第6章 半导体存储器分析

第6章半导体存储器
精品
数字电路与逻辑设计
6.1 概述
半导体存储器 ：用于储存大量二进制数据的半导 体器件，它是由存储单元矩阵构成。 位（bit）：二进制中的一个数码，它是半导体存储器中存 储数据的最小单位。 字节（Byte）：8位（bit）二进制数。
半字节（nibble）：一个字节分为两组，4位为半个字节 字（word）：一个完整的信息单位，通常一个 字包含一个或多个字节 。
（c）32x1 矩阵
32个存储单元的半导体存储器
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半导体存储器的重要指标：
1．存储容量
指存储器可以容纳的二进制信息量，以存储器中存储地址
寄存器（MAR， Memory Address Register）的编址数与存 储字位数的乘积表示，M位地址总线、N位数据总线的半导体 存储器芯片的存储容量为2M×N位。
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（2）DRAM（Dynamic RANDOM - ACCESS MEMORY ）
DRAM是利用MOS管的栅极对其衬底间的分布电容来保 存信息，以储存电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1” 和“0”。DRAM的每个存储单元所需的MOS管较少，可以由4 管、3管和单管MOS组成，因此DRAM的集成度较高、功耗也 低。但缺点是保存在DRAM中的信息——MOS管栅极分布电容 上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，一般信息保存时间 为2ms左右。为了保存DRAM中的信息，每隔1～2ms要对其刷 新一次，因此采用DRAM的计算机必须配置刷新电路。另外， DRAM的存取速度较慢，容量较大。一般微机系统中的内存都 采用DRAM 。
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半导体存储器由存储单元矩阵构成，每个存储单 元中要么是0，要么是1，每个矩阵单元可以通过行和 列的位置来确定 ，存储单元矩阵可以有几种不同的构 成形式。

6.1.2
ROM的种类 ROM的种类
掩模ROM 1. 掩模ROM 早期的ROM由半导体厂商按照某种固定线路制造的， ROM由半导体厂商按照某种固定线路制造的 早期的ROM由半导体厂商按照某种固定线路制造的， 制造好以后就只能读不能改变。这种ROM ROM适用于批量生产 制造好以后就只能读不能改变。这种ROM适用于批量生产 的产品中，成本较低，但不适用于研究工作。 的产品中，成本较低，但不适用于研究工作。 2. 可编程序的只读存储器PROM(Programmable ROM) 可编程序的只读存储器PROM(Programmable 为了便于用户根据自己的需要来写ROM ROM， 为了便于用户根据自己的需要来写ROM，就发展了 一种PROM 可由用户对它进行编程，但这种ROM PROM， ROM用户只能 一种PROM，可由用户对它进行编程，但这种ROM用户只能 写一次，目前已不常用。 写一次，目前已不常用。 可擦去的可编程只读存储器EPROM(Erasable 3. 可擦去的可编程只读存储器EPROM(Erasable PROM) 为了适应科研工作的需要，希望ROM能根据需要写， ROM能根据需要写 为了适应科研工作的需要，希望ROM能根据需要写， 也希望能把已经写上去的内容擦去，然后再写， 也希望能把已经写上去的内容擦去，然后再写，且能改 写多次，于是就生产了这种EPROM EPROM。 写多次，于是就生产了这种EPROM。
这种多级存储器体系结构， 这种多级存储器体系结构，较好地解决了存储容量要 大，速度要快而成本又比较合理的矛盾。 速度要快而成本又比较合理的矛盾。 前两种存储器也称为内存储器， 前两种存储器也称为内存储器，目前主要采用的是半 导体存储器。随着大规模集成电路技术的发展， 导体存储器。随着大规模集成电路技术的发展，半导体存 储器的集成度大大提高，体积急剧减小，成本迅速降低。 储器的集成度大大提高，体积急剧减小，成本迅速降低。 外部存储器，目前主要是磁介质存储器， 外部存储器，目前主要是磁介质存储器，其容量迅速 提高，现在的主流是几十GB的硬盘；其速度提高很快， GB的硬盘 提高，现在的主流是几十GB的硬盘；其速度提高很快，成 本也急剧下降， 本也急剧下降，使磁介质存储器成为微型计算机的主流外 存储器。另外，移动硬盘、只读光盘、 存储器。另外，移动硬盘、只读光盘、可擦除的光盘也迅 速发展。 速发展。

IN
SEL_L & WRL_L
D
Q
ENB
CP
OUT
IN OUT SEL WR
SRAM单元被组合成带有附加控制逻辑的 阵列中，形成完整的静态RAM。
DIN3
DIN2
DIN1
DIN0
0
⒈静态RAM 3-8 译码器
IN OUT SEL WR
IN OUT SEL WR
IN OUT SEL WR
IN OUT SEL WR
数据输出
WE
⒈静态RAM
静态RAM中存储单元的工作原理与D锁存 器类似，不同于边沿式D触发器。
即无论什么时候选中WE输入，所选存储 单元的锁存器总是打开的或是透明的，输 入数据流入或通过锁存器。所存储的实际 值是在锁存器关闭时存在的值。
⒈静态RAM
静态RAM通常只具有两种已定义的存储操 作：
通常用其存放固定的数据和程序，如计算机系统 的引导程序、监控程序、函数表、字符等。
只 读 存 储 器 为 非 易 失 性 存 储 器 (nonvolatile memory)，去掉电源，所存信息不会丢失。
分类
ROM按存储内容的写入方式，可分为
固定ROM 可 编 程 序 只 读 存 储 器 (Programmable Read Only Memory，简称PROM) 可 擦 除 可 编 程 序 只 读 存 储 器 (Erasable Programmable Read Only Memory ， 简 称 EPROM)。
例6输-1入 B3 B2 B1 B0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

