第3章半导体存储器
计算机组成原理第三章 第2讲 SRAM存储器
3.2 SRAM存储器
主存（内部存储器）是半导体存储器。根
据信息存储的机理不同可以分为两类：
相对而言 静态读写存储器(SRAM)：
• 存取速度快，一般用作Cache
动态读写存储器(DRAM)：
• 存储容量大，一般用作主存
3.2 SRAM存储器
一、基本的静态存储元阵列 1、存储元：
例1：图3.5(a)是SRAM的写入时序图。 其中R/W是读/写命令控制线，当R/W 线为低电平时，存储器按给定地址把 数据线上的数据写入存储器。请指出 图3.5(a)写入时序中的错误，并画出正 确的写入时序图。
3.2 SRAM存储器
3.2 SRAM存储器
写使能信号
3.2 SRAM存储器
三、存储器的读写周期 读周期
读出时间Taq 读周期时间Trc 写周期时间Twc 写时间Twd 读周期时间Trc=写时间Twd
写周期
存取周期
3.2 SRAM存储器
片选 读使能
3.2 SRAM存储器
片选 写使能
3.2 SRAM存储器
教材P69
用锁存器实现。 需要加电，无限期保持0或者1状态。
3.2 SRAM存储器
回顾译码器
可参考CAI动画
63
3.2 SRAM存储器
2、三组信号线
地址线：A0-A5，可指定26=64个存储单元 数据线：I/O0，I/O1 ，I/O2 ，I/O3
• 行线，列线 • 存储器的字长4位
控制线：读或写 存储位元、存储单元、字存储单元、最小寻址 单位、最小编址单位。
写入数据：
第三章存储系统(习题解答)
第三章存储系统(习题解答)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第三章存储系统（习题参考答案）1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少芯片？（3）需要多少位地址作芯片选择？解：（1）∵ 220= 1M，∴ 该存储器能存储的信息为：1M×32/8=4MB （2）（1024K/512K）×（32/8）= 8（片）（3）需要1位地址作为芯片选择。
（选择两个512K×32位的存储体）2. 已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用256K×16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：（1）每个模块板为1024K×64位，共需几个模块板？（2）每个模块板内共有多少DRAM芯片?（3）主存共需多少DRAM芯片? CPU如何选择各模块板？解：(1)最大主存空间为：226×64位，每个模块板容量为：1024K×64位=220×64位设：共需模块板数为m：则：m=（226×64位）/（220×64位）= 64 (块)(2). 设每个模块板内有DRAM芯片数为n:n=(/) ×(64/16)=16 (片)(3) 主存共需DRAM芯片为：m×n = 64×16=1024 (片)每个模块板有16片DRAM芯片，容量为1024K×64位，需20根地址线(A19~A0)完成模块板内存储单元寻址。
一共有64块模块板，采用6根高位地址线(A25~A20)，通过6:64译码器译码,产生片选信号对各模块板进行选择。
3．用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。
第三章 微机存储器
联机外存储器 脱机外存储器
两大类——内存、外存
• 内存——存放当前运行的程序和数据。
– 特点：快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。 – 通常由半导体存储器构成 – RAM、ROM
• 外存——存放非当前使用的程序和数据。
– 特点：慢，容量大，顺序存取/块存取。需调入内存后 CPU才能访问。 – 通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成 – 磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘
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读0过程
17
写入数据1的过程
18
写0过程
19
2、存储器芯片的基本组成
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三、存储器与系统的连接
1、数据线、地址线和控制线的连接
存储芯片通过地址线、数据线和控制线与外部连接。 地址线是单向输入的，其数目与芯片容量有关。CPU发 出的地址信号，部分使芯片的片选端有效，称为“片 选”，部分再选中芯片内部的存储单元实现“字选”。 如容量为1024×4时，地址线有10根。
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2.常用半导体存储器的特点
（1）静态存储器SRAM
