第5章 半導(dǎo)體存儲器

1、第第5章章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器1存儲器實物圖存儲器實物圖 凡是對電腦有所了解的人都知道內(nèi)存在計算機中是一個很重要的部分，可是有不少的人對內(nèi)存的認識僅僅局限在SDRAM和DDR SDRAM這兩種類型，事實上，內(nèi)存的種類是非常多的， 如圖5-1所示就是微機中常用的存儲器。 （a） DRAM （b） SRAM （c）VRAM （d） DDR SDRAM （e）DDRII （f） DRDRAM （g）EPROM （h）EEPROM （i） Flash Memory圖5-1 微機常用的存儲器2（1）DRAM(Dynamic RAM, 動態(tài)隨機存取存儲器) 可讀可寫，需要利用存儲器控制電路按周期對存

2、儲器進行刷新（其實是對電容補充電荷），才能保證在上電期間數(shù)據(jù)不丟失，與SRAM比，存取速度較慢，成本較低，容量較大。 這是最普通的RAM，一個晶體管與一個電容器組成一個位存儲單元，DRAM將每個內(nèi)存位作為一個電荷保存在位存儲單元中，用電容的充放電來儲存信息，但因電容本身有漏電問題，因此必須每幾微秒就要刷新一次，否則數(shù)據(jù)會丟失。存取時間和放電時間一致，約為24ms。因為成本比較便宜，通常都用作計算機內(nèi)的主存儲器，如圖5-1（a）所示。（2）SRAM(Static RAM, 靜態(tài)隨機存取存儲器) 可讀可寫，利用靜態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，存取時間較短，但是成本較高，難以做到大容量。靜態(tài)，指的是內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)可

3、以長期保持。每6個晶體管組成一個位存儲單元，因為沒有電容器，因此無須不斷充電即可正常運作，因此它可以比一般的動態(tài)隨機處理內(nèi)存處理速度更快更穩(wěn)定，往往用來做高速緩存，常用的典型SRAM芯片有2114（1KB4位）、6116（2KB8位）、6264（8KB8位）、62128（16KB8位）、62256（32KB8位）、628128（128KB8位）等多種，如圖5-1（b）所示。（a） DRAM （b） SRAM 3（3）VRAM(Video RAM, 視頻內(nèi)存) 它的主要功能是將顯卡的視頻數(shù)據(jù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，有效降低繪圖顯示芯片的工作負擔(dān)。它采用雙數(shù)據(jù)口設(shè)計，其中一個數(shù)據(jù)口是并行式的數(shù)據(jù)輸出入

4、口，另一個是串行式的數(shù)據(jù)輸出口。多用于高級顯卡中的高檔內(nèi)存，如圖5-1（c）所示。（4）DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM, 雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率同步動態(tài)隨機存儲器) 作為SDRAM的換代產(chǎn)品，主要是利用時鐘脈沖的上升沿與下降沿傳輸數(shù)據(jù)，相當(dāng)于原來兩倍的頻率的工作效率。它具有兩大特點：其一，速度比SDRAM有一倍的提高；其二，采用了DLL(Delay Locked Loop：延時鎖定回路)提供一個數(shù)據(jù)濾波信號。這是目前內(nèi)存市場上的主流模式，如圖5-1（d）所示。（5）DDRII (Double Data Rate Synchronous DRAM, 第二代同步雙倍速率

5、動態(tài)隨機存取存儲器)DDRII可以看作是DDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一種升級和擴展：DDR的核心頻率與時鐘頻率相等，但數(shù)據(jù)頻率為時鐘頻率的兩倍，也就是說在一個時鐘周期內(nèi)必須傳輸兩次數(shù)據(jù)。而DDRII采用“4 bit Prefetch(4位預(yù)取)”機制，核心頻率僅為時鐘頻率的一半、時鐘頻率再為數(shù)據(jù)頻率的一半，這樣即使核心頻率還在200MHz，DDRII內(nèi)存的數(shù)據(jù)頻率也能達到800MHz，也就是所謂的DDRII 800。如圖5-1（e）所示。（c）VRAM （d） DDR SDRAM （e）DDRII 4（6）DRDRAM (Direct Rambus DRAM) 它是下一代的主流內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)之一，由Rambus

