存储器的分类_存储器的类型

存储器的分类与用途 　　       存储器是一种具有记忆功能的接收、保存和取出信息的设备，是计算机的重要组成部分，是CPU最重要的系统资源之存储器按在微机中的位置可分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)和缓冲存储器(缓存)三大类。内存一般由半导体存储器构成，通常装在计算机主板上，存取速度快，但容量有限;外存是为了弥补内存容量的不足而配置的，如硬盘、软盘等，外存容量大、成本低，所存信息既可修改也可长期保存，但存取速度慢;缓存位于内存与CPU之间，其存取速度非常快但存储容量更小，一般用来解决存取速度与存储容量之间的矛盾，可提高整个系统的运行速度。存储器主要性能指标是存储容量、存储速度和可靠性。 　　一、随机存取存储器RAM 　　        计算机的内存储器由ROM和RAM两部分组成。其中，只能读不能写的存储器，称为只读存储器ROM;即能读又能写的存储器，叫做可读写存储器RAM。由于历史上的原因，可读写存储器也被人们称为随机存取存储器。 　　        通常ROM中的程序和数据是事先存人的，在工作过程中不能改变，这种事先存人的信息不会因掉电而丢失，因此ROM常用来存放计算机监控程序、基本输入输出程序等系统程序和数据8RAM中的信息则掉电就会消失，所以主要用来存放应用程序和数据。 　　        对存储器的读写或取出都是随机的，通常要按顺序随机存取。按顺序随机存取有两种方式: 一是先进先出;二是后进先出。 　　1.RAM的功能与结构 　　
　　        RAM的电路结构框图如图1所示。地址译码器:RAM中的每个寄存器都有一个编号，称为地址。在每次读/写信息时，只能和某一一个指定地址的寄存器之间进行取出或是存入，此过程称为访问存储器。访问地址的是机器识别的二进制数，送给地址译码器译码后，由相应输出线给出信号，控制被选中的寄存器与存储器的I/O端子，使其进行读/写操作。 　　         I/O控制器:为了节省器件引脚的数目，数据的输人和输出共用相同的I/O引脚。读出时它们是输出端，写人时它们又是输入端，即一线二用，由读/写控制线控制。I/O端子数决定于一一个地址中寄存器的位数。通常RAM中寄存器有五种输人信号和一种输出信号:地址输入信号、读/写控制输人信号、OE输出控制信号、CS片选控制输入信号、数据输人信号和数据输出信号。 　　       片选控制:由于集成度的限制，通常要把许多片RAM组装在一起构成一台计算机的存储器。当CPU访问存储器时，存储器中只允许一片RAM中的一个地址与CPU交换信息，其他片RAM不能与CPU发生联系，所谓片选就是实现这种控制。通常一片RAM有1根或几根片选线，当某一片的片选线为有效电平时，则该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址与CPU接通;片选线为无效电平时，与CPU之间呈断开状态。例如片选信号CS=“1″时，RAM禁止读写，处于保持状态，I/O口的三态门处于高阻抗状态;CS=”0”时，RAM可在读/写控制输人R/W的作用下作读出或写人操作。 　　         存储矩阵:存储矩阵是存储器的主体，含有大量的基本存储单。通常数据和指令是用-定位数的二进制数来表示的，这个二进制数称为字，字的位数称为字长。存储器以字为单位进行存储，为了存人和取出的方便，必须给每个字单以确定的标号，这个标号称为地址，不同的字单具有不同的地址。存储器的容量由地址码的位数m决定，当地址码的位数为n，长的位数为m时，存储器内含2nXm个存储单。 　　2.RAM的存储单电路 　　         存储单是RAM的核心部分，RAM字中所含的位数是由具体的RAM器件决定的，可以是4位、8位、16位和32位等。每个字是按地址存取的。一般操作顺序是:先按地址选中要进行读或写操作的字，再对找到的字进行读或写操作。打一比方:存储器好比一座宿舍楼，地址对应着房间号，字对应着房间内住的人，位对应床位。 　　         存储器按功能的不同可分为静态和动态两类，按所用件的类型又可分为双极型和单极型两种。双极型存储单速度快，单极型存储单功耗低容量大。在要求存取速度快的场合常用双极型RAM电路;在对速度要求不高的场合，常用单极型存储器。下面主要以单极型存储器为例介绍RAM的工作原理。 　　        (1)静态RAM存储单 　　
　　        T1和T2、T3和T4分别构成两个反相器，如图2所示。两个反相器交叉耦合又构成了基本触发器，作为储存信号的单，当Q=1时为“1”态，Q=0时为“0”态。T5和T6是门控管，其导通和截止均受行选择线控制。 　　       当行选择线为高电平时，T5、T6导通，触发器输出端与位线接通;当行选择线为低电平时，T5、T6截止，存储单和位线断开。 　　       (2)动态RAM存储单 　　        一个MOS管和一个电容即可组成一个最简单的动态存储单电路，如图3所示。 　　