用双稳态触发器存储信息。 速度快（<5ns），不需刷新，外围电路比较简单， 但集成度低（存储容量小，约1Mbit/片），功耗 大。 在PC机中，SRAM被广泛地用作高速缓冲存储Cache。 典型SRAM芯片:CMOS RAM芯片6264(8K*8)
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二、存储器芯片的基本组成
1、基本存储电路 静态存储器SRAM存储原理：双稳态触发器保存信 息。 T1 通，T2 止存0 ；T1 止，T2 通存1 ； 保持信息时，不送地址信号； 读出：送地址，发读命令； 写入：送地址，送数据发写命令。
计算机组成原理教案(第三章)
3.主存物理地址的存储空间分布
以奔腾PC机主存为例，说明主存物理地址的存储空间概念
3.3.1只读存储器
1.ROM的分类
只读存储器简称ROM，它只能读出，不能写入。它的最 大优点是具有不易失性。
根据编程方式不同，ROM通常分为三类：
只读存 储器
定
义
优
点
缺
点
掩模式
数据在芯片制造过程中就 确定
可靠性和集成度高，价 不能重写 格便宜
存储 周期 存储 器带 宽
连续启动两次操作所需 间隔的最小时间
单位时间里存储器所存 取的信息量,
主存的速
度
数据传输速率 位/秒，字 技术指标 节/秒
3.2.1 SRAM存储器
1.基本存储元
六管SRAM存储元的电路图及读写操作图
2.SRAM存储器的组成
SRAM存储器的组成框图
存储器对外呈现三组信号线，即地址线、数据线、读/写控制线
主存地址空间分布如图所示。
3.3.2闪速存储器
1.什么是闪速存储器
闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器
2.闪速存储器的逻辑结构
28F256A的逻辑方框图
3.闪速存储器的工作原理
闪速存储器是在EPROM功能基础上增加了电路的电擦除和重新 编程能力。 28F256A引入一个指令寄存器来实现这种功能。其作用是： (1)保证TTL电平的控制信号输入； (2)在擦除和编程过程中稳定供电； (3)最大限度的与EPROM兼容。 当VPP引脚不加高电压时，它只是一个只读存储器。 当VPP引脚加上高电压时，除实现EPROM通常操作外，通过指 令寄存器，可以实现存储器内容的变更。 当VPP=VPPL时，指令寄存器的内容为读指令，使28F256A成 为只读存储器，称为写保护。
半导体存储器研究报告
半导体存储器研究报告半导体存储器是计算机中最常用的存储器之一，它具有速度快、可靠性高、体积小、功耗低等优点，已经成为现代计算机的核心部件之一。
本文主要介绍了半导体存储器的分类、工作原理、发展历程以及未来发展趋势。
关键词：半导体存储器、分类、工作原理、发展历程、未来发展趋势一、引言半导体存储器是计算机中最常用的存储器之一，它广泛应用于个人电脑、服务器、手机、平板电脑等各种计算机设备中。
半导体存储器具有速度快、可靠性高、体积小、功耗低等优点，已经成为现代计算机的核心部件之一。
本文主要介绍了半导体存储器的分类、工作原理、发展历程以及未来发展趋势。
二、半导体存储器的分类半导体存储器主要分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）两种。
SRAM是一种基于触发器的存储器，它的速度非常快，但是价格比较高，体积也比较大，主要应用于高速缓存中。
DRAM是一种基于电容器的存储器，它的价格比较低，但是速度比SRAM慢，主要应用于主存中。
除了SRAM和DRAM之外，还有一些其他的半导体存储器，如闪存、EEPROM、EPROM等。
这些存储器具有不同的特点和应用场景，闪存主要应用于移动设备中，EEPROM主要应用于电子产品中的存储器芯片，EPROM主要应用于一些需要长期存储数据的场合。
三、半导体存储器的工作原理半导体存储器的工作原理是基于电荷存储的原理。
在DRAM中，每个存储单元由一个电容器和一个晶体管组成。
当晶体管的栅极接收到电信号时，会导通电容器，电容器会存储电荷，表示1或0。
在SRAM 中，每个存储单元由两个互补的触发器组成，每个触发器可以存储一个二进制位。
当一个触发器的输入为1时，它的输出为0，当输入为0时，输出为1。
四、半导体存储器的发展历程半导体存储器的发展历程可以分为以下几个阶段：1. 早期存储器：20世纪60年代，半导体存储器刚刚问世，存储容量非常小，速度也很慢。
当时最常用的存储器是磁芯存储器。
第3章 零维半导体体系
(三) 量子点的第一个商品应用：生物显示剂
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• 2002年美国加洲量子点公司生产出第一批量子点生物显示剂; • 将某化学基团包裹在量子点的周围，再将其挂在某个特殊的 细胞上，如此，就对该细胞贴上了发光标签，成为该细胞的
显示剂;
• 同成份不同尺寸的量子点可构成不同颜色的发光标签，可以 标识不同的细胞，从而可以跟踪生物的多细胞过程。 (四) 凝胶法制备量子点 • CdSe，CdTe 类的量子点用化学凝胶法制得。 • 凝胶法的优点是工艺简单，成本低廉。 • 目前存在的问题是光闪（眨眼） 原因: (1) 陷阱效应；( 见图 )
超疏水等纳米材料.
