周期都有固定的时序。CPU 以此确定对存储器存取速度的要求。随着大规模集成电路的发展，目前的存储器芯片速度愈来愈快，和低速 CPU 的速度匹配已不成大问题。从存储器芯片上的标记可以识别芯片的速度。例如 2732A30，其存取速度为300us； 2732A25，其存取速度为 250us；2732A20，其存取速度为200us，以此类推。(3)存储器的寻址方法存储器芯片与 CPU 地
42、址总线连接时，要根据内存的地址分配连接，以实现CPU 在某一时刻只能唯一地选中某一内存单元，这称为寻址。要完成寻址功能必须进行两种选择：首先要选择存储器芯片，这称为片选。然后再从该芯片中选择出某一存储单元，这称为字选。字选由存储器芯片中的译码电路完成，如前所述，无须我们进行设计。片选则是指 CPU 如何在众多的存储器芯片(ROM1，ROM 2RAM1，RAM 2)中选择出即将进行数据传送的芯片，这是存储器外部译码问题。外部译码逻辑就需要我们设计了。寻址是对地址进行译码设计而实现的。如何对地址进行译码设计呢？首先，我们要将地址总线 AB 上的地址线，分为高位地址线 和低位地址线两部分，其中，低位
43、地址线表示所选用的存储器芯片上已有的地址线；高位地址线表示剩余的地址线。对这两部分地址线的处理方法是不一样的。对于低位地址线，它的作用是选择芯片中的某一单元，即上面所介绍的字选，这部分的译码是由芯片上的逻辑完成的，所以这部分的地址线应直接接到芯片上去。对于高位地址线，它的作用是选择存储系统中的某一芯片，即上面所介绍的片选，这部分的译码是由外接译码逻辑完成的，所以我们应该将这部分的地址线按要求进行译码设计。以下所介绍的译码方法就是指的这部分的设计方法。通常，存储器外部译码使用的方法有以下两种：线选法。这种寻址法是直接用地址总线某一位高位线作为存储器芯片的片选信号，简称线选法。例如在一个 Z80
44、系统中，只需接入 1KB 的 RAM 和1KB 的 ROM，这时可采用图 615 所示的线选控制电路以实现 RAM 和 ROM的片选。由于 1KB 的 RAM 和 ROM 有 1K 个存储单元，必须用 10 条地址线A9A0 进行字选，其余的高 6 位地址线中之一，都可用来作为线选控制信号。若分别用 A10，A11 作线选控制信号，得到的 RAM 和 ROM 的基本地址为：线选寻址的优点是连接简单，选择芯片不需要专门的逻辑电路，而只用一根地址线，对容量较小的微处理器系统常采用这种方法。这种方法中，剩余有几根高位地址线，系统就可以接几个存储芯片。因线选法选片用的高位地址，其“ 权值 “ 较高，每
45、位寻址能力较大(如 A15 将寻址 32K 空间)，若用一条地址线来选择一块存储芯片，其寻址能力显然未能得到充分利用，部分地址将成为无用地址，而且芯片和芯片之间的地址将出现不邻接的现象。因此，当芯片所需的片选线多于可利用的地址线，或者芯片之间的地址需要邻接时，就必须采用另一种方法地址译码选择法。 地址译码选择法。当一个微处理器系统所用的存储器芯片比较多时，线选显然不能满足要求，而必须用地址译码器，实现对存储器芯片的片选。将高位地址线全作为译码器输入，译码器的输出作为片选信号，这种方式简称为全译码方式。常用的译码器有 74LS138，74LS154 等。 图 616 给出了 74LS138 的外
46、部引脚，表 64 是其译码真值表。 6.6 外存储器简介微计算机系统除了需要存取速度高的内存储器外，还需要使用存储容量较大的外存储器作为数据、程序的输入输出和存储设备，一则增大系统的存储容量，二则作为信息的永久性存储。一、软磁盘(学习资源中有软盘的详细资料)软盘驱动器知识一.软驱知识 软盘、硬盘与光盘是目前电脑使用最频繁的存储工具，尤其是软盘，因为它的价廉物美，携带方便、易于保存，在存储小容量数据和程序时使用得最多。所以是计算 机不可缺少的一部分。也是安装一些软件的必然选择。 软盘有高密盘和低密盘之分，有 5.25 英寸和 3.5 英寸两种规格，其容量为 1.2MB 和 l.44MB。低密盘和
47、 5.25 英寸盘基本上被淘汰了，现在最常见的是 3.5 英寸盘。 软盘驱动器的结构 软盘驱动器是驱动软盘旋转并同时向软盘写入数据或从软盘读出数据的设备，是当今各种微型计算机不可缺少的输入输出设备，它由机械结构和控制电路两部分组成。当初微机上比较流行的有 5 英寸 1.2M 和 3 英寸 1.44M 的软盘驱动器。 从功能上讲，软盘驱动器是由盘片驱动系统、磁头定位系统、数据读写抹电路系统和状态检测系统等四部分组成的。 1.盘片驱动机构 它具有一个12v 的直流伺服电机由它带动盘片以 300 转分的恒速旋转。当驱动器关门以后，磁头加载电路使磁头与盘面接触，等待读写命令的到来。 2.磁头定位机构
48、采用四相双拍步进电机，由步进电机带动磁头小车沿磁盘半径方向作径向直线运动。从适配器接口送来的“方向”和“步进”控制脉冲，驱动步进电机使磁头定位到需寻址的磁道和扇区。 3.数据读写抹电路系统 读写抹磁头作为一个整体安装在一起，下两个磁头共用一套读写电路，完成数据的读入和写出。 4.状态检测系统 包括四个检测装置：00 磁道检测装置、索引孔检测装置、写保护检测装置与盘片更换检测装置。它们各自向适配器输送相应的接口信号。 00 磁道检测装置用于检测碰头起始道 00 的位置，有微动开关和光电传感器两种，当磁头小车回到 00 道位置时，应检测到“00 道”信号(Track00)。索引孔检测装置由发光二极
49、管和光敏元件组成，用于对索引孔进行检测。当主轴电机转速为 300 转分时，测得索引孔脉冲信号 INDEX 的周期为 200ms，脉冲宽度约 4ms。写保护检测装置亦有微动开关和光电传感器两种，用于对盘片的写保护状态进行检测，当盘片处于写保护状态，输出写保护信号“Write Protect”。 软盘驱动器工作时，磁头与磁盘接触，磁头是否清洁对被操作的磁盘影响极大，不清洁的磁头不仅可能造成数据读写失败，甚至可能划伤磁盘。软盘驱动器不工作时，磁头与磁盘是分离的，囚此当运输微机和软盘驱动器时，需用专用硬纸板插入驱动器中井将驱动器门关闭使磁头与纸板接触以防振动，防止磁头工作位置偏移。 软盘驱动器的性能指标 评价软盘驱动器好坏有若干技术指标，以下介绍常用的几种，它们也适用于硬盘驱动器。 道-道查询时间(Track-Track Access Time) 道-道查询时间是指磁头从一个磁道移动到相邻磁道所需要的时间。 寻道安顿时间(Setting Time) 磁头刚从别的磁道路到需访问的新磁道时，
