半導(dǎo)體存儲器51371

教學(xué)內(nèi)容

本章在簡要介紹半導(dǎo)體存儲器的分類和基本存儲元電路的基礎(chǔ)上，重點介紹了常用的幾種典型存儲器芯片及其與CPU之間的連接與擴展問題，并簡要介紹了目前廣泛應(yīng)用的幾種新型存儲器。具體內(nèi)容如下：1、半導(dǎo)體存儲器的分類2、隨機讀寫存儲器3、只讀存儲器4、存儲器與CPU的連接5、新型存儲器簡介1學(xué)習(xí)要求

1、了解各種半導(dǎo)體存儲器的特點及應(yīng)用場合。2、了解隨機讀寫存儲器和只讀存儲器的結(jié)構(gòu)原理及工作特點。3、掌握存儲器芯片的位擴展和字擴展方法。特別應(yīng)注意掌握存儲器芯片與地址總線的連接問題。2第6章半導(dǎo)體存儲器6.1概述6.2隨機讀寫存儲器(RAM)6.3只讀存儲器(ROM)6.4存儲器的擴展6.5幾種新型存儲器簡介36.1概述6.1.1存儲器的分類存儲器是計算機用來存儲信息的部件。按存取速度和用途可把存儲器分為兩大類：內(nèi)存儲器和外存儲器。把通過系統(tǒng)總線直接與CPU相連、具有一定容量、存取速度快的存儲器稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存。內(nèi)存是計算機的重要組成部分，CPU可直接對它進行訪問，計算機要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)等都必須事先調(diào)入內(nèi)存后方可被CPU讀取并執(zhí)行。把通過接口電路與系統(tǒng)相連、存儲容量大而速度較慢的存儲器稱為外存儲器，簡稱外存，如硬盤、軟盤和光盤等。外存用來存放當前暫不被CPU處理的程序或數(shù)據(jù)，以及一些需要永久性保存的信息。4外存的容量很大，如CD–ROM光盤可達650?MB，硬盤則可達幾GB甚至幾十GB，而且容量還在不斷增加。通常將外存歸入計算機外部設(shè)備，外存中存放的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能被CPU使用。早期的內(nèi)存使用磁芯。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器集成度大大提高，成本迅速下降，存取速度大大加快，所以在微型計算機中，目前內(nèi)存一般都使用半導(dǎo)體存儲器。5圖6.1半導(dǎo)體存儲器的分類6.1.2半導(dǎo)體存儲器的分類6從應(yīng)用角度可將半導(dǎo)體存儲器分為兩大類：隨機讀寫存儲器RAM(RandomAccessMemory)和只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)。RAM是可讀、可寫的存儲器，CPU可以對RAM的內(nèi)容隨機地讀寫訪問，RAM中的信息斷電后即丟失。ROM的內(nèi)容只能隨機讀出而不能寫入，斷電后信息不會丟失，常用來存放不需要改變的信息(如某些系統(tǒng)程序)，信息一旦寫入就固定不變了。根據(jù)制造工藝的不同，隨機讀寫存儲器RAM主要有雙極型和MOS型兩類。雙極型存儲器具有存取速度快、集成度較低、功耗較大、成本較高等特點，適用于對速度要求較高的高速緩沖存儲器；MOS型存儲器具有集成度高、功耗低、價格便宜等特點，適用于內(nèi)存儲器。7MOS型存儲器按信息存放方式又可分為靜態(tài)RAM(StaticRAM，簡稱SRAM)和動態(tài)RAM(DynamicRAM，簡稱DRAM)。SRAM存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎(chǔ)，狀態(tài)穩(wěn)定，只要不掉電，信息不會丟失。其優(yōu)點是不需要刷新，控制電路簡單，但集成度較低，適用于不需要大存儲容量的計算機系統(tǒng)。