數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：第7章_半導(dǎo)體存儲器

1、第七章第七章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器semiconductor memory存儲器存儲器的存儲媒介有多種，應(yīng)用范圍也非常廣泛的存儲媒介有多種，應(yīng)用范圍也非常廣泛軟磁盤磁帶硬盤內(nèi)存條光盤優(yōu)盤數(shù)碼相機(jī)用SM卡能存儲大量二值信息的器件能存儲大量二值信息的器件一、一般結(jié)構(gòu)形式一、一般結(jié)構(gòu)形式輸入輸入/ /出電路出電路I/O輸入輸入/ /出出控制控制半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器p 單元數(shù)龐大！輸入單元數(shù)龐大！輸入/ /輸出引腳數(shù)目有限輸出引腳數(shù)目有限! !p 集成度高、體積小、可靠性高、價格低、外集成度高、體積小、可靠性高、價格低、外圍電路簡單且易于接口、便于自動化批量生圍電路簡單且易于接口、便于自動化批

2、量生產(chǎn)。產(chǎn)。p 主要用于電子計(jì)算機(jī)和某些數(shù)字系統(tǒng)，作高主要用于電子計(jì)算機(jī)和某些數(shù)字系統(tǒng)，作高速緩沖存儲器、主存儲器、只讀存儲器、堆速緩沖存儲器、主存儲器、只讀存儲器、堆棧存儲器等；存放程序、數(shù)據(jù)、資料等。棧存儲器等；存放程序、數(shù)據(jù)、資料等。7.1 概述概述二、分類二、分類1、按存取方式分類：、按存取方式分類：只讀存儲器只讀存儲器(Read-Only-Memory）隨機(jī)讀隨機(jī)讀/寫寫（Random-Access-Memory）順序存取存儲器（順序存取存儲器（SAM）2、從制造工藝分類：、從制造工藝分類：雙極型雙極型 工作速度快、功耗大、價格較高工作速度快、功耗大、價格較高M(jìn)OS型型 集成度高、功

3、耗小、工藝簡單、價格低集成度高、功耗小、工藝簡單、價格低掩膜掩膜 ROM可編程可編程 ROM PROM可擦除的可編程可擦除的可編程ROM EPROM靜態(tài)靜態(tài) RAM SRAM動態(tài)動態(tài) RAM DRAM先入先出型先入先出型 FIFO先入后出型先入后出型 FILO存儲容量存儲容量存儲器包含基本存儲單元的存儲器包含基本存儲單元的總數(shù)?？倲?shù)。位（位（bit）：）：一一個基本存儲單元能存儲個基本存儲單元能存儲位位(Bit)的信息，即一個的信息，即一個0或一或一個個1字節(jié)（字節(jié)（Byte）：）：8個信息位組成個信息位組成計(jì)算機(jī)存儲量的基本單位是字節(jié)，用計(jì)算機(jī)存儲量的基本單位是字節(jié)，用B（Byte）表示）表

4、示計(jì)算一般用計(jì)算一般用KB、MB、GB作為存儲容量的計(jì)算單位作為存儲容量的計(jì)算單位字字存儲器的每個單元（存放若干位二進(jìn)制數(shù)）存儲器的每個單元（存放若干位二進(jìn)制數(shù)）存儲器的讀寫操作是以存儲器的讀寫操作是以字字為單位的，每一個字可包含多個為單位的，每一個字可包含多個位位地址地址每個單元賦予一個編號每個單元賦予一個編號三、半導(dǎo)體存儲器三、半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)例如：例如：字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)：102421K10字長：字長：每次可以讀每次可以讀( (寫寫) )二值碼的個數(shù)二值碼的個數(shù)總?cè)萘靠側(cè)萘縩條地址線條地址線有有 個單元（字）個單元（字）, 若每個單元字長若每個單元字長 m 位，位，則存儲器

5、容量為則存儲器容量為 位位n2n2M存儲器容量一般寫成存儲器容量一般寫成 字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)位數(shù)位數(shù) 的形式的形式容量容量1K8（位）（位）8192（位）（位）寫寫信息存入存儲器信息存入存儲器讀讀信息從存儲器取出信息從存儲器取出u容量：容量： 8 K8位芯片位芯片容量為能存儲容量為能存儲810248=65536 bit信息；信息；以字節(jié)（以字節(jié)（Byte）表示，上述芯片的存儲容量為）表示，上述芯片的存儲容量為8KB。 u地址：字節(jié)所處的物理空間位置是以地址標(biāo)識的。地址：字節(jié)所處的物理空間位置是以地址標(biāo)識的?？梢酝ㄟ^地址碼訪問某一字節(jié)，即一個字節(jié)對應(yīng)一個地址?？梢酝ㄟ^地址碼訪問某一字節(jié)，即一個字節(jié)對應(yīng)一個

