第4章半导体存储器

第7章半导体存储器内容提要半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。

（2）各种存储器的存储单元。

（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。

（4）半导体存储器芯片的应用。

教学基本要求掌握：（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。

（2）存储器的技术指标。

（3）用ROM实现组合逻辑电路。

理解SAM、RAM和ROM的工作原理。

了解：（1）动态CMOS反相器。

（2）动态CMOS移存单元。

（3）MOS静态及动态存储单元。

重点与难点本章重点：（1）SAM、RAM和ROM的功能。

（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。

（3）用ROM实现组合逻辑电路。

本章难点：动态CMOS反相器、动态CMOS移存单元及MOS静态、动态存储单元的工作原理。

7.1 半导体存储器及分类半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的重要组成部分。

半导体存储器分类如下：按制造工艺分，有双极型和MOS型两类。

双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。

MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。

按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）三类。

（1）顺序存取存储器（简称SAM）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。

（2）随机存取存储器（简称RAM）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。

根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将随机存储器分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。

DRAM存储单元结构非常简单，它所能达到的集成度远高于SRAM。

（3）只读存储器（简称ROM）：信息被事先固化到存储器内，可以长期保留，断电也不丢失。

它在正常运行时，只能读出信息，而不能写入。

只读存储器有固定ROM和可编程ROM两类。

计算机原理第四章存储系统课堂笔记及练习题主题：第四章存储系统学习时间：2016年10月24日--10月30日内容：一、学习要求这周我们将学习第四章存储系统的相关内容。

通过本章的学习要求了解主存储器的主要技术指标、理解存储器的层次结构及分类，加深对半导体随机读写器相关知识的理解。

二、主要内容（一）存储系统概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是计算机系统的重要组成部分之一。

存储器有主存储器和辅助存储器之分，主存储器（简称主存）处于全机中心地位，直接与CPU交换信息；辅助存储器（简称辅存）或称为外存储器（简称外存）通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据，在程序执行过程中，每条指令所需的数据及取下一条指令的操作都不能直接访问辅助存储器，需要通过主存储器与CPU交换信息。

（二）主存储器的主要技术指标主存储器的主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。

计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，一个存储字所包括的二进制位数称为字长。

主存储器的另一个重要的性能指标是存储器的速度，一般用存储器存取时间和存储周期来表示。

存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。

通常，存储周期略大于存取时间。

（三）存储器的层次结构对存储器的要求是“大容量、高速度、低成本”，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。

一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。

主存-辅存层次，满足了存储器的大容量和低成本需求。

cache-主存层次，解决了速度与成本之间的矛盾。

现代大多数计算机同时采用主存-辅存和cache-主存这两种存储层次，构成cache-主存-辅存三级存储层次，如下图所示。

CPU能直接访问的存储器称为内存储器，包括cache和主存储器。

第四章存储器一、填空题1. 计算机中的存储器是用来存放的,随机访问存储器的访问速度与无关.√2。

主存储器的性能指标主要是、存储周期和存储器带宽。

√3。

存储器中用来区分不同的存储单元，1GB= KB。

√4。

半导体存储器分为、、只读存储器(ROM)和相联存储器等。

√5. 地址译码分为方式和方式.√6。

双译码方式采用个地址译码器，分别产生和信号。

√7。

若RAM芯片内有1024个单元，用单译码方式，地址译码器将有条输出线；用双译码方式,地址译码器有条输出线。

√8. 静态存储单元是由晶体管构成的，保证记忆单元始终处于稳定状态，存储的信息不需要。

√9. 存储器芯片并联的目的是为了 ,串联的目的是为了。

10. 计算机的主存容量与有关，其容量为。

11。

要组成容量为4M×8位的存储器,需要片4M×1位的存储器芯片并联，或者需要片1M×8位的存储器芯片串联。

12. 内存储器容量为6K时，若首地址为00000H,那么末地址的十六进制表示是。

13 主存储器一般采用存储器件，它与外存比较存取速度、成本。

14 三级存储器系统是指这三级、、。

15 表示存储器容量时KB= ,MB= ;表示硬盘容量时,KB= ，MB= 。

16一个512KB的存储器，其地址线和数据线的总和是。

17 只读存储器ROM可分为、、和四种.18 SRAM是；DRAM是；ROM是；EPROM是。

19半导体SRAM靠存储信息，半导体DRAM则是靠存储信息。

20半导体动态RAM和静态RAM的主要区别是。

21MOS半导体存储器可分为、两种类型，其中需要刷新。

22 广泛使用的和都是半导体③存储器。

前者的速度比后者快，但不如后者高，它们的共同缺点是断电后保存信息.23 EPROM属于的可编程ROM，擦除时一般使用，写入时使用高压脉冲.24 单管动态MOS型半导体存储单元是由一个和一个构成的。