DRAM存儲單元以電容為基礎(chǔ)，電路簡單，集成度高，但也存在問題，即電容中的電荷由于漏電會逐漸丟失，因此DRAM需要定時刷新，它適用于大存儲容量的計算機系統(tǒng)。8只讀存儲器ROM在使用過程中，只能讀出存儲的信息而不能用通常的方法將信息寫入存儲器。目前常見的有：掩膜式ROM，用戶不可對其編程，其內(nèi)容已由廠家設(shè)定好，不能更改；可編程ROM(ProgrammableROM，簡稱PROM)，用戶只能對其進行一次編程，寫入后不能更改；可擦除的PROM(ErasablePROM，簡稱EPROM)，其內(nèi)容可用紫外線擦除，用戶可對其進行多次編程；電擦除的PROM(ElectricallyErasablePROM，簡稱EEPROM或E2PROM)，能以字節(jié)為單位擦除和改寫。96.1.3半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標1．存儲容量

(1)用字數(shù)位數(shù)表示，以位為單位。常用來表示存儲芯片的容量，如1?K4位，表示該芯片有1?K個單元(1?K=1024)，每個存儲單元的長度為4位。(2)用字節(jié)數(shù)表示容量，以字節(jié)為單位，如128?B，表示該芯片有128個單元，每個存儲單元的長度為8位?，F(xiàn)代計算機存儲容量很大，常用KB、MB、GB和TB為單位表示存儲容量的大小。其中，1?KB＝210?B＝1024?B；1?MB＝220?B＝1024?KB；1?GB＝230?B＝l024?MB；1TB＝240?B＝1024GB。顯然，存儲容量越大，所能存儲的信息越多，計算機系統(tǒng)的功能便越強。102．存取時間存取時間是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。例如，讀出時間是指從CPU向存儲器發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內(nèi)容讀出為止所用的時間。顯然，存取時間越小，存取速度越快。113．存儲周期

連續(xù)啟動兩次獨立的存儲器操作(如連續(xù)兩次讀操作)所需要的最短間隔時間稱為存儲周期。它是衡量主存儲器工作速度的重要指標。一般情況下，存儲周期略大于存取時間。4．功耗

功耗反映了存儲器耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的程度。125．可靠性

可靠性一般指存儲器對外界電磁場及溫度等變化的抗干擾能力。存儲器的可靠性用平均故障間隔時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)來衡量。MTBF可以理解為兩次故障之間的平均時間間隔。MTBF越長，可靠性越高，存儲器正常工作能力越強。136．集成度集成度指在一塊存儲芯片內(nèi)能集成多少個基本存儲電路，每個基本存儲電路存放一位二進制信息，所以集成度常用位/片來表示。7．性能/價格比

性能/價格比(簡稱性價比)是衡量存儲器經(jīng)濟性能好壞的綜合指標，它關(guān)系到存儲器的實用價值。其中性能包括前述的各項指標，而價格是指存儲單元本身和外圍電路的總價格。146.1.4半導(dǎo)體存儲器芯片的基本結(jié)構(gòu)圖6.2半導(dǎo)體存儲器組成框圖151．存儲體存儲體是存儲器中存儲信息的部分，由大量的基本存儲電路組成。每個基本存儲電路存放一位二進制信息，這些基本存儲電路有規(guī)則地組織起來(一般為矩陣結(jié)構(gòu))就構(gòu)成了存儲體(存儲矩陣)。不同存取方式的芯片，采用的基本存儲電路也不相同。存儲體中，可以由N個基本存儲電路構(gòu)成一個并行存取N位二進制代碼的存儲單元(N的取值一般為1、4、8等)。