[1] P. Ball, L. Garwin, Nature, 1992, 355, 761 *
三, 量子限制效应 ( 可视为尺寸效应的一种 )
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• 当体系的尺寸与电子的德布罗意波长 ( 其值依赖于介电常数,
为纳米量级 ) 可相比拟时 ( 例如, 纳米颗粒, 表面势阱, 异质 结界面势阱, 超晶格量子阱等 ), 其电子能带 ( 准连续能级 ) 发生分裂 ( 可视为波的干涉 ), 呈现量子化. • 随着尺寸减小, 能级间隔加大; 能带宽度 ( 即最低空态与最高 占据态能量差 ) 增加. 四, 库仑阻塞效应 (1) 当一个电子 ( 隧穿 ) 进入一纳米尺寸的颗粒时, 其位能增加
(2) 俄歇效应 ( Auger Effect )。 ( 见图 )
第四节
单电子场效应晶体管 ( 硅基单电子器件 ）
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(一) 单电子场效应晶体管的结构 示意图 ( 见图 )
(二) 纳米晶粒中的单电子过程
示意图 ( 见图 ) (三) 纳米晶粒 MOSFET ( 场效应晶体管 ) 特性 特性曲线 ( 见图 ) (四) 纳米晶粒 MOSFET 存储器工作原理 一, 写入 [ (a) 处 ] [ 提问: (a) 处的写入为何意? 足够的正栅压下发生了什么? ] (1) 当正栅压达一定值时, 可使半导体表面沟道中的电子隧穿过
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
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。
计算机组成原理第3章习题参考答案
第3章习题参考答案1、设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问 (1) 该存储器能存储多少字节的信息？(2) 如果存储器由512KX8位SRAM 芯片组成，需要多少片？ (3) 需要多少位地址作芯片选择？ 解：(1) 该存储器能存储：220 x —= 4M 字节8(3)用512Kx8位的芯片构成字长为32位的存储器，则需要每4片为一组进行字 长的位数扩展，然后再由2组进行存储器容量的扩展。
所以只需一位最高位地址 进行芯片选择。
2、已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4MX8位 的DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用存条结构形式，问； (1) 若每个存条为16MX64位，共需几个存条？ (2) 每个存条共有多少DRAM 芯片？(3) 主存共需多少DRAM 芯片？ CPU 如何选择各存条？ 解：226x64(1) 共需4条存条16M x64(2) 每个存条共有16；V/- 64 =32个芯片4Mx8⑶ 主存共需多少=128个RAM 芯片，共有4个存条，故CPU 4M x 8 4M x 8 选择存条用最高两位地址临和他5通过2： 4译码器实现；其余的24根地址线用 于存条部单元的选择。
3、用16KX8位的DRAM 芯片构成64KX32位存储器，要求： (1)画出该存储器的组成逻辑框图。
⑵ 设存储器读/写周期为0.5uS, CPL •在luS 至少要访问一次。
试问采用哪种 刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍 所需的实际刷新时间是多少？ 解：(1)用16KX8位的DRAM 芯片构成64KX32位存储器，需要用64/Cx32 = 4x4 = 16 16K x8 个芯片，其中每4片为一组构成16KX32位一一进行字长位数扩展(一组的4个芯片 只有数据信号线不互连——分别接D 。
