存储系统及半导体存储器(1)
数字逻辑与计算机组成原理：第三章 存储器系统(1)
A3 0
字线
地0 A2 0 址
译
A1
0码 器
A0 0
15
读 / 写选通
… …
…
0,0 … 0,7
16×8矩阵
15,0 … 15,7
0
…
7 位线
读/写控制电路
D0
… D7
(2) 重合法（双译码方式）
0 A4
0,00
…
0 A3
阵
A2
译
0码
31,0
…
A1
器 X 31
0 A0
… …
或低表示存储的是1或0。 T5和T6是两个门控管，读写操作时，两管需导通。
六管存储单元
保持
字驱动线处于低电位时，T5、T6 截止， 切断了两根位线与触发器之间的 联系。
六管存储单元
单译码方式
读出时: 字线接通 1)位线1和位线2上加高电平; 2)若存储元原存0，A点为低电
平，B点为高电平，位线2无电 流，读出0。
3)若存储元原存1，A点为高电 平，B点为低电平，位线2有电
流，读出1。
静态 RAM 基本电路的 读 操作（双译码方式）
位线A1
A T1 ~ T4 B
位线2
T5
行地址选择
T6
行选
T5、T6 开
列选
T7、T8 开
T7
T8
读选择有效
列地址选择 写放大器
写放大器
VA
T6
读放
读放
DOUT
T8 DOUT
DIN
1．主存与CPU的连接
是由总线支持的; 总线包括数据总线、地址总线和控制总线; CPU通过使用MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储
第七章 半导体存储器 半导体存储器的分类
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。
大学微机原理半导体存储器详解演示文稿
不可再次改写。
PROM基本存储电路
PROM的写入要由专用的电路（大
电流、高电压）和程序完成。
第17页，共36页。
第5章 半导体存储器
5.3.2 可擦除的PROM 一、EPROM（紫外线可擦除） 用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容 全为“1” ），便可再次改写。
一、RAM原理
构成
存储体（R-S触发器构成的存储矩阵） 外围电路 译码电路、缓冲器
I/O控制电路
0
0
地
1
1
数
址
存储
据
n位 译
矩阵
缓
地址 码 2n-1
m
冲
器
器
m位 数据
CS 控制 逻辑
R/W
存储芯片构成示意图
第6页，共36页。
第5章 半导体存储器
地址译码器：
接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片
3. 按存储器的功能来分类 ✓按存储器与CPU的关系分类
控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、
外存储器EM ；
✓按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM；
✓按数据存储单元的寻址方式分类
随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ；
内存储单元的选址。
控制逻辑电路：
接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号， 控制数据的读出和写入。
数据缓冲器：
寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。
存储体：
存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。
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
(1)只读型光盘(CD—ROM)。这种光盘内的数据和程序是 由厂家事先写入的，使用时用户只能读出，不能修改或写入 新的内容。因它具有ROM特性，故叫做CDROM(Compact Disk-ROM)。
(2)只写一次型光盘(WORM) 。这种光盘允许用户写入信 息，写入后可屡次读出，但只能写入一次，而且不能修改， 主要用于计算机系统中的文件存档，或写入的信息不再需要 修改的场合。
储单元，且存取时间和存储单元的物理位置无关，都是一个存取周期。半导体存储器通〔DAM〕: DAM既不象RAM那样随机地 访问任一个存储单元，也不象SAM那样严格按着挨次进展 存取，而是介于两者之间。存储信息时，先指向存储器中 的某个小区域，然后在该小区域内按挨次检索，直到找到 目标单元后再进展读/写操作。这种存储器的存取时间和 信息所在的位置是有关的。磁盘、磁鼓就属于这类存储器。
第六章 存储系统
4. 片选线的连接
由于存储器是由很多存储芯片叠加组成的， 哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选掌握 端 是否能接收到来自CPU的片选有效信号。
片选有效信号与CPU的访存掌握信号有关， 由于只有当CPU要求访存时，才要求选择存储芯 片。假设CPU访问I/O，则 为高，表示不要求存 储器工作。此外，片选有效信号还和地址有关， CPU给出的存储单元地址的位数往往大于存储芯 片的地址线数，未与存储芯片连上的高位地址必 需和访存掌握信号共同作用，产生片选信号。
第六章 存储系统
6.4.1 并行存储器 1． 单体并行系统 2． 多体并行系统
第六章 存储系统
6.4.2 高速缓冲存储器
1、Cache的工作原理
第六章 存储系统
〔2〕Cache的根本构造
第六章 存储系统
半导体存储器的分类及应用
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3章 存储系统(一)
目前使用的半导体存储器大多为并行存取方式，但也有以串行存取方式工作的存储器，如电耦合器件(CCD)、串行移位寄存器和镍延迟线构成的存储器等。