為了便于信息的存取，給同一存儲體內(nèi)的每個存儲單元賦予一個惟一的編號，該編號就是存儲單元的地址。這樣，對于容量為2n個存儲單元的存儲體，需要n條地址線對其編址，若每個單元存放N位信息，則需要N條數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)，芯片的存儲容量就可以表示為2nN位。162．外圍電路外圍電路主要包括地址譯碼電路和由三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器、控制邏輯兩部分組成的讀/寫控制電路。1)地址譯碼電路存儲芯片中的地址譯碼電路對CPU從地址總線發(fā)來的n位地址信號進行譯碼，經(jīng)譯碼產(chǎn)生的選擇信號可以惟一地選中片內(nèi)某一存儲單元，在讀/寫控制電路的控制下可對該單元進行讀/寫操作。172)讀/寫控制電路讀/寫控制電路接收CPU發(fā)來的相關(guān)控制信號，以控制數(shù)據(jù)的輸入/輸出。三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器是數(shù)據(jù)輸入/輸出的通道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉Q于控制邏輯對三態(tài)門的控制。CPU發(fā)往存儲芯片的控制信號主要有讀/寫信號(R/W)、片選信號(CS)等。值得注意的是，不同性質(zhì)的半導(dǎo)體存儲芯片其外圍電路部分也各有不同，如在動態(tài)RAM中還要有預(yù)充、刷新等方面的控制電路，而對于ROM芯片在正常工作狀態(tài)下只有輸出控制邏輯等。183．地址譯碼方式芯片內(nèi)部的地址譯碼主要有兩種方式，即單譯碼方式和雙譯碼方式。單譯碼方式適用于小容量的存儲芯片，對于容量較大的存儲器芯片則應(yīng)采用雙譯碼方式。1)單譯碼方式單譯碼方式只用一個譯碼電路對所有地址信息進行譯碼，譯碼輸出的選擇線直接選中對應(yīng)的單元，如圖6.3所示。一根譯碼輸出選擇線對應(yīng)一個存儲單元，故在存儲容量較大、存儲單元較多的情況下，這種方法就不適用了。19圖6.3單譯碼方式20以一個簡單的16字4位的存儲芯片為例，如圖6.3所示。將所有基本存儲電路排成16行4列(圖中未詳細畫出)，每一行對應(yīng)一個字，每一列對應(yīng)其中的一位。每一行的選擇線和每一列的數(shù)據(jù)線是公共的。圖中，A0A34根地址線經(jīng)譯碼輸出16根選擇線，用于選擇16個單元。例如，當A3A2A1A0=0000，而片選信號為CS=0，WR=1時，將0號單元中的信息讀出。212)雙譯碼方式雙譯碼方式把n位地址線分成兩部分，分別進行譯碼，產(chǎn)生一組行選擇線X和一組列選擇線Y，每一根X線選中存儲矩陣中位于同一行的所有單元，每一根Y線選中存儲矩陣中位于同一列的所有單元，當某一單元的X線和Y線同時有效時，相應(yīng)的存儲單元被選中。圖6.4給出了一個容量為1K字(單元)1位的存儲芯片的雙譯碼電路。1K(1024)個基本存儲電路排成3232的矩陣，10根地址線分成A0~A4和A5~A9兩組。A0~A4經(jīng)X譯碼輸出32條行選擇線，A5~A9經(jīng)Y譯碼輸出32條列選擇線。行、列選擇線組合可以方便地找到1024個存儲單元中的任何一個。例如，當A4A3A2A1A0=00000，A9A8A7A6A5=00000時，第0號單元被選中，通過數(shù)據(jù)線I/O實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出。圖中，X和Y譯碼器的輸出線各有32根，總輸出線數(shù)僅為64根。若采用單譯碼方式，將有1024根譯碼輸出線。22圖6.4雙譯碼方式236.2隨機讀寫存儲器(RAM)6.2.1靜態(tài)RAM1.