〜DM 叭D®〜仏和加〜皿其余同名引脚220 x 32 需要冷22O X 322I9X 8=8片互连)，需要低14位地址(A°〜AQ 作为模块各个芯片的部单元地址一一分成行、列 地址两次由A 。
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3.4.2 Cache的基本操作
Cache和其它存储器一样，有读和写两种基本操作。 1．读操作
2．写操作(1)通写（Write-Through）法。即每次写入Cache时，同
时也写入主存，使主存与Cache相关单元的内容始终保持一致。 (2)改进通写（Improve Write-Through）法。如果对Cache写入 的后面紧接着进行的是读操作，那么在主存写入完成前即让CPU 开始下一个操作， (3)回写（Write-Back）法。Cache行数据只 要在它存在期间发生过对它的写操作，那么在该行被覆盖前必须 将其内容写回到对应主存位置中。
可擦除可编程只读存储器具有可擦除功能，擦除后可再写入。 （4）电可擦除的EEPROM （5）快擦写存储器（Flash Memory）
3.3 PC系列机的存储器
3.3.1 8086 系统存储器结构
8086 CPU具有20根地址线，因此可寻址的存储器空间为1M （220）字节。此存储空间按字节编址，也就是说每一个字节单元 具有一个惟一的20位的物理地址，整个存储器空间的地址范围就
（3）字位扩展
在构成一个实际的存储器时，往往需要同时进行位扩展和字 扩展才能满足要求。
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2.CPU与存储器的连接 采用线选法，即使用CPU地址总线中某些高位线作为存储器芯 片的片选信号。 采用译码法，即剩余高位地址线经过译码后作为各芯片的片 选信号，译码法又有全译码和部分译码两种，
3.3.3 内存储器的分体结构 在计算机中要求内存系统能够实现单字节数据操作，也能实 现多字节数据操作，为此，在PC系列微机中使用分体结构来组织 内存系统。 （1）8086微机的内存分体 8086 CPU有20条地址线，可直接寻址1MB的内存地址空 间。为了实现对内存的一次访存操作，既可以处理一个16位字， 也可以只处理一个字节。8086 CPU在组织1MB的存储器时，其 空间实际上被分成两个512K的存储体，分别叫做“偶地址存储体”
2．按存储介质分类
根据存储器使用的存储介质的不同，存储器分为半导体存储器、磁 表面存储器和光存储器等。
3．按信息存取方式分类
根据存储器存取信息的不同方式，存储器可分为随机存储器 （RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存取存储器（SAM）和
直接存取存储器（DAM）。
3.1.2主存储器的性能指标
存储器的主要性能指标有。 1．容量。DDR SDRAM内存容量大多为64MB，128MB，
256MB、512MB和1024MB容量。
2．速度。内存速度一般用存取一次数据的时间 。 3．内存的奇偶校验。 4．内存的电压。 5．内存的数据宽度和带宽。数据宽度指内存同时传 输数据的位数， 6.CAS。CAS 是等待时间。意思是CAS信号需要经过
多少个时钟周期之后才能读写数据。
3.2半导体存储器
2. 只读存储器的组成
ROM的组成与RAM相似，一般也是由地址译码电路、存储矩阵、读
出电路和控制电路等部分组成。 3．只读存储器的分类
(1)掩模式只读存储器（Mask ROM）
掩膜式只读存储器ROM由生产厂家采用二次光刻掩膜技术写入信息， 一次性制造，永久保存，只能读出不能改写。 (2)可编程只读存储器（PROM） 可编程只读存储器只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只 读存储器”。 （3） 紫外线擦除的ROM（EPROM）
是0～220，使用十六进制表示即00000H～FFFFFH。
8086系统中，将1M字节的存储空间分成两个512K字节的存储 体，一个存储体的地址均为偶数，称为偶地址存储体，另一个存
