半导体存储器教案

第4章半导体存储器存贮器（Memory）是计算机的重要组成部件，用来存放程序和数据。

本章首先介绍半导体存贮器的分类、组成及主要性能指标；然后介绍CPU运行过程中能随时进行数据读写的随机存储器（RAM），包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）；接着介绍只读存储器（ROM），包括掩膜ROM和可编程ROM；最后介绍存储器与CPU的接口技术。

4.1 概述存储器是用以存放信息的部件，其职能是存放用二进制数表示的程序和数据，有了它，计算机才能“记住”信息，并按程序的规定自动运行。

存储器是具有记忆功能的部件，它是由大量的记忆单元（或称基本存储电路）组成，而记忆单元是用一种具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数的0和1，这种物理器件可以是磁芯、半导体器件等。

位(bit)是二进制数最基本的单位，一个记忆单元能存储二进制数的一位。

随着CPU速度的不断提高和软件规模的不断扩大，人们当然希望存储器能同时满足速度快、容量大、价格低的要求。

但实际上这一点很难办到，解决这一问题的较好方法是，设计一个快慢搭配、具有层次结构的存储系统。

图4.1显示了新型微机系统中的存储器组织。

它呈现金字塔形结构，越往上存储器件的速度越快，CPU的访问频度越高；同时，每位存储容量的价格也越高，系统的拥有量越小。

图中可以看到，CPU中的寄存器位于该塔的顶端，它有最快的存取速度，但数量极为有限；向下依次是CPU内的Cache（高速缓冲存储器）、主板上的Cache（由SRAM组成）、主存储器（由DRAM组成）、辅助存储器（半导体盘、磁盘）和大容量辅助存储器（光盘、磁带）；位于塔底的存储设备，其容量最大，每位存储容量的价格最低，但速度可能也是较慢或最慢的。

4.1.1 半导体存储器的分类由于半导体存储器具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，它已被广泛地采用组成微型计算机的内存储器，其种类很多。

1．按制造工艺分类可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。

（1）双极型双极（Bipolar）型由TTL（Transistor-Transistor Logic）晶体管逻辑电路构成。

该类存储器件的工作速度快，与CPU处在同一量级，但集成度低、功耗大、价格偏高，在微机系统中常用作高速缓存器（Cache）。

（2）金属氧化物半导体型金属氧化物半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）型简称MOS型。

该类型有多种制作工艺，如NMOS、HMOS、CMOS、CHMOS等。

可用来制作多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。

该类存储器的集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较双极型器件慢。

微机的内存主要由MOS型半导体构成。

2．按存取方式分类可以分为随机存取存储器RAM（Ramdom Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）两大类。

（1）随机存取存储器RAMRAM也称读/写存储器，即CPU在运行过程中能随时进行数据的读出和写入。

RAM中存放的信息在关闭电源时会全部丢失，所以，RAM是易失性存储器，只能用来存放暂时性的输入/输出数据、中间运算结果和用户程序，也常用它来与外存交换信息或用作堆栈。

通常人们所说的微机内存容量就是指RAM存储器的容量。

按照RAM存储器存储信息电路原理的不同，RAM可分为静态RAM和动态RAM两种。

①静态RAM（Static RAM）简称SRAM，其特点是：基本存储电路一般由MOS晶体管触发器组成，每个触发器可存放一位二进制的0或1。

只要不断电，所存信息就不会丢失。

因此，SRAM工作速度快、稳定可靠，不需要外加刷新电路，使用方便。

但它的基本存储电路所需的晶体管多（最多的需要6个），因而集成度不易做得很高，功耗也较大。

一般SRAM 常用作微型系统的高速缓冲存储器（Cache）。

②动态RAM（Dynamic RAM）简称DRAM。

DRAM的基本存储电路是以MOS晶体管的栅极和衬底间的电容来存储二进制信息。

由于电容总会存在泄漏现象，时间长了DRAM 内存储的信息会自动消失。

为维持DRAM所存信息不变，需要定时地对DRAM进行刷新（Refresh），即对电容补充电荷。

因此，集成度可以做得很高，成本低、功耗少，但它需外加刷新电路。

DRAM的工作速度比SRAM慢得多，一般微型机系统中的内存储器多采用DRAM。

（2）只读存储器ROMROM是一种一旦写入信息之后，在程序运行中只能读出而不能写入的固定存储器。

断电后，ROM中存储的信息仍保留不变，所以，ROM是非易失性存储器。

因此，微型系统中常用ROM存放固定的程序和数据，如监控程序、操作系统中的BIOS（基本输入/输出系统）、BASIC解释程序或用户需要固化的程序。

按照构成ROM的集成电路内部结构的不同，ROM可分为以下几种：①掩膜ROM——利用掩膜工艺制造，由存储器生产厂家根据用户要求进行编程，一经制作完成就不能更改其内容。

