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1、第6章 半导体存储器,主要内容:存储器及半导体存储器的分类随机读写存储器（RAM）只读存储器（ROM）存储器的扩展,6.1 存储器及半导体存储器的分类,存储器是计算机用来存储信息的部件。6.1.1 存储器的分类按存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器和外存储器。内存：把通过系统总线直接与CPU相连的存储器称为内存储器，简称内存。特点：具有一定容量、存取速度快，且掉电数据将丢失。作用：计算机要执行的程序和要处理的数据等都必须事先调入内存后方可被CPU读取并执行。,外存：把通过接口电路与系统相连的存储器称为外存储器，简称外存，如硬盘、软盘和光盘等。特点：存储容量大而存取速度较慢，且掉电数据不
2、丢失。作用：外存用来存放当前暂不被CPU处理的程序或数据，以及一些需要永久性保存的信息。通常将外存归入计算机外部设备，外存中存放的信息必须调入内存后才能被CPU使用。早期的内存使用磁芯。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，所以在微型计算机中，目前内存一般都使用半导体存储器。,寄存器,Cache,主存储器,辅助存储器(磁盘),大容量存储器(磁带),外存储器,内存储器,存储系统的层次结构,外存平均访问时间ms级 硬盘910ms 光盘80120ms,内存平均访问时间ns级 SRAM Cache15ns SDRAM内存715ns EDO内存6080ns
3、EPROM存储器100400ns,6.1.2 半导体存储器的分类从应用角度可将半导体存储器分为两大类：随机存取存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。RAM是可读、可写的存储器，CPU可以对RAM的内容随机地读写访问，RAM中的信息断电后即丢失。ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失，常用来存放不需要改变的信息(如某些系统程序)，信息一旦写入就固定不变了。,根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。双极型存储器存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的
4、高速缓冲存储器,低阻抗、电流控制的器件；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器，高输入阻抗、电压控制的器件。MOS型存储器按信息存放方式又可分为静态RAM(Static RAM，简称SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM，简称DRAM)。,只读存储器ROM在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入存储器。目前常见的有：掩膜式ROM，用户不可对其编程，其内容已由厂家设定好，不能更改；可编程ROM(Programmable ROM，简称PROM)，用户只能对其进行一次编程，写入后不能更改；可擦除的PROM(Erasable PROM，简称EPR
5、OM)，其内容可用紫外线擦除，用户可对其进行多次编程；电擦除的PROM(Electrically Erasable PROM，简称EEPROM或E2PROM)，能以字节为单位擦除和改写。,静态RAM,动态RAM,MOS型,双极型,不可编程掩膜,存储器 MROM,可编程存储器,PROM,可擦除、可再,编程存储器,紫外线擦除的,EPROM,电擦除的,E,2,PROM,随机读写,存储器RAM,只读存储器,ROM,半导体,存储器,图6.1 半导体存储器的分类,6.1.3 半导体存储器的主要技术指标 1存储容量(1)用字数位数表示，以位为单位。常用来表示存储芯片的容量，如1K4位，表示该芯片有1K个单元
6、(1K=1024)，每个存储单元的长度为4位。(2)用字节数表示，以字节为单位，如128B，表示该芯片有 128个单元，每个存储单元的长度为8位。其中，1KB210B1024B；1MB220B1024KB；1GB230Bl024MB；1TB240B1024GB。显然，存储容量越大，所能存储的信息越多，计算机系统的功能便越强。,2存取时间 存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读命令开始，直到将被选单元的内容读出为止所用的时间。显然，存取时间越小，存取速度越快。3存储周期 连续启动两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需要的
7、最短间隔时间称为存储周期。它是衡量主存储器工作速度的重要指标。一般情况下，存储周期略大于存取时间。,4功耗 功耗反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的程度。5可靠性 可靠性一般指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures)来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越强。,6集成度集成度指在一块存储芯片内能集成多少个基本存储电路，每个基本存储电路存放一位二进制信息，所以集成度常用位/片来表示。7性能/价格比 性能/价格比(简称性价比)是衡量
8、存储器经济性能好坏的综合指标，它关系到存储器的实用价值。其中性能包括前述的各项指标，而价格是指存储单元本身和外围电路的总价格。,6.1.4 半导体存储器芯片的基本结构,地址译码器,存储矩阵,控制逻辑,A,0,A,1,A,n,三态数据,缓冲器,D,0,D,1,D,N,W,/,R,CS,图6.2 半导体存储器组成框图,地址译码方式 单译码方式,图6.3 单译码方式,地,址,译,码,器,0,1,2,3,15,A,0,A,1,A,2,A,3,选择线,存储体,数据缓冲器,控制,电路,4位,I/O,0,I/O,3,双译码方式,三,态,双,向,缓,冲,器,32321024,存储矩阵,10241,控制电路,Y
9、向译码器,A,5,A,6,A,7,A,8,A,9,Y,0,Y,1,Y,31,X,0,X,1,X,2,X,31,X,向,译,码,器,A,0,A,1,A,2,A,3,A,4,I/O(1位),图6.4 双译码方式,图6.5 六管静态RAM存储电路,电路中V1、V2为工作管，V3、V4为负载管，V5、V6为控制管。其中，由V1、V2、V3及V4管组成了双稳态触发器电路，V1和V2的工作状态始终为一个导通，另一个截止。V1截止、V2导通时，A点为高电平，B点为低电平；V1导通、V2截止时，A点为低电平，B点为高电平。,特点：读写速度快，所用管子数目多，单个器件容量小，V1、V2总有一个处于到通状态，功耗
