南理工第7章半导体存储器.ppt

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1、第7章 半导体存储器 本章主要内容：1、存储器概述2、随机存取存储器3、只读存储器4、CPU与存储器的连接10/26/20221存储器概述存储器概述 存存储储器器：是是计计算算机机系系统统中中的的记记忆忆装装置置，主主要要用用来来存存放放程程序序、数数据据和和中中间间结结果果等等。更更确确切切地地讲讲，存存储储器器是是存存放放二二进进制制编编码码信信息息的硬件装置。的硬件装置。10/26/20222存储器的类型存储器的类型1、按工作时与、按工作时与CPU联系密切程度分类：联系密切程度分类：内存、外存。内存、外存。外存被列为计算机的外部设备。外存被列为计算机的外部设备。2、按存储元件材料分类：、

2、按存储元件材料分类：半半导导体体存存储储器器(如如内内存存)、磁磁存存储储器器(如如磁磁盘盘、磁磁带带)和和光光存存储储器器(如如光光盘盘)。目目前前，微微机机的的存存储储器器几几乎乎全全部部采采用用半半导导体存储器。体存储器。3按存储器读写工作方式分类：按存储器读写工作方式分类：随随机机存存储储器器RAM和和只只读读存存储储器器ROM。一一般般ROM用用来来存存储储程程序序和和固固定定的的数数据据，比比如如计计算算机机的的系系统统程程序序、一一些些固固定定表表格格等等，如如IBMPC机机中中的的BIOS程程序序即即固固化化在在ROM中中；而而RAM用用于于存存储储各各种种现现场场的的输输入入

3、输输出出数数据据，中中间间计计算算结结果果，与外存交换的信息和作堆栈用。与外存交换的信息和作堆栈用。10/26/20223存储器的类型存储器的类型半导体存储器随机存储器RAM只读存储器ROM双极型MOS型掩膜ROM可编程ROM电可擦PROMEEPROM光可擦PROMEPROM静态动态返回返回10/26/20224只读存储器只读存储器ROMROM的的分分类类：掩掩膜膜ROM，可可编编程程ROM(PROM)，紫紫外外线线可可擦擦除除可可编编程程ROM(EPROM)和和电电可可擦擦除除可可编程编程ROM(EEPROM或记作或记作E2PROM)四类。四类。l l掩掩膜膜ROM：通通过过掩掩膜膜技技术术

4、制制作作或或不不制制作作晶晶体体管管栅极实现的。栅极实现的。l lPROM：为为了了弥弥补补ROM成成本本高高和和不不能能改改变变其其内内容容的的不不足足，出出现现了了一一种种由由用用户户编编程程且且只只能能写写入入一一次次的的PROM。出出厂厂时时PROM为为熔熔丝丝断断裂裂型型，未未写写入入时时每每个个基基本本存存储储电电路路都都是是一一个个带带熔熔丝丝的的三三极极管管或或二二极管。编程后丝断为极管。编程后丝断为“1”，未断者为，未断者为“0”。10/26/20225只读存储器只读存储器ROMl lEPROM：可可以以用用编编程程器器写写入入，用用紫紫外外线线灯灯照照射射擦擦除除，可可反反

5、复复使使用用。在在芯芯片片上上开开有有一一石石英英窗窗口口，当当芯芯片片置置于于紫紫外外线线下下照照射射时时，高高能能光光子子与与EPROM中中的的电电子子相相碰碰撞撞，将将其其驱驱散散，于于是是，以以电电荷荷形形式式存存储储的的信信息息即被擦除。即被擦除。常常用用的的EPROM芯芯片片：2716，2732，2764，27128和和27256等。等。l lE2PROM：可可以以字字节节为为单单位位在在线线电电改改写写与与电电擦擦除除，并并能能在在断断电电情情况况下下保保持持修修改改结结果果。常常见见的的E2PROM芯芯片有片有2816(2K*8),2817(2K*8),2864(8K*8)等。

6、等。返回返回10/26/20226随机读写存储器随机读写存储器RAM分类：双极型和分类：双极型和MOS型两种。型两种。1.双极型：双极型：2.优点：存取速度高优点：存取速度高3.缺点：功耗大，集成度低，成本高缺点：功耗大，集成度低，成本高4.主要用于高速微型计算机中；主要用于高速微型计算机中；2.MOS型：型：又可分为又可分为静态静态RAM(SRAM)和和动态动态RAM(DRAM)两两种，广泛用于微机中。种，广泛用于微机中。RAM:Random Access Memory10/26/20227随机读写存储器随机读写存储器RAMl lSRAM：用用双双稳稳态态触触发发器器作作存存储储单单元元存存