6、 公司所設(shè)計發(fā)展出來，是將所有的接腳都連結(jié)到一個共同的Bus，這樣不但可以減少控制器的體積，也可以增加資料傳送的效率。如圖5-1（f）所示。（7）EPROM(Erasable Programmable, 可擦可編程只讀存儲器) 這是一種具有可擦除功能，擦除后即可進行再編程的ROM內(nèi)存，寫入前必須先把里面的內(nèi)容用紫外線照射它的IC卡上的透明視窗的方式來擦除掉。這一類芯片比較容易識別，其封裝中包含有“石英玻璃窗”，一個編程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干膠紙蓋住， 以防止遭到陽光直射。如圖5-1（g）所示。（8）EEPROM(Electrically Erasable Progr

7、ammable, 電可擦可編程只讀存儲器) 功能與使用方式與EPROM一樣，不同之處是擦除數(shù)據(jù)的方式，它是以約20V的電壓來進行擦除的。另外它還可以用電信號進行數(shù)據(jù)寫入。這類ROM內(nèi)存多應(yīng)用于即插即用接口中。如圖5-1（h）所示。（9）Flash Memory(快閃存儲器) 這是一種可以直接在主機板上修改內(nèi)容而不需要將IC拔下的內(nèi)存，當(dāng)電源關(guān)掉后儲存在里面的數(shù)據(jù)并不會丟失，在寫入數(shù)據(jù)時必須先將原本的數(shù)據(jù)擦除掉，然后才能再寫入新的數(shù)據(jù)，缺點為寫入數(shù)據(jù)的速度太慢。目前單片機應(yīng)用領(lǐng)域用的較多，如圖5-1（i）所示。（f） DRDRAM （g）EPROM （h）EEPROM （i） Flash Mem

8、ory5存儲器的概述存儲器的概述 存儲器（存儲器（MemoryMemory）是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存）是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、放程序和數(shù)據(jù)。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外按用途存儲器

9、可分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存）。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存）。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程存指主板上的存儲部件，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)就會丟失。就會丟失。65.1.1 存儲器的分類存儲器的分類從不同的角度出發(fā)，存儲器有不同的分類方式：從不同的角度出發(fā)，存儲器有不同的分類方式： 1按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類2按在計算機中的作用分類按在計算機中的作用分類3按信息存取方式分類按信息存取

10、方式分類71按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類 根據(jù)存儲介質(zhì)的材料及器件的不同，可分為：根據(jù)存儲介質(zhì)的材料及器件的不同，可分為：v半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器v磁存儲器磁存儲器(磁帶、磁盤磁帶、磁盤)v光存儲器光存儲器82按在計算機中的作用分類按在計算機中的作用分類v主存儲器（簡稱為主存）主存儲器（簡稱為主存） 存放計算機當(dāng)前運行時所需要的程序和數(shù)據(jù)，直接存放計算機當(dāng)前運行時所需要的程序和數(shù)據(jù)，直接和和CPU發(fā)生聯(lián)系，故又稱為內(nèi)存儲器（簡稱為內(nèi)存）發(fā)生聯(lián)系，故又稱為內(nèi)存儲器（簡稱為內(nèi)存）v輔助存儲器（簡稱為輔存）輔助存儲器（簡稱為輔存） 存放當(dāng)前暫不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，以及一些需要存放當(dāng)前暫不參與運行

11、的程序和數(shù)據(jù)，以及一些需要永久性保存的信息永久性保存的信息,不直接和不直接和CPU發(fā)生聯(lián)系，故又稱發(fā)生聯(lián)系，故又稱為外存儲器（簡稱為外存）。為外存儲器（簡稱為外存）。93按信息存取方式分類按信息存取方式分類v（1）隨機存取存儲器（）隨機存取存儲器（RAM） 通過指令可以隨機地、個別地對存儲器中的各個通過指令可以隨機地、個別地對存儲器中的各個存儲單元進行讀寫操作，并且該操作所需的時間基存儲單元進行讀寫操作，并且該操作所需的時間基本上是一樣的。本上是一樣的。RAM中的信息在斷電后立即消失。中的信息在斷電后立即消失。v（2）只讀存儲器（）只讀存儲器（ROM） ROM中的信息是在芯片生產(chǎn)時預(yù)先寫入的，

