正文 第五章 計算機的硬件組成(二)(3 / 3)

(2)動態存儲器DRAM。在這種存儲器中,每一位存儲信息的單元是由電容器及控製它充放電的MOS管組成。如果電容充有電荷,稱為存儲“1”,如果電容放電,沒有電荷,稱為“0”,也就是說靠電容存儲電荷來保持信息。最簡單的存儲單元隻需一個MOS管和一個電容,稱為單管單元。由於動態存儲器的內部結構簡單,所以每塊存儲芯片的存儲容量可以做得很大,現在已經達到每片64M位。但是電容上的電荷會因各種泄漏電流而逐漸泄放掉,所以必須定期地補充電荷,稱為動態刷新,-這就是稱為動態存儲器的原因。以現在的技術條件,大約每隔2ms需刷新一遍,所以外圍電路要比靜態存儲器複雜一些。

3隻讀存儲器ROM

計算機係統中,往往有一些最基本的係統軟件是每一台機器都必須配置的,例如1BM-PC係列中的BIOS(基本輸入輸出係統)。一台專用的計算機,例如某個工廠的生產過程控製係統,一旦控製程序調試完畢,在應用過程中就固定不變了。又如前麵談到的微程序控製器,微程序就固化在一個控製存儲器由。這些固化的軟件都要求在工作中不被隨意改動,因而要求隻讀不寫,隻能被讀出執行,但不能在正常工作條件下寫入。相應地要求有一種隻讀存儲器ROM。在計算機中廣泛使用的隻讀型半導體存儲器可以分為三類:

(1)固定掩膜ROM。

在製作芯片時,一次固定存儲內容,不再改變。

(2)—次編程型PROM。

在出廠時存儲芯片內容為全0或全1,根據需要寫入信息,但寫入後就不可再改寫。例如一種熔斷型PROM芯片,每一位用一個晶體管加一段易溶物質,出廠時熔絲完好,晶體管可以通導,稱為“0”,如果要在某一位駕入“1”,就對晶體管通以較大的電流,將熔絲燒斷,管子不能通導,稱為“1”。這種芯片可作為通用器件提供用戶,在研製定型後再將內容寫入(俗稱燒入)PROM芯片。

(3)可重寫編程型EPROM。

這是一種最常用的隻讀存儲器芯片,幾乎所有的計算機係統中都應用它。最常用的浮柵型EPROM,它的每一位是一個浮柵型MOS管,其柵極被埋在很薄的絕緣層中,不往外引出,所以叫做浮。芯片的初始狀態是浮騰不帶電,管子不能通導,稱為全1。當需要寫人信息“0”時,對芯片加高壓(如25伏,具體數值應查手冊),絕緣層被瞬時擊穿,有電子注

入浮柵,在兩極間形成導電溝道,管子通導。+25伏電壓撤消後,浮柵中的電子不能穿越絕緣層泄放掉,相應地管子可在+5伏電源下通導,保持“0”。在正常工作電壓+5伏下,也不能向不帶電的浮柵注入電子,即不能寫入隻能讀出。如果要擦除芯片所存信息,可將芯片放在紫外線燈下照射10-20分鍾,浮柵中的電子從紫外線中得到能量,就能穿越絕緣層泄放掉,存儲信息回到初始狀態(全“1”)。這樣就可以在25伏下重新寫入。簡而言之,在高壓下寫入,在低壓下隻讀不,寫,在紫外線照射下擦除。

4半導體存儲芯片舉例

應用集成電路技術,能在一塊芯片上製造出許多位存儲單元,我們使用幾塊芯片就能構成相當大容量的主存儲器。在芯片內部將眾多的存儲單元排列成矩陳結構,分成若幹行、若幹例。下麵舉三個實例:

Intel公司生產的存儲芯片2114A,每片內共有4096位,組成1024x4位即IKx4位,024個單元,每個單元4位可用2片2114芯片組成1K字節。芯片是18腳封裝,如圖5-13示。1K單元的存儲空間,需要10位地址線A9~A。雙向數據線I/O,-I/O1,數據輸入與輸出都經過這四條線;片選^為低表示本芯片被選中,為低表示將數據寫入芯片,訪瓦為高表示從芯片中讀出數據。

Intel公司生產的41e4芯片是動態存儲器芯片,每片64K位,結構是64Kxl位,即64K單元,每單元1位,可用8塊4164芯片組成64K字節的存儲器。為了用8條地址線提供16位地址,訪問64K空間,采用複用技術,即隻設8條地址線A,-An.當行選信號R—低時,這8條地址線提供8位行地址,送入芯片內部的行地址鎖存器。當列選信號為低時,這8條地址線提供8位列地址,送入芯片內的列地址鎖存器i。D:為數據輸入端,D。為數據輸出端,經過變換也可以合並連到雙向數據總線上。片選與讀寫控製功能與上例相同,此外引腳1為自動刷新控製端。