25 动态半导体存储器的刷新一般有、和三种方式。

半导体存储器的组成与基本结构
半导体存储器的组成与基本结构
1 半导体存储器是由多种元件以及组件组成的，包括：
(1) 存储元件：用于空间上存储信息的元件，包括行选择元件、门电极、存取道和存储单元；
(2) 读写元件：与存储元件有关的元件，用于读取或写入存储元件中
的信息，包括数据信号电极和控制信号电极；
(3) 连接元件：用于彼此连接存储元件、读写元件和外部接口的元件，包括连接电路和接口；
(4) 功能组件：控制与调节半导体存储器工作的元件，包括电源、锁
存器和计时器；
(5) 封装元件：用于保护内部机构结构，提供与外界连接的元件，包
括封装、连接器和防火片；
2 半导体存储器的基本结构有：
(1) 存储元件：存储元件通常包括门电极、存取道和存储单元，采用
多位或多级结构空间上存储信息；
(2) 读写元件：读写元件与存储元件有关，利用电声的静电双向效应
实现存取动作，包括数据信号电极和控制信号电极；
(3) 连接元件：连接元件用于连接存储元件与读写元件，以及外部的
接口，包括连接电路和接口；
(4) 功能组件：功能组件用于控制与调节半导体存储器的工作，包括
电源、锁存器和计时器；
(5) 封装元件：封装元件用于提供与外界连接，保护内部机构结构，常见的封装元件有封装、连接器和防火片。

说明半导体存储器的发展过程
半导体存储器是指利用半导体材料制造的存储器，它的出现标志着计算机技术的重大进步。

半导体存储器的发展历程大致可以分为以下几个阶段：
第一阶段：早期存储器
早期的存储器采用的是磁鼓、磁带等机械存储器，这些存储器体积大、速度慢、功耗高、可靠性差，很难适应计算机技术的发展需求。

第二阶段：静态随机存储器(SRAM)
静态随机存储器(SRAM)是美国贝尔实验室于1965年发明的。

相对于机械存储器，SRAM具有存储速度快、功耗低、可靠性高等优点，成为当时最先进的存储器之一。

第三阶段：动态随机存储器(DRAM)
动态随机存储器(DRAM)是在SRAM的基础上发展起来的。

它采用了循环刷新技术，可以大幅度降低功耗，同时存储容量也比SRAM更大，成为当时最主流的存储器类型。

第四阶段：闪存存储器
闪存存储器是在1980年代初期出现的，它采用快闪技术，可以使存储器具有非易失性，同时还具有耐用性、速度快等特点。

闪存存储器已经成为现代计算机领域中最为普及的存储技术之一。

第五阶段：新型存储器
目前，新型存储器技术正在不断涌现。

例如，非易失性存储器(NVM)、相变存储器(PCM)、阻变存储器(RRAM)等多种新型存储器技术
的研究已经取得了许多进展，为未来计算机技术的发展提供了有力的支持。

总结：半导体存储器的发展过程经历了从机械存储器到SRAM、DRAM再到闪存存储器的演变，同时不断涌现着新型存储器技术，为计算机技术的发展提供了不断的支持。

第4章存储器系统引入：电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。

随着计算机的广泛应用，人类社会生活的各个方面都发生了巨大的变化。

特别是微型计算机技术和网络技术的高速发展，计算机逐渐走进了人们的家庭，正改变着人们的生活方式。

计算机逐渐成为人们生活和工作不可缺少的工具，掌握计算机的使用也成为人们必不可少的技能。

本章知识要点：1）存储器的分类和三层体系结构2）RAM、ROM芯片的结构、工作原理3）存储器的扩展方法4）高速缓冲存储器技术5）虚拟存储器技术6）存储保护4.1 存储器概述4.1.1 存储器的分类在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。

存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和数据的，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。

存储器的种类很多，常用的分类方法有以下几种。

一、按其用途分（1）内存储器内存储器又叫内存，是主存储器。

用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。

CPU可以对他直接访问，存取速度较快。

（2）外存储器外存储器又叫外存，是辅助存储器。

外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。

外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也可以保存。

存取速度较慢，要用专用的设备来管理。

计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中,（内存不够是也可以放在外存中）程序的最终结果存入外部存储器。