12、用戶中的信息是在芯片生產(chǎn)時預(yù)先寫入的，用戶在使用時對其內(nèi)容只能讀出不能寫入，斷電后它的在使用時對其內(nèi)容只能讀出不能寫入，斷電后它的信息不會丟失。信息不會丟失。ROM通常用于存放固定不變的程通常用于存放固定不變的程序，以及各種常數(shù)、函數(shù)表等。序，以及各種常數(shù)、函數(shù)表等。10組成單元速度集成度應(yīng)用SRAM觸發(fā)器快低小容量系統(tǒng)DRAM極間電容慢高大容量系統(tǒng)NVRAM帶微型電池慢低小容量非易失115.1.2 存儲器的性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo)1存儲容量存儲容量 存儲容量是指存儲器可以儲存的二進制數(shù)的位數(shù)存儲容量是指存儲器可以儲存的二進制數(shù)的位數(shù)（bit），即：），即：存儲容量存儲容量=單元數(shù)單元數(shù)位數(shù)位

13、數(shù)。 由于微型機中的存儲器幾乎都是以字節(jié)（由于微型機中的存儲器幾乎都是以字節(jié)（Byte）進行編址，進行編址，CPU對存儲器的訪問主要也是按字節(jié)對存儲器的訪問主要也是按字節(jié)（多位同時）進行的，因此字節(jié)（多位同時）進行的，因此字節(jié)B是最常用的容量單是最常用的容量單位。對于大容量存儲器，則用位。對于大容量存儲器，則用KB（210字節(jié)）、字節(jié)）、MB（220字節(jié)）、字節(jié)）、GB（230字節(jié)）、字節(jié)）、TB（240字節(jié)）表示。字節(jié)）表示。 12 2存取速度存取速度 存取速度是反映存儲器工作速度的指標(biāo)，它存取速度是反映存儲器工作速度的指標(biāo)，它直接影響計算機主機的運行速度。存取速度常直接影響計算機主機的運行

14、速度。存取速度常用存儲器存取時間和存儲周期來表示。用存儲器存取時間和存儲周期來表示。v 存取時間存取時間：從啟動一次存儲器讀寫操作：從啟動一次存儲器讀寫操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。到完成該操作所經(jīng)歷的時間。v 存儲周期存儲周期：啟動兩次獨立的存儲器操作之：啟動兩次獨立的存儲器操作之間所需的最小時間間隔。間所需的最小時間間隔。 3可靠性可靠性 4功耗功耗 5集成度集成度135.2.1 RAM的分類的分類1415 1.16v每個存儲單元具有一個唯一的地址，可存儲1位（位片結(jié)構(gòu)）或多位（字片結(jié)構(gòu)）二進制數(shù)據(jù)v存儲容量與地址、數(shù)據(jù)線個數(shù)有關(guān)： 芯片的存儲容量芯片的存儲容量2MN 存儲單元數(shù)存儲單元數(shù)

15、存儲單元的位數(shù)存儲單元的位數(shù) M：芯片的地址線根數(shù) N：芯片的數(shù)據(jù)線根數(shù) 17181920212223243.片選和讀寫控制邏輯片選和讀寫控制邏輯v片選端CS*或CE*有效時，可以對該芯片進行讀寫操作v輸出OE*控制讀操作。有效時，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸出該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的讀控制線v寫WE*控制寫操作。有效時，數(shù)據(jù)進入芯片中該控制端對應(yīng)系統(tǒng)的寫控制線252627SRAM芯片21142829+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND1234567891011121314282726252423222120191817

16、1615v存儲容量為8K8v28個引腳：13根地址線A12A08根數(shù)據(jù)線D7D0片選CS1*讀寫WE*、OE*SRAM芯片626430半導(dǎo)體存儲器與半導(dǎo)體存儲器與CPU的連接的連接v這是本章的重點內(nèi)容vSRAM與CPU的連接v譯碼方法同樣適合I/O端口v存儲芯片的數(shù)據(jù)線v 存儲芯片的地址線v 存儲芯片的片選端v 存儲芯片的讀寫控制線31323334不同容量的存儲器所需要的片內(nèi)地址線根數(shù)不同不同容量的存儲器所需要的片內(nèi)地址線根數(shù)不同 存儲器的容量存儲器的容量2 其中：其中：為所需片內(nèi)地址線的根數(shù)為所需片內(nèi)地址線的根數(shù)如如：存儲器容量為：存儲器容量為1KB，需地址線，需地址線10根根（A9A0）

