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第 5 章 半导体存储器

第 5 章 半导体存储器. 存储器是组成计算机系统的重要部件，它用来保存计算机工作所必须的程序和数据，并用来存放计算机在运行过程中产生的有用信息 存储器由具有记忆功能的两态物理器件组成，如电容、双稳态电路等 存储器有两种基本操作： 读操作和写操作. 5.1 半导体存储器分类. 按所处地位不同，分为： 内存和外存 内存： 存放当前运行所需要的程序和数据，以便向 CPU 快速提供信息，相对辅存而言，主存的存取速度快，但容量较小，且价格较高

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第 5 章 半导体存储器

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  1. 第5章半导体存储器 • 存储器是组成计算机系统的重要部件，它用来保存计算机工作所必须的程序和数据，并用来存放计算机在运行过程中产生的有用信息 • 存储器由具有记忆功能的两态物理器件组成，如电容、双稳态电路等 • 存储器有两种基本操作：读操作和写操作

  2. 5.1 半导体存储器分类 按所处地位不同，分为： • 内存和外存 • 内存：存放当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU快速提供信息，相对辅存而言，主存的存取速度快，但容量较小，且价格较高 • 外存：用来存放当前暂不参与运行的程序、数据和文件，以及一些永久性保存的程序、数据和文件，在CPU需要处理时再成批地与主存交换。特点是存储容量大，价格低，但存取速度较慢 按存储介质，分为： • 磁存储器（磁芯、磁盘及磁带）、半导体存储器（半导体集成电路存储器）、光存储器、激光光盘存储器 • 半导体存储器按工作方式分为RAM和ROM • 半导体存储器从器件原理分为TTL和MOS

  3. 半导体存储器分类

  4. TTL和MOS存储器 • TTL存储器：双极型存储器，是用TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）电路制成的存储器，其特点是工作速度快，功耗大，集成度低，因此计算机中的容量较小要求速度快的高速缓存（Cache）常采用双极型存储器。 • MOS存储器：单极型存储器，是用MOS（Medal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）电路制成的存储器，其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但工作速度比双极型存储器低。在计算机的主存中大量采用MOS存储器

  5. 随机访问存储器RAM • RAM：随机访问存储器（Random Access Memory），特点是存储器中的信息既能随时读出，也能随时写入，RAM中信息在关机后即消失 • RAM分为DRAM和SRAM两种 • SRAM：静态RAM （Static RAM），利用半导体触发器的两个稳定状态表示“1”和“0”。电源不关掉，SRAM的信息不会消失，不需刷新电路，非破坏性读出 • DRAM：动态RAM （Dynamic RAM），利用MOS管的栅极对其衬底间的分布电容保存信息，DRAM的每个存储单元所需MOS管较少，因此集成度高，功耗小，DRAM中的信息会因电容漏电而逐渐消失，破坏性读出，读后需重写 • DRAM信息的保存时间一般为2ms，需配置刷新或重写电路

  6. 只读存储器ROM • ROM：只读存储器（Read Only Memory），使用时只能读出其中信息，而不能写入新的信息。ROM中信息关机后不消失 • 按写入方式，ROM分为以下几种类型 • 掩膜ROM（Masked ROM）：生产时已将程序、数据写入其中，用户只能读出，不能修改 • PROM（Programmable ROM）：可编程ROM，PROM中的程序是由用户自行写入的，但一经写入就无法更改了，是一种一次性写入的ROM。 • EPROM（Erasable Programmable ROM）：可擦除可编程ROM，EPROM可由用户自行写入程序，写入后的内容可用紫外线灯照射来擦除，然后可重新写入内容。EPROM可多次改写 • E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）：电可擦除可编程ROM，可用电信号进行清除和重写的存储器。E2PROM使用方便，但存取速度较慢，价格较贵

  7. 存储器芯片的主要技术指标 • 存储容量：可寻址的存储器单元数×每单元二进制位数，例如，SRAM6264容量为8K×8，即它有8K个存储单元，每单元存储8位二进制数 • 存取时间：存储器访问时间，启动一次存储器操作到完成该操作所需要的时间 • 存取周期：连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间 • 可靠性：用故障间隔平均时间（MTBF）来表示 • 功耗：要求低功耗

  8. 5.2 读写存储器RAM • 静态RAM基本存储电路 • 6个MOS管组成双稳态电路 • T1截止T2导通为“0”， T1导通T2截止 为“1” • T1T2工作管，T3T4负载管，T5 T6T7T8控制管（其中T7T8共用） • 写入：X线Y线有效，使T5T6T7 T8导通，写控制有效，使单元数据线与外部数据线连通，靠T1T2的截止与导通记录信息 • 读出：X线Y线有效，使T5T6T7 T8导通，读控制有效，使单元数据线与外部数据线连通，从T2端读出信息

  9. 静态RAM芯片构成 • 三个部分组成： 存储体 行列译码器 控制电路

  10. 芯片实例SRAM 2114 • 容量1K × 4

  11. 芯片实例SRAM 6116 • 容量:2K×8 • 片内有16384个存储单元，排成128×128的矩阵，构成2K个字，11条地址线分成7条行地址线A4～A10，4条列地址线A0～A3，字长8位，有8条数据线D7～D0 • 双列直插式芯片 • 24个引脚