5.半導體存儲器邏輯設計

存儲器邏輯的核心是尋址邏輯,即如何根據地址碼尋找所要訪問的存儲單元。下麵將結合一個例子說明半導體存儲器還輯設計的方法,怎樣用存儲芯片組成一定容量的存儲器。當然,對於初學者這可能有一定的困難,本節隻要求大$對一個半導體存儲器的組成及原理有一基本了解。

例:用2114(1KX4)芯片組成一個4Kx8的存儲器,並掛接於係統總線上。地址總線A15-A0,雙向數據總線D7~D8,控製信號R/f為高時,讀存儲器,為低時寫入存儲器。

(1)芯片數與連接方式。

共需4x2=8片。

由於每片2114隻有4位,需要兩片才能並聯為8位,即一個字節。一片的數據線與數據總線高四位相連,另一片與低四位相連。這兩片采用公共的地址線輸入,同時被選中,所以共用一個片選信號。

一片2114隻有1K空間,現在主存容量為4K,所以需要四組或者說四個模塊。低10位地址是用來選擇芯片內1K單元之一的,應作為公共地址輸入到每個2114芯片上。高位地址是用來選擇四組芯片之一,即選擇某一對芯片。高位地址經譯碼後產生不同片選信號,分別送至四組芯片。對應於某一地址碼,有一個片選信號有效,選中一組芯片。

(2)地址分配與片選邏輯。

究竟地址線怎樣連接?片選邏輯又如何確定呢?我們采取這樣一種設計思路:分析每一組芯片的容量,據此確定其地址輸入,剩下的高位地址按順序編碼確定片選邏輯。

(3)雙向數據線,!高4位和低4位與芯片相連。

(4)控製信號R/W,送往每一探片。

畫出邏輯圖。用一個2-4譯碼電路產生片選信號,即輸入二位地址與Aid,譯碼輸出四根片選信號CSo-CS3,對應每一輸入地址碼,四個片選信號中隻有一個有效,選中一組(2片)芯片。

6.動態存儲器的刷新

如前所述,動態存儲器芯片存儲信息的原理是靠電容存儲電荷,為了補充逐漸泄放掉的電荷,需要進行動態刷新。刷新的基本方法是讓每個芯片按行讀出並將讀出的內容重寫回去。當CPU訪問存儲器時,是由程序計數器PC提供指令地址,由指令提供操作數地址,它們是隨機的。而按行刷新時,需要提供行地址,讀寫內容也與執行程序不同,所以需要將存儲器的讀/寫周期與刷新周期分開。在讀/寫周期,按程序需要訪問存儲器;在刷新周期,由刷新地址計數器提供地址,按行刷新存儲器。

三、磁表麵存儲器記錄方式

在磁盤與磁帶存儲器中,用來記錄信息的是一層很薄的磁性材料,這種材料被磁化後會留下較強的剩磁,去掉磁化電流後,磁化狀態能夠長久地保持不變,如果不予以清除或進行新的磁化,所記錄的信息就能長久地保持在盤片上或磁帶上。所用的這種磁性材料稱為矩磁材料,其磁化特性曲線呈矩形回線狀。

為了進行磁化,需要一個記錄磁頭,形狀如圖5—17所沄。磁頭上繞有一個磁化線圈,磁頭的頭部有一個很小的間隙,使磁通可以流經磁頭下方的記錄磁層,將磁頭作用下的局部磁層磁化,留下一個相應的磁化區。電流方向變化,磁層上磁化方向也就改變。當記錄了信息的磁盤或磁帶經過讀出磁頭時(磁頭形狀與寫頭相似),由於磁層上剩磁磁通的變化,就會在讀磁頭的線圈中產生感應電勢,這個感應電勢就是讀出信號,經過放大後可以識別出磁層所記錄的信息。

怎樣定義磁化狀態(記錄狀態)的0與1呢?或者說,為了記錄某一組代碼,寫磁頭中的磁化電流應具有怎樣的電流波形呢?這稱為記錄方式。磁記錄方式已經經曆了許多變化,現在仍處於改進之中。最初是以正向磁飽和與負向磁飽和表示1或0,後來改進為以磁化狀態變與不變、變化相位(方向)、變化頻率不同來表示1或0,相應有不歸零-1製、調相製、調頻製及改進調頻製。給出了四種記錄方式的寫入電流波形圖,假定記錄代碼為001101。