靜態(tài)RAM的基本存儲電路靜態(tài)RAM的基本存儲電路通常由6個MOS管組成，如圖6.5所示。電路中V1、V2為工作管，V3、V4為負載管，V5、V6為控制管。其中，由V1、V2、V3及V4管組成了雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，V1和V2的工作狀態(tài)始終為一個導(dǎo)通，另一個截止。V1截止、V2導(dǎo)通時，A點為高電平，B點為低電平；V1導(dǎo)通、V2截止時，A點為低電平，B點為高電平。所以，可用A點電平的高低來表示“0”和“1”兩種信息。24圖6.5六管靜態(tài)RAM存儲電路25V7、V8管為列選通管，配合V5、V6兩個行選通管，可使該基本存儲電路用于雙譯碼電路。當行線X和列線Y都為高電平時，該基本存儲電路被選中，V5、V6、V7、V8管都導(dǎo)通，于是A、B兩點與I/O、I/O分別連通，從而可以進行讀/寫操作。寫操作時，如果要寫入“1”，則在I/O線上加上高電平，在I/O線上加上低電平，并通過導(dǎo)通的V5、V6、V7、V8?4個晶體管，把高、低電平分別加在A、B點，即A=“1”，B=“0”，使V1管截止，V2管導(dǎo)通。當輸入信號和地址選擇信號(即行、列選通信號)消失以后，V5、V6、V7、V8管都截止，V1和V2管就保持被強迫寫入的狀態(tài)不變，從而將“1”寫入存儲電路。此時，各種干擾信號不能進入V1和V2管。所以，只要不掉電，寫入的信息不會丟失。寫入“0”的操作與其類似，只是在I/O線上加上低電平，在I/O線上加上高電平。26讀操作時，若該基本存儲電路被選中，則V5、V6、V7、V8管均導(dǎo)通，于是A、B兩點與位線D和D相連，存儲的信息被送到I/O與I/O線上。讀出信息后，原存儲信息不會被改變。由于靜態(tài)RAM的基本存儲電路中管子數(shù)目較多，故集成度較低。此外，T1和T2管始終有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，使得靜態(tài)RAM的功耗比較大。但是靜態(tài)RAM不需要刷新電路，所以簡化了外圍電路。272．Intel2114SRAM芯片Intel2114SRAM芯片的容量為1K4位，18腳封裝，+5V電源，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及芯片引腳圖和邏輯符號分別如圖6.6和6.7所示。由于1K4＝4096，所以Intel2114SRAM芯片有4096個基本存儲電路，將4096個基本存儲電路排成64行64列的存儲矩陣，每根列選擇線同時連接4位列線，對應(yīng)于并行的4位(位于同一行的4位應(yīng)作為同一單元的內(nèi)容被同時選中)，從而構(gòu)成了64行16列=1K個存儲單元，每個單元有4位。1K個存儲單元應(yīng)有A0A910個地址輸入端，2114片內(nèi)地址譯碼采用雙譯碼方式，A3A86根用于行地址譯碼輸入，經(jīng)行譯碼產(chǎn)生64根行選擇線，A0、A1、A2和A94根用于列地址譯碼輸入，經(jīng)過列譯碼產(chǎn)生16根列選擇線。28圖6.6Intel2114內(nèi)部結(jié)構(gòu)29圖6.7Intel2114引腳及邏輯符號(a)引腳；(b)邏輯符號30地址輸入線A0A9送來的地址信號分別送到行、列地址譯碼器，經(jīng)譯碼后選中一個存儲單元(有4個存儲位)。當片選信號CS＝0且WE＝0時，數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門打開，I/O電路對被選中單元的4位進行寫入；當CS＝0且WE＝1時，數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門關(guān)閉，而數(shù)據(jù)輸出三態(tài)門打開，I/O電路將被選中單元的4位信息讀出送數(shù)據(jù)線；當CS＝1即CS無效時，不論WE為何種狀態(tài)，各三態(tài)門均為高阻狀態(tài)，芯片不工作。