　　       写入时，送到数据线上的二进制信号经T存人C中;读出时，C的电平经数据线读出，读出的数据经放大后，再送到输出端。 　　        由于C和数据线的分布电容Co相并，因此C要损失部分电荷。为保持原有信息不变，使放大后的数据同时回送到数据线上，对C应进行重写，称为刷新。对长时间无读/写操作的存储单，C会缓慢放电，所以存储器必须定时对所有存储单进行刷新，这是动态存储器的特点。 　　3.RAM的容量扩展 　　         RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此常用的容量扩展法有位扩展、字扩展和字位扩展三种形式。如果一片RAM中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可采用位扩展连接方式解决。其数据位的扩展方法是将各个RAM的地址码并联，片选端并联，如图4所示。 　　
　　
　　        图5所示为RAM字扩展的典型实例:利用两片1024字x4位的RAM器件构成2048字x4位的RAM。利用地址码的最高位A10控制RAM器件的片选Cs端，以决定哪一片RAM工作。地址码的低A0~A9并联接到两片RAM的地址输人端。两片RAM的数据输人/输出端(I/O 1~4)按位对应地并联使用。字位同时扩展连接较复杂，如图6所示。 　　
　　        16片1024X4位的RAM和3线-8线译码器74IS138相接，可扩展三个地址输人端，构成一个8kx4位的RAM。 　　二、 可编程逻辑器件 　　        可编程逻辑器件属于只读存储器ROM，其方框图与RAM相似。 　　ROM将RAM的读写电路改为输出电路;ROM的存储单由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。 　　1.只读存储器ROM的基本结构 　　         只读存储器在工作时只能进行读出操作，基本结构如图7所示。只读存储器ROM的特点是:存储单简单，集成度高，且掉电时数据不会丢失。 　　
　　2.可编程逻辑器件的存储单 　　         只读存储器ROM存人数据的过程称为“编程”。根据编程方式的不同，可分为内容固定的ROM，一次性编程的PROM、可多次编程的EPROM和电改写的EEPROM。早期制造的PROM可编程逻辑器件的存储单是利用其内部熔丝否被烧断来写人数据的，因此只能写人一次，使其应用受到很大限制。目前使用的PROM可多次写人，其存储单是在MOS管中置人浮置栅的方法实现的。 　　
　　         浮置栅型PMOS管的结构原理图如图8所示，浮置栅被包围在绝缘的二氧化硅之中。写人时，在漏极和衬底之间加足够高的反向脉冲电压把PN结击穿，雪崩击穿产生的高能电子穿透二氧化硅绝缘层进入浮置栅中。脉冲电压消失后，浮置栅中的电子无放电回路而被保留下来。 　　浮置栅PMOS写入数据后，带电荷的浮置栅使PMOS管的源极和漏极之间导通，当字线选中某一存储单时，该单位线即为低电平，如图9所示;若浮置栅中无电荷(未写入)，浮置栅PMOS管截止，位线为高电平。当用户需要改写存储单中的内容时，要用紫外线或X射线照射擦除，使浮置栅上注人的电荷形成光电流泄漏掉，EPROM可恢复原来未写人时的状态，因此又可重新写人新信息。 　　
　　         利用光照抹掉写人内容需要大约30min的时间。为了缩短抹去时间，人们研制出了电擦除方式。电擦除的速度一般为ms数量级，其擦除的过程就是改写的过程，改写以字为单位进行的。电擦除的EEPROM既可以在掉电时不丢失数据，又可以随时改写写，人的数据，重复擦除和改写的次数可达1万次以上。 　　3.可编程逻辑器件 　　         可编程逻辑器件常简称为PLD( programmable logic device ) ，按编程方式可分为掩膜编程和现场编程。掩膜编程是由生产厂家采用掩膜工艺专门为用户制作;现场编程则是由用户在工作现场进行编程，以实现所需要的逻辑功能。 　　         任意一个逻辑函数都可以写成与一或表达形式，所以可编程逻辑器件的基本结构是一个 与阵列和一个或阵列，如图10所示。 　　
　　         PLD有较大的与或阵列，其逻辑图的画法也与传统的画法有较大的区别。 　　         (1)可编程逻辑阵列(PLA) 　　        可编程逻辑阵列PLA在存储器中的主要应用是构成组合逻辑电路中，例如可用PLA实现4位二进制数转换为Gray码(格雷码，又叫循环二进制码或反射二进制码)的电路。 　　        PLA的特点:与阵列和或阵列都可以编程。PLA中的与阵列被编程产生所需的全部与项;PLA中的或阵列被编程完成相应与项间的或运算并产生输出，如图11所示。 　　
　　        PLA大大提高芯片面积的有效利用率。 　　        (2)可编程阵列逻辑(PAL) 　　        可编程阵列逻辑PAL的速度高且价格低，电路输出结构形式有多种，因此可以方便地进行现场编程，所以大受用户欢迎。 　　        为实现时序逻辑电路的功能，可编程阵列逻辑PAL在或门和三态广之间加人D触发器，并且将D触发器的输出反馈回与阵列，如图12所示，从而使PAL的功能大大提高。与同样位数的PLA相比，PAL不但减少了编程点数，而且也简化了编程工作，更加有利于辅助设计系统的开发。 　　
　　        PAL编程是按“熔丝图”进行的，图13所示为实现“异或”函数的熔丝图，图中“x”表示熔丝保留，而无“x”的交点表示熔丝烧断。 　　
　　        由于PAL采用双极型熔丝工艺，工作速度较高，但由于与阵列的“熔丝”工艺，因此只能进行一次编程，而且需要在专门的编程器上进行编程，所以其应用仍受到限制。