因此，只适合于存储成熟的固定程序和数据，大批量生产时成本较低。

②PROM——可编程ROM（Programable ROM）。

该存储器在出厂时器件中没有任何信息，是空白存储器，由用户根据需要，利用特殊的方法写入程序和数据。

但只能写入一次，写入后不能更改。

它类似于掩膜ROM，适合于小批量生产。

③EPROM——可擦除可编程ROM（Erasable PROM），如Intel2732(4K×8)、2764（8K ×8）。

该存储器允许用户按照规定的方法和设备进行多次编程，如果编程之后需要修改，可用紫外线灯制作的抹除器照射约20分钟，即可使存储器全部复原，用户可以再次写入新的内容。

这对于工程研制和开发特别方便，应用得比较广泛。

④EEPROM （E 2PROM ）——电可擦除可编程ROM （Electrically Erasable PROM ）。

E 2PROM 的特点是：能以字节为单位进行擦除和改写，而不像EPROM 那样整体地擦除；也不需要把芯片从用户系统中取下来用编程器编程，在用户系统中即可进行改写。

随着技术的发展，E 2PROM 的擦写速度不断加快，容量也将不断提高，将可作为非易失性的RAM 使用。

图4.2为微型计算机中半导体存储器的分类。

3．新型存储器目前还有新型的可编程的只读存储器——闪速存储器（Flash Memory ），以及在RAM 基础上发展起来按内容寻址的存储器CAM 及专用于显示器的Video —RAM 和一种用铁电薄膜及金属—氧化物—半导体器件结合起来的新型铁电随机存取存储器（FRAM ）等。

4.1.2 半导体存储器的组成如图4.3所示，半导体存储器由地址寄存器，译码电路、存储体、读/写控制电路、数据寄存器、控制逻辑等6个部分组成。

1．存储体基本存储电路是组成存储器的基础和核心，它用于存放一位二进制信息“0”或“1”。

若干记忆单元（或称基本存储电路）组成一个存储单元，一个存储单元一般存储一个字节，即存放8位二进制信息，存储体是存储单元的集合体。

DB2．译码驱动电路该电路实际上包含译码器和驱动器两部分。

译码器的功能是实现多选1，即对于某一个输入的地址码，N个输出线上有唯一一个高电平（或低电平）与之对应。

例如，A4A3A2A1A0=00000时，仅有X0输出为高电平，其它X1~X31输出均为低电平。

A4A3A2A1A0=00001时，仅有X1为高电平，其它均为低电平。

为了区分存储体中的具体存储单元，必须对它们逐一进行编号，此编号即为对应存储单元的地址。

为了对某指定存储单元寻址，计算机中采用地址译码予以实现。

常用的地址译码有两种方式，即单译码和双译码方式。

（1）单译码方式单译码方式是一个“N中取1”的译码器，如图4.4所示。

译码器输出驱动N根字线中的一根，每根字线由M位组成。

若某根字线被选中，则对应此线上的M 位信号便同时被读出或写入，经输出缓冲放大器输出或输入一个M位的字。

在图4.4中，若字线N为16，M为4位，则地址译码器的地址输入线p应为4位，24=16个状态，分别控制16条字线（W0~W15）。

当地址信号为0000时，选中字线W0，若进行读出操作，则该字线上的4位同时被读出；若地址信号为1111，则选中第16条字线W15，此时如果是写操作，则该字线上的4位便同时被写入。

大容量的存储器，可采用双译码方式。

（2）双译码方式双译码方式采用的是两级译码电路。

当字选择线的根数N很大时，N=2p中的p必然也大，这时可将p分成两部分，如：N=2p=2q+r=2q×2r=X×Y，这样便将对N的译码分别由X译码和Y译码两部分完成。

现以p=10为例，可以分为：N=210=25×25=32×32=1024，其译码结构如图4.5所示。

D M-1M位位线D0D1…选中字线输出M位图4.4 单译码寻址示意图…N取1译码器A P-1 A P-2 A1A0p个输入W N-1 …W1 W0输出缓冲放大器N根字线N=2p个地址基本存储电路X0X(行)地址译码器A0A1A2A3A4W0,0W0,31W31,.0W31,31Y（列）地址译码及I/O控制数据输入数据输出R/W控制A5A6A7A8A9Y0 …Y31X31基本存储电路图4.5 双译码结构示意图图4.5中，1024个字排成32×32的矩阵，需要10根地址线A9~A0，分成X和Y两部分，A4~A0输入至X方向（行）译码器，它输出32条字选择线，分别选择32行（X0~X31）；A9~A5输入至Y译码器，它输出的32条位选择线分别选择Y0~Y31列，它控制各列的位线控制门。

设A9~A0=0000000000，则X地址译码输出X0为高电平，选中X0行，此时X0行控制的W0.0，W0.1，W0.3，…，W0.31各位都有可能被选中进行读（写）操作，具体选中哪一位，取决于Y地址译码，根据此例的设定，Y地址译码输出Y0应为高电平，列线Y0有效，此列控制的位线控制门打开，故X、Y双向译码结果是选中W0.0位基本存储电路，即可对这一位存储电路进行读（写）操作。

如果一个存储字有8位，就需要8个这样的X、Y阵列。

当一个地址被选中时，8个阵列同时被激励，从而构成该地址单元的8位同时被读出（或写入）。

在半导体存储器中，一个或几个X，Y阵列被集成在一块芯片上。

如果将存储字的8位都集成在一块芯片内，这种存储器芯片为字结构，如Intel 2732ROM、Intel 6116RAM其存储容量分别为4K×8bit、2K×8bit；如果芯片中集成的是各存储字的同一位或几位，这种芯片则称为位结构芯片，如Intel 2614A RAM、Intel 2114 RAM 其存储容量分别为64K×1bit 和1K×4bit.与单译码方式比较，双译码寻址可减少输出选择线的数目。