7、放放1和和0，存存取取速速度度快快，电电路路简简单单，不不需需刷刷新新。但但集集成成度度较较低低，功功耗耗较较大大，成成本本较较高高，容容量量有有限限，只只适适用用于于存存储容量不大的场合。储容量不大的场合。常用的常用的SRAM芯片有：芯片有：2114：1K*46116：2K*86264：8K*862128：16K*862256：32K*86116(2K*8)的的技技术术指指标标：采采用用CMOS工工艺艺制制造造，单单+5V电电源源，额额定定功功率率160mW，典典型型存存取取时时间间200ns，24线双列直插式封装。线双列直插式封装。10/26/20228随机读写存储器随机读写存储器RAMl

8、 lDRAM：基基本本存存储储电电路路为为带带驱驱动动晶晶体体管管的的电电容容，电电容容上上有有无无电电荷荷被被视视为为逻逻辑辑1和和0，容容量量大大，功功耗耗低低，结结构构简简单单，集集成成度度高高，生生产产成成本本低低。但但由由于于电电容容漏漏电电，仅仅能能维维持持2ms左左右右，故故需需要要专专门门电电路路定定期期进进行行刷刷新新，以以维维持持其其中中所所存存的的数数据。现在用得内存大多数是由据。现在用得内存大多数是由DRAM构成的。构成的。典型的典型的DRAM芯片有：芯片有：2164：64K*1Intel8203就就是是专专为为2116、2164等等设设计计的的刷刷新新控控制制电电路路

9、。刷刷新新是是按按行行进进行行的的，即即不不管管系系统统中中有有多多少少个个DRAM芯芯片片，也也不不管管存存储储容容量量有有多多大大，每每次次均均对对所所有有芯芯片片的的同同一一行行再再生生。因此单片因此单片DRAM有多少行，就分多少次进行再生。有多少行，就分多少次进行再生。返回返回10/26/20229存储器的性能指标存储器的性能指标 存储器的性能指标存储器的性能指标包括存储容量，存取速度，可靠性及性能价格比。包括存储容量，存取速度，可靠性及性能价格比。l l存存储储容容量量：指指每每个个存存储储器器芯芯片片所所能能存存储储的的二二进进制制数数的的位位数数，用用存存储储单单元元数数与与存存

10、储储单单元元字字长长（或或数数据据线位数）的乘积来描述。线位数）的乘积来描述。如：如：Intel6264为为8K*8位位/片片Intel2114为为1K*4位位/片片l l存存取取速速度度：从从CPU给给出出有有效效存存储储器器地地址址到到存存储储器器给出有效数据所用时间。给出有效数据所用时间。10/26/202210存储器的分级结构存储器的分级结构三级存储器结构：三级存储器结构：即即高高速速缓缓冲冲存存储储器器(Cache)、内内存存和和辅辅存存。CPU能能直直接接访访问问的的存存储储器器有有高高速速缓缓存存和和内内存存，而而辅辅存存中中的的信信息息必必须须先先调调入入内内存存才才能能由由C

11、PU进进行行处处理。理。l l高高速速缓缓存存：简简称称快快存存，多多由由静静态态随随机机存存储储器器SRAM组组成成，和和内内存存相相比比，它它存存取取速速度度快快，但但容容量量小。小。l l内内存存：和和快快存存交交换换指指令令和和数数据据，快快存存再再和和CPU打打交道。内存多由动态随机存储器构成。交道。内存多由动态随机存储器构成。10/26/202211半导体存储器的结构半导体存储器的结构 地地址址译译码码器器存存储储矩矩阵阵三三态态缓缓冲冲器器控制逻辑控制逻辑R/WCSD0D1Dn-1A0A1An-110/26/202212半导体存储器的结构半导体存储器的结构 半半导导体体存存储储器

12、器的的组组成成：存存储储矩矩阵阵(也也称称存存储储体体)、地地址址译译码码器器、控制逻辑和三态数据缓冲寄存器控制逻辑和三态数据缓冲寄存器l l存存储储矩矩阵阵：是是大大量量存存储储元元件件(由由能能存存储储一一位位二二进进制制代代码码的的物物理理器器件件)组组成成的的有有机机组组合合，排排成成一一定定形形式式的的阵阵列列并并进进行行编编址址，构成存储矩阵。构成存储矩阵。l l地地址址译译码码器器：用用来来接接收收来来自自CPU的的地地址址信信号号，产产生生地地址址译译码码信信号号，选选中中存存储储矩矩阵阵中中的的一一个个或或几几个个基基本本存存储储电电路路，以以便便进行读写操作。进行读写操作。