6.按在计算机系统中的作用分类
根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器等。
3.1.2存储器的分级结构
3.1.3主存储器的技术指标
主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间和存储周期。
存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。如果计算机中可编址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为按字编址的计算机。如果计算机中可编址的最小单位是字节，则该计算机称为按字节编址的计算机。一个机器字可以包含数个字节，所以一个存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址。例如，PDP-11系列计算机，一个16位二进制的字存储单元可存放两个字节，可以按字地址寻址，也可以按字节地址寻址。当用字节地址寻址时，16位的存储单元占两个字节地址。
作业
根据存储元件的性能及使用方法不同，分为哪几类？
主存储器有哪些性能指标？
P96 3.8题
教学反馈
对存储器的要求是容量大，速度快，成本低，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用三级存储器结构，即使用快速缓冲存储器、主存储器和外存储器。中央处理器能直接访问的存储器称为内存储器，它包括快速缓冲存储器和主存储器。中央处理器不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能为中央处理器进行处理。
上述三种类型的存储器形成计算机的三级存储管理，各级存储器承担的职能各不相同。其中快速缓冲存储器主要强调快速存取，以便使存取速度和中央处理器的运算速度相匹配；外存储器主要强调大的存储容量，以满足计算机的大容量存储要求；主存储器介于快存与外存之间，要求选取适当的存储容量和存取周期，使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程序。
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读
入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔
存
丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电 平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。换
储
句话说，所有存储单元出厂时均存放信息1，
器
一旦写入0使熔丝烧断，就不可能再恢复。
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11
可擦除可编程的ROM（EPROM）
只
读 存 储
特点：芯片的上方有一个石英玻璃 的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中 的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏 走，使电路恢复起始状态，从而将写入
器
现的列地址选通信号 （ CAS Column Address
Strobe）把后出现的8位地址送至列地址锁
存器。这8条地址线也用于刷新（刷新时地
址计数，实现一行行刷新）。
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6
64K存储体由4个128×128的存储矩阵构成。每
个128×128的存储矩阵，有7条行地址和7条列
随
地址线进行选择。7条行地址经过译码产生128 条选择线，分别选择128行；7条列地址线经过
储
地址线为16条A15～A0，
器
数据线8条O7～O0，
带有三态输出缓冲，
读出时只需单一的＋5V电源。
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15
可擦除可编程的ROM（EPROM）
内
只
部
读
结
存
构
储
器 27512有五种工作方式
▪ 读方式
▪ 维持方式
▪ 编程方式
▪ 校验方式
▪ 编程禁止方式
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16
电可擦除可编程的ROM（E2PROM）
的 分
❖可擦除的PROM（EPROM，Erasable
Programmable ROM）
类
❖电可擦除的PROM（E2PROM，Electrically
Erasable Programmable ROM）
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3
静态RAM（SRAM)
❖基本的存储电路
随
机
存
取
存
储
器
❖典型的静态RAM芯片
6116（2KB×8位）、6264（8KB×8位）、
机
有64K（65536）个地址单元， 每个地址单 元存放一位数据。需要16条地址线，地址线
存
分为两部分：行地址与列地址。
取
芯片的地址引线只要8条，内部设有地址
存
锁存器，利用多路开关，由行地址选通信号
储
变低 RAS（Row Address Strobe），把先出现 的8位地址，送至行地址锁存器；由随后出
62256（32KB×8位）、628128（128KB×8
位）等。
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4
动态RAM（DRAM)
❖ 单管动态存储电路
随
机