半导体存储器
第6章 半导体存储器
存储器概述 各种存储器 存储器扩展 连接实例 80x86的存储器系统
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6.1 存储器概述
6.1.1 存储器系统
存储器系统层次结构示意图如图6-1所示。该系统由高 速缓存（cache）、主存、辅存三类存储器组成。三类 存储器构成了两个层次的存储系统。
图6-1 存储器系统的层次结构
图6-2 半导体存储器的分类
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6.1.3 半导体存储器的性能指标
微型计算机系统中,内存是用半导体存储器件来构成的, 人们习惯把存储器件简称为存储器。
半导体存储器的性能指标：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 易失性 只读性 位容量 速度 功耗 可靠性 价格
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6.2 各种存储器
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1．掩膜型 ROM 掩模型ROM中的信息是厂家根据用户给定的程序或数据对芯片图 形（掩膜）进行2次光刻而决定的，用户对这类芯片无法进行任何修 改。根据制造技术，掩模型ROM又可分为MOS型和双极型两种。 MOS型功耗小，但速度比较慢，微型机系统中用的ROM主要是这种 类型。双极型速度比MOS型快，但功耗大，只用在速度要求较高的系 统中。 在数量较少时，掩膜ROM的造价很贵，但是，如果进行批量生产， 那么，就相当便宜。 2．可编程PROM PROM（Programmable Read Only Memory）。这种ROM出 厂时，里面并没有写入信息，用户采用一定的设备可以对PROM中的 内容进行设置。和掩膜ROM一样，PROM中的内容一旦写入，就再 也不能改变。不过掩膜ROM中的信息是芯片制造时写入的，PROM 中的信息则一般是芯片出厂后由用户写入的。
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14 DOUT 13 A6 12 A3 11 A4 10 A5 9 VCC
第六章存储器
DRAM芯片2164
存储容量为64K×1
16个引脚：
8根地址线A7～A0 1根数据输入线DIN 1根数据输出线DOUT 行地址选通RAS* 列地址选通CAS* 读写控制WE*
NC 1
DIN 2 WE* 3
第六章存储器
5.3.1 EPROM
顶部开有一个圆形的石英窗口，用 于紫外线透过擦除原有信息
一般使用专门的编程器（烧写器） 进行编程
编程后，应该贴上不透光封条 出厂未编程前，每个基本存储单元
都是信息1 编程就是将某些单元写入信息0
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EPROM芯片2716
存储容量为2K×8
24个引脚：
每个基本存储单元存储二进制数一位 许多个基本存储单元形成行列存储矩阵
SRAM一般采用“字结构”存储矩阵：
每个存储单元存放多位（4、8、16等） 每个存储单元具有一个地址
第六章存储器
SRAM芯片2114
存储容量为1024×4 18个引脚：
10根地址线A9～A0 4根数据线I/O4～I/O1 片选CS* 读写WE*
RAS* 4
A0 5 A2 6 A1 7 GND 8
16 VSS 15 CAS*
14 DOUT 13 A6 12 A3 11 A4 10 A5 9 A7
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5.3 只读存储器
EPROM EPROM 2716 EPROM 2764
EEPROM EEPROM 2717A EEPROM 2864A
11根地址线A10～A0 8根数据线DO7～DO0 片选/编程CE*/PGM 读写OE* 编程电压VPP

�
(2)E2PROM存储单元 1个Flotox管与1个NMOS配合 使用,称为存储管和选通管,以 保证擦写可靠. 读出数据:字线加高电平, 控制栅加+3V,若浮置栅存有电 荷,则两电场方向相反,V1不导 通,读出1.若浮置栅未存电荷, 则控制栅使V1导通,读出0. 写入数据:字线为高,位线 为低,此时V1漏极基本是低电平, 在控制栅上加入20V/10ms脉冲, 即可形成隧道效应,使漏区电子 在电场作用下进入浮置栅. 擦除:字线为高,位线加 20V/10ms脉冲,控制栅为低电平, 则卡产生隧道效应,此时浮置栅 的电子在相反电场的作用下流出 浮栅.
第 6 章 半导体存储器和可编程逻辑器件
§6.1 半导体存储器 §6.1.1 半导体存储器的特点
集成度高,体积小,存储密度大,可靠性高,价格低,外围电路简单, 易于批量生产. 用于大量数据,程序的存储.
§6.1.2 半导体存储器的分类 6.1.2
1.按制造工艺分类 双极型:TTL触发器,速度快,功耗大,价格高,用于高速数据存储. MOS型:CMOS触发器或电荷存储,结构简单,集成度高,功耗小,价格 低,用于大容量数据存储.
§6.2随机存取存储器 §6.2.1 RAM的基本结构
RAM通常由存储矩阵,地址 译码器,读写控制电路构成. 1.存储矩阵 存储器中包含大量存储单元, 每个单元存储一组二进制位的数 据,这些存储单元以矩阵的形式 组合在一起.每个单元采用"地 地 址"进行标识,地址包括行地址和列地址. 每个地址可以唯一地确定存储矩阵的一组单元,其中各二进制位 通过不同的数据位进行区分. 存储容量的表示:1024×1--1024地址空间,1位数据位,1024 ×8--1024地址空间,8位数据位. 2.地址译码器 字译码,矩阵译码.n线-2n线译码.