组成原理(八)：存储系统之 半导体随机存储器和只读存储器

　　主存储器通常分为RAM和ROM两大部分。RAM可读可写，ROM只能读不能写。

1、RAM记忆单元电路

　　通常把存放一个二进制位的物理器称为记忆单元，它是存储器最基本构建，地址码相同的多个记忆单元构成一个存储单元。

　　记忆单元由各种材料制成，最常见的由MOS电路组成。RAM可分为静态RAM(Static Ram，SRAM)和动态RAM(Dynamic RAM，DRAM)两种。

1.1、6管记忆单元电路

  

　　SRAM记忆单元式用双稳态触发器来记忆信息的，T1 ~ T6构成了一个记忆单元的主体，能存放以为二进制信息。T1、T2管构成存储信息的双稳态触发器；T3、T4构成了门控电路，控制读写操作；T5、T6是T1和T2管的负荷管。

　　电路中有一条字线，用来选择这个记忆单元，两条位线用来传送读写信号。

　　假设：T1管截止，T2管导通(A=1、B=0)表示该记忆单元中存储的是 "1" 信息。T1导通，T2管截止(A=0、B=1)表示该记忆单元存储的是"0"信息。

　　字线为低电平时，该记忆单元未被选中，T3和T4管截止，触发器与位线隔开，原存信息不会改变，称为保持状态。

　　字线为高电平时，该记忆单元被选中，T3和T4管导通，可进行读写操作，左边位线I/O被称为 "1" 线，右边位线-I/O被称为 "0" 线。

　　读操作，因为T3、T4导通，相当于A点和B点分别与位线I/O和-I/O相连，若记忆单元原存"1"，则I/O线输出高电平，-I/O线输出低电平，完成读 "1" 操作。反之记忆单元存 "0"，则相反。

　　写操作，若写入"1"，则在I/O线上输入高电平，-I/O线上输入低电平，它们分别通过T3和T4管迫使T1管截止、T2管导通，该记忆单元内容成为 "1"，完成写 "1" 操作。

　　该记忆单元未被选中或读出时，电路处于双稳态触发器工作状态，由电源Vcc不断给T1、T2管供电，以保存信息。但若电源被切断，原来保存的信息会丢失，这就是半导体存储器的易失性。

　　SRAM的存取速度快，但集成度低，功耗大，一般用来组成高速缓冲存储器和小容量主存系统。

1.2、4管DRAM记忆单元电路

　　

　　负载回路断开后，保持状态时没有外加电源供电，因而 T1 和 T2不再构成双稳态触发器，所以动态MOS记忆单元是靠MOS电路中的栅极电容 C1 和 C2 来存储信息的。

预充管不在记忆单元电路中。

　　假定：C2上有电荷(高电平)，C1上无电荷(低电平)时，表示存储 "1" 信息；C2上无电荷(低电平)，C1上有电荷(高电平)时，表示存储 "0" 信息。

　　由于MOS管栅极的输入电阻很大，所以栅极泄露电流很小，即使没有负载管的供电，栅极电容上的电荷也能保存相当一段时间。但栅极电容上的电荷数数目有限，经过一段时间后仍然会使记忆单元中存储的信息丢失，因此，每隔一定的时间，必须向栅极电容补充一次电荷，该过程称为 "刷新"。

　　平时记忆单元处于保持状态，字线为低电平，原存的信息被存储在 T1 和 T2 管的栅极分布电容C 1 和 C2 上，栅极的泄露电流使存储信息能保留几毫秒。

　　写入时，字线为高电平，打开选通门 T3 和 T4。若写 "1"，在I/O线上输入高电平，-I/O线上输入低电平，使C2充电，C1放电；若写"0"，在I/O线上输入低电平，-I/O线上输入高电平，使C1充电，C2放电。

　　4管DRAM记忆单元的刷新过程也是对栅极电容 C1 和 C2 补充电荷的过程，因此刷新过程也是读出过程，只是这种读出的目的不是为了从I/O线或-I/O线上得到读出信息，而是为了对记忆单元进行刷新操作，常称作 "假读"。

　　DRAM集成度高，功耗小，存取速度慢，一般用来组成大容量主存系统。

 

2、动态RAM的刷新

 

2.1、刷新间隔

 

　　根据栅极电容上电荷的泄放速度决定刷新间隔，应在规定时间内，将全部存储体刷新一遍。

 

刷新	定时的，记忆单元长期未被访问，若不及时补充电荷，信息会丢失。 按存储体矩阵中一行为单位进行的。
重写	随机的，某个存储单元只有在被破坏后才需要重写。 按存储单元进行的。

 

2.2、刷新方式

 

　　常见的刷新方式：集中式、分散式和异步式3种。

 

集中式	在最大刷新间隔内，按照存储芯片容量的大小集中安排若干个刷新周期，刷新时停止读写操作。 读写操作时，不受刷新工作的影响，系统的存储速度较高； 在集中舒心期间必须停止读写，这段时间被称为 "死区"。
分散式	刷新操作分散到每个存取周期内进行。 存取周期分为两部分，前一部分时间进行读写操作或保持，后一部分时间进行刷新操作。 在一个系统存取周期内刷新存储矩阵中的一行。 无 "死区"， 但加长了系统的存取周期，且刷新过于频繁。
异步式	充分利用最大刷新间隔时间，把刷新操作平均分配到整个最大刷新间隔时间内进行

 

2.3、刷新控制

 

　　刷新控制电路：主要解决刷新和CPU访问存储器之间的矛盾。

 

　　当刷新请求和访存请求同时发生，先进行刷新操作。

 

DRAM刷新注意事项：

 

　　1、刷新对CPU是透明的，不依赖与外部的访问；

 

　　2、刷新是一行一行进行的，每一行中各记忆单元同时被刷新，所以刷新操作时仅需要行地址，不需要列地址；

 

　　3、刷新时不需要加片选信号，即整个存储器中的所有芯片同时被刷新；

 

　　4、因所有芯片同时被刷新，考虑刷新问题时，应当从单个芯片的存储容量着手。

3、半导体只读存储器

　　ROM最大的优点是具有非易失性，即使电源断电，ROM中存储的信息也不会丢失。

　　ROM工作时只能读出，不能写入，把向ROM写入的过程称为对ROM进行编程，根据编程方法不同，ROM分为以下几类：

掩膜式 MROM	由半导体制造厂在芯片生产过程中直接写入，写入后无法改变其内容
一次可编程 PROM	利用编程器写入自己的程序，一旦写入，内容无法改变
可擦除编程 EPROM	利用编程器写入自己的程序，可以对其内容进行多次改写