储体的地址均为奇数，称为奇地址存储体。
对于任何一个存储体，只需要19位地址码（A19～A1）就够了，最 低位A0则用来区分当前访问的是哪一个存储体。
和“奇地址存储体”。
（2）80386、80486的内存分体 80386、80486 CPU数据总线为32位，为了实现8位、16位、32位数 据的一次访问操作，其内存系统分为4个存储体，每个存储体容 量为1GB，分别接至32位数据总线的8位数据线，系统地址总线
的A31～A2分别与4个存储分体直接相连。
3.5.3 存储器的工作方式和层次
1. 存储器的工作方式 计算机中的物理存储器，是一个字节类型的线形数组。每一个 字节占用一个惟一的地址，称为该字的物理地址。 80386以后的微处理器均支持3种工作方式，即实地址方式、虚 地址保护方式和V86方式。
2.存储器的层次
一般存储系统由三类存储器构成两个层次，一个是主存-辅存层 次，另一个是高速缓存-主存层次。 （1）主存-辅存层次 这个层次主要解决存储系统的容量问题。 （2）高速缓存-主存层次 这个层次主要解决存储器速度问题。
第3章 半导体存储器
存储器是计算机系统的重要组成部件，用于存储 程序和数据信息．存储器的容量和速度直接影响计算 机系统的性能。
退出
3.1 存储器概述 3.2 半导体存储器 3.3 PC系列机的存储器 3.4 高速缓存系统简介 3.5 虚拟存储系统简介
3.1 半导体存储器
3.1.1存储器的类型 1．按用途分类 计算机中的存储器按其用途可分为两大类：内部存储器（简称内存、 主存）和外部存储器（简称外存、辅存）。
（3）Pentium系列微机的内存分体 Pentium系列CPU内存分体结构和80386、80486内存分体结构 类似。 Pentium系列CPU的数据总线是64位，内存分为8个存储体， 由地址总 线的A2 、A1 和A0 译码产生BE7 ～BE0 共8路控制信号控制8个存储分体 的工作。
3.4.1 Cache工作原理
3.2.1随机读写存储器RAM 1. 静态RAM 基本存储电路
2.静态RAM的读/写过程 (1) 读出过程 (2) 写入操作
4．动态随机存取存储器DRAM 动态RAM 芯片是以MOS 管栅极电容充电状态来存 储信息的。其基本单元电路以单管较为常用。
3.2.2只读存储器ROM 1. 只读存储器存储信息的原理 图是ROM的基本存储电路，它可以看成是一个单向 导通的选择开关电路，当行选择信号（字线）为高电 平时，如果电子开关S是断开的，位线D上将输出信息 “1”；
3.5.2虚拟存储器地址映像
实现虚拟存储器的关键是自动而快速地实现虚拟地址向内存物 理地址的变换，通常把这种地址变换叫做程序定位或地址映像。 （1）页式映像
（2）段式映像
段式虚拟存储系统中，每个任务和进程对应一个段表，段表由 若干段表项组成，每个段表项对应一个逻辑段，内含地址映像信 息等内容。
（3）段页式映像
3.5 虚拟存储系统简介
采用虚拟存储器技术，可以解决计算机存储系统对 存储容量、单位成本和存取速度的要求，取得了三者 之间的最佳平衡。 3.5.1虚拟存储器基本原理 “虚拟”有两层含义：一是在物理上是不存在的， 二是用户看不见切换过程。操作系统根据程序执行的 要求和内存的实际使用情况，随机地对每一个程序进 行换入/换出。这样，就给用户提供了一个比真实的内 存空间大得多的地址空间。 虚拟存储器的含义是指程序编程使用的逻辑存储 空间，其大小由微处理器内部结构确定，如80486的最 大虚拟存储空间为64TB（246B）。
3.3.2 CPU与存储器的连接
1.存储器的扩展
在设计存储器时，首先需确定存储器的总容量，即字数×位 数 在计算机中往往允许两种编址方法：按字节编址、按字编址。 （1）位扩展 如果存储器芯片的位数小于存储器所要求的位数，就需要进 行位扩展。 （2）字扩展（存储容量扩展） 单片存储器芯片的容量总是有限的，需要用若干芯片组成容 更大的存储器，称为字扩展，即存储容量的扩展，