13、l l三三态态双双向向缓缓冲冲器器：用用作作数数据据输输入入/输输出出控控制制电电路路，以以使使其其连连接到数据总线上。接到数据总线上。l l控控制制电电路路：通通过过RAM的的外外引引线线端端，接接受受来来自自CPU或或外外部部电电路的控制信号，经组合变换后，对上述电路进行控制。路的控制信号，经组合变换后，对上述电路进行控制。10/26/202213半导体存储器的结构半导体存储器的结构 1.进行读写操作时：进行读写操作时：CPU及及其其接接口口电电路路送送来来芯芯片片选选择择信信号号CS和和读读写写控控制制信信号号R/W，单单方方向向打打开开三三态态缓缓冲冲器器，对对该该存存储储单元进行操作

14、；单元进行操作；2.不进行读写操作时：不进行读写操作时：CS无无效效，控控制制逻逻辑辑使使三三态态缓缓冲冲器器处处于于高高阻阻状状态态，存储矩阵与数据线脱开。存储矩阵与数据线脱开。10/26/202214存储器与存储器与CPU的接口的接口存储器与存储器与CPU连接时需考虑的问题：连接时需考虑的问题：1CPU总线的带总线的带负载能力负载能力CPU通通过过总总线线与与ROM、RAM及及输输入入/输输出出接接口口相相连连接接时时的的负负载载能能力；力；2存储器组织、地址分配存储器组织、地址分配依依系系统统要要求求的的存存储储容容量量选选择择相相应应的的存存储储芯芯片片接接口口时时，其其总总线线的的具

15、具体体连连接接方方法法以以及及如如何何对对存存储储器器的的存存储储单单元元进进行行地地址址分配；分配；3CPU时时序序与与存存储储器器存存取取速速度度之之间间的的配配合合CPU与存储器接口时工作速度是否匹配。与存储器接口时工作速度是否匹配。10/26/202215CPU与存储器的连接与存储器的连接l l地地址址线线：地地址址线线的的位位数数决决定定了了芯芯片片可可寻寻址址的的范范围。围。l l数数据据线线：RAM芯芯片片的的数数据据线线一一般般为为1条条，静静态态RAM芯芯片片也也有有4条条和和8条条。若若为为1条条，则则称称为为位位片片。若若有有8位位数数据据线线，则则芯芯片片的的引引出出线

16、线已已指指定定相相应应数数据据位位的的名名称称；若若为为4位位则则可可为为数数据据总总线线的的低低4位和高位和高4位。位。l l控控制制线线：片片选选信信号号，读读写写控控制制信信号号，对对动动态态RAM还有行、列地址选通信号。还有行、列地址选通信号。10/26/202216CPU与存储器的连接与存储器的连接由由于于集集成成度度的的限限制制，目目前前单单片片存存储储器器的的容容量量很很有有限限，对对于于一一个个大大容容量量的的存存储储系系统统，往往往往需需要要若若干干片片组组成成，而而读读写写操操作作时时，通通常常只只与与其其中中一一片片(或或几几片片)打打交交道道，这这就就存存在在一一个个片

17、片选选问问题题，即即要要考虑的主要问题为存储器的地址分配和选片问题。考虑的主要问题为存储器的地址分配和选片问题。片选主要通过地址译码方法来完成。主要有：片选主要通过地址译码方法来完成。主要有：线选法，全译码法，部分译码法线选法，全译码法，部分译码法10/26/202217CPU与存储器的连接与存储器的连接1线选法线选法将将地地址址线线高高位位直直接接连连在在存存储储芯芯片片的的片片选选端端，然然后后再再依依地地址址低低位位对对其其进进行行片片内内寻寻址址。线线选选法法的的特特点点是是线线路路简简单单，选选择择芯芯片片不不需需外外加加译译码码电电路路，可用于较小的微机系统中。可用于较小的微机系统

18、中。2全译码法全译码法将将低低位位地地址址线线接接到到存存储储器器芯芯片片的的地地址址输输入入端端，以以进进行行存存储储器器芯芯片片的的片片内内存存储储单单元元的的寻寻址址，再再将将CPU地地址址总总线线中中剩剩下下的的高高位位地地址址线线全全部部接接到到地地址址译译码码器器的的输输入入端端。把把经经译译码码器器译译码码后后的的输输出出作作为为各各芯芯片片的的片片选选信信号号。在在存存储储芯芯片片较较多多时时，采采用用这这种方法。种方法。10/26/202218CPU与存储器的连接与存储器的连接3、部分译码法、部分译码法为为线线选选法法和和全全译译码码法法相相结结合合的的方方法法。它它利利用用地地址址高高位位进进行行译译码码产产生生片片选选信信号号，有有的的地地址址线线未未参参加加译译码码，这这些些地地址址线线在在需需要要时时可可直直接接与与芯芯片片片片选选信信号号相相连连，以以对对芯芯片片进进行行线线选选。当当CPU的的寻寻址址范范围围大大于于所所设设计计的的微微机机系系统统要要求求的的容容量量时时，常常采采用此方法。用此方法。典型的译码器电路有典型的译码器电路有74LS138(或或Intel8205)。返回返回10/26/202219