316.2.2動態(tài)RAM1．動態(tài)RAM的基本存儲電路動態(tài)存儲器和靜態(tài)存儲器不同，動態(tài)RAM的基本存儲電路利用電容存儲電荷的原理來保存信息，由于電容上的電荷會逐漸泄漏，因而對動態(tài)RAM必須定時進行刷新，使泄漏的電荷得到補充。動態(tài)RAM的基本存儲電路主要有六管、四管、三管和單管等幾種形式，在這里我們介紹四管和單管動態(tài)RAM基本存儲電路。321)四管動態(tài)RAM基本存儲電路圖6.5所示的六管靜態(tài)RAM基本存儲電路依靠Vl和V2管來存儲信息，電源VCC通過V3、V4管向V1、V2管補充電荷，所以Vl和V2管上存儲的信息可以保持不變。實際上，由于MOS管的柵極電阻很高，泄漏電流很小，即使去掉V3、V4管和電源VCC，Vl和V2管柵極上的電荷也能維持一定的時間，于是可以由V1、V2、V5、V6構(gòu)成四管動態(tài)RAM基本存儲電路，如圖6.8所示。33圖6.8四管動態(tài)RAM存儲電路34電路中，V5、V6、V7、V8管仍為控制管，當行選擇線X和列選擇線Y都為高電平時，該基本存儲電路被選中，V5、V6、V7、V8管都導(dǎo)通，則A、B點與位線D、D分別相連，再通過V7、V8管與外部數(shù)據(jù)線I/O、I/O相通，可以進行讀/寫操作。同時，在列選擇線上還接有兩個公共的預(yù)充管V9和V10。寫操作時，如果要寫入“1”，則在I/O線上加上高電平，在I/O線上加上低電平，并通過導(dǎo)通的V5、V6、V7、V84個晶體管，把高、低電平分別加在A、B點，將信息存儲在V1和V2管柵極電容上。行、列選通信號消失以后，V5、V6截止，靠V1、V2管柵極電容的存儲作用，在一定時間內(nèi)可保留所寫入的信息。35讀操作時，先給出預(yù)充信號使V9、V10導(dǎo)通，由電源對電容CD和CD進行預(yù)充電，使它們達到電源電壓。行、列選擇線上為高電平，使V5、V6、V7、V8導(dǎo)通，存儲在V1和V2上的信息經(jīng)A、B點向I/O、I/O線輸出。若原來的信息為“1”，即電容C2上存有電荷，V2導(dǎo)通，V1截止，則電容CD上的預(yù)充電荷通過V6經(jīng)V2泄漏，于是，I/O線輸出0，I/O線輸出1。同時，電容CD上的電荷通過V5向C2補充電荷，所以，讀出過程也是刷新的過程。362)單管動態(tài)RAM基本存儲電路單管動態(tài)RAM基本存儲電路只有一個電容和一個MOS管，是最簡單的存儲元件結(jié)構(gòu)，如圖6.9所示。在這樣一個基本存儲電路中，存放的信息到底是“1”還是“0”，取決于電容中有沒有電荷。在保持狀態(tài)下，行選擇線為低電平，V管截止，使電容C基本沒有放電回路(當然還有一定的泄漏)，其上的電荷可暫存數(shù)毫秒或者維持無電荷的“0”狀態(tài)。37383)動態(tài)RAM的刷新動態(tài)RAM是利用電容C上充積的電荷來存儲信息的。當電容C有電荷時，為邏輯“1”，沒有電荷時，為邏輯“0”。但由于任何電容都存在漏電，因此，當電容C存有電荷時，過一段時間由于電容的放電過程導(dǎo)致電荷流失，信息也就丟失。因此，需要周期性地對電容進行充電，以補充泄漏的電荷，通常把這種補充電荷的過程叫刷新或再生。隨著器件工作溫度的增高，放電速度會變快。刷新時間間隔一般要求在1~100ms。工作溫度為70℃時，典型的刷新時間間隔為2ms，因此2ms內(nèi)必須對存儲的信息刷新一遍。盡管對各個基本存儲電路在讀出或?qū)懭霑r都進行了刷新，但對存儲器中各單元的訪問具有隨機性，無法保證一個存儲器中的每一個存儲