存
取
存
储
器
❖ 动态RAM的刷新
为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态RAM不断 进行读出和再写入
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5
动态RAM（DRAM)
❖64K位动态RAM存储器
随
芯片2164A的容量为64K×1位，即片内共
出厂时，硅栅上没有电荷，则管子内没
只
有导电沟道，D和S之间是不导电的。当把
读
EPROM管子用于存储矩阵时，它输出为全1（或
存
0）。要写入时，则在D和S之间加上25V的高压， 另外加上编程脉冲（其宽度约为50ms），所选
储
中的单元在这个电源作用下，D和S之间被瞬时
器
击穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当
息写入，该过程被称为“编程”。对可
擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来
信息擦除，以便再次编程。
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9
掩膜式ROM
掩膜式ROM一般由生产厂家根据用户的
只
要求定制的。
读
存
储
器
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10
可编程的ROM
出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。
只
编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写
器
的信号擦去。
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12
可擦除可编程的ROM（EPROM）
原理：
只
读
存
储
器 在N型的基片上安置了两个高浓度的P型
区，它们通过欧姆接触，分别引出源极（S） 和漏极（D），在S和D之间有一个由多晶硅构 成的栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包 围。
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13
可擦除可编程的ROM（EPROM）
机
译码也产生128条选择线，分别选择128列。
存
取
存
ห้องสมุดไป่ตู้
储
器
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7
锁存在行地址锁存器中的7位行地址
RA6～RA0同时加到4个存储矩阵上，在每
随 个矩阵中都选中一行，则共有512个存储
机
电路被选中，它们存放的信息被选通至
存
512个读出放大器，经过鉴别、锁存和重
取
写。锁存在列地址锁存器中的7位列地址
应用特性：
只
（1）对硬件电路没有特殊要求，编程简
读
单。
存
（ 2 ） 采 用 ＋ 5 V 电 源 擦 写 的 E2PROM， 通
储
常不需要设置单独的擦除操作，可在写
器
入过程中自动擦除。
（ 3 ） E2PROM 器 件 大 多 是 并 行 总 线 传 输 的
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17
闪速存储器（Flash Memory）
高压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，故
注入的电子无处泄漏走，硅栅就为负，于是就
形成了导电沟道，从而使EPROM单元导通，输
出为“0“（或”1“）。
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14
可擦除可编程的ROM（EPROM）
典型芯片： Intel 27512
只
特性：64K×8的EPROM芯片，
读
28脚双列直插式封装，
存
存 储
CA6～CA0（地址总线上的A14～A8），在 每个存储矩阵中选中一列，则共有4个存 储单元被选中。最后经过1/4 I/O门电路
器
（由RA7与CA7控制）选中一个单元，可
以对这个单元进行读写。
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8
只读存储器ROM，是一种非易失性的半
只 导体存储器件。其中所存放的信息可长
读 期保存，掉电也不会丢失，常被用来保 存 存固定的程序和数据。在一般工作状态 储 下，ROM中的信息只能读出，不能写入。 器 对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信
第五章 存储系统及半导体存储器
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1
半导体存储器的分类
主
随机存取存储器
要
只读存储器
内
容
CPU与存储器的连接
微机中存储系统的结构
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2
随机存取存储器
半
❖双极性半导体RAM
导 体
❖动态金属氧化物（MOS)RAM
存 读写存储器
储
❖掩膜式ROM
器
❖可编程ROM(PROM,Programmable ROM)
Flash Memory芯片借用了EPROM结构简单，
只
又吸收了E2PROM电擦除的特点；不但具备RAM
读
的高速性，而且还兼有ROM的非挥发性。同时
存
它还具有可以整块芯片电擦除、耗电低、集成 度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、
储
可重新改写、重复使用性好（至少可反复使用