存储系统及半导体存储器(1)

第七章 半导体存储器数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。

存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。

半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。

目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。

存储器——用以存储一系列二进制数码的器件。

半导体存储器的分类根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM —Random Access Memory ）和只读存储器（ROM —Read-Only memory ）。

按照存储机理的不同，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。

存储器的容量存储器的容量=字长（n ）×字数（m ）7.1随机存取存储器（RAM ）随机存取存储器简称RAM ，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。

RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。

一． RAM 的基本结构由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。

存储矩阵读/写控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入图7.1—1 RAM 的结构示意框图1. 存储矩阵RAM 的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。

图7.1—5所示是1024×1位的存储矩阵和地址译码器。

属多字1位结构，1024个字排列成32×32的矩阵，中间的每一个小方块代表一个存储单元。

为了存取方便，给它们编上号，32行编号为X 0、X 1、…、X 31，32列编号为Y 0、Y 1、…、Y 31。

这样每一个存储单元都有了一个固定的编号（X i 行、Y j 列），称为地址。

11113131131********列 译 码 器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......X X X Y Y Y 0131131A A A A A A A A A A 地 址 输 入地址输入0123456789D D数据线....图7.1－5 1024×1位RAM 的存储矩阵2． 址译码器址译码器的作用，是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。

半导体存储器的原理半导体存储器是一种用于存储和检索数据的主要电子器件，常见的半导体存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

半导体存储器的原理是基于半导体材料的导电性能以及电荷在其中的存储能力。

半导体存储器通常由一组存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位（bit）的数据。

一个存储单元由一个晶体管和一个电容器构成，晶体管用于控制读或写操作，而电容器则用于存储数据。

在RAM中，存储单元使用晶体管和电容器的组合来存储数据。

每个存储单元有一个控制线（Word Line）和一个位线（Bit Line），通过激活控制线和位线的组合，可以选择和操纵特定的存储单元。

当我们想在RAM中写入数据时，首先要将相关的地址和数据信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑根据传递的信号确定要写入的存储单元，然后将数据写入对应的存储单元中。

当需要读取数据时，通过将地址信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑会找到对应的存储单元，并将该存储单元中的数据传递给输出引脚。

在ROM中，存储单元包含一个或多个可编程的开关，这些开关用于控制存储单元的导通状态。

在制造ROM芯片时，有选择性地烧写或编程存储单元的导通状态，使得这些开关可以表示不同的二进制位。

一旦存储单元的导通状态确定，它就无法再次改变。

因此，ROM存储的是固化的数据，不可修改。

半导体存储器之所以能够存储和检索数据，是因为半导体材料具有导电性和非易失性。

导电性是指材料在受到电场激励时能够通过电子传导产生电流，这是由于半导体材料中的载流子（电子和空穴）的存在。

非易失性是指数据在断电后仍然保持不变，这是由于存储单元中的电荷在断电后能够保持在电容器中。

通过合理的控制和设计，半导体存储器可以长时间保存数据而不需要持续提供电力。

半导体存储器具有许多优点，例如快速的读写速度、低功耗、体积小、可靠性高等。

这使得半导体存储器在计算机和电子设备中得到了广泛的应用。

例如，RAM 用于计算机的主存储器，可临时保存正在运行的程序和数据，而ROM用于存储系统的基本程序和指令，例如BIOS。

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：I 融+n 右西方性翼静态（SRAM ）（六管MO 白静态存储单元） 随机存取存储器〔^^'｛动态侬^1口3网又单管、三管动态则□吕存储单元） 一固定艮cmil 二极管、M 口号管） 可编程RDM （PROM ）［三极管中熠丝上可擦除可编程ROM （EPROM ）［叠层栅管、雪崩j1-电可擦除可编程良口财（EEPROM^【叠层栅管、隧道）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。

半导体存储器的分类及应用半导体存储器主要分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。

1. 随机存储器（RAM）：RAM是一种易失性存储器，其中存储的数据在断电后会丢失。

RAM主要用于临时存储计算机的运行数据和程序。

根据存储单元的结构，RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。

- 静态随机存储器（SRAM）：SRAM由触发器构成，每个存储单元需要多个晶体管和电容器来存储一个位。

SRAM具有快速访问速度和较低的功耗，常用于高速缓存、寄存器文件和缓冲存储器等。

- 动态随机存储器（DRAM）：DRAM由电容器和晶体管构成，每个存储单元只需要一个电容器和一个晶体管来存储一个位。

DRAM的存储单元较小，但在每次读取数据后需要刷新电容器，因此访问速度相对较慢。

DRAM广泛应用于主存储器（内存）和图形存储缓冲区等。

2. 只读存储器（ROM）：ROM是一种非易失性存储器，其中存储的数据在断电后不会丢失。

ROM主要用于存储不需要频繁修改的固定数据，例如计算机的固件程序、启动代码和存储器初始化信息等。

根据存储单元的可编程性，ROM可分为可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。

- 可编程只读存储器（PROM）：PROM的存储单元由固定的晶体管和电容器组成，存储内容不能被修改。

- 可擦除可编程只读存储器（EPROM）：EPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过曝光紫外光擦除并重新编程。

EPROM的擦除程序相对麻烦。

- 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）：EEPROM的存储单元由浮栅晶体管（FET）和电容器组成，可以通过电信号擦除和编程。

EEPROM的擦除和编程过程相对容易，且可以单独对存储单元进行操作。

半导体存储器广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域，包括但不限于以下几个应用：- 主存储器（内存）：作为计算机的主要存储器，用于存储正在执行的程序和运行数据。

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。