17、存儲器容量為存儲器容量為2KB，需地址線，需地址線11根（根（A10A0） 儲器容量為儲器容量為4KB，需地址線，需地址線12根（根（A11A0） 存儲器容量為存儲器容量為8KB，需地址線，需地址線13根（根（A12A0）353637383940414243444546（3）字位全擴展字位全擴展根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲芯片數(shù)；進行位擴展以滿足字長要求；進行字?jǐn)U展以滿足容量要求。若已有存儲芯片的容量為LK，要構(gòu)成容量為M N的存儲器，需要的芯片數(shù)為： （M / L） （N / K）474849505152535455565758596061622）63（3）64656667686970

18、7172DRAM芯片4116v存儲容量為存儲容量為 16K1v16個個引腳：引腳：7 根地址線根地址線A6A01 根數(shù)據(jù)輸入線根數(shù)據(jù)輸入線DIN1 根數(shù)據(jù)輸出線根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通行地址選通 -RAS列地址選通列地址選通 -CAS讀寫控制讀寫控制 -WEVBBDIN-WE-RASA0A2A1VDDVSS-CASDOUTA6A3A4A5VCC1234567816151413121110973DRAM芯片2164v存儲容量為存儲容量為 64K1v16個個引腳：引腳：8 根地址線根地址線A7A01 根數(shù)據(jù)輸入線根數(shù)據(jù)輸入線DIN1 根數(shù)據(jù)輸出線根數(shù)據(jù)輸出線DOUT行地址選通行地址選通 -R

19、AS列地址選通列地址選通 -CAS讀寫控制讀寫控制 -WENCDIN-WE-RASA0A2A1GNDVSS-CASDOUTA6A3A4A5A71234567816151413121110974757677可擦可編程只讀存儲器可擦可編程只讀存儲器EPROMv頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透頂部開有一個圓形的石英窗口，用于紫外線透過擦除原有信息過擦除原有信息v一般使用專門的編程器（燒寫器）進行編程一般使用專門的編程器（燒寫器）進行編程v編程后，應(yīng)該貼上不透光封條編程后，應(yīng)該貼上不透光封條v出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息出廠未編程前，每個基本存儲單元都是信息1v編程就是將某些單元寫入

20、信息編程就是將某些單元寫入信息078典型典型EPROM芯片介紹芯片介紹2716v存儲容量為存儲容量為2K8v24個個引腳：引腳：11根地址線根地址線A10A08根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線DO7DO0片選片選/編程編程CE*/PGM讀寫讀寫OE*編程電壓編程電壓VPPVDDA8A9VPPOE*A10CE*/PGMDO7DO6DO5DO4DO3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0DO0DO1DO2Vss79高集成度高集成度EPROM 除了常使用的除了常使用的EPROM 2764外，還常使用外，還常使用27128，27256，27512

21、等。由于工業(yè)控制算機的發(fā)展，迫切需等。由于工業(yè)控制算機的發(fā)展，迫切需用電子盤取代硬盤，常把用戶程序、操作系統(tǒng)固化在電用電子盤取代硬盤，常把用戶程序、操作系統(tǒng)固化在電子盤上，（子盤上，（ROMDISK），這時要用），這時要用27C010（128K8），），27C020（256K8），），27C040（512K8）大容量芯片。）大容量芯片。 80818283電可擦可編程存儲器 下面以下面以Intel 2816為例，說明為例，說明EEPROM的基本特點和工作方式的基本特點和工作方式。2816是容量為是容量為2K8的電擦除的電擦除PROM，它的邏輯符號如圖所示。，它的邏輯符號如圖所示。 芯片的管腳排列