6、地址。u對于對于16位地址線的微機(jī)系統(tǒng)來說，地址碼是由位地址線的微機(jī)系統(tǒng)來說，地址碼是由4位十六進(jìn)制數(shù)表示的。位十六進(jìn)制數(shù)表示的。16位地址線所能訪問的最大地址空間為位地址線所能訪問的最大地址空間為64K字節(jié)。字節(jié)。64K存儲空間的地址范圍是：存儲空間的地址范圍是：0000H0FFFFH，第第0個字節(jié)的地址：個字節(jié)的地址：0000H，第，第1個字節(jié)的地址：個字節(jié)的地址：0001H，第第65535個字節(jié)的地址：個字節(jié)的地址：0FFFFH。存取時間存取時間反映存儲器的工作速度，通常用讀反映存儲器的工作速度，通常用讀( (或?qū)懟驅(qū)? )周期來描述。周期來描述。三、半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)三、半導(dǎo)體

7、存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 存儲器的存取速度是用存取時間來衡量的，它是指存儲器從接收存儲器的存取速度是用存取時間來衡量的，它是指存儲器從接收CPU發(fā)來的有效地址到存儲器給出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定地出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上所發(fā)來的有效地址到存儲器給出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定地出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上所需要的時間。需要的時間。 存取速度對存取速度對CPU與存儲器的時間配合是至關(guān)重要的。如果存儲器與存儲器的時間配合是至關(guān)重要的。如果存儲器的存取速度太慢，與的存取速度太慢，與CPU不能匹配，則不能匹配，則CPU讀取的信息就可能有誤。讀取的信息就可能有誤。半導(dǎo)體存儲器分類圖半導(dǎo)體存儲器分類圖7.2 只讀存儲器（只讀存儲器（ROM，Read Only

8、Memory） ROM所存儲的信息在正常情況下只能讀取，不能隨意改變。所存儲的信息在正常情況下只能讀取，不能隨意改變。 其信息是在特殊條件下生成的，即使停電其信息也不會丟失。其信息是在特殊條件下生成的，即使停電其信息也不會丟失。 這種存儲器適用于存儲固定不變的程序和數(shù)據(jù)。這種存儲器適用于存儲固定不變的程序和數(shù)據(jù)。 ROM存儲器按工藝常分為掩膜存儲器按工藝常分為掩膜ROM、PROM和和EPROM等三類。等三類。7.2.1 掩模掩模ROM（Mask ROM）存儲存儲的信息是在掩膜工藝制造過程中固化進(jìn)去的，信息的信息是在掩膜工藝制造過程中固化進(jìn)去的，信息一旦固化不能修改一旦固化不能修改掩膜掩膜ROM

9、適合于大批量的定型產(chǎn)品，它具有工作可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)。適合于大批量的定型產(chǎn)品，它具有工作可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)。 一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、舉例二、舉例兩個概念：存儲矩陣的每個交叉點(diǎn)是一個“存儲單元”，存儲單元中有器件存入“1”，無器件存入“0”存儲器的容量：“字?jǐn)?shù) x 位數(shù)”掩模ROM的特點(diǎn)：出廠時已經(jīng)固定，不能更改，適合大量生產(chǎn)簡單，便宜，非易失性ROM的簡化表示方法 7.2.2 可編程只讀存儲器（可編程只讀存儲器（PROM，Programmable ROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同一樣，但存儲單元不同熔絲由易熔合金制成熔絲由易熔合金制成出廠時，每個結(jié)點(diǎn)上都有，編出廠時

10、，每個結(jié)點(diǎn)上都有，編程時將不用的熔斷！程時將不用的熔斷！是一次性編程，是一次性編程，不能改寫不能改寫寫入時，要使用編程器寫入時，要使用編程器7.2.3 可擦除的可編程可擦除的可編程ROM（EPROM，Erasable PROM） 可擦除、可改寫的可擦除、可改寫的PROM。用戶可根據(jù)需要對它進(jìn)行多次寫入和擦除。用戶可根據(jù)需要對它進(jìn)行多次寫入和擦除。每次寫入之前，一定要先擦除。每次寫入之前，一定要先擦除。按照信息擦除方法的不同，按照信息擦除方法的不同，EPROM又可分為又可分為紫外線擦除紫外線擦除的的EPROM和和電電擦除擦除的的E2PROM（EEPROM）。）。通常其內(nèi)容的擦除、寫入都用專門的工