10、较大,Intel,2114,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,Intel,2114,A,6,A,5,A,4,A,3,A,0,A,1,A,2,GND,I/O,4,I/O,3,I/O,2,I/O,1,A,9,A,8,A,7,V,CC,(,a,),A,0,A,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,7,A,8,A,9,(,b,),I/O,2,I/O,3,I/O,4,I/O,1,图6.6 Intel 2114引脚及逻辑符号(a)引脚；(b)逻辑符号,6.2 随机读写存储器(RAM),6.2.1 静态RAM Intel 2114 SRAM芯
11、片 Intel 2114 SRAM芯片的容量为1K4位，18脚封装，+5V电源，芯片内部结构及芯片引脚图和逻辑符号分别如图6.5和6.6所示。由于1K44096，所以Intel 2114 SRAM芯片有4096个基本存储电路，将4096个基本存储电路排成64行64列的存储矩阵，每根列选择线同时连接4位列线，对应于并行的4位,从而构成了64行16列=1K个存储单元，每个单元有4位。,存储矩阵,地址译码器,地址寄存器,地址总线,读写放大器,数据寄存器,数据总线,控制电路,OE,WE,CE,SRAM芯片的结构,A,3,A,4,A,5,A,6,A,7,A,8,行,地,址,译,码,存储矩阵,6464,列
12、选择,A,0,A,1,A,2,A,9,输入,数据,控制,I/O,1,&,1,&,2,I/O,2,I/O,3,I/O,4,列I/O电路,图6.5 Intel 2114内部结构,图 四管动态RAM存储电路,6.2.2 动态RAM,6.2.2 动态RAM Intel 2164A动态RAM芯片 Intel 2164A芯片的存储容量为64K1位，采用单管动态基本存储电路，每个单元只有一位数据，其内部结构如图6.7所示。2164A芯片的存储体本应构成一个256256的存储矩阵，为提高工作速度(需减少行列线上的分布电容)，将存储矩阵分为4个128128矩阵，每个128128矩阵配有128个读出放大器，各有一
13、套I/O控制(读/写控制)电路。,存储矩阵,地址总线,I/O缓冲器,数据总线,读写控制/动态刷新电路,RAS#,DRAM芯片的结构,地址锁存器,CAS#,WE#,DRAM的特点:所用管子少，芯片位密度高功耗小需要刷新存取速度慢,DRAM主要用来做内存,8位,地址,锁存器,A,0,A,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,7,128128,存储矩阵,128个读出放大器,1/2(1/128,列译码器),128个读出放大器,128128,存储矩阵,1/128行,译码器,1/128行,译码器,128128,存储矩阵,128个读出放大器,1/2(1/128,列译码器),128个读出放大器,12
14、8128,存储矩阵,1/4,I/O门,输出,缓冲器,D,OUT,V,SS,V,DD,行时钟,缓冲器,列时钟,缓冲器,写允许,时 钟,缓冲器,数据输入,缓冲器,D,IN,图6.7 Intel 2164A内部结构示意图,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,NC,D,IN,V,SS,A,0,A,2,A,1,V,DD,D,OUT,A,6,A,3,A,4,A,5,A,7,D,IN,A,7,A,0,D,OUT,A,7,A,0,V,SS,V,DD,地址输入,列地址选通,行地址选通,写允许,5,地,(,a,),(,b,),图6.8 Intel 2164A引脚与逻辑符号
15、(a)引脚；(b)逻辑符号,6.3 只读存储器(ROM),6.3.1 掩膜式只读存储器(MROM),图6.9 掩膜式ROM示意图,表6.1 掩膜式ROM的内容,6.3.2 可编程只读存储器(PROM),字线,位线D,i,V,CC,图6.10 PROM存储电路示意图,6.3.3 可擦除、可再编程的只读存储器,1EPROM和E2PROM,图6.11 SIMOS型EPROM(a)SIMOS管结构；(b)SIMOS EPROM元件电路,2Intel 2716 EPROM芯片 EPROM芯片有多种型号，常用的有2716(2K8)2732(4K8)2764(8K8)27128(16K8)27256(32K
16、8)等。1)2716的内部结构和外部引脚2716 EPROM芯片采用NMOS工艺制造，双列直插式24引脚封装。其引脚、逻辑符号及内部结构如图6.15所示。,Intel,2716,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,O,0,O,1,O,2,GND,O,3,O,4,O,5,O,6,O,7,PD/PGM,A,10,V,CC,A,8,A,9,V,PP,(,a,),Intel,2716,石英窗口,A,0,A,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,
17、A,7,A,8,A,9,A,10,PD/PGM,O,0,O,1,O,2,O,3,O,4,O,5,O,6,O,7,(,b,),列译码,行译码,A,10,A,0,地址输入,读出放大,2 K8位,存储矩阵,输出缓冲器,数据输出端,O,7,O,0,片选，功率下降,和编程逻辑,PD/PGM,(,c,),V,PP,GND,V,CC,图6.12 Intel 2716的引脚、逻辑符号及内部结构(a)引脚；(b)逻辑符号；(c)内部结构,表6.1 常用的EPROM芯片,3.Intel 2816 E2PROM芯片 Intel 2816是2K8位的E2PROM芯片，有24条引脚，单一+5 V电源。其引脚配置见图6.13。,Intel,2816,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,I/O,0,GND,A,10,V,CC,A,8,A,9,I/O,1,I/O,2,I/O,7,I/O,6,I/O,5,I/O,4,I/O,3,A,1,0,A,0,I/O,7,I,/O,0,地址引脚,输出允许,数据输入/输出,片选信号,写允许,图6.13 Intel 2816的引脚,表6.2 常用的E2PROM芯片,