  12. 芯片实例SRAM 6264 • 容量：8K×8 • 双列直插式芯片 • 28个引脚，其中一个空引脚 • 内部结构类似SRAM 2114

  13. SRAM 6264 时序 写时序

  14. SRAM 6264 时序 读时序

  15. SRAM 6264 控制信号

  16. SRAM 接口设计 • 存贮器与CPU的接口应包括三部分内容： （1）与地址总线的接口 （2）与数据总线的接口 （3）与相应控制线的接口 • 存储器接口设计关键在于片选信号的连接 • 片选有三种设计方法： （1） 线性片选法 （2） 全地址译码 （3） 部分地址译码

  17. SRAM 接口设计逻辑门组合全地址译码 • 全地址译码分为两种：逻辑门组合法、译码器法 • 逻辑门组合法：依靠门电路对地址线进行组合，从而得到需要的地址范围 • 通常使用“与”、“或”、“非”、“与非”、“或非”等门电路

  18. SRAM 接口设计译码器全地址译码 • 使用译码器对高位地址线进行译码，全部地址线参加单元地址编码 • 通常使用的译码器有： 74LS138 74LS139

  19. SRAM 接口设计部分地址译码 • 使用译码器对部分地址线进行译码 • 通常使用的译码器有： 74LS138 74LS139

  20. SRAM 接口设计举例 • 例：用存储器芯片SRAM 6116构成一个4KB的存储器，要求其地址范围在78000H～78FFFH之间

  21. 用1024＊1组成1K RAM

  22. 用256＊4组成1K RAM

  23. 用2114组成 2K RAM

  24. 用2114组成 4K RAM …

  25. 具有RAM和ROM的系统 用8708（1024＊8位）组成 4K ROM 用2114（1024＊4位）组成 1K RAM 或非门

  26. 动态随机存储器DRAM • 动态RAM单元线路简单，以MOS管极间寄生电容来存储信息 • 由于漏电原因，电容器上的电荷一般会在几毫秒内泄漏掉。为此，必须定期给它们补充电荷，这就是动态RAM的刷新 • 动态RAM集成度高，引脚数目受到小型化封装的限制，往往较少，少量的地址线要分时做行地址和列地址用 • 动态RAM内部结构有两个特点：一是具有行地址锁存器和列地址锁存器，另一个是内部带有读出再生放大器，提高信号输出功率

  27. DRAM单管存储单元电路 • 由一个MOS管和一个电容组成 • 写入：行选择有效，T1导通，写入信息送上数据线，列选择有效，T2导通，信息写入存储电容C • 读出：与写入类似，行列选通，T1T2导通，C上的信息送上数据线

  28. DRAM芯片2164 • DRAM 2164，64K×1 • RAS：行地址锁存，兼作片选，对应低8位地址 • CAS：列地址锁存，对应高8位地址

  29. DRAM2164引脚及简化连接电路 • DRAM 2164，64K×1 • RAS：行地址锁存， 兼作片选，对应低8位 地址 • CAS：列地址锁存， 对应高8位地址 • LS158是2至1选择器，S＝0选A，S＝1选B • ADDSEL=0与RAS=0同时有效 • ADDSEL=1与CAS=0同时有效

  30. 存储器扩展技术位扩展（1） • 用4K×4位的SRAM芯片进行位扩展，以构成容量为4KB的存储器

  31. 存储器扩展技术位扩展（2） • 用8个2164构成容量为64KB的存储器

  32. 存储器扩展技术字位扩展 • 用DRAM2164构成容量为128KB的内存

  33. 5.3 只读存储器ROM • 掩模ROM的制作 • 掩模ROM的读出

  34. 复合译码结构的掩模ROM

  35. EPROM基本电路结构 • EPROM单元栅极浮空。 • 在制造好时，硅栅上没有电荷，管子内没有导电沟道，漏极（D）和源极（S）之间不导电。此时，存储矩阵输出全为1。 • 写入时，在D和S之间加电压25V，另加编程脉冲，使所选中单元D和S之间瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入到硅栅，当高压电源去除后，硅栅因浮空，致使注入的电子无处泄走，硅栅就为负，形成导电沟道，从而使EPROM单元导通，输出为0

  36. 芯片实例EPROM2716 • 容量：2K×8 • 双列直插式芯片 • 24个引脚 • 可擦除可编程的EPROM存储器

  37. 芯片实例EPROM2764 • 容量：8K×8 • 双列直插式芯片 • 28个引脚，其中一个空引脚 • 可擦除可编程的EPROM存储器 • 与SRAM 6264引脚兼容

  38. 芯片实例EPROM27128 • 容量：16K×8 • 双列直插式芯片 • 28个引脚 • 可擦除可编程的EPROM存储器

  39. Intel对EPROM编程的算法

  40. 芯片实例EEPROM2864 • 容量：8K×8 • 双列直插式芯片 • 28个引脚，其中一个空引脚 • 电可擦除可编程的EEPROM存储器 • 与SRAM 6264、EPROM 2764引脚兼容

  41. 第5章 结束 请同学们按教材后的习题 及时复习 吉林大学远程教育学院

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