二、按存储介质分（1）半导体存储器早期的半导体存储器，普遍采用典型的晶体管触发器和一些选择电路构成的存储单元。

现代半导体存储器多为用大规模集成电路工艺制成的一定容量的芯片，再由若干芯片组成大容量的存储器。

半导体存储器又分为双极型半导体存储器和MOS 型半导体存储器。

（2）磁表面存储器再金属或非金属基体的表面上，涂敷一层磁性材料作为记录介质，这层介质称为磁层。

半导体存储器是计算机和电子设备中常用的内部存储器类型，根据不同的特性和用途，可以分为多种分类。

以下是常见的半导体存储器分类：1.RAM（随机存取存储器）：SRAM（静态随机存取存储器）：使用触发器构建，读写速度快，但需要较多的芯片面积和功耗。

DRAM（动态随机存取存储器）：基于电容的存储单元，需要定期刷新，但相对较高的存储密度使其成为主流内存选项。

2.ROM（只读存储器）：PROM（可编程只读存储器）：用户一次性编程，无法擦除或重新编程。

EPROM（可擦除可编程只读存储器）：需要特殊设备进行擦除，然后重新编程。

EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可通过电子擦除和编程，较为灵活，但擦写次数有限。

Flash 存储器：类似于EEPROM，但支持块擦除，用于各种应用，包括闪存驱动器、存储卡和固态硬盘。

3.Cache 存储器：L1、L2、L3 Cache：位于处理器内部的高速缓存，用于加速数据访问。

缓存存储器层次结构：不同级别的缓存通过层次结构来平衡速度和容量。

4.寄存器文件：寄存器组：在CPU 内部的小型存储器单元，用于存储指令、数据和控制信号。

5.存储卡和存储棒：SD 卡、MicroSD 卡、USB 存储棒等：用于移动设备和计算机的便携式存储。

6.堆栈存储器：堆栈内存：用于存储函数调用、局部变量和返回地址等，通常遵循先进后出（LIFO）原则。

7.内存芯片：内存芯片：集成了多个存储单元，通常作为外部存储器使用。

这些存储器类型在不同的应用场景中具有不同的特点和用途。

随着技术的发展，各类存储器不断优化和演进，以满足日益复杂的计算和数据存储需求。

第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。

CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。

辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。

Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。

RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。

SRAM：静态半导体随机存取存储器。

DRAM：动态半导体随机存取存储器。

ROM：掩膜式半导体只读存储器。

由芯片制造商在制造时写入容，以后只能读出而不能写入。

PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入容，只能写入一次。

EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。

需要修改容时，现将其全部容擦除，然后再编程。

擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。

EEPROM：电擦写可编程只读存储器。

CDROM：只读型光盘。

Flash Memory：闪速存储器。

或称快擦型存储器。

2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。

答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。

按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。

3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

半导体存储器一．存储器简介存储器（Memory）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。

在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。

计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

存储器件是计算机系统的重要组成部分，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。

存储器（Memory）计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。

这些器件也称为记忆元件。

在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。

记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。

日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。

计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。

由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。

一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。

每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。

一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。

假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。

第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。

CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。

辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。

Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。

RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。

SRAM：静态半导体随机存取存储器。

DRAM：动态半导体随机存取存储器。

ROM：掩膜式半导体只读存储器。

由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。

PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。

EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。

需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。

擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。

EEPROM：电擦写可编程只读存储器。

CDROM：只读型光盘。

Flash Memory：闪速存储器。

或称快擦型存储器。

2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。

答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。

按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。

3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

第4章主存储器一、选择题（每题3.5分）1．动态半导体存储器的特点是（）A．在工作中存储器内容会产生变化B．每次读出后，需要根据原存内容重新写入一遍C．每隔一定时间，需要根据原存内容重新写入一遍D．在工作中需要动态地改变访存地址【答案】C2.某SRAM芯片，存储容量为64K×16位，该芯片的地址线和数据线数目为______。

A 64，16B 16，64C 64，8D 16，16 。

【答案】D3.交叉存贮器实质上是一种______存贮器，它能_____执行______独立的读写操作。

A 模块式，并行，多个B 模块式串行，多个C 整体式，并行，一个D 整体式，串行，多个【答案】A4. EPROM是指______。

A. 读写存储器B. 只读存储器C. 可编程的只读存储器D. 光擦除可编程的只读存储器【答案】D5.存储器是计算机系统的记忆设备，主要用于______。

A.存放程序B.存放软件C.存放微程序D.存放程序和数据【答案】D6. 外存储器与内存储器相比，外存储器______。

A.速度快，容量大，成本高B.速度慢，容量大，成本低C.速度快，容量小，成本高D.速度慢，容量大，成本高【答案】B7. 一个256K×8的存储器，其地址线和数据线总和为______。

A.16B.18C.26D.20【答案】C8.某存储器芯片的存储容量为8K×12位，则它的地址线为____。

A.11B.12C.13D.14 【答案】C9. 某一SRAM芯片，其容量为512×8位，考虑电源端和接地端，该芯片引出线的最小数目应为______。

A.23B.25C.50D.19【答案】D10.存储器是计算机系统的记忆设备，它主要用来（）。

A.存放数据B.存放程序C.存放数据和程序D.存放微程序【答案】C11.内存若为16MB，则表示容量为（）KB。

A.16B.16384C.1024D.16000【答案】B12.下列说法正确的是（）。