22、芯片的管腳排列與與2716一致，只是一致，只是在管腳定義上，數(shù)據(jù)在管腳定義上，數(shù)據(jù)線管腳對線管腳對2816來說來說是雙向的，以適應(yīng)讀是雙向的，以適應(yīng)讀寫工作模式。寫工作模式。 28162816的邏輯符號的邏輯符號1. 28161. 2816的基本特點的基本特點842. 2817A EEPROM2. 2817A EEPROM2817A2817A引腳圖引腳圖v存儲容量為存儲容量為2K8v28個個引腳：引腳：11根地址線根地址線A10A08根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線I/O7I/O0片選片選CE*讀寫讀寫OE*、WE*狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出RDY/BUSY*85EEPROM芯片2864Av存儲容量為存儲容量為8K8v

23、28個個引腳：引腳：13根地址線根地址線A12A08根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線I/O7I/O0片選片選CE*讀寫讀寫OE*、WE*VccWE*NCA8A9A11OE*A10CE*I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0I/O1I/O2GND12345678910111213142827262524232221201918171615865. 快擦寫存儲器快擦寫存儲器v1. 整體擦除快擦寫存儲器整體擦除快擦寫存儲器v2. 對稱型塊結(jié)構(gòu)快擦寫存儲器對稱型塊結(jié)構(gòu)快擦寫存儲器v3. 帶自舉塊快擦寫存儲器帶自舉塊快擦寫存儲器8788895.4 內(nèi)存管理內(nèi)存管理5.

24、4.1 80X86系列系列CPU的工作模式的工作模式CPU數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線尋址范圍尋址范圍支持操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)80868位位20位位1MB實方式實方式8028616位位24位位16MB實、保護方式實、保護方式80386/80486/Pentium32位位32位位4096MB實、保護、實、保護、V86方式方式表表5-10 5-10 不同不同CPUCPU的尋址范圍的尋址范圍90919293945.4.2 內(nèi)存空間的管理內(nèi)存空間的管理 Intel 80X86系列系列CPU組成的組成的微機系統(tǒng)中的內(nèi)微機系統(tǒng)中的內(nèi)存空間如圖存空間如圖5.33所示。所示。 圖圖5.33 5.33 內(nèi)存

25、空間分布內(nèi)存空間分布951. 常規(guī)內(nèi)存 v常規(guī)內(nèi)存（常規(guī)內(nèi)存（Conventional Memory）在內(nèi)存分配表中占用）在內(nèi)存分配表中占用最前面的位置，從最前面的位置，從0KB到到640KB（地址（地址000000H109FFFFH），共占），共占640KB的容量。它在內(nèi)存的最前面并的容量。它在內(nèi)存的最前面并且在且在DOS可管理的內(nèi)存區(qū)，因此又稱之為可管理的內(nèi)存區(qū)，因此又稱之為Low Dos Memory（低（低DOS內(nèi)存），或基本內(nèi)存（內(nèi)存），或基本內(nèi)存（Base Memory），），使用此空間的程序有使用此空間的程序有BIOS操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、DOS操作系統(tǒng)、外操作系統(tǒng)、外圍設(shè)備的驅(qū)動

26、程序、中斷向量表、一些常駐的程序、空閑圍設(shè)備的驅(qū)動程序、中斷向量表、一些常駐的程序、空閑可用的內(nèi)存空間、以及一般的應(yīng)用軟件等都可在此空間執(zhí)可用的內(nèi)存空間、以及一般的應(yīng)用軟件等都可在此空間執(zhí)行。行。vMS-DOS可以控制和管理可以控制和管理1MB的內(nèi)存空間，常規(guī)內(nèi)存占了的內(nèi)存空間，常規(guī)內(nèi)存占了640KB，其他的，其他的384KB保留給保留給BIOS ROM及其他各種擴展及其他各種擴展卡使用。這卡使用。這640KB的常規(guī)內(nèi)存基本上分兩部分，一部分給的常規(guī)內(nèi)存基本上分兩部分，一部分給各種不同的操作系統(tǒng)程序使用，另一部分給數(shù)據(jù)、程序的各種不同的操作系統(tǒng)程序使用，另一部分給數(shù)據(jù)、程序的使用。使用。 962. 上位內(nèi)存 v上位內(nèi)存（上位內(nèi)存（Upper Memory Block，簡稱，簡稱UMB）是常規(guī)內(nèi)存上面一層的內(nèi)存（是常規(guī)內(nèi)存上面一層的內(nèi)存（640KB1024KB），），地址為地址為0A0000H0FFFFFH。v在運行很多大的軟件時，在運行很多大的軟件時，640K