11、具完成，操作比較簡單。通常其內(nèi)容的擦除、寫入都用專門的工具完成，操作比較簡單。一、用紫外線擦除的一、用紫外線擦除的PROM（UVEPROM）寫入寫入電路是專用的，通常不集成在計(jì)算設(shè)備電路是專用的，通常不集成在計(jì)算設(shè)備之中，通常之中，通常做成不常更新，而且是插做成不常更新，而且是插拔方式。拔方式。需要需要更新的更新的時候，放時候，放入專用的寫入設(shè)備入專用的寫入設(shè)備改寫。改寫。早期電腦早期電腦主板主板的的BIOS使用這種使用這種ROM。管疊柵注入MOSMOSInjuctiongateStackedSIMOS)(浮置柵控制柵:fcGGfcfcGGGG工作原理：若上充以負(fù)電荷，則處正常邏輯高電平下不導(dǎo)

12、通若上未充負(fù)電荷，則處正常邏輯高電平下導(dǎo)通2,20 25,25 ,50,20303cfDSVGVmsSiOG“寫入”：雪崩注入間加高壓（） 發(fā)生雪崩擊穿同時在上加寬的正脈沖， 吸引高速電子穿過到達(dá)形成注入電荷“擦除”：通過照射產(chǎn)生電子 空穴對，提供泄放通道紫外線照射分鐘（陽光下一周，熒光燈下 年）二、電可擦除的PROM（E2PROM, Electrically Erasable PROM） 與EPROM不同，E2PROM的擦寫用電路而不是紫外線完成。 擦寫的電壓比讀入電壓要高，通常在20V以上，擦寫速度也較EPROM快。 為克服UVEPROM擦除慢、操作不便的缺點(diǎn)采用Flotox（浮柵隧道氧化

13、層MOS管）“隧道效應(yīng)”電子會穿越隧道）當(dāng)場強(qiáng)達(dá)到一定大小（厚度之間有小的隧道區(qū)，與,/cmVmSiODGf7821010233fCCGGVTGVT工作原理：充電荷后，正常讀出電壓（ ）下， 截止未充電荷時，正常讀出電壓（ ）下， 導(dǎo)通fjCiGBmsVGW電子隧道區(qū)接的正脈沖，加充電：01020 ,上電荷經(jīng)隧道區(qū)放電加正脈沖，接放電：fjiCGBWG,0三、快閃存儲器（三、快閃存儲器（Flash Memory/ Flash EEPROM）目前最常見的可擦寫ROM，廣泛用于主板和顯卡聲卡網(wǎng)卡等擴(kuò)展卡的BIOS存儲上?，F(xiàn)在各種郵票尺寸的半導(dǎo)體存儲卡，包括CF(Compact Flash)，SM(

14、Smart Media), SD(Security Digital)，MMC(Multimedia Card)，Memory Stick, 以及FUJI新出的標(biāo)準(zhǔn)vCard，還有各種鑰匙鏈大小的USB移動硬盤、優(yōu)盤，內(nèi)部用的都是Flash ROM絕大多數(shù)PDA也用它來存儲操作系統(tǒng)和內(nèi)置程序，還有數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)，MD/MP3播放器內(nèi)部的Fireware（用于存儲DSP/ASIC程序）；與EEPROM相比，F(xiàn)lash ROM有寫入速度快，寫入電壓低的優(yōu)點(diǎn)。flash閃存是非易失存儲器，可以對存儲器單元塊塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情

15、況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。Flash Rom分為兩種，分為兩種，NAND和和NOR兩種的區(qū)別在于，前者像磁帶而后者像CD三、快閃存儲器結(jié)構(gòu)和工作原理 為提高集成度，省去T2（選通管） 改用疊柵MOS管（類似SIMOS管）210 15fifGS OnmGS與襯底間更薄()與 區(qū)有極小的重疊區(qū)隧道區(qū)601210fsscGDSVVGVus工作原理：向充電:利用雪崩注入方式，加正壓(),接加,的正脈沖0,12 ,100fcssfGGVVnsG放電:利用隧道效應(yīng)加的正脈沖上電荷經(jīng)隧道區(qū)放電7.3 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM（）在正常情況下，可以隨機(jī)寫入或讀出其信息的存儲器。數(shù)據(jù)讀出后，存儲

16、器內(nèi)的原數(shù)據(jù)不變；而新數(shù)據(jù)寫入后，原數(shù)據(jù)自然消失，并為新數(shù)據(jù)代替。停止向芯片供電后，它所保存的信息全部丟失，屬易失性存儲器。它主要用來存放臨時的程序和數(shù)據(jù)。 RAM按器件制造工藝不同又分為雙極型RAM和MOS RAM兩大類。7.3.1 靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAMStatic RAM）一、結(jié)構(gòu)與工作原理存儲的信息采用觸發(fā)器的兩個穩(wěn)定狀態(tài)來表示，在非掉電情況下不會丟失。 SRAM速度非?？?，是目前讀寫最快的存儲設(shè)備，但是它也非常昂貴。所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級緩沖，二級緩沖。7.3.1 靜態(tài)隨機(jī)存儲器（靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）一、結(jié)構(gòu)與工作原理一、結(jié)構(gòu)與工作原理二、二、SRAM

17、的存儲單元的存儲單元作存儲單元觸發(fā)器，為基本 RSTT41相通、與、導(dǎo)通，行中被選中，時，能在jjiBBQQTTX6511,單元與緩沖器相連列第行第導(dǎo)通，這時時，所在列被選中，jiTTYj871,，讀操作截止，與導(dǎo)通，則若時，當(dāng)OIQAAAWRSC32110,，寫操作導(dǎo)通，與截止，則若QOIAAAWR3210,六管N溝道增強(qiáng)型MOS管7.3.2* 動態(tài)隨機(jī)存儲器（動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAMDynamic RAM）動態(tài)存儲單元是利用MOS管柵極電容可以存儲電荷的原理，其存儲的信息經(jīng)過一定時間會自動丟失，工作中需要進(jìn)行定時刷新。 動態(tài)RAM的速度比SRAM慢，不過比任何ROM都要快。計(jì)算機(jī)內(nèi)存就是D

18、RAM的。FPRAM（FastPage RAM） 快頁內(nèi)存，以頁面方式讀取數(shù)據(jù)，比DRAM快，486上用過。 EDORAM（Extended Data Output RAM）比快頁內(nèi)存更快的一種讀取方式，廣泛見于486和早期Pentium時代的電腦，PC上使用的EDO RAM通常是72針腳單面的，現(xiàn)在還可以在比較老的一些電腦中找到它們。在PDA掌上電腦中，這種EDO內(nèi)存還在廣泛使用著。 SDRAM（Sychronous DRAM，同步內(nèi)存），同步內(nèi)存） 早期的PC內(nèi)存的時鐘和CPU外部時鐘不是同步的，這就會導(dǎo)致在每次讀寫數(shù)據(jù)的時候有個協(xié)同時間，效率不高，而SDRAM是可以和CPU的外部時鐘同步

19、運(yùn)行的，提高讀寫效率。Pentium到Pentium III時代一直是SDRAM主宰者PC，這種168pin雙面針腳的內(nèi)存條現(xiàn)在仍然普遍。在低端的顯示卡上也常常使用這種內(nèi)存，目前絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)均使用本種RAM。DDR RAM，DDR SDRAM（Double Date-Rate RAM） 這種改進(jìn)型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內(nèi)存，而且它有著成本優(yōu)勢，事實(shí)上擊敗了Intel的另外一種內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)Rambus DRAM。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來提高帶寬，這可以大幅度提高

20、3D加速卡的像素渲染能力。 RDRAM（Rambus DRAM）Intel公司的專利技術(shù)，和原來的內(nèi)存讀寫方式有很大不同，它使用了一種高速串行方式，對于連續(xù)讀寫的時候非常有利，不過在隨機(jī)讀寫的時候相對于DDR RAM的優(yōu)勢不明顯。而且成本高昂，沒有成為主流，只用在一些高檔的PIV電腦和服務(wù)器上。 VRAM（Video RAM） 這是一種雙端口的RAM，雙端口的好處是一端寫入的時候另一端還可以在讀出，最常見的應(yīng)用是用在顯卡上，一端可以寫入屏幕數(shù)據(jù)，另外一端由RAM DAC讀出并轉(zhuǎn)換成視頻信號輸出到顯示器上。對于使用高分辨率顯示器的平面設(shè)計(jì)者來說，顯卡上武裝高速的VRAM必不可少。VRAM成本很高

21、。 SGRAM 是一個SDRAM的改良型號，成本較低，但是可以以類似VRAM雙端口的方式工作。Matrox曾經(jīng)用它來武裝Mystique系列低端顯卡。 WRAM（Windows RAM） 是VRAM的一個簡化型號，Matrox曾經(jīng)用它來武裝Millennium系列高檔顯卡。DDR II：是由JEDEC（電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會）進(jìn)行開發(fā)的新生代內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它與上一代DDR內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最大的不同就是，雖然同是采用了在時鐘的上升、下降延同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞?，但DDR2內(nèi)存卻擁有兩倍于上一代DDR內(nèi)存預(yù)讀取能力（即：4bit數(shù)據(jù)讀預(yù)取）。DDR2內(nèi)存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù)，并且能夠以內(nèi)部控制總線4倍的速度運(yùn)行。7.4 存儲器容量的擴(kuò)展存儲器容量的擴(kuò)